四女寺枢纽北进洪闸除险加固中钻孔灌注桩设计与施工

田晓旭，魏玉涛

（1.山东农业大学，山东 泰安 271001；2.漳卫南运河管理局防汛机动抢险队，山东 德州 253009）

1 工程概况

漳卫南运河四女寺枢纽北进洪闸共12孔，本次除险加固建设内容为中间8孔闸室拆除重建、边4孔闸室保留，上部结构拆除重建，两岸控制楼拆除后以原功能、原标准进行建设。因控制楼基础为地下连续空箱结构，安全鉴定时无法进行检测，故初步设计方案不拆除控制楼基础[1]。根据工程建设程序，施工阶段对控制楼基础混凝土进行了检测，控制楼基础空箱为素混凝土结构，拱顶局部塌陷、墙身存在贯通裂缝；对空箱混凝土结构复核计算表明现有空箱不满足地震工况下安全系数要求；按照地震动峰值加速度分区值0.10 g复核，边4孔闸室稳定性不满足要求，需要对控制楼基础重新设计并拆除重建。

2 控制楼方案选定

控制楼基础主要作用为承担控制楼传递下来的荷载和减小边墩侧向土压力。重新设计的控制楼基础首先要满足边4孔闸室稳定的要求，其次是承担控制楼传递下来的荷载。控制楼的高和矮直接影响边孔闸室稳定和基础下地基承载力，所以在进行控制楼基础方案选定之前首先要选定高控制楼方案或是矮控制楼方案。

高控制楼方案采用4层建筑，建筑高度为16.39 m，比中间启闭机房高5.44 m；矮控制楼方案为3层建筑，建筑高度为14.19 m，比中间启闭机房高3.24 m。2个方案的相同点是首层至2层布置完全相同；不同之处在于高控制楼方案比矮控制楼方案高1层，高控制楼方案中第3层只是为了增加控制楼高度设置的1个夹层。

依据控制楼上部建筑物荷载、土荷载和自重荷载，分别对2个控制楼基础方案进行了有限元分析，其中上部建筑物荷载根据地震工况计算轴向力最大、弯矩最大和剪力最大3种情况。根据有限元计算结果，高控制楼方案弯矩、剪力最大工况下地基竖直方向最大应力均小于地基承载力120 kPa的1.2倍；在轴力最大工况下，由图1可知，地基压应力大于120 kPa部分出现在上游部位，面积约占总面积的1/5，地基竖向应力大于120 kPa部位深度超过3 m，最大压应力218.4 kPa，超出地基承载力近1.2倍，不满足建筑地基规范的要求。矮控制楼方案轴力、弯矩、剪力最大工况下地基竖直方向最大应力均小于地基承载力120 kPa的1.2倍。

图1 轴力最大工况下竖直方向应力分布

从基础结构承载力、投资及周边建筑协调性综合分析比较发现，四女寺北进洪闸两岸控制楼方案选择矮控制楼方案。

3 控制楼基础方案选定

根据选定的控制楼方案，结合边孔闸室稳定和边墩应力分析计算要求，拟定控制楼空箱基础为2种方案，即筏板基础和桩基础+筏板基础。

3.1 筏板基础

边墩外侧的控制楼基础沿边墩侧壁布置整体空箱结构，空箱底板高程为19.06 m，比原设计底板高程低2.80 m。空箱底板长22.0 m，宽7.3 m，厚0.60 m。桩号闸0+000.00—0+003.25段空箱顶高程为26.36 m，墙顶采用现浇混凝土板，板厚0.40 m。桩号闸0+003.25—0+012.75为竖井结构，上游侧井内尺寸为4.45 m×4.50 m，下游侧井内尺寸为3.25 m×4.50 m，井顶高程为27.75 m。桩号闸0+012.75—0+022.00段空箱顶高程为26.86 m，墙顶为现浇混凝土板，板厚0.40 m。

3.2 桩基础+筏板基础

桩基础分为预制桩和灌注桩。若采用预制混凝土桩，需要采用静力压桩机施工，压桩机设备尺寸约为6.0 m×9.0 m，但北进洪闸北侧施工场地狭小，施工组织困难。同时，四女寺北进洪闸控制楼距离边墩很近，且静力压桩机设备本身重量大，施工过程中预制桩对边墩产生的震动偏大。因此，结合现场实际情况，经综合比较，桩基础采用混凝土灌注桩。

为节省投资，边墩外侧的控制楼基础从上游至下游分块布置，上游侧控制楼基础采用桩基础，下游侧空箱采用筏板基础。桩号闸0+000.00—0+003.25段为矮挡墙，边墙厚0.60 m、高3.60 m，墙顶采用现浇混凝土板，板厚0.30 m。桩号闸0+003.25—0+013.15为竖井结构，上游侧井内尺寸为4.45 m×4.50 m，下游侧井内尺寸为3.25 m×4.50 m，竖井基础底板顶高程为22.46 m，井顶高程为27.75 m。桩号闸0+000.00—0+013.25基础采用混凝土灌注桩，桩长23.0 m，垂直水流向3排，上下游方向布置5排，共15根灌注桩。桩号闸0+013.15—0+022.00挡墙为空箱结构，底板厚0.50 m，顺水流长8.85 m、宽7.0 m。

3.3 控制楼基础方案对比分析

2个方案中筏板基础投资大于桩基础，采用桩基础边孔抗滑稳定的安全余度大于筏板基础。经过分析论证，为了提高边孔闸室的抗滑稳定，两岸控制楼基础采用桩基础方案。两岸控制楼基础方案对比，详见表1。

表1 两岸控制楼基础方案对比

4 灌注桩设计

两岸控制楼基础分成两部分，上游侧为控制楼基础，下游侧为减载空箱。控制楼基础采用桩基础，共设置15根灌注桩，混凝土强度等级为C35抗硫酸盐混凝土，上部荷载全部由桩承担，只进行桩基计算，不进行稳定计算。

按照《建筑桩基技术规范》进行了桩基计算，全部荷载由桩承担，大直径单桩竖向极限承载力标准值Quk[2]计算公式为：

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值（kPa）；Qsk为单桩总极限侧阻力标准值（kPa）；Qpk为单桩总极限端阻力标准值（kPa）；u为桩身周长（m）；ϕsi为大直径桩侧阻尺寸效应系数；ϕp为大直径桩端阻尺寸效应系数；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（kPa）；qpk为桩的极限端阻力标准值（kPa）；lsi为桩穿越第i层土的厚度（m）；Ap为桩身横截面面积（m2）。

单桩水平承载力允许值Rha计算公式为：

式中：Rha为单桩水平承载力允许值（kN）；EI为桩身抗弯刚度（kN·m2）；χoa为桩顶允许水平位移（mm）；νx为桩顶水平位移系数；α为桩的水平变形系数（1/m）。

取Q4alⅢ层粉砂土作为钻孔灌注桩桩端持力层，单桩竖向极限承载力标准值Quk=2 479.40 kN，单桩竖向承载力特征值Ra=1 239.70 kN，单桩水平承载力特征值Rha=127.30 kN。根据单桩计算成果，混凝土灌注桩长23.20 m，桩径0.8 m，桩底高程-1.39 m。桩身混凝土强度C35，单桩竖向抗压承载力极限值为2 460 kN，设计单桩水平承载力极限值为175 kN（桩顶水平位移≤10 mm）。灌注桩共设置15根，垂直水流向3排，上下游方向布置5排，由上至下间距分别为2.50、2.80、2.80、3.25 m。正常工况单桩承载力最大值为1 330 kN，小于1 487.64 kN；地震工况单桩承载力最大值为1 404 kN，小于1 859.55 kN。左岸1#和6#、右岸6#和12#为试验桩。

5 钻孔灌注桩施工

5.1 混凝土拆除

临近边墩侧的预制混凝土拱圈、立墙和混凝土底板采用人工拆除，离边墩1.0 m以外的混凝土拆除采用液压振动锤。拆除后的混凝土运至德州市建筑垃圾处理中心。土方回填采用一般常规方法施工。

5.2 基坑支护

南侧在边墩外侧有兄弟干渠箱涵，混凝土灌注桩施工前对其进行拆除封堵。拆除过程中采用拉森钢板桩支护，钢板桩支护范围沿兄弟干渠走向布设，上游侧宽4.0 m，顺水流向长14.0 m，下游侧宽4.0 m。本工程选用拉森钢板桩，单根长度12 m，入土深7.50 m，外露4.50 m，有效宽度0.40 m。

5.3 灌注桩施工

灌注桩钻孔采用循环回转法施工，因桩间距小于4倍桩径，以隔桩成孔，成孔设备最小作业面不小于1.5 m，施工自进口远端自内向外进行。

（1）施工准备。施工前组织参建各方进行图纸会审并形成会审记录，根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放及处理等要素确定钻孔机具及工艺，制定作业计划和劳动力组织计划，落实机械设备、工具、材料供应，根据施工图纸对桩进行编号、定位放线，明确施工顺序。

（2）钢筋笼制作、安装。钢筋笼的主筋采用机械连接，不设弯钩，主筋与箍筋焊成钢筋笼骨架，钢筋笼分段制作采用机械式接头。钢筋笼安放时对准孔位，入孔全过程保持垂直，防止产生弯曲变形，并设保护层垫块，遇阻时不得强行下放，避免碰撞孔壁和自由下落，就位后立即固定。

（3）泥浆制备。选择膨润土制备泥浆，清孔过程中不断置换泥浆，直到灌注混凝土。灌注混凝土前，孔底500 mm以内的泥浆相对密度小于1.25，含砂率不大于8%，黏度不大于28 s。

（4）钻孔。桩长23.2 m，同时满足桩端进入持力层（粉砂层）不小于1.6 m。本工程采用反循环工艺成孔、清孔，孔口护筒中心与桩中心的偏差不得大于50 mm，护筒内径大于钻头直径100 mm，上部开设1个溢浆孔，护筒埋深不小于1.0 m，下端外侧用黏土填实。钻孔灌注桩施工前选择2孔进行试成孔，成孔质量良好，地质资料与工程地质报告资料相符，钻孔设备满足要求，工艺流程合理。施工时应认真做好土层对比工作，确保桩端进入持力层深度满足设计要求，成孔后加设套管，防止桩孔塌方或施工过程中对边墩产生不利影响。桩径允许偏差为±50 mm、垂直度允许偏差为1%，边桩桩位允许偏差不大于100 mm，中间桩桩位允许偏差不大于150 mm。

（5）混凝土灌注。灌注混凝土前应进行2次清孔，清孔后的平均沉淤厚度≤50 mm，在测得孔位、孔径、垂直度、孔深、回淤厚度和泥浆密度符合规定后立即灌注混凝土并同步做好每一项工序的原始检查记录。开始灌注混凝土时，导管底部至孔底的距离为300～500 mm，随着混凝土面上升，控制提拔导管速度，导管埋入混凝土的深度控制在2～6 m，严禁将导管提出混凝土灌注面。灌注混凝土必须连续施工，每根桩的灌注时间按初盘混凝土的初凝时间控制。浇筑混凝土高度在桩顶设计标高以上大于桩身长度的5%且不应小于1 m，确保桩顶设计标高处的混凝土强度达到设计要求。钻孔灌注桩施工时的充盈系数不得小于1.0，也不得大于1.3。

5.4 注意事项

（1）钢板桩施工采用振动桩锤打设钢板桩，距离边墩1.0 m内不要打钢板桩。

（2）由于边墩外侧控制楼基础是减少边墩土压力的措施，大型施工机械不要直接靠近边墩，施工过程中要密切关注边墩的变化。

（3）每根桩施工过程应有完整记录，安排专人测量导管埋深及管外混凝土灌注面的高差，填写混凝土灌注记录。

（4）灌注桩施工现场所有设备、设施、安全装置、工具配件及个人劳保用品必须经常检查，确保完好和使用安全。

（5）检查成孔质量合格后尽快灌注混凝土。钻机在钻进过程中发生斜孔、塌孔和护筒周围冒浆、失稳等现象时，应立即停钻，待采取相应措施后再进行钻进。

6 质量检查

灌注桩混凝土龄期达到28 d后对试验桩进行了高应变检测和单桩水平静载试验，对全部灌注桩进行了低应变检测[3]。

（1）单桩水平静载试验。左岸1#和6#、右岸6#和12#试验桩的单桩水平承载力175 kN时，力作用点位移分别为9.89、8.25、8.65、9.12 mm，由此判定此次所测4根水平试验桩单桩水平承载力极限值均满足设计要求。

（2）低应变检测。通过低应变检测，判定该工程所检测的30根桩中，Ⅰ类桩（桩身完整）29根，Ⅱ类桩（桩身有轻微缺陷、不会影响桩身结构承载力的正常发挥）1根，表明桩身完整性满足设计要求。

（3）高应变检测。左岸1#和6#、右岸6#和12#试验桩的单桩竖向抗压承载力极限值分别为2 499、2 570、2 508、2 561 kN，表明该工程所测承载力均满足设计要求。

7 结语

四女寺枢纽北进洪闸两岸控制楼基础为地下连续空箱挡墙结构，安全鉴定时无法进行检测；施工阶段对其检测并进行了复核计算，发现现有控制楼基础不满足建筑结构基础规范要求，故对控制楼基础进行了重新设计并拆除重建。通过方案比选，选择采用灌注桩基础，两岸控制楼基础拆除重建保证了控制楼及边4孔闸室稳定和边墩的结构安全。