摘 要 以濟陽黃河大橋施工為例,根據本工程的特點,重點介紹了施工便橋及水中工作平臺的搭設,黃河水文地質情況下的鋼護筒埋設,鉆孔及混凝土澆注以及相應的質量控制。
關鍵詞 超長鉆孔樁 水下混凝土 成孔工藝
中圖分類號 U443. 154 文獻標識碼 B 文章編號 1009 4539 (2007) 02 0039 04
濟陽黃河大橋,全橋長1 165. 56 m,橋面全寬21m。黃河大橋主橋采用四塔單索面部分斜拉橋,塔梁固結體系;基礎采用直徑1. 8 m深長鉆孔灌注樁施工。
主橋4號、5號墩位于河床深水區,每個墩各有23根樁,呈梅花形布置,樁長100 m。根據地質勘察報告以及試樁成孔的資料顯示,樁基所涉及的地層(由上而下)情況見表1。
2 工程難點
(1)每年6、7 月份,黃河小浪底要進行一次調水調砂。沖刷河底積砂。根據往年資料,本橋址處水位上升2. 2 m左右,水量流速3 500 m3 / s,汛期洪水對橋址影響顯著。作為深水基礎樁基,在設計棧橋及樁基施工平臺、埋設護筒時要充分進行考慮。
(2)由于樁基孔深,又在黃河淤積層上,因而施工難度大,存在縮徑的可能。在長護筒的放置(垂直度和測量定位)方面難度很大。由于單樁混凝土量大,對樁孔的混凝土灌筑質量控制及混凝土供應系統的配置都是很大的難題。
(3)工期緊。根據整體施工計劃,為確保工程質量,加快施工進度,經過方案比選和可操作性研究,優化設計后確定采用搭設水中鉆孔工作平臺施工方案進行水中鉆孔樁施工。施工時選用打樁船插打鋼管定位樁,在定位樁上利用工字鋼和拆裝梁安裝施工平臺,再插打鋼護筒,在工作平臺上鉆孔,灌筑水下混凝土樁基。
3 施工工藝
樁基采用反循環泥漿護壁回旋鉆進成孔,孔深100 m,鋼筋籠長度60 m,分節制作鋼筋籠,鋼筋籠的連接設計為焊接,為了縮短鋼筋籠的連接時間,經試驗及征得設計同意,采用鋼套筒連接、吊裝入孔、導管法灌筑混凝土成樁的施工方法。整個工藝分為成孔和成樁2部分,成孔部分包括回轉鉆進成孔,泥漿護壁及一次清孔,成樁部分包括鋼筋籠制作、吊裝,導管安放,二次清孔,混凝土灌筑。由于本工程的鉆孔深度達100 m,直徑為1. 8 m,且底部砂層較厚,在鉆進過程中要保證孔壁穩定與及時排渣。因此適宜采用反循環鉆孔方式,采用氣舉反循環鉆進對穩固孔壁、及時排渣非常有利,因為孔壁不會受潮流沖刷,而孔內泥漿的靜水頭壓力,具有支撐孔壁的作用。同時利用鉆頭底部的吸渣口,可高效率排出底渣,排渣徹底。
4 施工技術
4. 1 施工準備
(1)棧橋、鉆孔平臺搭設
由于此橋橫跨黃河, 3號、4號、5號墩樁基位于水中,其中4號、5號位于主河道上,為了便于施工,經綜合考慮排除了搭設浮橋的方法,決定搭設臨時棧橋,并采用構架式搭設的方法。在緊貼橋位的上游,棧橋共計搭設480 m。鉆孔平臺采用<73鋼管,樁間距根據樁基布設情況而設,縱向6排,間距4. 1m,橫向7排, 3. 6 m?？v橫梁采用25工字鋼,面板采用30槽鋼。棧橋及鉆孔工作平臺高程,按往年達到的最大高程加1 m控制。為增加施工平臺穩定性或整體剛度,各鋼管樁之間用角鋼縱平連接。棧橋兩側及工作平臺四周用<40 mm 鋼管制作防護欄桿,高度1. 0 m。
(2)鋼護筒制作與埋設
護筒采用10 mm的鋼板制作,外徑200 cm,為防止鋼護筒底部卷口毛病,底部采用雙層壁厚鋼護筒,高約30 cm。根據浮吊性能和工作平臺高度等,將護筒分為2節,下節12 m、上節6 m,共18 m,打入河床深度8 m左右,護筒對接處切割成30°±2. 5°的斜口,兩個護筒對接在一起是的破口為60°±5°,焊縫必須光滑,無凹凸現象和夾雜焊渣,不得有滲漏現象,其焊縫等級不得低于Ⅱ級。
鋼護筒安裝在施工平臺完成后進行,用全站儀先粗略測放出樁孔中心位置后,在作業平臺上安裝鋼護筒導向框架,鋼護筒在導向框上分3層定位,導向框架上部在平臺頂面高4 m安裝定位架,下部伸入平臺下4 m安裝定位架,中部定位框固定在平臺上,并確保護筒入土深度和垂直度。
導向框架采用拆裝梁拼裝成型,在工作平臺調整水平,使其垂直并在同一平面內,固定安裝在工作平臺上,形成整體。利用船吊將接長的鋼護筒下放到位后,為保證鋼護筒的平面位置及傾斜度不會發生較大變化,且能夠沿導向框架插入河床內。用兩臺全站儀從兩個互相垂直的方向觀察護筒的傾斜度是否符合施工規范的要求。用DZ - 140 震動打樁機在工作平臺上插打鋼護筒,鋼護筒用船吊逐節接高下沉,保證護筒中心位置和樁心位置偏差在2 cm以內,傾斜度不得大于1%。護筒下沉過程中注意觀察下沉速度, 速度過快可能導致護筒傾斜,速度過慢則可能是護筒底遇到障礙物。碰到上述情況應停止作業,用全站儀測放出樁孔中心位置后,查明原因,盡快處理。
鋼護筒插打入河床深度8 m,務使鋼護筒進入不透水層中,確保不漏漿、不坍塌。護筒插打到位后,在工作平臺下采用22型工字鋼、10 mm鋼板制作的牛腿和<300 mm、<100 mm鋼管加固,并與工作平臺相互連接,形成整體的水上鉆孔樁工作平臺。
4. 2 施工機械設備的選擇
根據本橋的地質情況,地層中以黏土、沙土為主,選用QZJ - 220型鉆機。
4. 3 泥漿循環系統與排渣
泥漿采用孔內造漿技術,用泥漿管道連接,鉆孔時利用泥漿船和輸漿管道進行泥漿循環。
4. 4 成孔工藝
4. 4. 1 鉆孔
鉆機就位前,應對鉆孔前的各項準備工作進行檢查,包括主要機具設備的檢查和維修,鉆機安裝就位必須做到天車中心、轉盤中心、鉆孔中心在一垂線上。鉆機安裝就位后,底座和頂端應平穩,不得產生位移。每孔開孔前,須由監理工程師驗收合格后才可開孔鉆進。當孔深大于50 m時,可啟動空壓機,進行氣舉反循環鉆進,以提高鉆進效率;當孔深大于80 m時,必須采取氣舉反循環方式鉆進。鉆進加鉆桿時,要在鉆桿連接處,增加密封圈,確保鉆進時不出現漏水、漏氣現象。
4. 4. 2 鉆進施工要點
(1)鉆具下入孔內,鉆頭應距孔底鉆渣面20～50 cm,并開動泥漿泵,使穩定液循環2～3 min,然后開動鉆機,慢慢將鉆頭放至孔底,輕壓慢轉數分鐘后,逐漸增加轉速和增大鉆壓,并適當控制鉆速。根據地質情況采用正反循環鉆進。在粘性土中采用正循環鉆進,在含砂量較大的土層中采用反循環鉆進,以提高鉆進速度。
(2)水中樁的施工,開孔階段,砂層鉆進泥漿比重要大。鉆進時隨時控制孔內水頭,確保有足夠的水頭壓力。
(3)當鉆進至接近鋼護筒底口位置1 ～2 m左右時,須采用低鉆壓、低鉆速鉆進,并控制進尺,以確保護筒底部地層的穩定,當鉆頭鉆出護筒底口2～3 m后,再恢復正常鉆進狀態。
(4)保持井內水位并經常檢查泥漿比重。反循環鉆進時,孔內水位下降較快,應及時補水,在鉆進過程中,始終保持孔內水位與護筒頂基本平齊,同時還應控制泥漿比重。如在砂黏土地層中鉆孔,泥漿比重在1. 05～1. 15范圍較好,既能獲得較高的鉆進度,又能做到不坍孔。如易坍地層泥漿比重可適當提高到1. 2左右。
氣舉式反循環回轉鉆進時,接鉆桿須將鉆桿稍提升30 cm 左右,先停鉆回轉,再送風數分鐘,將孔底鉆渣吸盡,再放下鉆頭,進行拆裝鉆桿工作,以免鉆渣沉淀而發生埋鉆事故。另外,須隨時注意護筒口泥漿面高度,發現有漏漿情況出現時,須及時補充泥漿入護筒, 以免水頭不夠而發生坍孔。
4. 4. 3 清孔
鉆進至設計高程后,可先檢查鉆桿長度,對所鉆孔深度進行復核,然后在不起鉆的情況下,將鉆具提離孔底50 cm左右,放入測繩對鉆孔實際深度進行驗證,確認已達到設計要求的孔深后,再停止鉆進,保持鉆頭不接觸孔底,慢速回轉鉆具,開始清孔,提鉆后,對鉆孔的孔徑、垂直度進行測量,驗孔器為一節10 m長的鋼筋籠,直徑與鉆孔樁的直徑相同,上下口稍小。清孔采用反循環換漿法進行,泥漿比重控制在1. 05左右,清孔時間,視孔徑、孔深和鉆渣含量而定。輕壓慢轉大泵量進行清孔30 min以上,直至達到要求時停止。
4. 4. 4 水中鉆孔樁應注意施工事項
(1)鉆孔到距筒底口附近1～2 m時,要慢速減壓或低沖程鉆進,并按1∶1拋投黏土,進入護筒底口以下1～2 m后再根據不同土層選擇不同鉆速和鉆壓正常鉆進,當快鉆到設計高程時應放慢速度鉆進。對于大直徑鉆孔樁,鉆進過程中應注意經常檢查泥漿質量加快成孔速度。
(2)當孔內水位下降時,應及時補漿,自始至終孔內水頭應高于江面1. 5 m以上,防止塌孔發生。
(3)沖擊鉆在鉆孔過程中要經常量測鉆頭直徑,以免造成孔徑減小,如有磨損,應及時補焊。鉆孔施工中要有真實、詳細的全過程記錄。
(4)嚴格執行操作規程,避免因操作不當誘發事故。
4. 5 鋼筋籠加工及安裝
(1)在成孔過程中,鋼筋籠同時制作,因本橋樁基深100 m,鋼筋籠長60 m,主筋采用<28螺紋鋼,為保證鋼筋籠的質量及整體剛度,主筋采用對焊,為了節省連接時間,每節鋼筋籠之間采用鋼套管連接,箍筋采用電焊連接,同時每隔2 m 設一道<25 箍筋,與主筋點焊,每隔4 m在加強箍筋處增設十字鋼筋加固鋼筋籠。鋼筋籠分節制作,每節長度為9 m,以防止在吊裝過程中變形。
(2)鋼筋籠的加工采用卡板成型法分段制作,10～20 mm厚的鋼板制成兩塊弧形卡板,其弧面直徑為鋼筋籠主筋中心直徑。每隔2 m左右預置一塊卡板,按主筋位置在卡板上做出支托主筋的半圓形槽(槽深等于主筋半徑,槽與槽中心距離為主筋中心距) 。卡板位置用測量儀器控制布設,使卡板弧面中心沿鋼筋籠縱向方向在一條直線上,卡板面與鋼筋籠縱向中心線保持垂直,然后用水準儀對卡板的高程進行調平,最后把卡板位置予以固定,在鋼筋籠的一端設置一個垂直面,以確保鋼筋端部的主筋在同一個截面上,保證套管連接時的連接長度一致。
4. 6 灌筑水下混凝土
4. 6. 1 施工方法
(1)導管、漏斗安裝完畢,由于孔深及下鋼筋籠的時間較長,必須進行二次清孔,達到要求后,及時灌筑水下混凝土。第一車混凝土坍落度可稍大,最高控制在22 cm。灌筑首批混凝土,使混凝土壓出管內之水并將導管埋入混凝土的深度不小于1. 0 m。
(2)水下混凝土灌筑開始后,應連續地進行,嚴禁中途停工,以免形成坍孔和斷樁。嚴格控制導管埋深2～6 m。
(3)當導管提升時,要保持位置居中。根據導管埋置深度確定提升高度,拆除導管時動作要快,一般不宜超過15 min。提升后導管埋深不得小于2 m。同時提升導管時要緩慢,防止導管碰掛鋼筋籠而造成其定位偏移。應認真謹慎操作防止掉管事故發生。當灌筑混凝土面接近鋼筋籠底端時,要控制灌筑速度,以防止鋼筋籠上浮。
(4)在灌筑過程中,當導管內混凝土不滿,含有空氣時,后續混凝土要徐徐灌入,不可整個地灌入漏斗和導管,以免導管內形成高壓氣囊,使混凝土灌不下去,造成斷樁。
(5) 樁頂灌筑高程應比設計高程超灌0. 5 ～1. 0 m,多余部分應在承臺施工前予以鑿除,樁頭應無松散層,以保證整個樁身混凝土達到設計要求的質量。所有鉆孔灌注樁在澆筑14天后必須逐根進行無破損檢測。
4. 6. 2 注意事項
(1)混凝土灌筑前,先攪拌0. 5 m3 左右的高強度砂漿,潤滑泵送管,使之有更好流動性。
(2)在澆筑每根樁基水下混凝土時,導管都必須進行水密和承壓試驗,以保證澆筑水下樁基混凝
土萬無一失。
(3)有足夠的混凝土攪拌,輸送能力,有備用電源。灌筑前,應檢查灌漿設備(包括發電機組)運轉是否正常,整個灌筑過程必須連接緊湊,不得中途停頓。
(4)采取在橫擔上加重措施將鋼筋籠壓住,克服混凝土對鋼筋籠的上浮力,防止鋼筋籠上浮。
5 結束語
水中墩于2006年元月開工,于2006年8月初完工,共灌筑深水鉆孔樁86根,制作混凝土檢查試件172組,合格100%,采用超聲波檢測鉆孔樁混凝土質量86根,Ⅰ類樁85根,Ⅱ類樁1根,合格率100%。
由于樁基較深,鋼筋籠安裝過程中,采用搭接焊,施工速度慢,導致孔底沉渣加厚,采用鋼套筒連接方法施工,經檢驗,接頭性能符合規范要求,施工速度提高5倍以上,加快了施工進度,確保的樁基質量。但應注意鋼筋籠主筋接頭應嚴格控制在一個垂直面上,保證鋼套筒內鋼筋的有效長度。
工作平臺安裝方便,結構穩定,便于施工,提高了工程進度,縮短了工期;采用泥漿船循環系統,泥漿質量高,保護了生態資源。
