形成原因
鑽孔灌注樁是橋樑建設上常用的一種深基礎形式。截至2005年以來中國橋樑事業發展迅速,新建
橋樑的
跨徑越來越大、結構越來越複雜,
鑽孔灌注樁的長度也就越來越長、直徑也就越來越大。
中交第二航務工程局有限公司承建的蘇通大橋C1標主4號墩由131根鑽孔灌注樁組成,
樁長均為120米,樁徑2.5~2.85米,為截至2005年世界上最大的橋樑群樁基礎。為了促進《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》施工方法在中國類似橋樑工程項目中推廣使用,根據
蘇通大橋施工經驗與實踐,特編制《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》。
工法特點
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》的工法特點是:
⒈採用結構護筒直接作為鑽孔平台的承重結構。
⒉採用了振動錘以及移動式導向架打設鋼護筒。
⒊鑽孔處多為粉砂、細砂、中粗砂及砂礫層等易坍孔地層,施工選用了大功率鑽機成孔、優質PHP護壁泥漿。
⒋鋼筋籠採用鍬粗直螺紋接頭,並於後場同槽預製,採用大型浮吊大節段吊裝。
⒌樁基採用樁底後壓漿技術。
操作原理
適用範圍
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》適用於採用鑽孔灌注樁(地質以砂層為主)為基礎的特大橋樁基施工。
工藝原理
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》的工藝原理是:
鑽孔樁施工工法主要分兩部分:其一主要說明鑽孔平台的搭設工法,其二介紹鑽孔灌注樁的成孔、成樁以及樁底後壓漿工藝。
施工工藝
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》的施工工藝流程及施工要點如下:
⒈傳統鋼管樁施工平台搭設工藝流程(圖1)。
⒉採用鋼護筒作為承重結構的鑽孔平台搭設工藝流程(圖2)。
⒊鑽孔灌注樁施工工藝流程(圖3)。
⒋樁底後壓漿流程(圖4)。
⒈傳統鋼管樁施工平台搭設施工要點
(1)鋼管樁施工
①鋼管樁製作、運輸
鋼管樁均按設計規格拼裝成整樁,按沉放順序分批加工製作,出廠檢驗合格後,用駁船運輸至施工現場。
②鋼管樁沉設
鋼管樁沉設定位採用測量定位。
(2)平台搭設
①平聯施工
平聯鋼管採用哈佛板連線。在前場施工中,首先將下好料的一端與鋼管樁按設計位置對好位並調平平聯焊接,然後用哈佛板將另一端與鋼管樁焊接。
②平台上部結構搭設
逐一安裝主承重梁、分配梁,鋪設面板,安裝欄桿,掛設安全網。
(3)鋼護筒施工
①導向架設計與製作
根據水深、流速條件確定導向架設計高度及剛度。工程採用11.5米高的點接觸式導向架,平台以下5.5米、平台以上6.0米。導向架平面呈“開口式”,平台上下兩層導向架之間用螺栓連線,以便於裝拆。
②鋼護筒起吊、就位、施沉
用起重船吊起鋼護筒,使鋼護筒垂直,選擇在平潮或流速較小時將鋼護筒緩慢下滑,直至入泥穩定,待鋼護筒下沉穩定後才能脫鉤。
⒉採用鋼護筒作為承重結構的鑽孔平台搭設施工要點
(1)起始平台施工
起始平台位於鑽孔平台上游側,其主要作用是為沉放鋼護筒,安裝懸臂式定位導向架,提供具有足夠剛度的起始工作平台。
鋼管樁的定位採用測量定位。定位船在測量的指揮下移至樁位位置,運樁船停靠浮吊。當鋼管樁起吊豎直後,將鋼管樁送進導向架內,由測量調整鋼管樁的平面位置及傾斜度,當平面位置偏差及傾斜度滿足設計要求後,下放鋼管樁,浮吊脫鉤,起吊液壓振動錘就位,測量再次覆核鋼管樁的平面位置及傾斜度,合乎施工要求後,振動下沉到位。
下沉到位後,定位船移至下一根樁位。第二根樁下沉到位後,及時連線兩根樁之間的鋼管水平聯。鋼管平聯採用哈扶板連線。
(2)護筒區平台搭設
①鋼護筒製作、運輸
鋼護筒在鋼結構公司廠內加工,分上、下兩節製作。然後裝船運至施工現場。
②鋼護筒沉放
a.振動錘選擇:應根據護筒入土情況及地質情況選擇振動錘。
b.懸臂式定位導向架:根據平台搭設特點,需選用懸臂式定位導向架。
工程採用的懸臂式導向架其長度為16.125米,寬6米,用起重船吊裝移位,並錨固在已完成的起始平台或已沉放的鋼護筒頂口上,在導向架前端設定2層層距10.0米的上、下導向裝置,導向裝置內設定有供鋼護筒定位、施沉過程中糾偏、調整的液壓千斤頂和鎖定裝置。
c.鋼護筒下沉:鋼護筒下沉定位採用全站儀定位,同時用經緯儀進行校核。
③施工平台面層鋪設
工程平台面層採用I25a作為分配梁,面板採用36的花紋鋼板。
鑽孔施工採用了泥漿護壁、迴旋鑽機氣舉反循環的施工工藝,主要包括鑽進成孔及清孔。
⒈鑽機選型
根據鑽孔深度及直徑選擇相應的鑽機。
工程鑽孔灌注樁從平台到孔底深達130多米,對鑽機的扭矩及鑽桿質量要求較高。選用技術性能先進,提升能力和配重較大的大型鑽機投入主墩鑽孔樁施工。各鑽機性能指標見表1。
鑽機型號 | GDY400、GF350、ZSD300 | 鑽機型號 | GDY400、GF350、ZSD300 |
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⒉泥漿製備及泥漿循環
(1)泥漿製備及性能指標
護壁泥漿在鑽孔中非常重要,尤其是對工程大直徑深孔,土層為砂層,造漿性能差,泥漿控制顯得尤為重要。施工採用不分散、低固相、高黏度的PHP泥漿。泥漿的製備在平台泥漿製備區進行。如果平台條件允許,可以採用集中供漿。
(2)泥漿循環
泥漿經泥漿淨化器使直徑在0.074毫米以上的土顆粒篩分到溜渣槽內,處理後的泥漿通過鋼護筒之間的連通管流入鑽孔孔內。每台鑽機配置一台泥漿淨化器。
⒊鑽機安裝、調試及移位
根據平台上的鑽機位置和鑽孔順序,安裝並調平鑽機,並固定牢靠。
⒋鑽進成孔
成孔過程劃分為三個階段:護筒內鑽進階段、土層內鑽進階段、第一次清孔階段。
⒌成樁施工
(1)鋼筋籠制安
鋼筋籠在加工車間下料,分節同槽製作。主筋間採用直螺紋連線,每個斷面接頭數量不大於50%,相臨接頭斷面間距不小於1.5米。
壓漿管與聲測管在鋼筋籠同槽加工時同槽安裝,接頭採用焊接並適當與鋼筋接頭錯層,以便對接方便。
成孔檢驗合格後,下放接長鋼筋籠。為加快鋼筋籠下放速度,可以根據施工條件將鋼筋籠進行預接長。鋼筋籠安裝下放後,將鋼筋籠固定在護筒上,以承受鋼筋籠自重和防止混凝土灌注過程中鋼筋籠上浮。
(2)二次清孔
如鋼筋籠下放完成後,沉渣厚度及泥漿指標超標,需進行二次清孔。
(3)水下混凝土灌注
水下混凝土澆築是鑽孔灌注樁施工的主要工序,也是影響樁身質量的關鍵。
①混凝土配合比設計
混凝土配合比設計通過試配確定,混凝土除滿足強度要求外,一般還須符合下列要求:粗骨料採用級配良好的石灰岩或花崗岩碎石,粒徑5~31.5毫米;細骨料宜採用級配良好的中砂,細度模數應控制在2.3-2.8;膠凝材料宜不小於380千克/立方米,改善混凝土的和易性、流動性;混凝土初凝時間大於澆築能力;
混凝土的坍落度控制在20~22厘米,3小時以後不小於16厘米,流動度不小於50厘米;混凝土具有良好的和易性、流動性、泵送性,可摻入適量的粉煤灰及外加劑;水泥中含鹼量小於0.6%,骨料要求做鹼骨料反應試驗。
②混凝土澆築
水下混凝土澆築導管一般選用壁厚δ=12毫米,Ф外=325毫米的無縫鋼管,連線為T形螺紋的快速接頭。導管徑水密試驗不漏水,其容許最大內壓力均大於孔內泥漿深度壓力的1.3倍。
混凝土灌注封底採用撥球法。封底成功後,隨即轉入正常灌注階段。混凝土經泵送,不斷地通過集料斗、澆築料斗及導管灌注至水下,直至完成整根樁的澆築。
為了改善樁底持力層的受力狀況,提高基樁承載能力和基礎的整體剛度,工程主1~4號墩樁基均採用樁底後壓漿。壓漿前的準備如下:
⒈安設壓漿設備及壓漿裝置
(1)壓漿設備:注漿泵、漿液攪拌機、貯漿桶、壓漿壓力表、球閥、溢流閥、紗網、卸荷閥。
(2)壓漿管路編號並掛牌明示,壓漿管路按編號順序與漿液分配器對應連線牢固。
(3)壓漿材料準備到位。
⒉水泥漿液配製
(1)水泥必須控制在P.O42.5以上,同時要求新鮮、不結塊。
(2)嚴格控制漿液配比,攪拌時間不少於2分鐘,漿液應具有良好的流動性,不離折、不沉澱,漿液進入貯漿桶時必須用紗網進行2次過濾,防止雜物堵塞壓漿孔及管路。
⒊壓漿要求
當樁身混凝土強度到達一定值(通常為75%以上)後,通過地面壓力系統經樁端壓力注漿裝置向樁端土層壓漿。
(1)壓漿必須連續進行,中途停待不得大於30分鐘。
(2)樁端壓漿水泥漿量達到設計要求後即告終止。
⒋群樁壓漿施工施工順序
注漿先外側,後內側;在外測隔樁進行壓漿。每根樁壓漿時,應確保在其周圍20米為半徑範圍內的樁已經灌注混凝土完畢。同時,根據施工情況,按上述原則可適當調整壓漿順序。
⒌壓漿量施工控制
漿液總體控制於原則:實行壓漿量與壓力雙控,以壓漿量(水泥用量)控制為主,注漿壓力控制為輔。若注漿壓力達到控制壓力,並持荷5分鐘,同時達到設計注漿量的80%,也可以認為滿足了設計要求。
⒍壓漿次序與壓漿量分配
壓漿分可分三次循環;每一循環的壓漿管採用均勻間隔跳壓;壓漿量分配:第一循環:40%;第二循環:40%;第三循環:20%。
⒎壓漿時間及壓力控制
(1)第一循環:每根壓漿管壓完後,用清水沖洗管路,間隔時間不小於2.5小時,不超過3小時進行第二循環。
(2)第二循環:每根壓漿管壓完後,用清水沖洗管路,間隔時間不小於3.5小時,不超過6小時進行第二循環。
(3)第一循環與第二循環主要考慮壓漿量。
(4)第三循環以壓力控制為主。若壓漿壓力達到控制壓力,並持荷5分鐘,注漿量達到80%,也滿足要求。
材料設備
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》所需材料設備如下:
主要設備
⒈設備(見表2)。
主要材料
⒈施工平台材料(表3)。
⒉鑽孔樁及樁底壓漿材料(表4)。
質量控制
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》的質量控制要求如下:
⒈《公路橋涵施工技術規範》JTJ041-2000;
⒉《公路工程質量檢驗評定標準》JTJ071-98;
⒋《墩粗直螺紋鋼筋接頭》JG/T3057-1999;
⒌《混凝土結構工程施工質量驗收規範》GB50204-2002;
⒍《港口工程樁基規範》JTJ254-98;
⒎《公路全球定位系統(GPS)測量規範》JTJ/T066-98;
⒏《工程測量規範》GB50026-93;
⒐《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB50205-2001。
⒈鋼護筒施沉平面位置偏差≤±5厘米;傾斜度≤1/200。
⒉為確保施工速度,設計要求長120.4米、重72.2噸的鋼筋籠分段不超過4段;
⒊鑽孔灌注樁要求從鑽孔出護筒底到澆築水下混凝土到護筒底口的施工作業時間不宜大於72小時,即要求從-62.2~-124.0米土層中鑽進、清孔、移鑽機、下放鋼筋籠和導管、澆築混凝土至護筒底口的時間不宜大於72小時;
⒋漿液質量控制要求:實行壓漿量與壓力雙控,以壓漿量(水泥用量)控制為主,注漿壓力控制為輔。若注漿壓力達到控制壓力,並持荷5分鐘,同時達到設計注漿量的80%,也可以認為滿足了設計要求。
為確保工程質量,從原材料到產品交付的全過程受控,項目部建立工程質量保證體系,確保按照契約要求,向顧客交付質量優良,服務周到,顧客滿意的工程。
⒈工程質量管理措施
(1)建立質量管理機構,結合工程制定完善的質量管理制度,嚴格執行施工規範,監理工程師指令等有關規定。
(2)結合工程特點,編制切實可行的施工組織設計,對關鍵工序編制詳細的施工實施細則和作業指導書。
(3)加強與業主、監理、設計單位的聯繫與溝通,及時解決關鍵部位的技術難題。
(4)加強項目部全體員工的質量教育與培訓,不斷提高員工的質量意識,加強技術、技能學習,提高質量管理水平,確保工程質量。
(5)配合監理工程師做好單位、分部、分項(工序)工程的檢驗與驗收,並做好記錄和簽證。
⒉施工質量保證措施
(1)保證鋼護筒加工質量:在護筒底口設定加勁箍,鋼護筒材質、焊縫、防腐和質量檢驗按設計和規範要求進行。
(2)為克服護筒運輸中的變形,鋼護筒在加工時,每節護筒內均用鋼管或型鋼設定“米”字撐。
(3)為確保鋼護筒的沉放精度,設計足夠高的鋼護筒下放導向架,並與平台固定。為了保證鋼護筒垂直度,鋼護筒下沉選在平潮時進行。
(4)嚴格控制鋼護筒垂直度在5%。內,鋼護筒振沉到位後與鋼平台聯結,以防偏位。
(5)採用大功率大扭矩全液壓鑽機,保證成孔質量。
(6)採用氣舉反循成孔:可加快泥漿循環速度,集中供應壓縮空氣,經調壓風包穩定後供應給鑽機,始終保持較穩定氣壓,可避免因氣壓不穩定,而造成塌孔和鑽渣堵塞鑽桿等事故,提高鑽孔效率。
(7)採用刮刀鑽頭:根據提供的地質資料情況,在鑽孔過程中選用刮刀鑽頭鑽進,以提高鑽進效率。
(8)及時調整護筒內泥漿面:鑽進過程中根據護筒外水位變化情況,隨時調整護筒內泥漿面,保證內外水頭差距始終保持在2.5米左右,減少縮孔及塌孔風險。
(9)定期對鑽桿進行檢查:所有的鑽桿均要定期進行探傷檢驗,確保鑽桿完好無損,減少吊鑽風險。
(10)加大混凝土導管的直徑:採用Ф325毫米混凝土導管,提高混凝土澆築效率。混凝土導管進場前,進行探傷檢驗,確保導管的製作質量,定期對導管進行水密試驗、探傷檢查和管壁磨損程度檢查,確保混凝土澆築過程中導管不出問題。
(11)加大混凝土的澆築強度:投入大型混凝土攪拌站,保證每小時可拌制混凝土200立方米以上,縮短混凝土澆築時間。
(12)加強設備的保養維修力度,減少混凝土生產設備在澆樁過程中出現故障的幾率,確保混凝土澆築的連續性。
(13)嚴格控制混凝土的拌制質量:嚴格控制混凝土原材料質量,嚴格按混凝土配合比進行混凝土生產,提高混凝土的和易性,減少堵管幾率。
(14)嚴格監控混凝土的澆築過程,確保首批混凝土的澆築效果。
(15)在水下混凝土澆築中,保證導管埋深控制在2~6米。
(16)注漿工作一般在混凝土澆築完畢後3~7天進行。也可根據實際情況,待樁的聲測工作結束後進行。
(17)U形迴路每一循環過程中,所有壓漿管可同時壓漿,但事先應檢查各管路是否暢通。水泥漿配置時,嚴格按配合比進行配料,不得隨意更改。
(18)在壓漿過程中,若發生不正常現象(如注漿泵壓力表越來越高或突然掉壓,地面冒漿等)時,應暫停壓漿,查明原因後再繼續壓漿。
(19)專人負責記錄壓漿的起止時間、注入的漿量、壓力,測定樁的上抬量。
安全措施
施工單位採用《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》過程中,堅決自始至終堅持“安全第一,預防為主,科學管理,狠抓落實”的安全工作方針,並從技術上、制度上、思想上、組織上加強安全管理,制定並落實好安全預控措施,防患於未然。具體如下:
⒈水上船舶安全
(1)合理安排勞動力、機械和船舶的使用,禁止不符合生產安全規定要求的設備、人員進入現場。
(2)嚴格執行安全技術操作規程,組織有關人員對機械設備、設施進行定期檢查。
(3)水上施工船舶嚴格執行項目經理部的各項安全制度,執行當地航政、港監部門的規定和交通部規定的船舶管理制度。
(4)施工過程中所有船舶接受統一管理,統一指令。
⒉起重安全
(1)起重用工索具嚴格按相關規範要求取用安全係數,保證其使用安全。
(2)定期對工索具進行檢查。
(3)在起吊中應嚴格執行安全操作規程,指揮起吊時,信號必須統一,手勢明顯,哨音清晰,不得含糊。
(4)起吊鋼管樁前對工索具進行認真的檢查,做到安全可靠,萬無一失。
(5)吊物時,扒桿與被起吊物下嚴禁站人,對違反操作規定和不安全的作業及時加以糾正或制止。
環保措施
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》的環保措施如下:
⒈水污染的防治措施
(1)鑽孔樁施工所產生的鑽渣和廢棄泥漿均泵送至駁船,運至岸上處理。
(2)水泥、膨潤土等摻合料,應安全堆放,妥善遮蓋,不得掉入江中。
(3)混凝土水上拌合站的廢水,須集中裝運至岸上基地,經沉砂處理後排放。
(4)在施工平台上,設定“環保廁所”(乾廁),糞便定期收集運至岸上生活區化糞池,統一處理。
(5)禁止使用一次性塑膠餐具,防止白色污染。交通船舶、施工機械產生的廢油料及潤滑油等,必須集中收集運至岸上處理。
(6)生產用油料必須嚴格保管,防止泄漏,污染江水。
(7)所有50噸以上的施工作業和運輸船舶,設定油水分離器,船舶艙底水含油量≤15毫克/升時,方可排放。
(8)水上施工人員的生活污水,用固定容器收集,定期由駁船運至岸上。
⒉固體、廢棄物的處置措施
(1)在水上施工平台設定若干個垃圾桶,集中貯放生活垃圾,定期由駁船運至岸上垃圾場深埋。
(2)施工過程中的廢棄物、邊角料、包裝袋等及時收集、清理,運至垃圾場掩埋。
(3)船舶上的生活垃圾,亦須袋(桶)裝,集中運至岸上垃圾場處理。
效益分析
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》的效益分析如下:
相對於傳統鑽孔平台,採用鋼護筒作為承重結構的搭設鑽孔平台節約了施工工期,節省了平台搭設材料。以蘇通橋主4號墩鑽孔平台為例:主4號墩提前兩個月完成平台搭設,平台搭設節約鋼材近千噸以上。
鑽孔中採用大功率鑽機,同時採用大型起重設備大節段下放鋼筋籠,加快了鑽孔樁成樁效率。以蘇通橋主4號墩為例:130米左右深的鑽孔樁從開鑽到混凝土澆築完成,每根平均需要90小時左右;如果按照常規工藝施工成樁時間需要在120小時以上。
套用實例
《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》的套用實例分析如下:
蘇通長江公路大橋
蘇通長江公路大橋,橫跨南通與常熟,臨近長江入海口,其主橋基礎採用群樁基礎。主橋C1標於2003年5月開工,至2005年5月施工完成,總計施工鑽孔灌注樁205根,全部達到Ⅰ類樁標準。
蘇通大橋B2標為兩聯預應力連續箱梁橋,其基礎設計採用D1.8米鑽孔樁群樁基礎,共有19個橋墩,330根鑽孔樁。其中46號~51號橋墩鑽孔樁為16根,52號~64號橋墩鑽孔樁為18根,樁長在87米到95.3米,全部達到Ⅰ類樁標準。
另外,《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》於2005~2006年套用於上海崇明長江公路大橋和杭州灣跨海大橋。
榮譽表彰
2008年1月31日,中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》,《橋樑工程超長、超大直徑鑽孔灌注樁施工工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。