京承高速怀河大桥桩基卵砾层旋挖站施工的工艺控制
2017-07-31
1 工程概述
怀河大桥上部设计为11-30m简支T梁；斜梁角度为60度；全桥宽35m，分为左右两幅。单幅下部结构采用双柱式墩，单墩分离式承台，桩基础，桥台为肋板式扩大基础。桩基直径为ф1.2m；桩长为25m；怀河大桥的地质情况为：①层:33.7～26.7，卵石、圆砾；②层：26.7~22.3，细中砂；③层：22.3~13.3，卵石、圆砾；④层：13.3~7.0，亚粘土；⑤层：7.0~4.4，卵石、圆砾；⑥层：4.4~-4.3，亚粘土；⑦层：-4.3~-6.5，卵石、圆砾。
2 施工工序
2.1 首先用全站仪利用极坐标法定出桩位中心，并在中心桩附近适当位置的纵横方向上各设置两排保护桩。
2.2 埋设钢护筒， 配制钻孔泥浆。护筒外围采用粘性土夯实，防止地表水渗漏，埋设完毕后测量护筒顶标高，作为控制钻孔深度的依据。旋挖钻机采用优质化学泥浆护壁，主要材料为：膨润土粉、纯碱（碳酸钠）、水。配合比可根据试桩时调整的配合比来进行配比。
配制程序：水→膨润土粉→碳酸钠
然后钻进施工，钻进过程中及时向孔内补充泥浆，泥浆面确保低于原地面约20cm左右，并注意每隔10分钟检测一次泥浆的各项指标，如泥浆有损耗、漏失或指标不符合要求时，及时补充合格泥浆。钻进至砂层时适当调整泥浆配比，增强泥浆的附着能力；调整钻头钻进速度，穿越砂层地质时，宜缓慢、匀速；减小泥浆流对孔壁的冲刷作用。以维护孔壁稳定，最大限度防止坍孔，减少钻头的磨损。钻头直径要经常检查。
2.3 桩孔钻至设计标高后，用探孔器检查成孔的孔径、孔深和倾斜度。然后采用换浆法清孔；清孔符合要求后，把检测合格的钢筋笼用炮车运至桩位旁。并人工配合一台25T吊车吊放钢筋笼，钢筋笼采用整节安装。钢筋笼总重量为2.416T，经计算25T吊车完全可以满足钢筋笼的吊装施工。钢筋笼顶部通过钢筋与护筒口焊接相连，以预防钢筋笼在砼灌注过程中上浮。
2.4 灌注混凝土采用水下导管法。导管上口接2.3m3左右的料斗，每根桩需要29m3砼，首盘料经计算为2.2m3砼。用砼搅拌运输车配合汽车吊、吊斗灌注，作业要连续紧凑进行，经常探测孔内混凝土面的高度，及时调整导管的埋深。成桩后人工凿除桩头松散混凝土，并用无破损检验法检测钻孔桩的成桩质量。
2.5 桩基施工过程中所产生的泥浆及挖出的弃土要用汽车运走，以免污染环境。
3 施工工艺
旋挖钻成孔施工工艺，其成孔原理是在一个可闭合开启的钻斗的侧边和底部，镶焊切削刀具，受到伸缩钻杆旋转驱动的作用，对挖掘土层进行旋转切削，并将切削后的土渣装进钻斗，然后将孔外卸土提出，照此循环形成桩孔。旋挖钻成孔施工的程控速度快、扭距大，而且不会产生较大的振动和噪音；但也有不足之处，如果粘性较大的粘土和淤泥土层采用这种方法施工，会增大回转阻力，降低钻进效率，而且极易糊钻。砂卵砾石层、硬土、砂性土、软―中硬基岩、粉土和填土等地层的施工如果采用这种施工工艺，则可避免产生过多的桩孔沉渣，而且孔壁泥皮薄，桩侧摩阻力发挥好。
抓岩式、圆锥底（锅底）式、多刃切削式等几种旋挖钻斗都是施工中常用的施工机械，主要采用干作业成孔灌注、泥浆护壁成孔灌注两种施工方法。其中，前者系采用套管跟进干式旋挖成孔，拔套管和混凝土灌注应该同时进行，工艺流程比较顺利，且易于操控。相较于前者，泥浆护壁旋挖成孔灌注工艺方法则稍显复杂，操作起来也不方便。
全液压旋挖钻机整机具有高度的自动化性能，主要根据其指示灯操控钻机的钻孔中心和水平、垂直度，而且控制室也配备了钻进深度指示仪。全液压旋挖钻机的工作效率较高，所以施工前必须妥善安排各施工环节的施工活动，做好调配工作，以连续、顺利地完成工艺流程。此外，还要按照旋挖成孔的成孔原理和每一道工艺流程，重点控制关键程序的施工活动。
3.1 旋挖成孔（泥浆护壁）灌注桩施工工艺流程（略）
3.2 钻斗升降速度
循环钻孔和旋挖成孔在成孔原理上存在很大的差别。前者是依靠泥浆循环护壁，使泥浆携带渣沉淀在地表而实现的；而后者则是利用钻斗挖装岩土并将其提升卸到地表，护壁采用稳定液或套筒。稳定液护壁情况下，钻斗抬升或下降引起浆水运动，会冲刷孔壁或粘附在孔壁上，便成为了问题的关键点。根据水动力学概念可以分析出，边界层的边壁出现大幅度的变形，造成能量耗损，如果这种变形得不到及时的改善，也就是不能改变钻斗的形状和大小，就应该对钻斗升降的速度进行控制。通过砂层时，因为施工中的泥浆极易被污染而增大了含砂率，无法顺利控制泥浆指标，为了避免塌孔问题的出现，钻进时必须对各类泥浆指标进行实时监控，并补充性能达标的泥浆。
如果钻探到了砂层，就应该变档换速，并通过液压缩进装置进行加压，操作时注意轻压慢转，使孔壁保持稳定状态，从而最大限度的避免钻头磨损。钻进3~5回次就要对水平、垂直仪器进行调整，尽量让气泡居中，以确保成孔垂直度在1/100以下。钻进时，随时对钻斗进行检查，重点检查中钻探到粗砂较密和砾石层时的钻斗情况，及时更换严重磨损的钻点，从而保证钻孔孔径符合施工规范。
钻斗钻进截面积A与钻斗外侧切削刀具回转的截面积a的比例A/a，随桩径增大而增大；提升钻斗会增大泥浆在孔壁和钻斗间的流动速度，同时发生压力激动，最终导致孔壁坍塌。鉴于此，施工单位必须以桩径为依据来设定钻斗的升降速度，如果桩径过大，就要更加严格的控制钻斗的升降情况。
斗截面积A与外切刀回转面积a之比A/a
钻斗升降速度参考值
3.3 稳定液（泥浆）
若旋挖成孔使用稳定液护壁的施工方法，则为了保持孔壁的稳定性能，确保孔底沉渣达到施工要求，使用的化学泥浆护壁的质量必须要好。旋挖作业的过程中，先要确保泥浆液面高度符合要求，泥浆柱压力才有可能满足设计规范，同时用泥浆补充灌注孔；在灌注混凝土的施工中，最好预先安排好泥浆回收再利用的途径，以免废弃泥浆污染环境。
本工程配浆材料及配比为：水：膨润土：碳酸纳=1：0.06：0.0004
配制程序为：水→膨润土粉→碳酸纳
性能：粘度22-30秒，比重1.05-1.20，含砂率≤4%，
成孔后泥浆指标基本如下：
①4h后泥浆指标：
底部比重：1.08 粘度：28
中部比重：1.07 粘度：25
顶部比重：1.06 粘度：23
②泥浆流失量：终孔8h和24h的时候，泥浆面下降的幅度分别为23cm和70cm。
③泥浆的粘着力：长为18m的长螺纹钢放入成孔泥浆24h再取出，泥浆并未粘着在螺纹钢表面。
3.4 旋挖作业其他要点
参照地层情况选用合适的钻斗类型结构。楔形齿、小切削角、小刃角、齿宽稍大适用于软土层施工；较大切削角、较窄的弯曲齿套适用于硬土层；而齿间距较大的比较适合粘土层施工，这样能减少糊钻现象的产生。
硬层的钻探，如果回次进尺深度过小，且斗内钻渣很少，就可将钻斗换成小直径筒形齿状的或采用短螺旋钻，先钻一小孔，之后采用钻斗钻进；也可以先松动硬岩土层，再下钻斗捞渣。可采用短螺旋钻钻进姜石层，注意反转回钻，尽量在不扰动孔壁的前提下松动土层。
钻进砂砾石层，将一定量的粘土球提前投入孔内，以保持孔壁的稳定性；钻斗下钻到孔内，装闭合阀板，从而在提升钻斗的过程中尽量避免底部有砂砾石漏落。
3.5 清孔
如果钻进到与桩底设计标高相距两、三米左右的距离，操作人员应尽快验孔，通过测绳测定周边四点的平均值，据此控制孔深；如果钻进到规范中要求的孔深，将挡砂板装设在钻斗底部，用它捞取散落的原状土和砂。终孔后，对泥浆的各项指标进行检测，尽快将导管、钢筋笼下放。在水下进行混凝土灌注的施工，首先对孔底沉渣厚度进行检测，如果沉渣厚度大于设计要求，就应该通过泵吸法抽出孔底沉渣。
旋挖钻进到施工所要求的终孔标高时，钻斗继续在原处旋转数圈，用钻斗挖装孔底虚土，起钻后清理干净孔底的虚土。下放到钢筋笼后，对孔底沉渣进行检测，若沉渣量大于规范中规定的沉渣量，还要二次清孔。根据施工现场的具体情况来分析，成孔24h后，必须将沉渣厚度控制在25cm以内。
3.6 现场管理
全液压旋挖钻机设备具有较高的自动化水平，但也需要严格管理。一方面，在施工活动开始前就应该提前做好各项施工准备。尤其是施工机械的自重和总动力都很大，因此必须严格按照施工要求加固现场桩位的地基。另一方面，施工中做好各项检测，并如实记录，尤其要将地质层作为记录重点。因为钻进速度较快，而各种资料是迅速调整其各工艺细节的主要依据。此外，工程现场的管理要侧重钢筋笼及混凝土施工、钻斗的升降速度以及稳定液的管理。
3.7 注意事项
①泥浆护壁旋挖成孔施工中，根据桩径与地质层情况，控制钻斗升降速度是成败的关键。
②旋挖钻机作为现时性能突出的新设备，在使用时应做好相配套的现场管理，方可使其性能得到充分发挥。
③弃渣处理
桩基施工过程中所产生的弃渣要进行妥善处理，以避免环境污染。弃渣在现场处理后清运出现场，由自卸车运至业主指定地点。
④钻孔事故的预防及处理
a坍孔
坍孔原因：
埋设护筒的深度过小、下端孔口漏水、孔口周围的地面被水浸泡、坍塌，或钻机直接与护筒接触，孔口在振动的作用下坍塌，坍孔的范围也逐步扩大；
松软砂层钻进进尺过快；
吊入钢筋骨架时碰撞孔壁。
坍孔的预防和处理：
如果在松散的粉沙土和流沙中开展钻探施工，就要注意进尺速度。
若孔口坍塌，则尽快将护筒拆掉，同时回填钻孔，将护筒埋设好再开始钻进；
若孔内坍塌，则要查明坍塌位置，然后采用粘土、砂回填，混合物到坍孔以上1～2m的部位，如果坍孔现象严重，则要全部回填，回填密实以后再继续钻进；
严格控制冲程高度；
对钢筋笼骨架进行吊装的过程中，要与钻孔中心对准竖直插入，不要和孔壁发生碰撞。
b钻孔偏斜
偏斜原因：
钻孔中与有大的探头石、孤石；
在软硬地层交界且有一定倾斜度的部位，岩面倾斜处钻进，或在粒径过大或过小的砂卵石层中钻进，钻头会不均匀受力；
预防和处理：
安装钻机起重滑轮缘、护筒中心应在一条竖直线上，同时定时检查和纠偏；
如果钻进施工是在倾斜的软、硬地层中进行，就要特别注意进尺速度，尽量保持低速钻进，或用片卵石回填后再钻进；
通过探孔器验孔，并对钻孔偏斜情况作出准确的判断，在偏斜部位吊住钻头上下反复扫孔，以纠正钻孔位置。若偏斜程度较大，则要采用砂粘土回填偏斜部位，回填密实后再钻进。
c扩孔和缩孔
孔壁坍塌会导致扩孔，如果只是孔内局部坍塌而导致的扩孔，可能会增大混凝土灌注量，钻孔如果仍满足规定的施工深度就无需处理。如果因扩孔后继续坍塌而妨碍了钻进施工，就要根据塌孔事故的流程进行处理。
3.8 钻孔桩成孔质量标准见验收标准
3.9 混凝土灌注
3.9.1 钢筋笼的制作和安装
钢筋笼在固定模台上加工成形。接头采用双面搭接焊，按图纸制作好主筋和加强箍筋后，先在加强箍筋“+”方向点焊主筋，待电焊加固后，再绑扎箍筋。制作成型后，请监理工程师验收，做好签证工作。钢筋笼采用整节制作吊装。钢筋笼的保护层采用十字设置圆型导向块，间距不大于2m。为防止钢筋笼上浮，采取焊接钢管或粗钢筋在平台上。
3.9.2 导管架设
待钢筋笼吊装就位后，既搭设平台下放钢管。导管采用25m内径，卡环连接，在使用前应进行水密、承压、接头抗拉等检验。
3.9.3 混凝土灌注
在混凝土灌注之前首先计算出首批灌注砼的数量，具体计算方法见附一切准备就绪，清孔完成，经监理工程师同意后，尽快进行混凝土灌注作业。混凝土采用商品混凝土，入孔坍落度控制在18～22cm之间，混凝土运至灌注地点时，应检查其均匀性和坍落度，如不符合要求，应进行二次拌和，二次拌和仍不符合要求时，不得使用。灌注采用导管进行，首批混凝土拌和物下落后，灌注作业要持续进行，中间不得停顿，并经常探测孔内混凝土面的高度，及时调整导管的埋深，导管埋深控制在2~6m（导管口距混凝土面不小于2m），当混凝土面接近钢筋笼底部时，宜保持导管有较大的埋深，并放缓灌注速度，以减少混凝土的冲击力，避免钢筋笼上浮。为保证桩顶混凝土的质量，灌注的桩顶标高比设计标高高出0.8m；为保证混凝土强度，多余部分接桩前必须凿除，残余桩头应无松散层。在混凝土灌注过程中，如实认真填写混凝土灌注施工记录，在灌注将近结束时，应采用钢筋或其他可靠工具检查灌注高度，并核对混凝土的灌入数量，以确定所测混凝土的灌注高度是否正确。
3.9.4 截除桩头
桩基强度达到要求后，凿处桩头的浮渣，桩经过检验合格后，再将桩头砼凿除至设计标高。
附:首批灌注砼的数量应满足导管首次埋置深度(≥1.0m)和填充导管底部需要见下图，所需砼数量可参考如下公式计算:
V=ΠD2/4(H1+H2)+Πd2/4h1
式中:V――灌注首批砼所需数量(m3)
D――桩孔直径(m)
H1――桩孔底至导管底端间距，一般为0.4m
H2――导管初次埋置深度(m)
d――导管内径(m)
h1――桩孔内砼达到埋置深度H2时，导管内砼柱平衡导管外(或泥浆)压力所需的高度(m)，即h1=HWγW /γC
HW――井孔内水或泥浆的深度(m)
γW――井孔内水或泥浆的重度(kn/m3)
γC――混凝土拌和物的重度(24kn/m3
即:V=ΠD2/4(H1+H2)+Πd2/4h1
=(3.14*1.22/4)*(0.4+1.0)+(3.14*0.32/4)*(20*1.05/2.4)
=1.6+0.62
=2.22m3
