王振宇, 梁學(xué)成, 李正全

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 引 言

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展,橋梁工程所占比重的進(jìn)一步提升,鉆孔樁基礎(chǔ)以其容易適應(yīng)持力層高低不平的變化和不同施工條件及外荷載的變化,省工、省料、施工速度快等特點而被廣泛采用。

鉆孔灌注樁施工時常易發(fā)生孔壁坍塌、斜孔、樁身夾泥、短樁等工程問題,可以說是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”。水下混凝土灌注屬隱蔽工程,—旦發(fā)生質(zhì)量事故難以觀察和補救,從而給后期處理帶來困難,影響橋梁的施工進(jìn)度和使用性能。要想行之有效的控制鉆孔灌注樁的成孔質(zhì)量,就必須熟悉鉆孔施工過程中常見的工程質(zhì)量事故及處理方法,掌握水下混凝土灌注施工中常見病害的防治措施。筆者從施工中經(jīng)常遇到的實際問題入手,主要針對沖擊鉆機的成孔方式,就鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量控制及病害產(chǎn)生原因和防治加以分析解答。

2 鉆孔樁成孔質(zhì)量控制

鉆孔施工中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題一般有坍孔、鉆孔偏斜、擴孔、縮孔、卡鉆、埋鉆和梅花孔等。為防止此類事故的發(fā)生,確保成孔質(zhì)量,防患于未然,在施工中應(yīng)注意以下幾點:

(1)施工前要認(rèn)真查看地質(zhì)資料,掌握地質(zhì)狀況,分析可能發(fā)生的問題并制定預(yù)防措施。

(2)施工前注意檢查操作平臺及鉆機安裝的穩(wěn)定性,調(diào)整鉆頭的垂直度。

(3)在鉆進(jìn)過程中,始終要注意泥漿的質(zhì)量,確保護(hù)筒內(nèi)泥漿面標(biāo)高不低于地下水位或河水水位 1.5～2.0m,這是防止坍孔和縮頸的基本保證。

(4)泥漿相對密度和粘度不能太大,鉆機沖程不能過小,防止出現(xiàn)梅花孔。

3 鉆孔施工過程中常見的工程質(zhì)量事故及防治

3.1 孔壁坍塌

在鉆孔過程中,如發(fā)現(xiàn)孔口護(hù)筒內(nèi)水位忽然上升溢出,隨即驟降并冒出氣泡,出渣量突增而不見進(jìn)尺,鉆機負(fù)荷顯著增加,應(yīng)懷疑是坍孔征象,可用測深探錘探測,若測得的孔深與原孔深相差較大,可證實坍孔。

坍孔產(chǎn)生的原因一般為:孔內(nèi)外水位差減小,水頭不穩(wěn)定,不能保證原有的落水壓力;泥漿稠度小,起不到加固孔壁的作用;護(hù)筒埋設(shè)不良,埋深不夠,四周填土質(zhì)量差,造成護(hù)筒底周圍漏水,容易引起護(hù)筒底附近坍孔;施工操作不當(dāng),鉆頭、抽渣筒起落不穩(wěn),碰撞、沖擊孔壁;停鉆時間過長,泥渣沉淀,泥漿稠度不夠,再鉆時未重新調(diào)配適當(dāng);清孔、抽渣措施不當(dāng),延續(xù)時間太長,破壞了護(hù)壁泥皮等。

預(yù)防和處理方法:坍孔部位不深時,如果孔口或護(hù)筒底部坍塌,可采取深埋護(hù)筒法,將護(hù)筒周圍的填土夯實后再繼續(xù)鉆進(jìn);也可采取回填粘土、重埋護(hù)筒、重新鉆孔的方法。如果孔內(nèi)發(fā)生坍塌,應(yīng)查明坍孔原因、位置,然后進(jìn)行處理。坍孔不嚴(yán)重時,可回填粘土到坍孔部位以上 1～1.5m,并采取改善泥漿性能、加高水頭、深埋護(hù)筒等措施,再進(jìn)行施鉆。坍孔嚴(yán)重時,應(yīng)立即將鉆孔用砂類土或礫石土回填,無上述土類時,可采用粘質(zhì)土并摻入 5%～8%的水泥,等待數(shù)日待回填沉實后重新鉆孔,此次鉆進(jìn)應(yīng)注意調(diào)整泥漿濃度,減緩鉆進(jìn)速度。

3.2 鉆孔偏斜

造成鉆孔偏斜的原因:鉆機安裝不平穩(wěn),鉆架發(fā)生位移;護(hù)筒埋設(shè)偏斜易造成鉆頭跟進(jìn)時發(fā)生引導(dǎo)性的偏斜;鉆進(jìn)過程中松繩過多,鉆頭落底時自由度過大;遇到凸起硬巖,由于硬巖與周圍土質(zhì)的軟硬程度相差較大,容易引起偏斜等。

預(yù)防和處理方法:鉆進(jìn)過程中,技術(shù)人員應(yīng)隨時檢查鋼繩的垂直度,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有傾斜趨勢時應(yīng)及時矯正,避免因發(fā)現(xiàn)不及時而造成鉆孔嚴(yán)重偏斜,增大處理工作的難度。

當(dāng)發(fā)生鉆孔偏斜時,應(yīng)及時查明偏斜的初始位置并回填礫石土和片石,回填高度應(yīng)略高于偏斜處,并以小沖程施鉆,減緩鉆進(jìn)速度;鉆進(jìn)過程中,必須勤松繩、少量松繩,要注意均勻地松放鋼絲繩的長度。

3.3 卡 鉆

使用沖擊鉆鉆孔時常發(fā)生卡鉆現(xiàn)象,卡鉆的原因主要有:

在更換鉆頭時,如果更換的鉆頭比原鉆頭的直徑大,容易發(fā)生卡鉆;鉆頭不轉(zhuǎn)動,孔底出現(xiàn)較深的梅花孔等容易形成卡鉆?？變?nèi)有探頭石或坍落石等也容易引起卡鉆。

預(yù)防和處理方法:在更換鉆頭時,要注意其直徑的大小,在焊補原鉆頭時,也要注意其直徑是否增大。要預(yù)防和及早對不規(guī)則孔進(jìn)行處理,使孔圓順,以降低卡鉆機率。

發(fā)生卡鉆后,不宜強提鉆頭,以免鉆頭越卡越緊。應(yīng)分析清楚卡鉆的原因后再進(jìn)行妥善處理?？刹捎眯″F沖擊或用沖、吸的方法將鉆錐周圍的鉆渣松動后再提出。

3.4 鉆頭掉落

掉鉆頭是鉆孔中經(jīng)常發(fā)生的事故之一。由于打撈一個鉆頭往往要耗費幾個工班,影響工期,操作不當(dāng)不但撈不出來,還會引起坍孔,以致不得不廢棄鉆孔,對施工影響很大,要盡力防止。

沖擊式鉆機掉鉆頭的原因主要為:鉆頭大繩卡子松動;鋼絲繩斷絲;鉆頭空打;卡鉆時硬提等都容易造成鉆頭掉落。

預(yù)防和處理方法:加強施工檢查,對磨損嚴(yán)重的鋼繩和卡環(huán)等及時更換;認(rèn)真按規(guī)定操作,遇到障礙物不能硬鉆,卡鉆時不可強提硬拔;鉆進(jìn)過程中均勻地松放鋼絲繩的長度,防止松繩過少,形成“打空錘”。也可增加一根保險鋼絲繩,當(dāng)主繩斷時,可利用其提起鉆頭。

發(fā)生掉鉆事故宜首先加大泥漿濃度,然后用打撈叉、鉤、繩套等工具打撈,同時,鉆頭上要預(yù)先焊一些掛鉤,以便打撈。打撈無效時,應(yīng)盡快聯(lián)系有經(jīng)驗的打撈隊伍,不能擱置太長,以免坍孔。值得強調(diào)的是:在任何情況下,嚴(yán)禁施工人員進(jìn)入沒有護(hù)筒或無其他防護(hù)設(shè)施的鉆孔中心處理故障。當(dāng)必須下入鉆孔時,應(yīng)邀請專業(yè)人員,配備齊全防毒、防溺、防坍埋等安全設(shè)施后方可進(jìn)行。

4 鉆孔樁成樁質(zhì)量控制

4.1 成孔檢查與清孔

鉆孔達(dá)到設(shè)計深度后,應(yīng)對孔深、孔徑、孔型、傾斜度進(jìn)行檢查?？讖健⒖仔?、傾斜度的檢測宜使用專用儀器,當(dāng)缺乏專用儀器時,可自制鋼筋檢孔器。檢孔器外徑為孔樁鋼筋籠直徑加100mm(不得大于鉆頭直徑),長度為 4～6倍樁徑。

成孔后,更換清渣筒,進(jìn)行清底并測定孔深。清孔徹底與否對泥漿護(hù)壁成孔灌注樁的承載力和沉降量影響較大。

水下混凝土澆筑前,應(yīng)復(fù)查樁底沉渣厚度。利用清孔后孔深與混凝土灌注前量測沉渣頂面孔深的差值來計算沉渣厚度。不滿足要求時應(yīng)進(jìn)行二次清孔。端承樁沉渣厚度≤100mm,摩擦樁沉渣厚度≤300mm。

清孔后,應(yīng)盡快下鋼筋籠并灌注水下混凝土,間隔時間越短越好,以免坍孔。

4.2 鋼筋籠吊裝

分節(jié)吊裝的鋼筋籠拼裝焊接時需注意鋼筋籠的垂直度,并且兩節(jié)鋼筋籠的中心應(yīng)在同一條直線上,不得發(fā)生扭曲現(xiàn)象。

下放鋼筋籠時速度要緩慢均勻,隨時調(diào)整籠體的垂直度,盡量避免鋼筋籠傾斜及擺動,以防塌孔。下到設(shè)計標(biāo)高后用2根 φ16～20的吊筋進(jìn)行定位,采用工字鋼固定于護(hù)筒兩側(cè)的枕木上,并計算鋼筋籠位置是否符合設(shè)計標(biāo)高。

4.3 鉆孔灌注樁混凝土配合比的選擇

(1)水泥的初凝時間不宜早于 2.5h,水泥強度等級不宜低于 42.5MPa。水泥摻入量不宜小于 350㎏/m3,當(dāng)摻有適宜數(shù)量粉煤灰時,可不少于 300㎏ /m3。

(2)粗骨料宜優(yōu)先選用卵石,如采用碎石,宜適當(dāng)增加混凝土配合比的含砂率。最大粗骨料粒徑不應(yīng)大于 40mm。

(3)混凝土配合比的含砂 率宜采用 0.4～0.5,水灰比宜采用 0.3～0.4。

(4)混凝土拌合物應(yīng)有良好的和易性,在運輸和灌注過程中應(yīng)無顯著離析、泌水現(xiàn)象。灌注時應(yīng)保持足夠的流動性,其坍落度宜為 180～220 mm。

(5)混凝土的初凝時間要大于灌注完成時間。

4.4 水下混凝土灌注施工控制要點

采用導(dǎo)管法進(jìn)行水下混凝土灌注,對導(dǎo)管的法蘭盤、橡膠墊圈、連接螺栓做認(rèn)真檢查,并對導(dǎo)管進(jìn)行試拼裝,檢查導(dǎo)管是否漏水。導(dǎo)管每節(jié)長度宜為 2m,底節(jié)長度可采用 4～6m,各節(jié)用法蘭盤連接。提升導(dǎo)管要做到慢升、快落,拆卸導(dǎo)管要快,一般不超過 20～30min。

儲料斗的容積要滿足首批混凝土灌入樁孔的要求,導(dǎo)管埋入混凝土中的深度應(yīng)不小于 1m并不宜大于 3m。灌注過程中,嚴(yán)格控制導(dǎo)管埋深(將埋置深度控制在 2～4m),保持導(dǎo)管下端埋入混凝土的深度在任何時候都不小于 1m,以防止導(dǎo)管提漏或埋管過深拔不出而出現(xiàn)斷樁。

灌注混凝土要連續(xù)進(jìn)行,中途不得停止。正常灌注間歇不大于 30min。隨著灌注工作的進(jìn)行,應(yīng)徐徐將導(dǎo)管向上提升,每次提升高度應(yīng)與混凝土灌注速度相適應(yīng),并應(yīng)保證導(dǎo)管內(nèi)經(jīng)常具有足夠高度的混凝土。

灌注完畢的水下混凝土頂面要比設(shè)計樁頂標(biāo)高高出 1m,以保證頂面的浮漿或松散層鑿除后仍能保證設(shè)計長度。

5 鉆孔灌注樁病害產(chǎn)生的原因及防治

5.1 樁身夾泥的原因及預(yù)防

系指樁身混凝土混進(jìn)泥土或形成浮漿泡沫軟弱夾層。其形成的主要原因是灌注時因?qū)Ч苊芊獠涣?泥漿滲入導(dǎo)管內(nèi);首批混凝土儲量不足,或雖然混凝土儲量已夠,但導(dǎo)管底口距孔底的間距過大,混凝土下落后不能埋沒導(dǎo)管底口,以至泥水從底口進(jìn)入;量測孔內(nèi)混凝土面高度不準(zhǔn)確,導(dǎo)管底口超出原混凝土面,導(dǎo)致底口涌入泥水,都會產(chǎn)生夾泥現(xiàn)象,這時,應(yīng)全部提出導(dǎo)管和鋼筋籠,鑿掉已澆注的混凝土和未提出的鋼筋籠,清孔后重新灌注混凝土。

預(yù)防和處理方法:混凝土導(dǎo)管在下入樁孔前,必須對接頭、管壁等進(jìn)行詳細(xì)檢查,定期進(jìn)行導(dǎo)管水密性試驗;首批混凝土要準(zhǔn)備充足,并使導(dǎo)管底口至孔底的距離為 30～40cm;導(dǎo)管提升不要過快,量測混凝土面高程及導(dǎo)管埋深要準(zhǔn)確。

5.2 樁頭夾泥的原因及防治

灌注完畢時,導(dǎo)管埋置過深且拔管過快,形成窩洞,致使?jié){渣灌入造成夾泥;灌注時間過長,頂部混凝土流動性減小,拔管后形成窩洞,造成夾泥;泥漿過稠,夾帶泥渣附于管壁,導(dǎo)致導(dǎo)管位置混凝土形成夾層。

預(yù)防和處理方法:確?；炷吝B續(xù)灌注,減少灌注時間。灌注將近結(jié)束時,減小導(dǎo)管埋深,拔出導(dǎo)管時應(yīng)緩慢進(jìn)行,使頂部混凝土能充分填滿孔洞。當(dāng)樁頭夾泥、形成孔洞時,應(yīng)將夾泥段鑿除至完整混凝土面,并鑿成 10cm(寬)×5cm(深)井字槽,四周埋置直徑不小于 20mm的連接筋,并采用同標(biāo)號的混凝土進(jìn)行接樁。

5.3 鋼筋籠上浮的原因及防治

鋼筋籠上浮除了是因?qū)Ч芴嵘龝r鉤掛等一些顯而易見的原因外,主要原因是由于導(dǎo)管底口在鋼筋籠底部以下 3m至以上2m時混凝土灌注速度過快,使混凝土下落沖出導(dǎo)管底口向上反沖,系其頂托力大于鋼筋籠的重力所引起的。

預(yù)防和處理方法:在混凝土面接近和進(jìn)入鋼筋籠時,應(yīng)放慢混凝土灌注速度,當(dāng)混凝土面上升到骨架底部 4m以上時,緩慢提升導(dǎo)管,切不可過猛,使其底口高于骨架底部 2m以上,即可恢復(fù)正常的灌注速度。除上述方法外,還應(yīng)從鋼筋籠自身加以考慮,一般的方法是將鋼筋籠頂端牢固焊在護(hù)筒上,或?qū)摻罟羌苤械?4根主筋伸長至孔底,起牽制作用。

當(dāng)鋼筋籠出現(xiàn)上浮時,立即停止灌注混凝土,利用護(hù)筒、鉆機等設(shè)施對其進(jìn)行控制。當(dāng)上浮高度較小時,待其被控制住后,放慢速度繼續(xù)澆注,澆注完成后,會同設(shè)計單位對該樁進(jìn)行驗算,對不合要求的樁按設(shè)計要求增加相應(yīng)的補強措施;當(dāng)上浮高度較大時,樁的要求遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計要求,就要將鋼筋籠拔出、清孔,重新灌注混凝土。

5.4 縮頸樁產(chǎn)生的原因與防治

縮頸樁又稱瓶頸樁,是指部分樁徑縮小、樁截面積不符合設(shè)計要求?？s頸樁產(chǎn)生的原因:拔管過快,管內(nèi)混凝土存量過少,混凝土本身和易性差,出管擴散困難造成縮頸;沉渣厚度過大或有大粒徑巖石,灌注過程中形成包泥,使樁身發(fā)生不同程度的縮頸現(xiàn)象。

防治措施:在容易產(chǎn)生縮頸的土層中施工時,要嚴(yán)格控制拔管速度;混凝土坍落度要符合要求且管內(nèi)混凝土必須略高于孔內(nèi)混凝土面,以保持足夠的壓力,使混凝土出管擴散正常。

施工時可設(shè)專人隨時測定混凝土的下落情況,遇有縮頸現(xiàn)象,可采取復(fù)打處理。

5.5 產(chǎn)生短樁的原因與防治

灌注結(jié)束后,若成樁樁頭高程低于設(shè)計高程,則屬樁頭灌短事故,即短樁。其產(chǎn)生的原因:灌注將近結(jié)束時漿渣過稠,用測錘難以準(zhǔn)確判斷混凝土面,或由于測錘太輕,沉不到混凝土面,發(fā)生誤測以至過早拔出導(dǎo)管終止灌注而造成短樁;還有些是灌注混凝土?xí)r發(fā)生孔壁坍塌未被發(fā)覺,測錘達(dá)不到混凝土面,這種情況最為危險,有時會使成樁縮短數(shù)米。其預(yù)防和處理方法:

(1)在灌注過程中,必須時刻注意是否有發(fā)生坍孔的征兆。

(2)測錘的重量及形狀要滿足要求。

(3)灌注將近結(jié)束時,可加清水稀釋泥漿并掏出部分沉淀土。

在灌注過程中發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)塌方,用測錘測定塌方量,如果塌方量較小,可繼續(xù)灌注混凝土并增大成樁高度,保證頂面的浮漿或松散層鑿除后仍能保證設(shè)計長度。如果塌方量較大,可接長護(hù)筒或在原護(hù)筒內(nèi)側(cè)加設(shè)護(hù)筒,壓入已灌注的混凝土內(nèi),然后用高壓水將泥渣和松軟層沖松,同時用吸泥機將泥漿沉渣吸除干凈,再進(jìn)行灌注。

若成樁以后發(fā)現(xiàn)短樁,可聯(lián)系設(shè)計單位,參照設(shè)計意見進(jìn)行接樁處理。

5.6 造成斷樁的原因與處理

斷樁是泥漿或砂礫與混凝土混合把灌注的混凝土隔斷,形成松散層,使混凝土截面受損,是較嚴(yán)重的質(zhì)量事故。其產(chǎn)生的原因主要有以下幾種:

(1)對孔深及導(dǎo)管的埋深量測不準(zhǔn)確,導(dǎo)管被提出混凝土面;

(2)導(dǎo)管內(nèi)嚴(yán)重漏水,致使灌注時將已灌注的混凝土砂漿沖散,形成骨料堆積的松散夾層;

(3)施工中由于機械故障等原因長時間無法灌注混凝土,造成已灌注混凝土凝固;

(4)灌注過程中出現(xiàn)坍孔,無法進(jìn)行清理或清理不徹底,形成灌注中斷或混凝土中夾有泥石。

處理方法:澆筑時間不長,混凝土數(shù)量不大時,可將孔中混凝土及泥石全部清除,重新灌注。

若斷樁面距地面深度較淺時,可將護(hù)筒續(xù)接到混凝土面,抽干孔內(nèi)泥漿,鑿出新鮮混凝土面,再按無水混凝土澆筑至設(shè)計標(biāo)高。

對于在灌注過程中發(fā)生的斷樁事故應(yīng)分析原因,采取相應(yīng)措施,對于計劃重做的樁,要立即拔出鋼筋籠,重新鉆孔,按新孔進(jìn)行灌注。若鋼筋籠無法取出,可回填低標(biāo)號混凝土至鋼筋籠頂部位置,待混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度后,再重新鉆孔。鉆進(jìn)過程中,利用大塊磁鐵將被鉆頭捶斷的鋼筋吸出,以免影響鉆進(jìn)速度。

對澆筑完成后才發(fā)現(xiàn)的斷樁,要采取補樁的方案。方案要通過計算并上報有關(guān)部門,一般采用扁擔(dān)樁、壓漿補強等方法進(jìn)行處理。

6 結(jié) 語

由我單位承建的包西鐵路項目共有 731根鉆孔樁,經(jīng)低應(yīng)變反射波法無損檢測合格樁為100%,其中 I類樁占 90%,II類樁占 10%。

鉆孔樁病害的成因多種多樣,處理的方法也各有不同,上述方法是在經(jīng)過長期施工中積累總結(jié)得到的,經(jīng)過實踐的檢驗證明其行之有效。當(dāng)然,有關(guān)橋梁鉆孔樁的通病成因及防治對策是很復(fù)雜的,有待進(jìn)一步研究。只有搞清楚其病害機理,才能對癥下藥;只有合理的防治措施,才能使國家有限的建設(shè)資金發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益。