浅谈超大型钻孔灌注桩施工.docx
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浅谈超大型钻孔灌注桩施工
浅谈超大型钻孔灌注桩施工
关键词:
大直径钻孔桩、钢护筒、平台、导向架、钢筋笼、水下混凝土、桩底注浆、检测
1、概述
随着我国桥梁建设事业的发展,越江、跨海大桥的钻孔桩基础朝着桩径超大、桩身超长的方向发展。
钻孔灌注桩以其经济性好、耐久性强、承载力大的特点受到设计和建设单位的青睐。
而超大扭矩钻机的出现,又加快了这一发展进程。
通常,钻孔灌注桩直径在2.5m以上时称为大直径钻孔桩。
近年来,为增大桩身上部的抗弯刚度、减少群桩数量,设计单位多倾向于将桩身上端一定范围内的桩径扩大(通常利用钢护筒),形成变截面钻孔灌注桩。
本文以我公司承建的几座越江、跨海大桥的桩基施工为例,对当前超大型钻孔灌注桩施工工艺进行简要阐述,并对桩基施工过程中出现的相关问题进行探讨。
部分越江跨海大桥的桩基参数
序号
项目名称
桩径
(cm)
桩长
(m)
护筒直径
(cm)
护筒壁厚
(mm)
护筒长度
(m)
1
南京三桥A2
290
92.0
320
20
42.0
2
上海北港大桥B5标
250-300
108(61#)
105(62#)
315
25(上端)/20(下端)
55.0
3
杭州湾大桥3A标
280
120
310
18
52.0
4
金塘大桥3A标
250-300
117(D3)
110(D4)
300
25
61.5(D3)
51.5(D4)
注:
上表中,上海北港大桥B5标上部变截面桩径为300cm,金塘大桥3A标上部变截面桩设计钢护筒内径为300cm。
依照《桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)的规定:
钢护筒内径应比设计桩径大20-40cm,因此上海北港大桥B5标钢护筒直径的取值偏小。
2、钻孔平台设计
水中钻孔桩施工离不开钻孔平台。
目前我公司在深水主墩施工中采用的钻孔平台多为高桩平台,该类平台具有施工速度快、阻水面积小、抗水流冲刷能力强、稳定性好的特点。
对于先下沉围堰着床、后在围堰顶部搭设施工平台,以及浮式平台的施工工艺,不在本文探讨的范围内。
2.1平台设计荷载的确定
高桩钻孔平台设计荷载的取值一般主要包括:
①平台自重;
②钻机及辅助机械荷载,如:
空压机、泥浆处理系统等;
③起重机械,如:
塔吊、吊车、龙门吊等机械设备;
④平台堆载,如:
起始平台和辅助平台堆载(一般取15kN/m2)、护筒区平台堆载(一般取10kN/m2)等,可根据施工需要取值;
⑤系缆力(在考虑船只靠泊平台的情况下);
⑥水流荷载(冬季结冰的河道,尚需考虑流冰荷载);
⑦波浪荷载;
⑧风荷载。
一般情况下,荷载的动力系数取1.2-1.3,抗倾覆稳定系数取1.3。
2.2平台的结构型式
我公司目前采用型式较多的钻孔平台由三部分组成:
起始平台、护筒区平台和辅助平台。
三个平台通过上下层平联和支撑梁系相互联结形成整体,其中:
钢护筒区平台是钻孔施工的作业平台;起始平台和辅助平台一般位于钻孔平台的两端,即钻孔平台的上、下游侧,在正常施工阶段它们均作为施工机械和生活设施的布置区;钻孔平台两侧一般作为施工船舶的作业区。
平台桩基础的平面布置原则:
1)平台桩基尽量沿着水流方向排列布置,以减小阻水面积;
2)为保证平台的稳定性,尽可能在上、下游平台(起始平台和辅助平台)中打设斜桩,以增强施工平台抵抗水平荷载的能力。
2.2.1起始平台
起始平台是最初沉放护筒时的支撑平台,可利用起始平台架设沉放护筒的导向架。
当导向架前移离开起始平台后,平台即失去了最初的作用,此时可利用起始平台布置生产及生活设施。
2.2.2辅助平台
辅助平台可采用与起始平台相同的结构形式。
由于深水主墩一般离陆地较远,设置辅助平台可以很好地解决生产生活设施布置的难题。
2.2.3护筒区平台
护筒区平台一般利用钢护筒和外围的支承桩共同搭设。
大直径变截面钻孔桩一般采用的钢护筒均较长、入土深度较大、承载力很高,将钢护筒及平台外围的支承桩连成整体后足以承载上部的施工荷载。
2.2.4平联
为保证平台的整体稳定性,一般沿平台的高度方向设置上、下二层平联。
平联一般采用φ600—φ1000的钢管,为满足承载钻机等荷载的需要,上层平联同时采用双肢型钢(如:
HM588×300mm型钢)作为承重结构。
上层钢管平联可兼做钻孔泥浆循环的连通管道。
2.2.5典型平台设计图
图1杭州湾3A标主墩平台平面布置
图2南京三桥A2标主墩平台平面布置
3、钢护筒的设计与沉放
3.1钢护筒的设计
除设计有明确要求外,一般钢护筒至少比设计桩径大20cm。
对于变径桩,钢护筒底口一般位于桩身变截面处;对于等截面桩,钢护筒底口的埋置深度需满足:
护筒底口位于较好的土层内(如不逶水的粘土层)、底口埋入最大冲刷线以下及预防护筒底端发生穿孔的要求。
一般来说,护筒内的水头越高、护筒外的水深越大、护筒内的泥浆容重越大、土的孔隙比越大,护筒需要的埋置深度也就越大。
近年来,钢护筒的壁厚有不断增加的趋势,主要有以下原因:
①部分设计单位考虑了钢护筒参与结构的受力,壁厚的确定包括了二个方面:
永久受力部分及桥梁寿命周期内的腐蚀损耗部分;
②桩径和护筒长度的增加,有必要通过加大壁厚以增大护筒的刚度(刚度越大,抵抗变形的能力越强)。
此外,对于参与结构受力的钢护筒,考虑到泥面以上和泥面以下钢材腐蚀速度的不同、桩身受力特征的不同,通常也采用上、下段不同的壁厚设计,具体情况可根据不同的设计需要予以采用。
3.2钢护筒的沉放
根据平台设计思想的不同,钢护筒采用的沉放方式也有不同,本文分别以南京三桥A2标和金塘大桥3A标(上海北港大桥B5标、杭州湾大桥3A标采用与金塘大桥3A标相同的沉放工艺)为例进行说明:
3.2.1南京三桥A2标钢护筒的沉放
南京三桥主墩桩基施工时正值洪水期(保证工期的需要),为保证平台的受力安全,采取先搭设平台、后沉放护筒的施工工艺。
在这种情况下,由于受到起重设备吊高和吊幅的限制,钢护筒分二节沉放。
当时正值洪水期,较高的水位无法安装兼作护筒导向的二层平联,为保证在大流速条件下钢护筒的沉放精度,除了在平台顶部设置定位架外,还在护筒下端设置了下拉缆,以控制钢护筒沉放过程中的垂直度。
3.2.2金塘大桥3A标钢护筒的沉放
金塘大桥3A标地处外海,受往复潮流的影响较大,钢护筒沉放一般选在水流流速较小的平潮时段进行作业。
由于采用了开口式导向架逐根沉放钢护筒的工艺,可满足整根钢护筒吊装与沉放的要求。
首先利用起始平台定位悬臂导向架,随着钢护筒的沉放,导向架逐步前移脱离起始平台。
钢护筒沉放到位后,立即采用平联将其与周围已沉放的护筒焊接固定。
平联通常采用“哈佛”接头,既方便,又快捷。
图3悬臂导向架结构示意图
该型导向架采用钢桁架结构,利用起重船吊装移位,锚固在已完成的起始平台顶面或已沉放的钢护筒顶口上。
在导向架前端设置相距10.0m的上、下导向定位框,导向框内安装有纠偏、调整用的液压千斤顶等装置。
图4导向架定位钢护筒图片
4、钻孔及成桩施工
平台搭设完成后,即可安装、调试钻机进行钻孔作业。
目前,超大超长钻孔桩成孔一般要求钻机输出扭矩不小于200kN.m,以保证成桩效率。
4.1钻孔泥浆
在长江等内河淡水环境下施工,一般采用不分散、低固相、高粘度的PHP泥浆,该泥浆具有良好的絮凝作用,泥浆失水量小,泥皮致密,护壁效果较好。
在外海施工时,由于淡水资源缺乏,通常采用我局武港院研制的海水泥浆,该泥浆直接采用海水造浆,已在杭州湾跨海大桥、金塘大桥等工程中成功使用,其良好的护壁效果已获得业主和专家的认可。
4.2泥浆处理设备
在钻孔过程中,利用泥浆净化器对钻渣进行分离,分离后的泥浆再流入护筒内重复使用。
目前我公司项目部多采用“ZX型”系列泥浆处理设备,一般选用ZX250型(处理能力250m3/h)即可满足使用要求。
该系列泥浆处理设备具有以下性能:
①渣料的筛分能力可进行调整,筛分出的渣料:
含水率小于30%;
②处理的污浆:
最大比重小于1.2、粘度小于40s、含沙量小于20%;
③净化除砂效率:
最大可达90%(达到0.074mm粒径)。
经过我公司上海、杭州湾及金塘等大桥的使用,证明该设备处理泥浆的效果良好。
4.3护筒内壁的泥皮清理
为有效清除附着在护筒内壁的泥皮,保证成桩质量,可在钻杆上安装清扫器(如加装弹性钢板条、钢丝绳等),在钻孔的同时达到清除护筒内壁泥皮的效果。
4.4钢筋笼制作、安装
4.4.1钢筋笼制作
钢筋笼制作分三个阶段:
滚扎直螺纹接头制作(目前多采用该方式连接)、加劲箍制作、胎架同槽制作钢筋笼节段。
为方便施工,目前大直径钻孔桩钢筋笼多采用“长线法同槽匹配制作”,即:
按成桩长度设置通长的生产线,每隔2.5m设置一道专用胎模。
钢筋笼主筋采用滚扎直螺纹连接,在钢筋笼运输过程中采用塑料帽对接头螺纹进行保护。
①滚扎直螺纹加工:
加工前首先对钢筋端部进行处理,对端部弯曲或者有马蹄形切口的钢筋进行端部切除处理;然后对钢筋进行套丝;最后将连接套筒拧在加工好的丝头上,没有上套筒的另一端套塑料帽进行防护。
②加劲箍制作:
加劲箍在专用胎膜上加工,并焊接成形。
大直径钢筋笼的加劲箍一般采用φ28以上的钢筋制作。
③钢筋笼制作:
先将主筋按胎架上的位置摆放好,然后将加劲箍按照图纸位置摆放并与已经安放的部分主筋进行焊接;最后在加劲箍上按照施工图中的间距将所有主筋焊接固定,主筋安装时应将其在接头套筒处拧到位;主筋安装完成后进行螺旋筋的盘绕,每节钢筋笼接头断面两端各2.0m的范围内暂不布置螺旋筋,待现场钢筋笼接头对接验收完毕,现场绑扎接头部分的螺旋筋。
整根通长的钢筋笼加工完成后,进行补焊加固。
4.4.2钢筋笼内管道安装
钢筋笼同槽制作完成后,安装声测管及压浆管道(若有)。
声测管的分节与钢筋笼的分节长度保持一致,声测管与钢筋笼之间每隔2m左右用铁丝绑扎,现场对接时先将管道对好,再调整管道的位置,保证管道顺畅后再进行焊接连接。
声测管接头位置设置在钢筋笼各节接头位置,管道的接长一般采用承插式焊接接头。
安装前接头管先在后场与管道的一端焊接好,现场对接好后再与相连接的管道焊接,接头管一般长10cm,相连的管道各伸入5cm。
采用小电流焊接,防止管道烧穿。
接头管和管道的焊缝应做到结实可靠、无夹渣和孔洞现象。
4.4.3钢筋笼的拆分和运输
钢筋笼制作完成后,将钢筋笼节段间的接头分开,按照钢筋笼现场沉放的先后顺序进行拆分,即先拆分底节钢筋笼,最后拆分顶节钢筋笼。
拆分后的钢筋笼将接头螺纹套塑料帽进行保护,防止在运送过程中破坏丝牙。
此外还须对每节钢筋笼进行编号,防止吊装顺序出现差错。
4.4.4钢筋笼沉放和接长
起吊、竖直下放(或对位)穿梁、放置
对接主筋对接管道、线路下放、装保护层
图5钢筋笼安装工艺流程图
①利用起重船吊放钢筋笼:
吊装时先将吊具挂在起重船的大吊钩上,将吊具的四根钢丝扣用卸扣拴在钢筋笼顶口四个吊耳上,小钩拴另一端(钢筋笼的加劲箍上),两钩同时起吊,待钢筋笼提升至一定高度后,将小钩下降、大钩继续上升,直至把钢筋笼竖起成垂直状态;浮吊吊起钢筋笼旋转至桩孔位置,对准护筒中心位置缓慢落钩,至吊耳距离顶口还剩约20cm时,将预先加工好的扁担梁穿过吊耳孔,穿好后继续落钩,直至扁担梁受力后,解下吊具上的钢丝绳卸扣,移船起吊下一节钢筋笼。
②钢筋笼接长:
用管钳松动连接套筒,并将套筒旋至钢筋顶口相齐,涂上专用润滑剂;按照第一节钢筋笼的竖立方法,利用起重船将第二节钢筋笼吊立垂直,旋转起重船至已沉的第一节钢筋笼位置,调整起重船的吊臂角度和位置,将第二节钢筋笼主筋与第一节钢筋笼主筋准确对接,利用管钳旋转直螺纹套筒,将第一、二节钢筋笼的钢筋连接起来;对接好第一、二节钢筋笼内的管道,管道对接要顺直,焊接要牢固可靠不漏水,并用铁丝将管道绑扎在钢筋笼相应的位置;人工绑扎好两节钢筋笼连接处的螺旋箍筋。
浮吊慢慢起钩,直至扁担梁能够顺利抽出。
浮吊落钩,当第二节钢筋笼顶口的吊耳位置到达护筒顶口约20cm后,重复上述步骤,直至钢筋笼下放完毕。
一般情况下,顶节钢筋笼顶端低于护筒顶口一定距离,为了将钢筋笼下放到位并进行固定,通常用较粗的钢筋做成吊笼,其长度根据需要设置。
在吊笼顶端焊接吊耳,吊笼底与钢筋笼主筋用套筒连接。
吊笼可重复使用。
4.4.5二次清孔
钢筋笼和混凝土浇注导管安装完成后,测量孔底沉渣厚度,并根据测量结果确定是否需要进行二次清孔。
若孔底沉渣厚度超出设计要求,则利用导管、采用气举反循环工艺进行二次清孔。
4.5水下混凝土灌注
水下混凝土浇注是钻孔灌注桩施工的主要工序之一,也是影响成桩质量的关键。
水下混凝土的灌注须注意以下几个方面:
1)备料充足
计算单根钻孔桩的混凝土用量(含扩孔系数),混凝土灌注前须备料充足,并保证搅拌、运输、浇注设备状况良好,确保混凝土的灌注过程连续。
2)合理确定混凝土的初凝时间
根据单根钻孔桩的最大灌注量、灌注速度,合理确定混凝土的初凝时间,保证混凝土在初凝时间内浇注完成,并留有足够的富余时间。
3)合理确定集料斗容积
为保证混凝土首批灌注成功,需配置容积足够大的集料斗,此外还需配置小料斗。
目前混凝土首灌多采用隔水拴(15cm厚泡沫板制作)、拔塞法施工。
4)导管水密试验
浇注混凝土用的导管在使用前须进行水密试验,合格后方可投入使用。
5)导管埋深控制
在混凝土灌注过程中,每隔一定时间(如10min)采用多点法测量混凝土顶面的上升高度,准确记录导管的埋置深度并随时与混凝土顶面高度进行校核,同时将已灌注的混凝土量与搅拌站提供的量进行对比,避免出现差错。
导管的埋置深度一般控制在2-6m。
6)其它
在混凝土灌注过程中应始终保持护筒内泥浆水头高度高出水面约1.5m,为保证桩头混凝土的质量,混凝土顶面应控制在设计桩顶标高以上至少1.0m处。
4.6桩底注浆
钻孔灌注桩后压浆技术,是通过在钢筋笼内预置压浆管路,当桩身混凝土达到一定强度后,通过压浆管路采用高压注浆泵注入水泥浆液,其中:
一部分水泥浆液最终进入桩底土层,一部分水泥浆液沿桩壁的四周向上走,并最终达到一定的高度。
进行桩底注浆可以使桩底沉渣及桩壁一定高度范围内的泥皮隐患得到改善,提高桩底土层的承载力,以及桩与桩壁土层之间的极限摩阻力,最终提高钻孔灌注桩承载力、减小桩身受荷后沉降量的一种方法。
桩底终止循环压浆的标准:
1)桩体上抬总量(cm);
2)桩底注浆总量(m3);
3)所有管道压浆压力均达到规定值(MPa)。
通常,达到以上三项中的任一数值,均可视为桩底注浆完成(具体指标按设计要求确定)。
4.7成孔及成桩检测
检测包括成孔检测、桩身混凝土完整性检测及桩基承载力检测等内容。
1)成孔质量检测
目前,成孔质量检测多采用超声波成孔侧壁检测仪,该仪器可直接测量出孔径、孔深、倾斜度、孔壁平整度及孔底沉渣等参数,效率高,使用方便。
2)桩身混凝土完整性检测
桩身混凝土完整性检测采用较多的方法是超声波低应变动测法,该方法不破坏桩身结构,仅需在钢筋笼制作时同时埋入超声波检测管(声测管)即可。
大直径钻孔桩一般采用4根声测管,沿桩的截面圆周均匀布置。
3)桩基承载力检测
过去,桩基承载力检测多采用高应变动测法或(锚桩)静载荷试验法,其中:
高应变动测法多用于承载力不大的桩基检测,(锚桩)静载荷试验法由于需要大量的堆载或需要设置锚桩,而导致投入较大、费工费时。
近年来,在大直径钻孔灌注桩的承载力检测中,上述二种方法已逐渐被“桩基自平衡检测法”取代。
桩基自平衡检测法的原理:
通过把加载装置——荷载箱埋入桩身平衡点位置(将荷载箱的高压油管和位移棒引到地面),从高压油泵向荷载箱供油,荷载箱将力传递到桩身。
上部桩身的摩擦力及自重与下部桩身的摩擦力及端阻力相平衡——达到自平衡,维持加载。
根据向上、向下Q-S曲线判断桩承载力、桩基沉降、桩身弹性压缩和岩土塑性变形。
从成桩到开始试验的间歇时间:
在桩身强度达到设计要求的前提下,砂类土10天;粉土和粘性土,15d。
采用“自平衡法”进行检测的钻孔桩,桩身在荷载箱处是断开的,若该桩在检测后仍需作为工程桩使用,则采用注浆法将荷载箱部位的桩身填充密实。
5、需要探讨的问题
1)钢筋笼的长度选择
在起重设备吊重足够的情况下,尽量加大钢筋定尺的长度(钢筋笼节段长度),以减少钢筋笼的接头数量和现场安装时的对接工作量。
也可采取事先将钢筋笼连接成若干长段,再进行吊装沉放,加快施工进度。
2)钢筋笼的吊装
外海施工时,现场利用起重船吊装、对接钢筋笼受到风浪、潮流的影响较大,建议采用固定式起重架吊装、接长钢筋笼,以提高工作效率。
3)钢护筒导向架的设计
目前采用的悬臂导向架存在重量过大、侧向刚度偏小的问题。
在没有起重船配合施工的情况下,悬臂导向架因重量的制约而无法使用。
如何减小导向架的重量、增大导向架的侧向刚度是以后设计改进工作的重点。
4)钢护筒的变形问题
在杭州湾大桥ⅢA标主墩的施工中,钢护筒底端一定范围内出现了变形的现象,在38根钢护筒中,变形护筒14根,达到36.8%的比例。
对变形护筒的处理,不但增加了施工费用,更影响了工程工期,同时在处理过程中施工风险也加大很多,因此有必要对护筒产生变形的机理加以探讨,为今后同类工程施工提供帮助。
初步分析:
钢护筒底端发生变形,主要与以下因素有关:
(1)护筒的刚度(直径和壁厚);
(2)护筒的入土深度及穿入土层的性质;
(3)钢护筒制作时的圆度误差控制。
近年来,有的施工单位采取在钢护筒下端一定长度范围内,沿圆周外侧增设竖向加劲肋抵御变形,也取得了一定成效。
导致护筒产生变形的因素很多,要定量地分析各种因素对护筒变形的影响,还需要技术人员在施工中不断地探索和研究。
5)自平衡检测法试桩的探讨
自平衡检测法是近年来在大直径钻孔桩施工中较多采用的桩基承载力检测法,它的基本原理是:
荷载箱放置于桩身平衡点处,使上、下段桩的承载力相等以维持加载。
采用自平衡检测法,首先须有较准确的地质报告,并据此估算出荷载箱的位置,确定桩身平衡点。
(1)当桩端阻力小于桩身侧摩阻力(如摩擦桩)时,桩身平衡点较易确定。
(2)当桩端阻力稍大于桩身侧摩阻力时,可将荷载箱置于钻孔桩底部,通过在桩顶施加一定量的配重达到受力平衡。
(3)当桩端阻力远大于桩身侧摩阻力(如桩身较短的嵌岩桩)时,在这种情况下会发生荷载箱以上部分桩身上抬,却不宜测出荷载箱下部的桩端阻力值,也就是说在这种情况下自平衡检测法不可行。
6)平台设计标准的取值
我公司承建的特大型桥梁临时工程多由“武港院”参与设计。
很多在建或已完工程的技术人员对武港院的评价是:
太过保守。
但是如何界定保守与不保守,却没有一个量化的标准。
通常来说,影响钻孔平台造价的因素,除了上述“第2.1款平台设计荷载的确定”中所列的荷载参数外,还包括:
(1)平台顶标高的确定(与施工期水位、波高和浪高等取值有关);
(2)施工期间最大水流速、风速及撞击力的确定;
(3)施工期间河(海)床的最大冲刷深度的确定,等等。
通常,在《招标文件》中给出的数据都是以永久工程建设为研究对象的。
在临时工程设计中,武港院参照的基本上都是永久工程的设计标准。
如何把此类数据合理地用于临时工程设计,决定着施工成本的高与低,这也是在以后的工作中需重视的问题。
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