桥梁钻孔桩混凝土超灌量预警装置工法探索与应用

周发贵

（中国水利水电建设集团有限公司第五工程局，四川成都 610000）

桥梁钻孔桩混凝土超灌量预警装置工法探索与应用

周发贵

（中国水利水电建设集团有限公司第五工程局，四川成都 610000）

铁路客运专线或者是高速铁路建设施工中，桥梁施工比例已是非常大，而铁路桥梁基础均为群桩基础，钻孔桩的施工规模较大，其桩顶质量控制、成本控制凸显了项目管理活动中的重大意义。采用有别于传统控制手段的工艺工法，利用直观、方便、易于操作的钻孔桩混凝土超灌量预警控制装置，有效确保了钻孔桩桩顶质量，最大限度地控制了成本流失，较好地创造经济效益和社会效益。

混凝土超灌量 架立固定挂钩 限位套筒 活动预警主杆件 托盘

钻孔灌注桩可穿越各种土质复杂或软硬变化较大的土层，对地基进行加固处理。其施工环节较多，技术要求高，工艺较复杂，需在较短时间内快速完成水下灌注混凝土隐蔽工程的灌注，无法对质量进行直观控制。因此其人为因素影响较大，稍有疏忽，很容易出现质量弊病，其中以常见的桩顶超灌通病现象尤为明显，同时为了避免桩顶混凝土大量地超灌混凝土造成了成本的大量投入，效益的大量流失。我们通过长期的实践施工总结，多次的实验改进，成功地运用于现场，改变了传统的控制手段，利用了直观、方便、易于操作的钻孔桩混凝土超灌量预警控制装置，有效确保了钻孔桩桩顶质量，最大限度地控制了成本流失，提高了功效，创造经济效益和社会效益。具有较高实用价值和应用推广意义。

本课题研究的桩基混凝土超浇预警装置，利用木板加钢管制作，施工时放入孔内，钢管上设置挂钩挂于钢护筒上，当浇筑至设定高程，自动上浮，达到自动预警目的。以上内容，在国内文献中未见相同报道。摘自中华人民共和国科学技术部河北省科学技术情报研究院《科技查新报告》 报告编号：201513b1500118a，查新完成日期：2015年3月2日。

1 项目背景

图1 钻孔桩混凝土超灌量预警装置总装示意图

1.1 项目重要意义

石济铁路客运专线省际客运大通道是国家规划“四纵四横”快速铁路网的重要组成部分，是国家重点建设项目。它的建成，还将使石家庄成为客运专线的“十字路口”。这条沟通京广客运专线和京沪高速铁路的客运大通道，将大大增强石家庄的铁路枢纽地位，石家庄到北京、太原、郑州、济南等大城市的时间，都将控制在一小时左右，“一小时时空”离石家庄越来越近。

1.2 项目特点

石济铁路客运专线全线建设高速特大桥26座，全长302.5公里，普速特大桥两座825米，框架结构桥11座，长7.67公里，涵洞75座长3160米，桥梁长度约占正线全长的80.9%，桥梁钻孔桩施工规模很大。

2 工况简介

新建石家庄至济南铁路客运专线工程SJZ-2标段线路位于河北省境内，起点位于晋州市，向东南方向延伸，至辛集市，设置辛集南站，标段起始里程为：DK51+213.36～DK79+555.99，正线长度共28342.63m其中路基长度2004.49m，桥梁26338.14m，桥梁施工占线路长度的93%，桩基础施工7028根，规模较大。水下混凝土灌注桩的质量控制、成本控制既是重点又是难点，尤其是桩顶混凝土超灌量的控制是不可小视的关键环节之一。

3 钻孔桩顶超灌量控制

钻孔桩桩顶质量和桩顶混凝土超灌量的控制与混凝土超灌量的成因、成孔工艺和灌注工艺的选用和出露桩头混合物的形成，三大方面密闭可分有着直接的关系。为了保证桩基顶部混凝土质量，规范要求水下混凝土灌注需超灌0.5-1m，该部分混凝土需在承台施工前凿除至桩顶设计标高。传统的施工方法，是利用测绳测量混凝土灌注顶面的高度，然后推算出混凝土灌注标高。由于混凝土顶面以上存在较厚的泥浆和混凝土浮浆，所以准确测量的难度比较大。为了能保证桩顶质量，一般都选择超灌。桩基数量较多时，超灌过多就会造成极大的浪费。所以为了确保钻孔桩桩顶质量、有效节约成本，准确有效地控制混凝土超灌高度，就显得尤为重要。

4 钻孔桩混凝土超灌量预警装置工法的探索与应用

钻孔桩混凝土超灌量预警装置总装示意图如图1所示。

4.1 钻孔桩混凝土超灌量预警装置的工作原理

预警装置是由架立固定杆件部分和活动预警杆件两大部分组成。超灌量预警装置是采用架立固定杆件装置部分把整个装置固定在护筒上，架立稳定在孔内；利用活动预警杆件部分在混凝土的向上顶托力作用下底托盘牵引着其连接的活动预警杆件在限位套筒内向上移动，从而判断混凝土到达了预控超灌标高位置。

4.2 超灌预警装置的制作与组装

钻孔桩水下混凝土灌注桩头混凝土超灌量预警装置由架立固定挂钩、架立限位套筒、活动预警杆件、底托盘和顶托盘五部分组成。预警装置架立固定杆件部分各部尺寸、材料选择为，架立固定挂钩由钢板和20cm长φ16钢筋焊接而成；架立限位套筒为直径20mm的钢管，长度50cm，顶托盘材料采用木质圆形1.0cm后，直径3cm制作。

架立固定挂钩与架立限位套筒焊接连接；架立限位套筒与活动预警杆件采用活动套接，杆件穿过套筒，利用杆件上端托盘使其架立在限位套筒内，利用顶端托盘的调节螺帽锁定杆件长度；活动预警杆件与底托盘之间的连接通过螺母连接固定。活动预警杆件的自由调节长度通过顶托盘调节螺帽锁定固定实现，以便适应不同设计桩顶标高的桩基。

4.3 超灌预警装置的设计原理

4.3.1 超灌预警装置总重量的确定

超灌预警装置的工作状态在桩基灌注过程中主要受介质比重和灌注混凝土上泛冲击力的影响。设计超灌预警装置确定活动预警杆件装置部分的总重量及各部材料选择是关键之一。

钻孔桩桩顶泥浆、初灌混凝土等混合物的比重ɑ=（1.1泥浆比重+混凝土比重θ值）÷2=1.8g/cm3；活动预警装置单位面积比重β=（预警主杆件重量+底托盘重量+上下托盘锁定固定螺帽重量）÷底托盘体积。通过互联网络询查，φ16钢筋的密度为7.85g/ cm3，木板平均密度为0.54g/cm3，水下混凝土灌注时的泥浆密度不大于1.1g/cm3，混凝土比重θ值为2.5g/cm3，π值取3.14，M10螺帽11.6g/个。

β值设计验证计算：⑴活动预警杆件重量（0.5）2*π*200* 7.85=1232.45g；⑵下端托盘重量（15）2*π*1*0.54=381.51g；（3）上下托盘锁定固定螺帽总量11.6*2=23.2g；⑷活动预警主杆件装置总重量⑴+⑵+⑶=1637.16g；⑸活动预警装置β=⑷÷ （15）2*π*1=2.32/cm3。

通过以上设计计算验证θ＞β＞＞ɑ！活动预警杆件装置β值远远大于孔内桩顶混合物ɑ值，能沉陷于混合物中并且不会受灌注冲击上泛作用力而上浮。同时，活动预警杆件装置β值略小于混凝土的θ值，说明预警装置在水下混凝土灌注过程中不会沉陷于混凝土中并且受混凝土上泛冲击力作用下完全能够上浮。

4.3.2 超灌预警装置底盘面积的确定

超灌预警装置的工作状态在桩基灌注过程中还受底托盘形状和面积大小影响。设计超浇预警装置底托盘的面积大小和一定形式的形状是关键之二。超灌预警装置安放在孔内时，为确保装置顺利上浮，必须防止装置与钢筋笼、导管相互之间的粘着钩挂现象的出现，导致预警失效。圆形设计不仅能满足受力还能满足其在孔内与导管和钢筋笼的最小接触面，有效防止粘着钩挂现象产生。底托盘面积确定与孔内介质比重、混凝土比重、活动预警杆件重量有密切关系。

综上设计计算验证活动预警装置杆件部分各部材料、尺寸确定为：活动预警杆件为φ10钢筋2m长制作；底托盘采用木质圆形材料直径30cm，厚度1.0cm制作；上下固定锁定螺帽型号M10。

4.4 超灌预警装置的施工应用

根据设计桩顶标高和混凝土超灌标高与护筒顶部的标高来活动预警杆件需要自护筒顶伸入孔内的长度。准确定位底托盘在孔内位于混凝土超灌量上顶面的位置，利用活动预警杆件上部托盘螺帽调节锁定固定活动预警杆件的长度。在桩基混凝土浇筑后期把超灌预警装置安放至导管与钢筋笼之间；利用装置上的架立固定挂钩将超灌预警装置固定在护筒上；利用限位套筒架立稳定放入孔内的超灌活动预警杆件装置；观察超灌预警装置的活动预警杆件明显上升时，即表示混凝土已经灌注至预控标高，立即停止灌注。

5 经济效益

桥梁钻孔桩施工中，为了保证钻孔桩质量，在桩顶必须有一定的混凝土超灌量，钻孔桩施工规模越大，就此造成的效益流失越大。我们探索应用的桥梁钻孔桩混凝土超灌量预警控制装置在实际使用过程中很好地体现出了直观、简单、准确和方便易行的良好优越性。既很好的保证了工程产品的质量又避免了浪费，提高了功效，节约了成本，创造了效益。石济铁路客运专线SJZ-2标桥梁钻孔桩7028根，每根按照节约桩头超灌混凝土0.7立方米计算，节约混凝土4919.6立方米，每方混凝土按照330元/方，节约直接成本费用162.3万元。开源节流的成本控制、效益创造取得较为明显的成果。

6 社会效益

桥梁钻孔桩混凝土超灌量预警控制装置，在加工制作上的简单快捷、可循环利用性；在现场使用上的直观、准确、易于掌握和操作；在质量控制上的方便可控；在成本和效益上的优越性等等方面都表现出了极大的实用价值，同时伴随着钻孔桩施工规模的越大，它的应用价值越为明显突出，具有较高推广应用价值。桥梁钻孔桩混凝土超灌量预警控制装置的推广和应用对于同行业内钻孔桩的施工质量控制和成本管理上都具有重要意义和深远影响。

［1］新建铁路石家庄至济南铁路客运专线，第六篇，施工图，编写：李战胜.铁道第三勘察设计院集团有限公司，2013（10）.

［2］中华人民共和国行业标准.铁建设［2010］241号高速铁路桥涵工程施工技术指南，中国铁道出版社，2013.

［3］中华人民共和国行业标准.TB10752-2010 J1148-2011高速铁路桥涵工程施工质量验收标准，2011.

［4］靳宏博.中华人民共和国科学技术部河北省科学技术情报研究院《科技查新报告》报告编号：201513b1500118a，查新完成日期：2015 年3月2日.

周发贵（1972—），男，四川西昌人，长期从事铁路、公路、市政等大型工程的施工项目管理，高级工程师，项目总工程师。