钻孔灌注桩在公路桥梁施工中的应用

钻孔灌注桩在公路桥梁施工中的应用
刘修阳
摘要：本文笔者结合多年的工作实践，对在钻孔灌注桩在整个施工过程中出现的坍孔、卡管、掉物等故障提出了回填重钻、淤泥吸拔、叉钩打捞等现场实用解决方法，为公路桥梁中钻孔灌注桩的施工安全以及质量控制具有一定的指导意义。
关键词：桥梁施工；钻孔灌注桩；质量控制
随着国家基本建设投入的增大以及高层建筑的发展，钻孔灌注桩现今已被广泛地应用于公路桥梁、高层建筑等工程的基础建设中。钻孔灌注桩之所以能得到推广是由它对各种地质条件的适应性以及施工简单易操作性所决定的。但是，由于其施工工艺环节较多，一环不慎，就有出现质量事故的可能，需要施工人员具有认真的工作态度、良好的技术水平和丰富的临场处理能力。尤其在桥梁建设中，桩基位置可选择范围较小，更需要加强施工管理，确保成桩质量。
该桥基础采用冲孔或钻孔灌柱桩，直径2.2 m，嵌入弱风化层基岩内，嵌入深度不小于2.5倍桩径，并在桩顶设置横系梁。分布于河床及左岸漫滩的卵石质土层，卵砾石含量不均匀，卯砾石成分以灰岩和砂岩为主，但多呈弱风化，部分强风化。其力学性能存在着不均匀性，强度普遍较低，不宜作为基础持力层。而基岩具有较高的力学性质，是理想的基础持力层。砂岩饱水抗压强度平均值23.28MPa，标准值16.27 MPa；粉砂质泥岩自然抗压强度，强风化下段岩体平均值9.9 MPa，标准值7.6 MPa；弱风化岩体平均值11.75 MPa，标准值7.76 MPa，天然湿度单轴极限抗压强度5.5～6.0 MPa。共有2.2 m钻孔桩14根，总长度346.5 m，单根钻孔桩最长为31.5 m，最短为18.0 m。地质主要为：细砂、砾砂、粉砂岩、砂岩。施工时主要选用QZ一1500冲击钻机，配以 2.2 m钻头冲孔，泥浆护壁，吊车或钻架下钢筋笼，导管法灌注水下混凝土。
该桥基础采用冲孔或钻孔灌注桩，直径1.8 m，嵌入弱风化层基岩内，嵌入深度不小于2.5倍桩径，并在桩顶设置横系梁。分布于河床漫滩的亚黏土、卵石质土层，不宜作为基础持力层。下伏基岩弱风化层部分呈紫灰色，暗紫红色，质较硬，天然湿度单轴极限抗压强度6.5～9.6 MPa，具有较高的力学性质，是理想的基础持力层。共有钻孔桩8根。施工时主要选用QZ一1500冲击钻机，配以 1.8m钻头冲孔，泥浆护壁，吊车或钻架下钢筋笼，导管法灌注水下混凝土。
该桥基础采用回旋钻孔灌注桩，直径1.0 m，嵌入弱风化层基岩内，嵌入深度不小于2.5倍桩径。河床漫滩的砂土、亚黏土质层，不宜作为基础持力层。下伏基岩弱风化层部分为砂岩，呈灰黄色，灰白色，灰色，质硬，天然湿度单轴极限抗压强度7.5～24.83 MPa。具有较高的力学性质，是理想的基础持力层。共有钻孔桩18根。施工时主要选用zL 90电动回旋钻机，上部钢护壁，进入基岩泥浆护壁，吊车下钢筋笼，导管法灌注水下混凝土。
1 钻孔前的质量控制
在准确放样的前提下埋设护筒，埋设护筒的方法和要求，《公路桥涵施工技术规范》[1]JTJ 041—2000(以下简称《规范》)已作出了较详细的规定。如果钻孔是在陆地上进行的，则一般采用挖坑法，比较简单易行；如果钻孔在水上进行，则护简埋设采用锤击打人的方法，比较快捷稳妥，前提条件是均要在护筒上口作好桩中心标记，以便钻机对中。
钻孔对中过程中，比较容易忽视的就是钻机底座的水平问题，但在现今成套设备中因为有液压调整装置，不易出现差错；而在自制的钻孔设备中就不易控制钻机底座的水平性。自制的钻孔设备中由于缺少水平调整装置，当出现水上搭设平台的情况时，平台本身与水平面不平行，致使钻杆夹具无法保持水平，引起钻杆的不垂直，从而影响灌注桩的垂直性。因此在对位及钻孔过程中，均应着重观测调整钻机的水平和垂直度[2]
2 钻孔过程中的质量控制
首先根据孔位所在的地质情况，选用合适的钻机型号以及钻锥。在钻孔过程中，应采取减压钻进的方式，并同时保证孔底承受的钻压不应超过钻杆、钻锥和压块重量之和的60％ ，达到减少和避免斜孔、弯孔和扩孔现象的目的。
尽量保证钻孔的连续性。因故停钻时，应将潜水钻机及钻锥提升至孔外以防埋钻。发现如塌孔、进尺异常等情况时，应仔细观察分析，查明原因和位置，及时与监理、设计单位取得联系，采取相应的补救措施。掉钻落物应及时打捞，以免被泥沙埋没，影响继续钻孔。
3 成孔后的质量控制[3]
清孔应是成孔之后的首要工作。在清孔时可利用相对密度较低的泥浆或清水压人进行清孔操作。如遇地下高水位，地层较易坍塌，可适当增大泥浆的密度，但泥浆密度过大会造成混凝土顶升困难，此外还应注意避免泥浆比重上下不一的情况。清孔过程中还应注意保持水头，经常检测泥浆指标，一旦达标，迅速起钻。清孔结束后，在验收桩径时可用直径比设计桩径小5cm钢筋圆圈放人孔内进行验收。在整个清孔过程中应尽可能缩短浇筑前的操作时间，减少沉淀量。
严禁采用加深孔底深度的方法代替清孔，这将会极大地降低桩尖处基底的极限承载力，也可能因泥浆相对密度过大而造成夹泥或断桩。
清孔结束后，在保证钢筋笼的焊接质量，成笼圆直的情况下进行钢筋笼的下放。在下放过程之前，应准确计算钢筋笼的置放位置，并保证伸进承台部分的钢筋长度，为了保证中心的一致性及保证钢筋笼的混凝土保护层的厚度，沿钢筋笼纵向还应设置混凝土保护层垫块。下放过程中，应选派经验丰富、技术熟练的人员进行操作，随时调整笼子的位置，使笼中心与桩中心保持一致。
在下导管前，应对导管的连接进行水密性试验，并记录各节长度和编号，以便于浇筑过程中的长度计量。
4 浇筑前的质量控制
首先是材料的准备工作，包括青砂的过筛、去除各种杂质、石子的冲洗等等。其次就是对各项操作机械进行检查，包括搅拌机的试运转、翻斗车的性能、爬梯的牢固以及顺滑程度等。笔者就曾经经历过因翻斗车无法倒料，爬梯爬斗不顺滑，导致浇筑工作中断的严重事故。
导管在每次浇筑卸管后立即冲刷干净。浇筑前导管的连接应分清编号及长度，以免影响计量埋深值。由于混凝土在泥浆中灌注和养护，混凝土的操作配合比应在保证设计强度前提下还应再加上一个保证率。
《规范》要求首批混凝土的数量应能满足导管初次埋置深度大于等于1.0 m，因此应准确计量导管上口漏斗的斗容量。容量不足的，应及时采取措施加以调整，保证首灌混凝土的冲击力和排淤能力。此外，还应检查漏斗底口的隔水设施是否完好可靠，避免人为的疏忽而导致事故。在准备工作期间，还应预备好水泵、吸泥机、高压水管等各种处理故障的设备，以防万一。在开浇前，应测量孔底沉淀厚度，保证不大于规定值。如果大于规定值，还得再次清孔。此时，可用喷射清孔法，即用高压射水或射风数分钟，待少量沉淀物漂浮后，立即浇灌水下混凝土。
5 浇筑过程中的质量控制
首批混凝土除数量满足埋深要求外，可适当增加水泥量及含砂量，以保证其和易性，并使以后浇人的混凝土容易顶升；若首批混凝土的初凝时间早于灌注全部混凝土所需的时间，则首批混凝土中还应掺人缓凝剂。经常检测混凝土的坍落度，并使之控制在18～20cm的范围内。
浇筑过程中，最重要的就是控制导管的埋深，依据《规范》要求应严格控制在2～6m范围内。埋深过小会使管外混凝土面上的泥浆卷入混凝土形成夹泥；过大则会使混凝土不易流出顶升，还可造成桩外周的混凝土出现骨料离析和空洞，减小桩的有效直径，同时还会造成近导管处混凝土面高，远导管处混凝土面低，从而混凝土先顶升再水平扩散，出现死角区，导致泥浆和混凝土混合物填实在死角区，造成钢筋的握裹力不足。
提升导管的原则是：
1)每次卸掉的导管长度应和浇人桩孔的混凝土上升高度相对应；
2)必须严格按照《规范》要求控制导管埋深在2～ 6 m范围内。
6 故障排除 [5]
钻孔过程中的坍孔、卡管、掉物等故障，可分别采用回填重钻、淤泥吸拔、叉钩打捞等方法。下面重点介绍成孔之后灌注桩浇筑过程中出现的故障及处理方法。
6.1 卡管
卡管是最常见的病害之一，导致卡管的原因包括：①混凝土和易性差造成离析；②各种机械故障引起混凝土浇筑不连续，在管中停留时间过长而卡管；③导管进水造成混凝土离析等。排除的办法有：
1)锤击导管法兰，吊绳上下抖动等皆可疏通。较为严重的，也可安装附着式振动器，但最好在开始时就采用，其不利的方面在于振动可疏通导管，同样也可使混凝土离析。
2)若卡管位置在地面以下较近位置，可用直径25mm以上的钢筋进行冲捣。
3)在导管外加焊铁板，利用导管下落时铁板与其它卡座的撞击振动疏通。
6.2 导管进水
导管进水是浇注过程中另一个主要故障。其原因有：①首灌混凝土量不足或导管口提升过高以至无埋深；②误测导致导管提升至混凝土面外，其基本现象为导管中会重新充水，孔内水位明显下降。其解决办法为：
1)如果是第1种原因造成的进水，可用导管作为吸管，用空管吸泥方法将孔内混凝土吸出，重新灌注。
2)第2种原因则可采用重插法。即重新插入混凝土中，用泥浆泵抽出管内的泥浆，再重新浇灌混凝土。其前提条件是表面混凝土未初凝，若超过初凝时间则作为废桩。若没埋深，但导管内有混凝土面而没进水，则插入重浇，但有可能造成夹层，应根据现场实际情况进行测试。
3)若导管已离桩顶不远时进水，可在以后基础开挖中埋人护筒，清除沉渣及软弱混凝土层，安装同样直径的模板，浇筑混凝土至设计标高。
6.3 导管拔断或拔不出
导管拔断或拔不出的原因是埋深过大，时间长后造成混凝土初凝，引起摩阻力过大，螺栓拧紧力矩不足。处理办法是：
1)加强测深，控制埋深。
2)若导管断在混凝土中，则继续浇筑，权当加入钢筋；若导管断在混凝土外，则采用重插法，设置隔水栓，重下导管重新浇筑，前提同样是混凝土未初凝。若用上述方法处理无效时，应及时将导管拔出，将已灌的混凝土吸出，抽出钢筋笼，重新清孔，再无法处理时，只能按废桩对待。
6.4 废桩
由于桥梁上桩位可选择的范围较小，《规范》要求桩径中心距在承台底面处不小于桩径的1.5倍。因此，废桩情况应尽最大努力避免，当无法避免时，只得采用补桩的方法。补桩分为以下2种情况：
1)原桩位上进行修补。此时可采用反循环钻机除去钻锥，泥浆泵将泥渣及混凝土渣吸排出去，并短时可采用清水清孔，在钻头上焊接十字钢钢骨架对原桩顶面捣刮，然后下导管继续浇筑，以后加强检测。
2)原桩位报废。一般要补对称2根，且无桩位，常采用原桩位上补一根，旁边再浇一根的方法，但这种方法必须经设计部门认可。另外，断桩位置越上越危险，因此补桩时应充分考虑这个因素。
7 结 语
钻孔灌注桩质量事故引发的后果相当严重，因此施工单位在施工中应加强管理，采取科学的施工方案和切实可行的备用方案。只有严格按照规范、规程操作，加强监督检测，才能避免质量事故或把质量事故降低到最小限度。对已经出现问题的桩基，应掌握详尽而准确的现场资料，及时组织专家会诊，制定安全可靠而又经济的处理方案。
参考文献：
[1] JTJ 041-2000，公路桥涵施工技术规范[s].
[2] 史佩栋.实用桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
[3] 罗骐先.桩基工程检测手册[M].北京：人民交通出版社，2004.
[4] 王靖涛.桩基础设计与检测[M].北京.华中科技大学出版社，2005.
[5] 叶建良桩基工程[M].北京：中国地质大学出版社，2000.