摘 要 以济阳黄河大桥施工为例,根据本工程的特点,重点介绍了施工便桥及水中工作平台的搭设,黄河水文地质情况下的钢护筒埋设,钻孔及混凝土浇注以及相应的质量控制。
关键词 超长钻孔桩 水下混凝土 成孔工艺
中图分类号 U443. 154 文献标识码 B 文章编号 1009 4539 (2007) 02 0039 04
济阳黄河大桥,全桥长1 165. 56 m,桥面全宽21m。黄河大桥主桥采用四塔单索面部分斜拉桥,塔梁固结体系;基础采用直径1. 8 m深长钻孔灌注桩施工。
主桥4号、5号墩位于河床深水区,每个墩各有23根桩,呈梅花形布置,桩长100 m。根据地质勘察报告以及试桩成孔的资料显示,桩基所涉及的地层(由上而下)情况见表1。
2 工程难点
(1)每年6、7 月份,黄河小浪底要进行一次调水调砂。冲刷河底积砂。根据往年资料,本桥址处水位上升2. 2 m左右,水量流速3 500 m3 / s,汛期洪水对桥址影响显著。作为深水基础桩基,在设计栈桥及桩基施工平台、埋设护筒时要充分进行考虑。
(2)由于桩基孔深,又在黄河淤积层上,因而施工难度大,存在缩径的可能。在长护筒的放置(垂直度和测量定位)方面难度很大。由于单桩混凝土量大,对桩孔的混凝土灌筑质量控制及混凝土供应系统的配置都是很大的难题。
(3)工期紧。根据整体施工计划,为确保工程质量,加快施工进度,经过方案比选和可操作性研究,优化设计后确定采用搭设水中钻孔工作平台施工方案进行水中钻孔桩施工。施工时选用打桩船插打钢管定位桩,在定位桩上利用工字钢和拆装梁安装施工平台,再插打钢护筒,在工作平台上钻孔,灌筑水下混凝土桩基。
3 施工工艺
桩基采用反循环泥浆护壁回旋钻进成孔,孔深100 m,钢筋笼长度60 m,分节制作钢筋笼,钢筋笼的连接设计为焊接,为了缩短钢筋笼的连接时间,经试验及征得设计同意,采用钢套筒连接、吊装入孔、导管法灌筑混凝土成桩的施工方法。整个工艺分为成孔和成桩2部分,成孔部分包括回转钻进成孔,泥浆护壁及一次清孔,成桩部分包括钢筋笼制作、吊装,导管安放,二次清孔,混凝土灌筑。由于本工程的钻孔深度达100 m,直径为1. 8 m,且底部砂层较厚,在钻进过程中要保证孔壁稳定与及时排渣。因此适宜采用反循环钻孔方式,采用气举反循环钻进对稳固孔壁、及时排渣非常有利,因为孔壁不会受潮流冲刷,而孔内泥浆的静水头压力,具有支撑孔壁的作用。同时利用钻头底部的吸渣口,可高效率排出底渣,排渣彻底。
4 施工技术
4. 1 施工准备
(1)栈桥、钻孔平台搭设
由于此桥横跨黄河, 3号、4号、5号墩桩基位于水中,其中4号、5号位于主河道上,为了便于施工,经综合考虑排除了搭设浮桥的方法,决定搭设临时栈桥,并采用构架式搭设的方法。在紧贴桥位的上游,栈桥共计搭设480 m。钻孔平台采用<73钢管,桩间距根据桩基布设情况而设,纵向6排,间距4. 1m,横向7排, 3. 6 m。纵横梁采用25工字钢,面板采用30槽钢。栈桥及钻孔工作平台高程,按往年达到的最大高程加1 m控制。为增加施工平台稳定性或整体刚度,各钢管桩之间用角钢纵平连接。栈桥两侧及工作平台四周用<40 mm 钢管制作防护栏杆,高度1. 0 m。
(2)钢护筒制作与埋设
护筒采用10 mm的钢板制作,外径200 cm,为防止钢护筒底部卷口毛病,底部采用双层壁厚钢护筒,高约30 cm。根据浮吊性能和工作平台高度等,将护筒分为2节,下节12 m、上节6 m,共18 m,打入河床深度8 m左右,护筒对接处切割成30°±2. 5°的斜口,两个护筒对接在一起是的破口为60°±5°,焊缝必须光滑,无凹凸现象和夹杂焊渣,不得有渗漏现象,其焊缝等级不得低于Ⅱ级。
钢护筒安装在施工平台完成后进行,用全站仪先粗略测放出桩孔中心位置后,在作业平台上安装钢护筒导向框架,钢护筒在导向框上分3层定位,导向框架上部在平台顶面高4 m安装定位架,下部伸入平台下4 m安装定位架,中部定位框固定在平台上,并确保护筒入土深度和垂直度。
导向框架采用拆装梁拼装成型,在工作平台调整水平,使其垂直并在同一平面内,固定安装在工作平台上,形成整体。利用船吊将接长的钢护筒下放到位后,为保证钢护筒的平面位置及倾斜度不会发生较大变化,且能够沿导向框架插入河床内。用两台全站仪从两个互相垂直的方向观察护筒的倾斜度是否符合施工规范的要求。用DZ - 140 震动打桩机在工作平台上插打钢护筒,钢护筒用船吊逐节接高下沉,保证护筒中心位置和桩心位置偏差在2 cm以内,倾斜度不得大于1%。护筒下沉过程中注意观察下沉速度, 速度过快可能导致护筒倾斜,速度过慢则可能是护筒底遇到障碍物。碰到上述情况应停止作业,用全站仪测放出桩孔中心位置后,查明原因,尽快处理。
钢护筒插打入河床深度8 m,务使钢护筒进入不透水层中,确保不漏浆、不坍塌。护筒插打到位后,在工作平台下采用22型工字钢、10 mm钢板制作的牛腿和<300 mm、<100 mm钢管加固,并与工作平台相互连接,形成整体的水上钻孔桩工作平台。
4. 2 施工机械设备的选择
根据本桥的地质情况,地层中以黏土、沙土为主,选用QZJ - 220型钻机。
4. 3 泥浆循环系统与排渣
泥浆采用孔内造浆技术,用泥浆管道连接,钻孔时利用泥浆船和输浆管道进行泥浆循环。
4. 4 成孔工艺
4. 4. 1 钻孔
钻机就位前,应对钻孔前的各项准备工作进行检查,包括主要机具设备的检查和维修,钻机安装就位必须做到天车中心、转盘中心、钻孔中心在一垂线上。钻机安装就位后,底座和顶端应平稳,不得产生位移。每孔开孔前,须由监理工程师验收合格后才可开孔钻进。当孔深大于50 m时,可启动空压机,进行气举反循环钻进,以提高钻进效率;当孔深大于80 m时,必须采取气举反循环方式钻进。钻进加钻杆时,要在钻杆连接处,增加密封圈,确保钻进时不出现漏水、漏气现象。
4. 4. 2 钻进施工要点
(1)钻具下入孔内,钻头应距孔底钻渣面20～50 cm,并开动泥浆泵,使稳定液循环2～3 min,然后开动钻机,慢慢将钻头放至孔底,轻压慢转数分钟后,逐渐增加转速和增大钻压,并适当控制钻速。根据地质情况采用正反循环钻进。在粘性土中采用正循环钻进,在含砂量较大的土层中采用反循环钻进,以提高钻进速度。
(2)水中桩的施工,开孔阶段,砂层钻进泥浆比重要大。钻进时随时控制孔内水头,确保有足够的水头压力。
(3)当钻进至接近钢护筒底口位置1 ～2 m左右时,须采用低钻压、低钻速钻进,并控制进尺,以确保护筒底部地层的稳定,当钻头钻出护筒底口2～3 m后,再恢复正常钻进状态。
(4)保持井内水位并经常检查泥浆比重。反循环钻进时,孔内水位下降较快,应及时补水,在钻进过程中,始终保持孔内水位与护筒顶基本平齐,同时还应控制泥浆比重。如在砂黏土地层中钻孔,泥浆比重在1. 05～1. 15范围较好,既能获得较高的钻进度,又能做到不坍孔。如易坍地层泥浆比重可适当提高到1. 2左右。
气举式反循环回转钻进时,接钻杆须将钻杆稍提升30 cm 左右,先停钻回转,再送风数分钟,将孔底钻渣吸尽,再放下钻头,进行拆装钻杆工作,以免钻渣沉淀而发生埋钻事故。另外,须随时注意护筒口泥浆面高度,发现有漏浆情况出现时,须及时补充泥浆入护筒, 以免水头不够而发生坍孔。
4. 4. 3 清孔
钻进至设计高程后,可先检查钻杆长度,对所钻孔深度进行复核,然后在不起钻的情况下,将钻具提离孔底50 cm左右,放入测绳对钻孔实际深度进行验证,确认已达到设计要求的孔深后,再停止钻进,保持钻头不接触孔底,慢速回转钻具,开始清孔,提钻后,对钻孔的孔径、垂直度进行测量,验孔器为一节10 m长的钢筋笼,直径与钻孔桩的直径相同,上下口稍小。清孔采用反循环换浆法进行,泥浆比重控制在1. 05左右,清孔时间,视孔径、孔深和钻渣含量而定。轻压慢转大泵量进行清孔30 min以上,直至达到要求时停止。
4. 4. 4 水中钻孔桩应注意施工事项
(1)钻孔到距筒底口附近1～2 m时,要慢速减压或低冲程钻进,并按1∶1抛投黏土,进入护筒底口以下1～2 m后再根据不同土层选择不同钻速和钻压正常钻进,当快钻到设计高程时应放慢速度钻进。对于大直径钻孔桩,钻进过程中应注意经常检查泥浆质量加快成孔速度。
(2)当孔内水位下降时,应及时补浆,自始至终孔内水头应高于江面1. 5 m以上,防止塌孔发生。
(3)冲击钻在钻孔过程中要经常量测钻头直径,以免造成孔径减小,如有磨损,应及时补焊。钻孔施工中要有真实、详细的全过程记录。
(4)严格执行操作规程,避免因操作不当诱发事故。
4. 5 钢筋笼加工及安装
(1)在成孔过程中,钢筋笼同时制作,因本桥桩基深100 m,钢筋笼长60 m,主筋采用<28螺纹钢,为保证钢筋笼的质量及整体刚度,主筋采用对焊,为了节省连接时间,每节钢筋笼之间采用钢套管连接,箍筋采用电焊连接,同时每隔2 m 设一道<25 箍筋,与主筋点焊,每隔4 m在加强箍筋处增设十字钢筋加固钢筋笼。钢筋笼分节制作,每节长度为9 m,以防止在吊装过程中变形。
(2)钢筋笼的加工采用卡板成型法分段制作,10～20 mm厚的钢板制成两块弧形卡板,其弧面直径为钢筋笼主筋中心直径。每隔2 m左右预置一块卡板,按主筋位置在卡板上做出支托主筋的半圆形槽(槽深等于主筋半径,槽与槽中心距离为主筋中心距) 。卡板位置用测量仪器控制布设,使卡板弧面中心沿钢筋笼纵向方向在一条直线上,卡板面与钢筋笼纵向中心线保持垂直,然后用水准仪对卡板的高程进行调平,最后把卡板位置予以固定,在钢筋笼的一端设置一个垂直面,以确保钢筋端部的主筋在同一个截面上,保证套管连接时的连接长度一致。
4. 6 灌筑水下混凝土
4. 6. 1 施工方法
(1)导管、漏斗安装完毕,由于孔深及下钢筋笼的时间较长,必须进行二次清孔,达到要求后,及时灌筑水下混凝土。第一车混凝土坍落度可稍大,最高控制在22 cm。灌筑首批混凝土,使混凝土压出管内之水并将导管埋入混凝土的深度不小于1. 0 m。
(2)水下混凝土灌筑开始后,应连续地进行,严禁中途停工,以免形成坍孔和断桩。严格控制导管埋深2～6 m。
(3)当导管提升时,要保持位置居中。根据导管埋置深度确定提升高度,拆除导管时动作要快,一般不宜超过15 min。提升后导管埋深不得小于2 m。同时提升导管时要缓慢,防止导管碰挂钢筋笼而造成其定位偏移。应认真谨慎操作防止掉管事故发生。当灌筑混凝土面接近钢筋笼底端时,要控制灌筑速度,以防止钢筋笼上浮。
(4)在灌筑过程中,当导管内混凝土不满,含有空气时,后续混凝土要徐徐灌入,不可整个地灌入漏斗和导管,以免导管内形成高压气囊,使混凝土灌不下去,造成断桩。
(5) 桩顶灌筑高程应比设计高程超灌0. 5 ～1. 0 m,多余部分应在承台施工前予以凿除,桩头应无松散层,以保证整个桩身混凝土达到设计要求的质量。所有钻孔灌注桩在浇筑14天后必须逐根进行无破损检测。
4. 6. 2 注意事项
(1)混凝土灌筑前,先搅拌0. 5 m3 左右的高强度砂浆,润滑泵送管,使之有更好流动性。
(2)在浇筑每根桩基水下混凝土时,导管都必须进行水密和承压试验,以保证浇筑水下桩基混凝
土万无一失。
(3)有足够的混凝土搅拌,输送能力,有备用电源。灌筑前,应检查灌浆设备(包括发电机组)运转是否正常,整个灌筑过程必须连接紧凑,不得中途停顿。
(4)采取在横担上加重措施将钢筋笼压住,克服混凝土对钢筋笼的上浮力,防止钢筋笼上浮。
5 结束语
水中墩于2006年元月开工,于2006年8月初完工,共灌筑深水钻孔桩86根,制作混凝土检查试件172组,合格100%,采用超声波检测钻孔桩混凝土质量86根,Ⅰ类桩85根,Ⅱ类桩1根,合格率100%。
由于桩基较深,钢筋笼安装过程中,采用搭接焊,施工速度慢,导致孔底沉渣加厚,采用钢套筒连接方法施工,经检验,接头性能符合规范要求,施工速度提高5倍以上,加快了施工进度,确保的桩基质量。但应注意钢筋笼主筋接头应严格控制在一个垂直面上,保证钢套筒内钢筋的有效长度。
工作平台安装方便,结构稳定,便于施工,提高了工程进度,缩短了工期;采用泥浆船循环系统,泥浆质量高,保护了生态资源。
