卵石、漂石层地质大直径桩基钻进及灌注施工工艺
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卵石、漂石层地质大直径桩基钻进及水下混凝土灌注施工工艺
李晓罡,冯波,王子健
(北京市公路桥梁建设集团有限公司一分公司,北京 102206)
摘要:基桩在钻机或灌注过程中出现断桩等现象,对工期和质量的影响是很大的,并且对经济有着直接和间接的损失。
所以,必须采用切实可行的施工工艺。
卵石、漂石层地质情况下,所采用的钻进施工工艺较少,为了能够进尺和护壁,保证在基桩施工中不出现质量问题,采用乌卡斯钻机进行卵石、漂石层钻机施工,能够有效的减少在钻进过程中不塌孔,保证成孔质量,配合水下混凝土的灌注施工工艺,可以有效地保证基桩的成品质量。
关键词:桥;基础;基桩;机械钻进;水下混凝土灌注;
目前,在北京市的山区、老河道中施工越来越多,而这些地方的地质情况往往都是卵石、漂石和岩层,基桩施工较地质较好的粘土层较为复杂,且不容易控制成孔质量。
房山五渡桥工程就是处于原河道内,地质情况为卵石、漂石层,桩径为1.8m,我们就这种地层及桩径采取了相应的乌卡斯钻机和与其配套的钻进施工工艺,效果比较明显。
1.现况地质
房山五渡桥工程场地在地貌上位于拒马河中游河谷。
拒马河河谷呈不对称的“U”字型,河床宽200m左右,流经桥位处的水流方向为
自东北向西南,拒马河常年有水。
据现场勘察,拒马河水流平缓,水深约0.5m,水面宽度约为50m,河底为细砂和砂卵石。
桥位斜跨河谷两侧,沉积区由河谷两侧陡崖风化剥落以及冲沟冲刷而来的碎屑、碎石、块石与河流冲积而来的砂卵石及漂石构成,使得河谷沉积成分复杂,大小混杂。
整个场区,主要由砂卵石和漂石构成。
综合野外调查、钻探描述、原位测试结果分析,场区土层包括人工堆积层、一般第四纪沉积土、蓟县系雾迷山组白云岩。
据勘察揭露的地基土层,场地土类别属II类,另外场地地基土初判不液化。
场区地下水位潜水型,其静止水位埋深为0.50~1.00m,受河水补给,水量较丰富。
2.机械选用
采用钻机形式为冲击钻,冲击钻的型号为乌卡斯冲击钻,行程设置为60cm、电机功率75KW,在砂卵层采用管锥、直径1.8m,钻头重量为6.6t,在大漂石和岩层配套采用直径为1.5m的实心椎、钻头重量为5.6t,钻机每分钟冲击41次。
3.施工工艺
3.1平整场地
桩基施工前,先进行施工平台的铺设,如在河道中央的位置,则需先进行河道围堰施工,用砂石料填筑一施工平台,填筑至水面以上分层碾压密实并整平,满足施工承载要求,场地面积要满足钻孔要求。
3.2埋置护筒
护筒采用1.2m钢护筒。
护筒内径比设计桩直径大30cm。
埋设护筒时,人工开挖至护筒底部,保证护筒的平面位置和垂直度。
护筒底部及四周应用水泥拌和砂砾夯填密实,保证护筒周围和底脚要紧密不透水。
3.3护壁泥浆
采用红粘土造浆,泥浆比重控制在1.4-1.6,保证泥浆能很好的护壁,起到稳定孔壁的作用。
在桩基钻孔和浇注过程中应保证孔内泥浆水头比地下水高,以免发生孔壁坍塌。
3.4钻孔
3.4.1在护筒上施测十字线,以便钻孔机就位,钻机就位后,底座平整、立架牢固,不能产生位移和沉降。
钻孔前钻头对好桩位,定位误差≤2cm。
3.4.2相邻桩位施工时必须保证在中距5m以内的任何混凝土灌注桩完成后24h才能开始,防止扰动灌注桩,钻孔作业连续分班进行,并认真填写钻孔桩钻进记录,交接班时交付钻进情况及下一班的注意事项。
在整个施工过程中,水头始终保证在2m左右,防止了孔壁坍塌,埋钻头的现象发生,确保钻孔桩的成孔质量和成孔速度。
3.4.3钻孔开始后随时检测护筒水平位置和竖直线,如发现偏移应将护筒拔出,调整后重新压入钻进。
3.4.4钻孔作业应分班连续进行,填写钻孔施工记录,交班时应交待钻进情况及下一班应注意事项。
3.4.5为掌握地层的特性及实际的地质情况,随时对钻渣作取样分析,核对设计资料,根据地层变化情况,采用相应的钻进速度和泥浆稠度。
3.4.6钻孔过程中,根据地质资料绘制柱状图,以指导施工。
为保证良好的孔壁稳定性,必须定时对泥浆进行检测和试验,认真填写泥浆试验记录,严格控制其稠度。
不合格时及时调整。
随着钻孔的不断加深及时注入泥浆,保持泥浆的液面高度,以维持孔内水头差,防止孔壁坍塌。
3.4.7通过钻进中辅助带重锤的测绳,在同一孔底测试两个点以上,以验证孔深度。
3.4.8在钻孔排渣、提钻头除土或因故停钻时,应保持孔内具有规定的水位和要求的泥浆相对密度和粘度。
处理孔内事故或因故停钻,必须将钻头提出孔外。
钻孔中要时刻检查钻头位置,防止打空钻,采用勤松绳少松绳的办法钻孔。
3.4.9在遇见大粒径漂石和岩石时,采用1.5m实心椎先进行钻进,增大行程,加大冲击力,钻进深度为1-2m,这样能够尽量减少塌孔,然后再用1.8m管锥进行扩孔,循序渐进,直至成孔。
3.5清孔
经测量确认钻孔至设计标高后,对孔深、孔径、孔的偏斜度进行检查。
采用测孔锥测孔,合格后进行清孔,宜采用抽浆清孔方法,清
孔时注意保持孔内水头,防止坍孔。
严禁用加深钻孔深度的方式代替清孔。
孔底沉渣厚度必须符合规范及设计要求。
在吊入钢筋骨架后浇注水下混凝土前应再次检查孔内泥浆性能指标和沉渣厚度,沉渣厚度不大于0.15D。
如果超过要求需进行二次清孔,符合要求后方可灌注水下混凝土,清孔的主要方法有换浆法、掏渣法、空压机喷射法、砂浆置换法等,根据具体情况选择使用。
3.6验孔
钻孔完成后,专职技术人员验孔,验孔采用孔规,孔规直径为设计桩径,长度为4-6D(D为桩径)。
检孔内容包括:孔深、孔形、孔径和倾斜度。
3.7灌注水下砼
3.7.1混凝土采用预拌商品混凝土,混凝土配合比符合强度、耐久性要求,对到场的每一车混凝土对其进行和易性、坍落度测定,如果不符合要求严禁使用。
3.7.2首灌混凝土浇注前必须用清水将漏斗、导管进行清洗,避免混凝土水分损失,保证灌注顺利。
3.7.3混凝土浇注前,先向导管内放入球胆作为隔水塞。
混凝土灌注
时要能保证混凝土以“柱塞”式连续不断
的灌注。
开始灌注时慢速进行灌注,以减
少混凝土的冲击力,从而减小冲击波消失
后泥浆回弹而引起回灌造成的混浆。
必须
保证导管内有相当高度的混凝土柱,以维
持导管内外液面压力平衡
3.7.4混凝土由罐车直接灌入导管。
导管上口设一闸门式灰斗,放满混凝土,然后用吊车再吊一装满混凝土灰斗,对准导管上的灰斗,灰斗之间距离保持30厘米左右。
待一切准备就绪,由专人指挥打开灰斗闸门,同时吊车上的灰斗也由专人打开;这样混凝土就会源源不断地经过导管进入桩底,待两灰斗混凝土流尽后(导管下口离桩底距离,是由两灰斗混凝土方量计算得来的),两灰斗内的砼为首批灌注砼,其方量由计算确定,首批灌注砼的数量满足导管初次埋置深度(≥1.0m )和填充导管底部间隙的需要,按下式计算:
公式为: c H D h d
V 44212⋅+⋅≥ππ
32h h H c +=
式中:V —首批砼所需数量(m 3)
D —井孔直径(m )
d —导管内径(m )
h 1—井孔砼面高度达到H C 时,导管内砼柱需要的高度(m )h 1≥γw H w /γc
H C —首批砼井孔内砼面至孔底高度(m )
H W —井孔内砼面以上泥浆深度(m )
γ
W —泥浆容重(KN/m 3) γ C
—砼容重(KN/m 3) h 2 —导管初次埋深大于1m ,
H 3—导管底至孔底间隙约0.4m
根据桩径和以上公式确定首批灌注砼方量,确保首批砼灌注后的导管埋深≥1.0m 。
3.7.5为防止钢筋骨架上浮,当灌注的混凝土顶面距钢筋架底部1m 左右时,降低混凝土的灌注速度。
当混凝土的拌和物上升到骨架底口4m以上时,提升导管,使其底口高于骨架底部2m以上,即可恢复正常速度,导管提升时应保持轴线竖直和位置居中,逐步提升。
3.7.6灌注开始后,应紧凑、连续地进行,严禁中途停工。
在灌注过程中,要防止混凝土从漏斗顶溢出或从外掉入孔底,使泥浆内含有水泥而变稠凝结,致使测深不准确。
灌注过程中,应注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况,及时测量孔内混凝土面高度,正确指挥导管的提升和拆除。
拆除导管动作要快,时间不宜超过15min。
已拆下的管节要立即清洗,堆放整齐。
在最后一次拔管时,要缓慢提拔导管,以避免孔内上部泥浆压入桩中。
3.7.7技术人员测量导管埋置深度,在整个灌注的过程中,导管始终保持埋置深度不小于2m,直至灌注高度大于桩顶标高0.5-1.0m左右,高出部分由人工挖,挖至全部是新鲜密实混凝土,并且高于桩顶标高20~30cm。
3.7.8混凝土灌注到最后阶段时“超压力”偏小,此时导管内的混凝土不易下落,桩孔内的混凝土不易上升,灌注工作将受阻。
为了维持一定的超压力,从而保证最后阶段混凝土的正常灌注,需要把混凝土提升到4~6m的高度,造成落差恢复“超压力”,使灌注工作继续直至整桩浇注完成。
并填写钻孔桩水下混凝土浇注记录。
3.7.9在灌注混凝土时每根桩应至少留取四组试件。
并送标养室养护,认真填写试验报告。
若强度不符合要求时,应及时提出报告,采取相应补救措施。
4.过程数据
4.1泥浆比重: 1.5
4.2钻进速度:
4.2.1卵石层: 4.0m/24h
4.2.2漂石层: 4.0m/24h
4.2.3岩层: 2.0m/24h
4.3每棵基桩(含盲孔25m)成孔时间:8d
5.控制重点
5.1钻进过程中的塌孔
在钻孔过程中,如果钻孔内水位突然下降,孔中冒细密的水泡,出渣量显著增加而不见进尺,钻机负荷显著增加等。
就显示已塌孔。
5.1.1坍孔原因:
①泥浆相对密度不够及其泥浆性能指标不符合要求,使孔壁未形成坚实泥皮。
②出渣后未及时补充泥浆(或水),或钻孔通过砂砾等强透水层,孔内水流失等而造成孔内水头高度不够。
③护筒埋置太浅,下端孔口漏水、坍塌或孔口附近地面受水浸湿泡软,或钻机直接接触在护筒上,由于振动使孔口坍塌。
④在松软砂层中钻进进尺太快。
⑤清孔后泥浆相对密度、粘度等指标降低,用空气吸泥机清孔泥浆吸走后未及时补浆(或水)使孔内水位低于地下水位。
5.1.2预防和处理措施:
①在松散砂砾中钻进时,应控制进尺速度,选用较大相对密度、粘度、胶体率的泥浆或高质量泥浆。
②根据不同地质,调整泥浆比重,确保泥浆比重,确保泥浆具有足够的稠度确保孔内外水位差,维护孔壁稳定。
③清孔时应设指定专人负责补水,保证钻孔内必要的水头高度。
④发生孔口坍塌时,可立即拆除护筒并回填钻孔,重新埋设护筒钻进,坍孔部位不深时,可用深埋护筒法,将护筒周围土夯填密实,再重新钻孔。
⑤发生孔内坍塌时,判明坍塌位置,回填砂和粘土混合物到坍孔处以上1~2m。
如坍孔严重时全部回填,待回填物沉积密实后在进行钻进。
5.2钻孔偏斜
现场钻成的桩孔,垂直桩不竖直,斜桩倾斜度不符要求的标准。
或桩位偏移设计桩位。
5.2.1偏斜原因:
①钻孔中遇有较大的孤石或探头石。
②在有倾斜的软硬地层交界处,岩面倾斜处钻进;或者粒径大小悬殊的砂卵石层中钻进,钻头受力不均匀。
③扩孔较大处,钻头摆动偏向一方
④钻机底座未安置水平或产生不均匀沉降、位移。
⑤钻杆弯曲,接头不正。
5.2.2预防处理措施:
①安装钻机时要使转盘,底座水平,起重滑轮轮轴固定钻杆的卡孔和护筒中心三者应在一条竖直线上。
并经常检查校正。
②由于主动钻杆较长,转动时上部摆动过大。
必须在钻架上增设导向架,控制钻杆上的提引水龙头,使其沿导向架对中钻进。
③钻杆、接头应逐个检查,及时调整。
主动钻杆弯曲,要用千斤顶及时调直。
④在碰到大粒径孤石或探头石时,应吊着钻杆控制进尺,低速钻进,或回填片、卵石冲平后再钻进。
⑤在偏斜处吊住钻头上下反复扫孔,使孔正直。
偏斜严重时应回填砂粘土到偏斜处,待沉积密实后再继续钻进。
5.3导管进水
5.3.1确保首批灌注的混凝土总方量,能满足填充导管下口与桩孔底面的间隙和使导管下口首灌时被埋没深度≥2m的需要。
首灌前,导管下口距孔底一般为0.4m。
5.3.2在提升导管前,设专人(2名)用标准测深锤测混凝土表面的深度,控制导管的提升高度,将导管埋深控制在2~4m。
5.3.3下导管前,导管应进行试拼,并进行导管的水密性、承压性和接头的试验。
5.3.4首灌混凝土后,要保持混凝土连续的灌注,尽量缩短间隔时间,当导管内混凝土不饱满时,应徐徐的灌入,防止导管内形成高压气囊。
5.3.5首灌底口进水和灌注中导管提升过量的进水,一旦发生,停止灌注。
利用导管作吸泥管,以空气吸泥法,将已灌注的混凝土拌和物全部吸出。
5.4导管堵管
导管已提升很高,导管底口埋入混凝土接近1m,但是灌注在导管中的混凝土仍不能涌翻上来。
预防处理措施:
5.4.1灌注混凝土的坍落度在180~220mm之间,并保证具有良好的和易性。
在运输和灌注过程中不发生显著离析和泌水;保证混凝土的连续浇灌,中断灌注不应超过30min。
5.4.2灌注开始不久发生堵管时,可用长杆冲、捣或用振动器振动导管。
若无效果拔出导管,用空气吸泥机或抓斗将已灌入孔底的混凝土清出,更新导管,准备足够储量混凝土,重新灌注。
5.5钢筋笼在灌注混凝土时上浮
预防治理措施:
灌注中,当混凝土表面接近钢筋笼底时,应放慢混凝土灌注速度,并应使导管保持较大埋深,使导管底口与钢筋笼底端间保持较大距离,以便减少对钢筋的冲击;混凝土液面进入钢筋笼一定深度后,应适当提升导管,使钢筋笼在导管下口有一定埋深。
5.6灌注混凝土时桩孔坍孔
混凝土灌注过程中,稳定孔内水位,防止护筒及孔壁漏水;用吸泥机吸出坍入孔内的泥土,同时保持或加大水头高,如不再坍孔,可继续灌注
5.7夹泥、断桩
预防治理措施:
5.7.1严格控制混凝土坍落度,尽量延长混凝土初凝时间;灌注混凝土前检查导管、混凝土灌车,并有备用的设备、导管确保混凝土能连续灌注。
5.7.2随灌混凝土,随提升导管,做到连灌、勤测、勤拔导管随时掌握导管埋入深度,避免导管埋入过深或过浅;避免导管卡、挂钢筋笼,避免出现堵导管,埋导管,灌注中坍孔导管进水等质量通病的发生。
5.7.3断桩或夹泥发生在桩顶部时,将其剔除,然后接长护筒,并将护筒压至灌好的混凝土面以下,除水、除渣进行接桩处理。
5.7.4当浇注时间不长,混凝土数量不大时,将孔中混凝土及泥石全部清除,重新灌注。
5.7.5距地面深度较浅时(小于15m),可用完整钢护筒的办法,抽干泥浆,凿出新混凝土面,再按无水混凝土浇注至设计标高。
对于钢护筒可以边交边拔。
5.7.6在距地面较深时,应分析原因,采取相应的措施,对于计划重做的桩,要立即拔出钢筋笼,提出导管,重新钻孔,按新孔进行混凝土浇注。
5.7.7对于严重夹泥、断桩要进行重钻补桩处理。
五渡桥工程共有1.8m直径的基桩8棵,在采用了管锥和实心椎配套使用后,全部在无塌孔的情况下成孔、灌注,经检测达到Ⅰ类桩标准,满足了设计要求,达到了良好的效果,顺利的完成了基桩钻进任务。