浅析剑江特大桥大口径超深钻孔灌注桩施工
一、概述
1.地形、地貌
本项目地处贵州省黔南布依族苗族自治州,为云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带,地势总体西高东低,沟壑纵横,山势陡峻,高差较大,鸡爪地形密布,峡谷深切,河道弯曲。山岳和谷地多呈南北向排列,与路线走向总体斜交。地貌以低山为主,次为丘陵。地貌类型为溶蚀、侵蚀地貌,属浅、中等至深切割丘陵及中低山区。进一步划分为中低山区、丘陵区和河谷区三个次级地貌单元。
2.气候
都匀属亚热带季风温湿气候区,夏长冬短,四季分明,夏无酷暑,冬无严寒。
路线所跨河流的洪水成因主要为暴雨,系雨源型河流。区域内降雨量充沛,河流洪水薄涨暴落,洪峰历时短,来势猛,涨落迅速,洪枯水位变幅大。夏秋两季易形成洪水、滑坡、崩坍等自然灾害。
年平均气温15.9℃,极端最高气温34.4℃,极端最低气温-7.9℃。年均无霜期294天,年均冰冻期7天。年均降水1448.1毫米,多集中在5~8月。
3.水文
剑江发育于都匀市区西北22公里处的斗篷山,桥位处控制集水面积482平方公里。该河在桥位处呈宽浅的“U”型,河道顺直,有常流水,三百年一遇设计流量2618m3/s。
路线设线较高,桥梁不受洪水位控制。
4.大桥基本情况
剑江特大桥位于都匀市小围寨,为路线跨越剑江的一座特大桥。桥址属剑江侵蚀堆积地貌区。河谷横断面呈开阔“U”型,谷坡较缓连续发育变阶地,阶面相对较宽。小围寨沟底宽250-300米。桥梁起点桩号为K202+545.5,终点桩号为K203+488.00。桥梁全长942.5米,最大桥高98米,主桥最大墩高82米。主桥上部结构为(105+200+105)米预应力混凝土连续刚构,下部主墩为双薄壁空心墩、分隔墩为单薄壁空心墩,桩基础;引桥上部结构为(5×40+8×40)米预应力混凝土先简支后连续T型梁,下部结构为空心墩及柱式墩、桩基础。桥台为重力式及柱式台、扩大基础、桩基础。主桥6、7号桥墩采用双薄壁空心墩,横桥向宽7米,顺桥向厚3.5米。分隔墩采用单薄壁空心墩。主桥桥墩均采用直径2米的钻孔灌注桩基础,其中6#墩设计桩长为54米、7#墩为65米。
二、工程地质
根据工程地质调绘及钻探资料,桥址区地基土主要由第四系全新统冲洪积的卵石土、亚粘土、残坡积的亚粘土及二叠系的灰岩、砂岩及页岩组成。按岩土的成因时代、室内试验及地基土的工程性能等对桥址区地基土进行工程分层,将桥址区地基土共分为17个工程地质层,详见桥位工程地质纵断面图。
三、施工方案优化和实施
1.选择设备和成孔工艺 根据地层情况和钻孔深度选配郑州QJ-250型钻机(扭矩120kN.m),选用防斜梳齿钻头,并采取措施增加钻头的稳定性、刚度和耐磨性能,提高钻进效率。采用双壁大通径高强度抗扭气举钻杆,φ273mm,每节钻杆设2个剪力销。根据地质条件和钻具性能,确定配重块重量为10t。
2.泥浆配制方案 (1)泥浆用水的选用为保证工程顺利进行,制定了直接抽取平台位置地下承压水、并与淡水勾兑成氯离子含量小于1100mg/L的泥浆用水的方案。 (2)泥浆配置在钢护筒内自然造浆,出护筒后根据泥浆性能在砂质粘土层或粉细砂层中利用反循环人工造浆,同时加入纯碱对膨润土进行钠化改良。纯碱具有充分分解膨润土,增加PH值、提供成孔所需的碱性环境、有效减少沉淀速度和沉渣厚度的作用。根据经验和试验结果,在本工程中添加优质纯碱量为膨润土量的1.8～4%左右较为合适,掺量较常规泥浆高。钻进过程中,泥浆比重控制在1.10～1.25,使泥浆具有一定的液柱压力,以达到平衡孔壁外围地层压力、稳定孔壁、满足反循环施工工艺的要求;粘度控制在18～25s,以满足钻进护壁和二次清孔的要求;PH值维持在8～9左右,使泥浆处于碱性状态,提高粘土的分散度。 (3)泥浆循环系统设计由于施工平台场地狭小,无法布置较长的多级沉淀池,故采用粗颗粒砂沉淀桶和旋流除渣器弥补循环系统的不足。粗颗粒沉淀桶上设计4mm间隙的筛网,将大于4mm的渣粒从泥浆中完全分离;过滤后的泥浆再通过旋流除渣器进行悬流处理,将5mm以下的砂砾分离出来。通过沉淀桶和旋流除渣器后的泥浆比重可以降至1.15以下,砂率减低至2～3%左右。
3.钢筋笼制作安装工艺
(1)主筋连接工艺。主筋连接形式有3种:焊接、挤压套筒连接和直螺纹连接,采取直螺纹连接工艺。
(2)卡板台座生产工艺。 钢筋笼在自重作用下可产生较大的变形,给钢筋笼制作带来很大的困难,而且直螺纹连接工艺对主筋间距和位置要求极为严格,为此,本工程专门设计卡板台座加工和堆放钢筋笼,有效消除钢筋笼的自重变形,同时有效控制主筋间距和位置,保证制作质量。台座总长度36m,卡板根据加强筋间距每2m铺设一道,用经纬仪布设,保证两节钢筋笼能在台座上对接预拼装。卡板上根据主筋直径和间距布设限位以固定主筋,随后安装加强筋,最后安装其余主筋和螺旋筋。
(3)预拼装技术。为克服直螺纹连接工艺对主筋长度偏差和平面偏差的特殊要求,保证孔口对接顺利,故在钢筋笼制作时采取预拼装技术。当第一节24m钢筋笼制作完成后,直接将下节笼的上半节12m钢筋笼进行预拼装对接,该12m钢筋笼全部制作完成后再解除直螺纹连接;随后将第一节钢筋笼吊走,并将12m钢筋笼吊至台座端部完成第二节钢筋笼的制作。解除预拼装前在每节钢筋笼上标出一根对位钢筋,确保孔口主筋能顺利对接。
(4)固定架辅助孔口安装。钢筋笼采用三点吊,吊装设备为两台履带吊双机抬吊。由于吊车微调能力差,上下节钢筋笼无法顺利实现准确对接,给施工带来较大困难。为此专门设计钢筋笼固定架予以克服。钢筋笼固定架上均匀挂设4个20t手拉葫芦,用以悬挂已完成下放的钢筋笼。用手拉葫芦微调下节钢筋笼,使其与吊机吊住的上节钢筋笼的所有主筋完全对中。
4. 桩端后注浆工艺及承载力测试
压浆管道直接利用桩基超声波检测管,砼浇筑完毕后先用高压水进行劈桩,将压浆孔以下的桩端砼压破,形成大量的压浆通道。
压浆分两次循环进行。第一次压浆使浆液顺压浆通道向外扩散,在外围形成浆―土结合体,将桩端包围;第二次压浆则直接对桩底和四周的砼―沉渣混合体进行加固,并与砼块体相互结合形成较为致密的结构,以提高桩端极限摩阻力。另外,由于桩身与地层之间的泥浆护壁层强度较弱,强大的水泥浆压力可以通过劈桩产生的通道顺护壁层上溯,对桩底以上一定范围的桩侧进行加固,达到提高桩侧极限摩阻力的目的。 试桩采用静载试验法――桩承载力自平衡测试(OTSBURG)方法。在荷载箱内布置大吨位千斤顶,根据计算将荷载箱放在桩身指定位置,通过测试直观地反映荷载箱上下两段各自的承载力。将荷载箱上段桩的侧摩阻力经处理后与下段桩端阻力相加,即为桩极限承载力。
四、试桩施工成功实践
1.泥浆性能控制
泥浆采用高效钠基碱性膨润土,纯碱掺量为5%左右,采用淡水配置。钻进过程中,泥浆比重控制在1.10~1.25,粘度控制在19~25秒, PH值维持在8~9左右。经施工实践证明,泥浆性能满足钻进要求,能保证钻孔和成孔后的孔位安全。
2.防止孔斜措施
钻机就位时,应严格保证钻塔天车、转盘中心、桩孔中心三者在同一铅垂线上。为防止因地层软硬不均出现的孔斜事故,钻进过程中,在配备足够钻头配重压力的同时,采用“减压钻进”以保证钻孔垂直精度。
3.钢筋笼制作安装工艺
本工程钢筋要求采用套筒挤压连接,钢筋笼制作时应首先确保主筋长度和间距统一、接头断面严格一致并与钢筋笼身垂直。应制作时事先挤压数根定位主筋固定上下两节钢筋笼,其余主筋应在孔口对接成功后连接,钢筋笼应利用手拉葫芦进行微调对接。
五、施工方面的一些成功经验
1.水下灌注砼的性能参数
(1)砼初凝时间
一般砼初凝时间仅3～5小时,只能满足浅孔小桩径灌注要求,而深桩灌注时间约为5～7小时,因此应加缓凝剂,使砼初凝时间大于8小时。
(2)砼搅拌方法和搅拌时间
为使砼具有良好的保水性和流动性,应按规定的配合比将水泥、石子、砂子倒入料斗后,先开动搅拌机并加入30%的水,然后与拌合料一起均匀加入60%的水,最后再加入10%的水(如砂、石含水率较大时,可适当控制此部分水量),最后加水到出料时间控制在60～90秒内
(3)坍落度选择
坍落度应控制在200±20毫米之间,砼灌注距桩顶约5米处时,坍落度控制在160～170毫米,以确保桩顶浮浆不过高。
2.砼灌注操作技术
(1)首批砼灌注
应加大设备的起重能力,以便迅速向漏斗加砼,然后再稍拉导管,若起重能力不足,则应用卷扬机拉紧漏斗晃动,这样能使砼顺利下滑至孔底,下灌后,继续向漏斗加入砼,进行后续灌注。
(2)后续砼灌注
后续砼灌注中,当出现非连续性灌注时,漏斗中的砼下落后,应当牵动导管,并观察孔口返浆情况,直至孔口不再返浆,再向漏斗中加入砼,
3.砼灌注速度
应做好灌注前的各项准备工作,以及灌注过程中各道工序的密切配合工作,控制砼初凝时间的同时,必须合理地加快灌注速度。
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