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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
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