淺談壁板樁的施工工藝

曾維強(qiáng)

(川鐵國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司， 四川成都 610036)

淺談壁板樁的施工工藝

曾維強(qiáng)

(川鐵國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司， 四川成都 610036)

“Barrette”一詞源于法語，中國學(xué)者將其翻譯為壁板樁。壁板樁是一種采用膨潤土泥漿或水泥膨潤土泥漿護(hù)壁的混凝土灌注樁，從受力上來分析，屬于摩擦樁，其施工設(shè)備和地下連續(xù)墻施工設(shè)備相同，施工方法也有較多的相似之處[1]。壁板樁的截面呈矩形，這種矩形樁與圓截面灌注樁相比，具有更大的比表面積(即表面積與質(zhì)量之比)，因此能通過樁身摩擦阻力承受更大的豎向荷載。從結(jié)構(gòu)上來講，壁板樁可以制成適當(dāng)?shù)某叽绮⑦m當(dāng)布置來滿足設(shè)計(jì)要求的某個(gè)方向的慣性矩及抗彎剛度，提高承受較大水平荷載和彎矩的能力[1]。壁板樁的施工技術(shù)在法國、英國、土耳其等國已經(jīng)相當(dāng)成熟，在中國香港也曾使用過，但在中國大陸卻鮮有使用[1-2]。河海大學(xué)雷國輝教授等曾對(duì)壁板樁做過較多的理論分析。筆者結(jié)合在摩洛哥的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)壁板樁的現(xiàn)場(chǎng)施工方法及監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行簡(jiǎn)單論述，以饗讀者。

壁板樁； 施工工藝； 質(zhì)量檢測(cè)； 水下混凝土

1 工程概況

由川鐵國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司承建的摩洛哥Guercif高架橋位于摩洛哥東北部，距離地中海的納多爾港口120 km。該橋基礎(chǔ)涵蓋了3種形式：明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)、壁板樁、振沖碎石樁。梁部結(jié)構(gòu)為441 m 8跨的整體拖拉鋼梁，橋面分左右線雙幅，每幅各自一個(gè)承臺(tái)。

河道內(nèi)全年有水，該橋共計(jì)9個(gè)橋墩(臺(tái))，編號(hào)分別為C0、P1、P2……P7、C8。C0、P1為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，P7、C8為碎石樁基礎(chǔ)，P2～P6為壁板樁基礎(chǔ)，其地質(zhì)條件復(fù)雜多樣化，以砂卵石層、砂層、砂巖層、泥灰?guī)r層為主。

最初的設(shè)計(jì)方案中P2～P6的基礎(chǔ)都為振沖碎石樁，后來承包商考慮到碎石樁沉降期太長(zhǎng)，不適合在大橋的基礎(chǔ)中采用，所以建議業(yè)主將所有的碎石樁改為混凝土樁。由于工期所限，業(yè)主僅將部分碎石樁改為壁板樁，每個(gè)承臺(tái)下有6根壁板樁(雙幅即12個(gè)承臺(tái))，樁長(zhǎng)28 m，截面尺寸為2.8 m×0.8 m。

2 施工準(zhǔn)備

由于樁位處在河床中，地下水非常豐富，且地質(zhì)條件非常復(fù)雜，第一次試鉆孔以孔壁嚴(yán)重坍塌而告終。為了保證壁板樁施工能夠順利進(jìn)行，采取了以下措施。

(1)填筑2 m高的施工平臺(tái)(圖1)，施工平臺(tái)超出承臺(tái)邊界6 m，采用黏土分層夯實(shí)筑島圍堰，提高導(dǎo)鉆時(shí)首節(jié)部分土壤的密實(shí)度，也確保鉆孔設(shè)備行進(jìn)時(shí)的平穩(wěn)作業(yè)，減少對(duì)成孔的影響。

(2)將導(dǎo)鉆墻由預(yù)制更換成現(xiàn)澆梯形導(dǎo)鉆墻，增大導(dǎo)鉆墻與周測(cè)土的密實(shí)結(jié)合性，同時(shí)導(dǎo)鉆墻做成上大下小呈梯形截面，即使施工中發(fā)生沉降，也會(huì)起到往外側(cè)擠壓周測(cè)土的效果，導(dǎo)鉆墻內(nèi)部尺寸為2.9 m×0.9 m，孔口處墻厚0.7 m，底部墻厚0.35 m，導(dǎo)鉆墻內(nèi)側(cè)凈空較壁板樁截面尺寸大于10 cm；同時(shí)，由于導(dǎo)鉆墻是屬于現(xiàn)澆，可以更方便的進(jìn)行平面定位，這就更有利于控制成孔、成樁過程中的測(cè)量定位。

(3)對(duì)于部分在采取了以上措施后還要坍孔的樁位，在原有的膨潤土里面每1 m3加入220 kg左右水泥，通過水泥膨潤土泥漿形成更密實(shí)的護(hù)壁效果。通常在水泥初凝后接近全部終凝時(shí)(基于當(dāng)?shù)貤l件約為8 h)繼續(xù)成孔作業(yè)。

圖1 施工完畢的平臺(tái)和導(dǎo)鉆墻

3 施工工序控制

3.1 成孔

和鉆孔灌注樁采用旋挖鉆機(jī)成孔不同，壁板樁成孔機(jī)械采用沖擊抓斗式成孔機(jī)(與國內(nèi)地下連續(xù)墻施工設(shè)備類似)。沖擊抓斗通過鋼絲繩綁定在大噸位履帶吊車上。沖擊抓斗張開時(shí)的尺寸接近0.8 m×2. 8 m，和壁板樁的斷面尺寸一致(圖2)；如果遇上巖層，則將端頭的沖擊抓斗換為大噸位的重力沖擊錘(圖3)。為了保證成孔的垂直度，成孔機(jī)設(shè)有隨機(jī)監(jiān)測(cè)糾偏裝置，可以直接進(jìn)行垂直度跟蹤監(jiān)測(cè)，并通過顯示屏形成直觀數(shù)據(jù)，做到隨挖隨糾，達(dá)到垂直度要求(摩洛哥規(guī)范要求為0.2 %)。

圖2 沖擊抓斗成孔施工

圖3 重力式?jīng)_擊錘成孔施工

成孔過程中，沖擊抓斗進(jìn)、出孔時(shí)應(yīng)慢速、穩(wěn)當(dāng)，嚴(yán)禁沖擊抓斗碰到導(dǎo)鉆墻，以保持樁孔內(nèi)泥漿穩(wěn)定[3]。在樁孔開挖過程中，每隔2 m都要對(duì)挖出的土進(jìn)行采樣，詳細(xì)記錄地層地質(zhì)的變化。當(dāng)一個(gè)壁板樁澆注完混凝土之后，至少要過兩晝夜才能鉆相鄰的壁板樁。同時(shí)，因成孔及后續(xù)的混凝土施工中會(huì)產(chǎn)生大量的水，故要在現(xiàn)場(chǎng)做好排水工作，以避免現(xiàn)場(chǎng)泥濘。

3.2 泥漿制備及再利用

鉆孔施工開始前，泥漿要調(diào)制完成，制出的泥漿性能指標(biāo)要求見表1。

表1 泥漿性能指標(biāo)要求

泥漿制備采用全套自動(dòng)化成型設(shè)備，配備5個(gè)鐵制漿罐，1個(gè)水罐、1個(gè)造漿罐、一個(gè)儲(chǔ)漿罐、一個(gè)沉淀罐、一個(gè)過濾罐。造漿罐配備泥漿攪拌機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置計(jì)量器具和抽檢器具。從孔內(nèi)回收的泥漿沉淀采用機(jī)械與重力沉淀相結(jié)合的辦法，通過泵管回收后的泥漿經(jīng)機(jī)械處理后流入沉淀池內(nèi)重力沉淀16 h以上并穩(wěn)定后，由水泵將表面清稀部分抽到過濾罐，經(jīng)過濾后排除廢水。余下的漿體再抽入造漿罐重新拌制。

為避免膨潤土泥漿浪費(fèi)，同時(shí)也為了沖擊抓斗提出后，泥漿能迅速補(bǔ)充進(jìn)入孔內(nèi)以免坍孔(單純靠泥漿泵管供入的量太小)，在導(dǎo)鉆墻四周1.5 m左右處用黏性土做一個(gè)約40 cm高的圍堰，并用塑料薄膜鋪設(shè)內(nèi)側(cè)。

3.3 鉆孔深度控制

在導(dǎo)鉆墻上先做好標(biāo)高標(biāo)記，然后以此標(biāo)高為依據(jù)，采用帶繩子的重力錘球進(jìn)行深度的測(cè)量，繩子上每0.5 m栓一個(gè)標(biāo)記，間距必須是精確校核的。根據(jù)導(dǎo)墻標(biāo)高，用重力錘球控制成孔的深度，以保證設(shè)計(jì)深度。在最終停鉆前需要對(duì)導(dǎo)鉆墻的標(biāo)高標(biāo)示點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，以免因?qū)с@墻沉降而導(dǎo)致誤差。

3.4 清孔

成孔作業(yè)完成后，為了把沉積在槽底的沉渣清出，需要對(duì)槽底進(jìn)行清孔，以提高壁板樁的承載力和抗?jié)B能力，提高成樁質(zhì)量。清孔采用向槽段底部泵送優(yōu)質(zhì)泥漿置換和抓斗清撈余渣相結(jié)合的方法。在清孔過程中，要不斷向槽內(nèi)泵送優(yōu)質(zhì)泥漿，以保持液面穩(wěn)定，防止塌孔。清底完成后，沉渣厚度必須不大于100 mm。 清孔后，槽內(nèi)泥漿指標(biāo)要確保槽底以上0.2～1 m處的泥漿必須達(dá)到表1的要求。清孔后泥漿指標(biāo)達(dá)標(biāo)是保證下序施工澆筑水下混凝土能順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

清孔的過程中要隨時(shí)配合深度測(cè)量。

3.5 鋼筋籠的加工與吊裝

鋼筋籠長(zhǎng)度28 m，截面尺寸為2.7 m×0.7 m，設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度為5 cm。鋼筋網(wǎng)鋼筋的連接方式采用搭接或單面焊縫焊接，接頭位置相互錯(cuò)開，焊接接頭的位置、數(shù)量和焊接質(zhì)量要嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。鑒于鋼筋籠太大，故在每個(gè)吊點(diǎn)處都設(shè)置加筋支撐。起吊前，工程師必須對(duì)焊接位置、數(shù)量、加筋支撐等進(jìn)行細(xì)致的檢查，損壞的要及時(shí)修復(fù)。為確保鋼筋網(wǎng)的保護(hù)層厚度符合要求，在鋼筋網(wǎng)外側(cè)面設(shè)置足夠數(shù)量的定位混凝土塊。該混凝土塊與普通混凝土的方形混凝土塊不一樣，是圓形中空混凝土塊?；炷灵L(zhǎng)度10 cm，直徑約14 cm，混凝土塊中間插入一根鋼筋，鋼筋兩端焊接在鋼筋網(wǎng)上，這種圓形中空混凝土塊相對(duì)于普通方形砼塊的好處是不會(huì)產(chǎn)生挪位現(xiàn)象(圖4)。

圖4 定位混凝土塊的安裝

鋼筋網(wǎng)在施工現(xiàn)場(chǎng)綁扎，以減少吊車挪位。起吊時(shí)，采用一臺(tái)90 t履帶式吊車做為主吊，另用一臺(tái)30 t履帶吊車做輔吊。主吊車起吊時(shí)，采用大小兩幅吊鉤起吊，其中主鉤帶雙扁擔(dān)，小吊鉤采用單扁擔(dān)，總計(jì)采取六點(diǎn)起吊；輔助吊車采用單吊鉤、雙扁擔(dān)三吊點(diǎn)起吊。主吊車緩緩吊起鋼筋籠的前端，逐步將其從水平吊至垂直狀態(tài)(期間主吊車不挪動(dòng))，輔助吊車配合慢慢把底端吊起并慢慢行駛把鋼筋籠底端往前送。當(dāng)鋼筋籠呈垂直狀態(tài)時(shí)，撤除輔助吊車，主吊車慢慢轉(zhuǎn)向、挪位，將鋼筋籠移至孔位處，并再次檢測(cè)鋼筋籠有沒有變形。如果無變形，待對(duì)準(zhǔn)軸線后則徐徐落鉤，將鋼筋籠逐步放入孔內(nèi)。落鉤過程中必須速度均勻，尤其是要避免鋼筋籠和導(dǎo)鉆墻發(fā)生碰撞。鋼筋籠入孔后，如果鋼筋籠中心線和樁軸線稍有偏差，不能直接挪動(dòng)吊鉤，只能采用撬棍人工緩緩撬動(dòng)至相應(yīng)位置。當(dāng)鋼筋網(wǎng)下沉至接近設(shè)計(jì)高程后，在鋼筋籠上焊接吊筋(該吊筋長(zhǎng)度需提前根據(jù)鋼筋網(wǎng)頂標(biāo)高與孔口標(biāo)高確定)，然后用槽鋼貫穿吊筋支承于導(dǎo)鉆墻頂面。會(huì)同監(jiān)理工程師進(jìn)行隱蔽工程驗(yàn)收后，即可立即進(jìn)入灌注水下混凝土施工。灌注水下混凝土前重新復(fù)測(cè)孔底沉渣厚度，若孔底沉渣厚度超過200 mm，則重新清孔。起吊過程見圖5。

圖5 鋼筋籠吊裝

3.6 聲測(cè)管的安裝

聲測(cè)管采用4根50/60 mm和2根102/114 mm的無縫鋼管，長(zhǎng)度為29 m(比樁身長(zhǎng)1 m)，采用螺紋套絲連接，按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行平面定位，并用箍筋將其綁扎在鋼筋籠上，聲測(cè)管上、下兩端用封口套筒封死，安裝好后需進(jìn)行防滲檢測(cè)。

3.7 水下砼的灌注

水下混凝土澆筑是壁板樁施工的最后一道工序，也是最關(guān)健的一道工序。如果水下混凝土澆筑不正常，勢(shì)必影響整個(gè)樁的施工質(zhì)量?；炷僚浜媳刃柰ㄟ^適用性試驗(yàn)確定，報(bào)監(jiān)理、業(yè)主批準(zhǔn)后實(shí)施。按摩洛哥當(dāng)?shù)匾?guī)范：混凝土的坍落度(孔口檢驗(yàn)值)控制在180～220 mm，初凝時(shí)間≥4 h，水灰比≤0.55，砂率控制在45 %左右。

采用導(dǎo)管進(jìn)行水下混凝土灌注。導(dǎo)管直徑為320 mm的無縫鋼管，每段長(zhǎng)度為2 m，采用絲口套接。絲口處設(shè)置橡膠密封圈，導(dǎo)管端頭設(shè)置一個(gè)料斗以便從罐車放入混凝土。采用吊車將導(dǎo)管放入槽內(nèi)，并采用吊車提升導(dǎo)管，導(dǎo)管和料斗采用絲口連接，既穩(wěn)固且便于拆卸。因當(dāng)?shù)匾?guī)范要求碎石最大粒徑不大于鋼筋籠最小網(wǎng)眼的1/4，不大于混凝土保護(hù)層的1/2，故采用粒徑為5～20 mm的碎石進(jìn)行混凝土拌制，并在混凝土導(dǎo)管處制作一張鋼筋篩網(wǎng)，過濾掉粒徑不符合要求的骨料。

為保證水下混凝土的灌注質(zhì)量，灌注按下列規(guī)定執(zhí)行：

(1) 在灌注過程中，派專職試驗(yàn)員對(duì)砼的質(zhì)量進(jìn)行控制，檢測(cè)混凝土坍落度，不合格的混凝土不得灌注入槽孔。按要求取樣制作混凝土抗壓、抗?jié)B試件。

(2)導(dǎo)管接駁完畢后，將混凝土隔水栓安放在臨近泥漿面的位置，導(dǎo)管底端到孔底的距離控制在0.4 m左右，以便能順利排出混凝土隔水栓。隔水栓則采用預(yù)制混凝土隔水栓。

(3)開始灌注混凝土?xí)r，首批混凝土體積根據(jù)樁徑和導(dǎo)管埋深及導(dǎo)管內(nèi)混凝土的體積而定，現(xiàn)場(chǎng)取值為斗內(nèi)儲(chǔ)備的混凝土量≥1.5 m3，以便當(dāng)混凝土隔水栓被擠出導(dǎo)管后能將導(dǎo)管底端一次性埋入水下混凝土中的深度大于0.8 m，在隔水栓擠出導(dǎo)管的同時(shí)，混凝土攪拌運(yùn)輸車需快速反轉(zhuǎn)，加快出料速度。

(4)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)與拌合站和罐車司機(jī)的聯(lián)系，確?；炷恋墓?yīng)速度。指定專職技術(shù)人員，每車混凝土澆筑完畢后測(cè)量導(dǎo)管埋深，適時(shí)提升并拆卸導(dǎo)管，確?；炷凉嘧⒌纳仙俣?4 m/h、導(dǎo)管底端埋入混凝土面以下2～6 m，防止導(dǎo)管提升過快、漏提或埋管過深拔不出而出現(xiàn)斷樁。填寫水下混凝土灌注記錄表，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)來繪制樁長(zhǎng)、樁大小和灌入的混凝土方量的實(shí)際變化曲線，并與理論曲線相比較，以判斷壁板樁是否發(fā)生塌孔、縮孔現(xiàn)象，兩者的比值就是每段樁的充盈系數(shù)，要求充盈系數(shù)大于1。如果充盈系數(shù)過大，需通過對(duì)多根樁的實(shí)際澆注曲線與理論澆注曲線的比較，查找差異的位置、分析差異產(chǎn)生原因，以指導(dǎo)后續(xù)施工。測(cè)深時(shí)，以探測(cè)至混凝土面時(shí)手感有石子碰撞重力錘球?yàn)闇?zhǔn)，否則為砂漿或沉渣。

(5)提升導(dǎo)管時(shí)避免碰掛鋼筋網(wǎng)。拆下后的導(dǎo)管要及時(shí)清洗。

(6)水下混凝土的灌注要連續(xù)進(jìn)行，不得中斷。一旦發(fā)生機(jī)具故障或停電停水以及導(dǎo)管堵塞或進(jìn)水等事故時(shí)，立即采取有效措施進(jìn)行處理，以便盡快恢復(fù)灌注混凝土，同時(shí)作好記錄備查。

(7)控制最后一次混凝土的灌注量，使混凝土面超過設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高0.8～1 m即可。既要避免超出高度不夠樁頭質(zhì)量不高，也要避免過度的浪費(fèi)混凝土。

3.8 成樁質(zhì)量檢測(cè)

需等一個(gè)墩位處的12根樁全部完工后才能進(jìn)行壁板樁的開挖。當(dāng)最后施工的一根樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行基坑開挖。挖出壁板樁并清理上面的浮土，用水沖洗干凈后，用墨線彈出各壁板樁的十字中心線，由業(yè)主、監(jiān)理到場(chǎng)進(jìn)行最后的檢測(cè)。檢測(cè)主要分為聲測(cè)試驗(yàn)、單樁的中心線和設(shè)計(jì)軸線的偏差檢測(cè)、相鄰樁的平面位置偏差檢測(cè)等。檢驗(yàn)合格后即可進(jìn)入破樁頭、承臺(tái)施工工序。

4 結(jié)束語

從上述內(nèi)容來看，壁板樁施工對(duì)應(yīng)的設(shè)備都是常規(guī)設(shè)備，但因其相對(duì)于圓形灌注樁而言，具有更大的比表面積，能通過樁身摩擦力承受更大的豎向荷載，可以制成適當(dāng)?shù)某叽绮⑦m當(dāng)布置(如H形、Y形、I形)來滿足設(shè)計(jì)要求的某個(gè)方向的慣性矩及抗彎剛度，提高承受較大水平荷載和彎矩的能力[1]。目前壁板樁在國外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。文中所述項(xiàng)目是5年前完工的，筆者之所以一直沒有撰寫本論文，就是為了實(shí)際檢驗(yàn)其效果。經(jīng)電話與業(yè)主溝通，目前該大橋運(yùn)行良好。有鑒于此，筆者建議國內(nèi)設(shè)計(jì)院和其他相關(guān)單位在國內(nèi)大量探索、推廣。

[1] 雷國輝，洪鑫，施建勇.壁板樁的研究現(xiàn)狀回顧[J].土木工程學(xué)報(bào), 2005(4):103-110.

[2] 雷國輝，洪鑫，施建勇.矩形壁板樁群樁豎直承載特性的理論分析[J].巖土力學(xué), 2005(4):525-530.

[3] 王飛，王娟，薛曉輝.地下連續(xù)墻施工中的技術(shù)控制措施[J].安徽建筑, 2011(3):65-66.

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[6] 叢藹森.地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

曾維強(qiáng)(1984～)，男，大學(xué)本科，工程師，主要從事工程施工管理工作。

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[定稿日期]2016-09-08