长螺旋钻孔灌注桩在水利工程中的应用*
2021-04-07薛炎彬羊樟发叶昊阳
邓 渊,薛炎彬,羊樟发,叶昊阳
(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)
长螺旋钻孔压灌(灌注)桩是一种新型的成桩施工技术,具有针对性强、成桩速度快、不受地下水位限制、单桩承载力高、施工时无需泥浆护壁、桩身混凝土强度高、缩短工期、降低成本和施工环保等优点[1-5]。该方法已被广泛应用于工程领域,如彭生江等[6]从施工工艺、质量评价和设计计算等方面进行总结,介绍了螺旋钻孔压灌桩在输变电工程中的应用;倪晓荣等[7]介绍长螺旋钻孔二次压灌混凝土成桩工艺在砂卵石地层中的应用;刘砚鹏等[8]将长螺旋钻孔压灌桩应用在水运工程中,并提出该方法具有技术可行、质量稳定及经济效益和环境效益显著等优点;祝国梁等[9]以桩基工程为例,介绍了长螺旋钻孔灌注桩的施工工艺与关键工序。
本文以北支江综合整治项目——上游水闸、船闸工程为例,研究此技术在水利工程中的应用,并提出适合该工程的施工参数等,可为类似工程提供借鉴和参考。
1 工程概况
北支江上游水闸、船闸工程主要包括新建上游水闸、船闸及堤防工程等。水闸由上游钢筋混凝土铺盖、闸室、下游钢筋混凝土护坦组成。左岸与防护堤相接,右岸与船闸上闸首相邻。闸室段为水闸工程的主体,闸室为平底开敞式结构,由闸底板、闸墩、工作闸门等组成。水闸共3孔,每孔净宽60.0m,闸底板顺水流方向长30.0m,闸室总宽225.0m(不含船闸),闸墩顶高程为6.700m。采用底轴驱动式翻板闸门,尺寸为60.0m×4.9m(宽×高),最大挡水高程6.000m。
根据选定闸址的枢纽总体布置,通航建筑物为一线单级船闸,布置在枢纽右岸,左邻泄洪建筑物,右毗岸边侧与亲水平台相接。船闸主要建筑物包括上闸首、下闸首、闸室、上游引航道和下游引航道5部分,根据船闸规模、等级和过闸方式等要求,船闸主体建筑物及上、下游引航道总长346.0m。
2 工程地质和水文气象条件
2.1 工程地质
根据勘探揭露的地层情况,上游闸线基岩为燕山期入侵的花岗闪长岩,埋深达30~46m,左侧埋深浅、右侧深。
水闸基础底板埋置高程约为-4.900m,水闸主体结构底板以下大部分以②2粉细砂层为主,局部存在⑤1淤泥质粉质黏土层,其工程性能极差,不宜直接作为水闸主体结构天然地基持力层。主体结构底板以下存在软弱下卧层,建议主体结构位置采用桩基础。结构底板以下有⑥2圆砾层局部分布,厚度2.30~7.50m,局部夹有黏性土、粉土含量较高孔段,其下夹有厚层的⑥夹粉质黏土,⑥3中砂层厚度不大,将⑥4卵石层作为桩基持力层,若上述土层不能满足承载力要求,可采用⑦3中风化花岗闪长岩层作为桩基持力层。但该层埋深较深,虽是桩基良好的持力层,但施工难度较大,需穿越上部厚度达15m以上的圆砾、卵石层。
2.2 水文气象条件
工程区域位于钱塘江流域,属亚热带季风气候区,季风显著,四季分明。多年平均气温16.1℃,极端最高气温44.2℃,极端最低气温-14.4℃。多年平均降水量1 479.3mm,年内呈明显季节性变化,70%左右的雨量集中在3—9月。
3 试桩设计和结果
3.1 试桩设计
根据现场实际情况,长螺旋钻孔灌注桩桩基进场组装在水闸2号孔闸室区域,该段区域较平坦,故试桩采取就近原则,在水闸2号孔进行试桩,试桩桩位编号2-t5,2-v5,如图1所示。
图1 试桩桩位平面布置
试桩采取跳桩形式。工艺性试桩共取2根,试桩时记录各施工参数及施工情况。
1)2-t5号桩施工参数 不埋设护筒,钻进速度2.0m/min,提升速度1.8m/min。
2)2-v5号桩施工参数 埋设护筒,钻进速度2.3m/min,提升速度2.3m/min。
3.2 试桩结果
现场试桩均严格按《长螺旋钻孔灌注桩工艺性试桩方案》执行。试桩施工过程中主要质量检验内容有施工原始记录、混凝土坍落度、桩数、桩位偏差、桩顶标高、钢筋笼质量、桩体抗压强度、主要异常情况等,检查结果如表1所示。
表1 试桩检查结果
长螺旋钻孔灌注桩一阶段试桩完毕,待桩体达到一定强度后,对其进行开挖检查。本次低应变检测施工现场暂不具备开挖凿至设计桩顶条件,因地下水丰富,不采取深度开挖凿除桩头进行完整性检测,均在施工桩顶高程上进行检测,Ⅱ类桩2-t5,检测桩顶高程0.500m,设计桩顶高程-4.800m,检测桩长23m,设计桩长17.7m。检测结果显示,在桩顶0.5m以下4.5m(高程-4.000m)处存在轻微缺陷,该处为桩头超灌部位采用素混凝土,不属于设计桩长段。开挖检查结果:2-t5号桩桩身直径为87cm,2-v5号桩直径为80cm,均符合设计要求,桩身外观质量较好,如图2所示。
图2 试桩开挖检查结果
本次试桩设计桩长段完整性检测均无缺陷或轻微缺陷,灌注桩试桩完整性检测情况较好,故确定指导性施工参数为:钻进速度2.3m/min,提升速度2.0m/min。
4 施工关键技术
4.1 施工工艺流程
长螺旋钻孔灌注桩施工工艺流程如图3所示。
图3 长螺旋钻孔灌注桩施工工艺流程
4.2 施工要点
1)定位放样
根据设计桩位平面位置图用全站仪定出灌注桩桩位。施工前先平整施工场地,按基线控制网及设计坐标,用全站仪精确放出桩位,然后用钢尺复核桩位间几何关系,经测量人员和测量监理工程师复核无误后,放出桩基十字线方向的护桩。
2)钢护筒埋设
护筒埋设位置应与桩位相吻合,桩位采用全站仪极坐标法定位,并用十字线确定护筒的埋设位置。
3)成孔
本工程地质条件为软土地基,考虑高大设备施工作业安全,桩基施工范围内30m全部采用2cm厚钢板进行铺设,保证桩机就位时平稳、牢固,确保在施工中不发生倾斜或移位。钻进前对钻头的水平度和垂直度进行核查,确保桩垂直误差<0.5%。同时,检查钻头底部阀门,确保能开闭自如,成孔阶段应保证阀门密闭。开孔时速度要缓慢,待钻机无较大晃动后,加快钻进速度,钻进速度按2.3m/min进行控制。钻进时应注意电流变化,当超出电动机额定电流时,应及时停钻排土,直至电流恢复正常。成孔深度应达到设计要求。
4)钢筋笼制作
钢筋笼现场制作,每个钢筋笼宜分节制作,外形尺寸及焊缝符合设计要求及规范规定,主筋间距允许偏差±10mm,箍筋间距允许偏差±20mm,钢筋笼直径允许偏差±10mm,钢筋笼保护层允许偏差±20mm,主筋焊接时,同一截面钢筋接头不得多于主筋总根数的50%,接头错位距离应>35d(d为钢筋直径),且≥50cm。主筋焊缝长度单面焊为10d。钢筋笼制作长度及安装深度允许偏差为±50mm,吊点位置用5cm短钢筋焊接加强,钢筋笼制作完成且验收合格后,方可进入下一工序。
5)灌注混凝土
当钻机钻孔达到要求深度后,停止钻进,同时启动混凝土输送泵向钻具内输送混凝土,待混凝土输送到钻具底端将钻具缓慢上提0.1~0.3m,以观察混凝土输送泵压力有无变化,判断钻头底部阀门是否已经打开。输送混凝土顺畅后,方可开始灌注成桩,严禁先提管后泵料。提升速度要与泵送速度相适应,根据试桩结果,提升速度≤2.0m/min。灌注成桩过程中提钻与输送混凝土应自始至终密切配合,钻具底端出料口不得高于孔内混凝土液面,应始终保持在混凝土面1m以下,防止缩径、断桩等质量事故发生。为确保桩身质量,桩身混凝土应超灌至设计打桩平台高程(1.500m),钻头提至孔口时,应适当埋入一定深度,确保桩头部位的桩径达到设计要求。
浇筑前先进行室内试验确定混凝土配合比,采用C30水下灌注混凝土,现场施工时按SL 176—2007《水利水电工程施工质量检验与评定规程》及SL 677—2014《水工混凝土施工规范》的相关要求制作留置混凝土试块,以备进行混凝土试块统计评定。
混凝土由自建拌合系统拌制,由混凝土搅拌车运输至混凝土输送泵,混凝土输送泵管布置宜减少弯道,泵与钻机距离宜≤60cm。
为保证浇灌质量,防止“掉渣”造成夹泥、断桩,采取增加充盈系数、超灌至孔口的方法,在底板施工前再凿至设计顶高程。
6)下钢筋笼
混凝土灌注后,清除孔口周围泥土,将钢筋笼用副卷扬机吊起直立于孔口,为满足钢筋笼吊运不变形的要求,钢筋笼吊点位置应严格选取,必要时应在吊点位置绑上扁担。吊放钢筋笼入孔时,对准孔位,吊直扶稳,避免碰撞孔壁。先利用钢筋笼自重下至一定深度,再采用插筋器下钢筋笼到设计深度。
7)桩头保护及渣土处理
灌注完毕的桩顶立即采用渣土覆盖,防止雨水冲刷、日晒干裂。钻机成孔过程中,采用PC220挖掘机将渣土及时翻至工作面以外,倒运至临时堆土场进行晾晒,定期进行翻晒,加快固化。晾晒后运至场外指定弃渣场。
5 结语
以北支江综合整治项目——上游水闸、船闸工程为例,介绍了长螺旋钻孔灌注桩在水利工程中的应用,得出以下结论。
1)在施工参数为钻进速度2.3m/min、提升速度2.0m/min的情况下,试桩设计桩长段完整性检测均无缺陷或轻微缺陷,灌注桩试桩完整性检测情况较好。这说明在此钻进速度和提升速度等施工参数下,长螺旋钻孔灌注桩在水利工程中应用效果较好,可为类似工程提供参考。
2)如出现塑性高的黏性土层,则采用钻具回转泵送混凝土法,即在泵送混凝土的同时使钻具在提拉下正向回转,使挤压在阀门的泥松动脱落,从而在泵压下打开阀门。
3)保证钻头在混凝土内埋深始终控制在2m以上,保证带压提钻,如邻桩间距<5d(d为桩径),则需采用隔桩跳打法。
4)为保证浇灌质量,防止“掉渣”造成夹泥、断桩,可适当增加充盈系数,将混凝土压灌至设计打桩地坪孔口。
5)为避免出现桩头不完整,需保证超灌至设计打桩平台高程。