超深大直徑旋挖樁水下混凝土灌注工藝研究

房江鋒，趙鑫波，郭秋蘋，張思祺

(深圳宏業(yè)基巖土科技股份有限公司，廣東 深圳 518029)

隨著我國生產(chǎn)力和樁工設(shè)備技術(shù)的大力發(fā)展，在地質(zhì)條件復(fù)雜的深厚填海區(qū)域，大直徑、大深度的旋挖鉆孔灌注樁應(yīng)用越來越廣泛。水下混凝土灌注通常采用的方法有導(dǎo)管法、泵壓法、柔性管法等，導(dǎo)管法采用多節(jié)連接的密封鋼管作為灌注通道，將水下混凝土灌注到樁孔底部，導(dǎo)管底部要求在灌注過程中埋在混凝土面以下，在導(dǎo)管內(nèi)外壓力差作用下，形成連續(xù)密實的混凝土樁身。導(dǎo)管法施工具有整體性好、澆筑速度快等優(yōu)點，在工程中應(yīng)用最為廣泛。

高詠友[1]采用數(shù)值模擬對水下混凝土灌注過程中樁身混凝土的流動過程進行了模擬，將混凝土在樁孔內(nèi)上升方式歸納為活塞式和翻卷式，翻卷式容易將泥漿裹入混凝土，形成泥漿包心，嚴(yán)重影響樁身混凝土質(zhì)量，因此水下混凝土灌注過程中要優(yōu)先確?；炷烈曰钊缴仙８蹲媪糩2]研究了導(dǎo)管埋深對混凝土澆筑的影響規(guī)律，導(dǎo)管埋入已灌注的混凝土面內(nèi)越深，混凝土向四周均勻擴散效果會越好，灌注的混凝土?xí)軐?。?dāng)導(dǎo)管埋深過深時，混凝土在導(dǎo)管內(nèi)流動會受到影響，不僅對灌注的速度有影響，也易造成堵管事故。李博等[3]采用PFC軟件對水下混凝土灌注的封底效果進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可得水下混凝土灌注過程中導(dǎo)管的擴散半徑對灌注面積的影響，單根導(dǎo)管的擴散半徑可達到3 m范圍。李先棟[4]研究了導(dǎo)管直徑對水下混凝土澆筑的影響，研究表明，采用大直徑導(dǎo)管有利于控制混凝土灌注質(zhì)量、保證灌注進度。

本文就水下混凝土灌注施工工藝及各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制進行分析和探討，結(jié)合實際工程實踐提出相應(yīng)的質(zhì)量控制措施建議，可為同類工程提供相關(guān)參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

項目場地位于深圳市深圳灣填海區(qū)，所在位置填海前原始地貌為濱海灘涂。根據(jù)鉆探揭露，場地內(nèi)地層自上而下依次為：人工填土層第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積層第四系上更新統(tǒng)沖洪積層第四系殘積土層(Qel)，下伏基巖為燕山四期粗中粒黑云母花崗巖(ηβ5K1)，其中填石層揭露厚度最大約14.9 m。

1.2 樁基設(shè)計概況

根據(jù)樁基工程手冊[5]，綜合樁基施工及承載變形特性等因素，將樁長L≥50 m且長徑比L/D≥50的樁定義為超深工程樁。

本項目樁基礎(chǔ)工程共有工程樁1 057根，樁徑為1.8 m～3 m，成孔深度為45.6 m～95.5 m，在現(xiàn)狀地面成孔作業(yè)，空樁深約25 m。其中樁長L≥50 m且長徑比L/D≥50的樁共施工959根，超深樁占比約為90.73%。最深的工程樁樁長為95.5 m。

1.3 樁基施工概況

本項目樁基施工具有成孔深度大、成孔直徑大等特點，同時需要穿越深厚的海域填石層，施工選用XD460及XR550型旋挖機，該機型功率大、動力強勁、成孔效率高；同時機身采用大三角變幅機構(gòu)、超大鉆桅截面，設(shè)備的穩(wěn)定性強，在大直徑孔、超深樁孔施工過程中可以有效保證成孔質(zhì)量[6-7]。

旋挖施工時保證回填地層成孔穩(wěn)定、避免塌孔是施工的重點控制項目。為保證成孔質(zhì)量，施工期間調(diào)配優(yōu)質(zhì)泥漿進行護壁；對于填石含量高的地段，泥漿護壁無法保證孔壁穩(wěn)定時，現(xiàn)場采用長鋼護筒穿越填石層進行護壁；通過以上措施，有效解決了回填地層成孔穩(wěn)定性差的難題。

2 水下混凝土灌注準(zhǔn)備工作

2.1 導(dǎo)管

灌注前應(yīng)根據(jù)樁長、樁徑和每小時需通過的混凝土量計算確定導(dǎo)管直徑?，F(xiàn)階段施工常用的導(dǎo)管內(nèi)徑一般為200 mm～350 mm，壁厚不小于3 mm，長度一般控制在2 m～4 m，多采用絲扣連接，要求導(dǎo)管光滑、順直、無局部凹凸、無穿孔及裂紋。針對本項目樁徑大、深度大的特點，導(dǎo)管選用內(nèi)徑300 mm、壁厚6 mm的灌注導(dǎo)管。

2.2 灌注料斗

2.2.1 首灌混凝土量

首灌在水下灌注混凝土中是最重要的一步，這一步直接關(guān)系到整根樁的質(zhì)量。首批灌注混凝土的數(shù)量應(yīng)能滿足導(dǎo)管首次埋置深度所需的混凝土數(shù)量，并將孔底泥漿與混凝土分隔開來，且保證導(dǎo)管底部不滲水。首灌混凝土量可按式(1)計算，計算簡圖如圖1所示。

(1)

hc=Hw×γw/γc

(2)

其中，D為樁孔樁徑，m；d為導(dǎo)管內(nèi)徑，m；L為樁孔深度，m；H1為樁孔底至導(dǎo)管底端間距，m；H2為導(dǎo)管初次埋置深度，m，可取0.8 m～1.2 m；hc為導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱最大高度，m，以導(dǎo)管全長或預(yù)計的最大高度計；γw為水的重度，kN/m3,可取10 kN/m3；γc為混凝土的重度，kN/m3,可取24 kN/m3。

2.2.2 灌注料斗選擇

灌注料斗容積是首灌混凝土能否有效封底的重要因素，因此料斗容量需要根據(jù)設(shè)計和施工要求驗算而定。料斗一般采用5 mm～6 mm厚鋼板焊接制成，為使混凝土能夠快速流進導(dǎo)管，料斗底部常做成斜坡，出口設(shè)置底蓋(見圖2)。

經(jīng)計算，本項目首灌所需混凝土最大量為8 m3?；诖?，確定首灌料斗的容積不小于8 m3；同時加工專用的灌注平臺，用于1臺混凝土罐車同步澆筑，進一步保證混凝土初灌量滿足設(shè)計要求。

因為首灌料斗容積大、自重大、需要履帶吊配合灌注，首灌封底完成后，為保證后續(xù)灌注的效率及安全，可以更換小料斗進行后續(xù)灌注。

2.3 隔水塞

導(dǎo)管上口接漏斗，在接口處設(shè)隔水塞，以隔絕混凝土與導(dǎo)管內(nèi)水的接觸。球膽因具有表面光滑、自重輕、易上浮等特點，常用作隔水塞。球外徑通常要求比導(dǎo)管內(nèi)徑小2 cm～3 cm，這樣不僅可以隔離導(dǎo)管內(nèi)的泥漿和混凝土，同時還能夠讓混凝土順利的沿著導(dǎo)管內(nèi)壁流動，降低發(fā)生堵管的風(fēng)險。

2.4 灌注標(biāo)高測量

水下混凝土澆灌標(biāo)高準(zhǔn)確定位是一大難題，施工中經(jīng)常發(fā)生少灌或超灌過大的現(xiàn)象，這不僅會影響工期，還對整個工程質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。所以，在施工過程中必須解決灌注樁少灌或超灌過大的問題，盡量避免發(fā)生少灌超灌，以利于工程的順利進展。

本項目在地面成樁，空樁深度大，空樁約25 m，對灌注標(biāo)高的控制采用“灌無憂”測量和人工取樣驗證的雙控方式進行控制。

“灌無憂”是一款專注于解決灌注樁施工中超灌管理問題的專業(yè)物聯(lián)云平臺，可以有效控制在超深空樁施工工況下樁頂混凝土灌注標(biāo)高。該設(shè)備通過傳感器檢測浮漿層到達標(biāo)高位置，黃燈閃爍發(fā)聲預(yù)警，混凝土到達標(biāo)高位置，綠燈閃爍發(fā)聲報喜，即可停止?jié)补嗷炷粒妶D3。

2.5 導(dǎo)管埋置深度

隨著混凝土不斷通過漏斗、導(dǎo)管灌入樁孔內(nèi)，孔內(nèi)初期灌注的混凝土及其以上的泥漿會被不斷地頂托升高。因此灌注過程中應(yīng)不斷提升導(dǎo)管，控制導(dǎo)管埋置深度。導(dǎo)管埋置深度應(yīng)綜合考慮導(dǎo)管直徑、樁孔直徑、混凝土性能指標(biāo)、氣溫等因素。通常施工中，導(dǎo)管埋置深度可參考表1。

表1 導(dǎo)管埋深表

3 水下混凝土灌注控制

3.1 混凝土進場檢測

混凝土進場后，管理人員應(yīng)及時對進場混凝土的工作性能進行檢測，檢查項目包括：坍落度、流動性、黏聚性、保水性等，各項指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)計和施工要求，并填寫檢測記錄。

3.2 灌注控制

1)灌注準(zhǔn)備。

a.準(zhǔn)備好導(dǎo)管和料斗，確保吊裝設(shè)備安全牢固，將導(dǎo)管下放至距離孔底300 mm～500 mm。

b.灌注前，應(yīng)對孔底沉渣厚度進行測量，如沉渣厚度超標(biāo)，采用氣舉反循環(huán)清孔，用優(yōu)質(zhì)泥漿置換孔底泥漿，同時使沉渣懸浮于泥漿中，然后立即灌注首批水下混凝土。

c.卸料前，混凝土罐車應(yīng)高速攪拌不小于60 s，以確保混凝土的勻質(zhì)性良好。

2)灌注控制。

a.各項工作準(zhǔn)備完畢后，安裝隔水球及料斗底蓋，按首灌計算量放足首批混凝土進行灌注；首批混凝土灌注完畢后，應(yīng)立即測量樁孔內(nèi)的混凝土面高度，計算導(dǎo)管埋置深度，如各參數(shù)符合要求，即可按照正常流程繼續(xù)灌注。如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管內(nèi)大量進水，說明灌注封底失效，應(yīng)按規(guī)定及時進行處理。

b.灌注過程應(yīng)連續(xù)進行，灌注速度宜控制在0.6 m3/min～1.0 m3/min，嚴(yán)禁施工過程中長時間停工或中斷作業(yè)，單樁的灌注時間應(yīng)按首批混凝土的初凝時間控制。

c.灌注施工過程中，由專人負責(zé)測量導(dǎo)管內(nèi)混凝土下降和孔內(nèi)泥漿面的升降情況，及時多點測量孔內(nèi)混凝土面高度，現(xiàn)場動態(tài)控制混凝土下料、導(dǎo)管提升和拆除。灌注過程中導(dǎo)管埋深應(yīng)控制在2 m～3 m，避免因埋管過深造成堵管、不易拔管或?qū)Ч馨蚊摶炷撩嬖斐傻哪嘈?、斷樁等事故。?dǎo)管應(yīng)逐級拆卸，并清洗導(dǎo)管內(nèi)壁。

d.灌注施工銜接的過程中，可采用適時牽引振動導(dǎo)管的方式，使導(dǎo)管內(nèi)混凝土快速下落，降低導(dǎo)管中混凝土因停滯而發(fā)生堵管現(xiàn)象的風(fēng)險。

e.臨近灌注施工結(jié)束時，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱高度減小，同時樁孔內(nèi)泥漿密度和黏度逐漸增大，導(dǎo)管內(nèi)外壓差降低，會出現(xiàn)混凝土頂升困難的現(xiàn)象。為避免造成混凝土灌注困難，應(yīng)不斷在孔內(nèi)加水稀釋泥漿，并提高料斗和導(dǎo)管增加灌注高度，增大落差，以確保剩余混凝土的順利灌注。

f.為保證樁頭混凝土質(zhì)量，采取雙控的措施控制樁頂灌注標(biāo)高。在樁頂超灌高度(一般為設(shè)計樁頂標(biāo)高以上800 mm～1 000 mm)處綁扎灌無憂探頭，用以探測混凝土灌注高度，同時結(jié)合人工取樣驗證的方法，確保樁頂混凝土灌注質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

4 常見事故的預(yù)防及處理

4.1 孔底沉渣過厚

清孔完成后，應(yīng)及時灌注混凝土。如受混凝土供應(yīng)不及時等因素影響，導(dǎo)致灌注延后時，灌注前應(yīng)再次測量孔底沉渣。如不符合要求，應(yīng)進行再次清孔，保證孔底沉渣厚度滿足設(shè)計要求。清孔應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)泥漿，泥漿應(yīng)具有良好的黏度，可以將細小的渣土顆粒懸浮于泥漿中，不易在孔底產(chǎn)生沉淀。

4.2 導(dǎo)管進水

1)當(dāng)灌混凝土方量不足、導(dǎo)管底口與孔底間距過大時，混凝土無法充分封底和埋管，會導(dǎo)致泥漿進入導(dǎo)管。此時應(yīng)立即拔出導(dǎo)管，將孔底的混凝土清理干凈后，再進行重新灌注。

2)當(dāng)導(dǎo)管接頭密封不嚴(yán)、管體焊縫脫焊或?qū)Ч馨蚊摶炷撩鏁r，會造成孔內(nèi)泥漿進入導(dǎo)管。此時應(yīng)將進入導(dǎo)管的泥漿吸出后，才能繼續(xù)灌注混凝土。

4.3 塌孔

在灌注過程中，如遇孔壁滲漏無法保持原有靜水壓力或受設(shè)備振動等因素的影響，樁內(nèi)水(泥漿)位忽然快速上升溢出，隨即驟降并冒出氣泡，此時即可判定為塌孔。

此種情況下，應(yīng)快速查明原因并采取相應(yīng)的措施，如保持或加大水頭、排除振動等，防止繼續(xù)塌孔。如塌孔不再繼續(xù)，清理孔內(nèi)渣土后可恢復(fù)正常灌注；如塌孔仍不停止，且坍塌部位較深，則應(yīng)將導(dǎo)管和鋼筋籠拔出，用黏土摻水泥回填后，再重新鉆孔成樁灌注。

4.4 鋼筋籠浮籠

導(dǎo)管提升鉤掛、混凝土下落時反沖浮托力大于鋼筋籠自重等是導(dǎo)致浮籠的主要原因。為防止出現(xiàn)鋼筋籠上升問題，應(yīng)采取以下措施：

1)嚴(yán)格控制灌注混凝土?xí)r的泥漿比重，控制在1～1.1左右為宜。比重過大，對鋼筋籠所產(chǎn)生的浮力增大，同時還會在混凝土面上形成較厚的浮漿，混凝土面上升時，浮漿裹著鋼筋籠向上浮。

2)防止頂層混凝土進入鋼筋籠時流動性過小，可適當(dāng)摻加外加劑增大其流動性。同時，嚴(yán)格控制混凝土運輸、灌注的時間。

3)在滿足設(shè)計要求的前提下，可適當(dāng)減少鋼筋籠下端的箍筋數(shù)量，減少混凝土的向上頂托力。

4)在籠底增設(shè)1道～2道加強環(huán)形筋，并以適當(dāng)數(shù)量的牽引筋牢固地焊接于鋼筋籠的底部，有效克服鋼筋籠的上浮。

5 效果評價

經(jīng)統(tǒng)計，本項目的超深工程樁充盈系數(shù)均大于1.0，滿足設(shè)計要求。充盈系數(shù)處于1.0與1.15之間的高達97.91%，見圖4。

按照本文所述方法對灌注過程進行控制，有效地保證了灌注質(zhì)量。

6 結(jié)論

樁基礎(chǔ)水下混凝土灌注采用導(dǎo)管法灌注，施工難度非常大，其工藝特點決定了灌注施工必須一次性成功，否則將會造成嚴(yán)重的質(zhì)量隱患，后期處理費用高昂。本項目實踐過程中，以下經(jīng)驗可供同類項目參考：

1)首灌混凝土有效封底是大直徑樁灌注成敗的關(guān)鍵因素，應(yīng)結(jié)合項目樁徑、樁長、導(dǎo)管等因素，選擇容量合適的料斗；

2)做好灌注前的施工策劃和交通組織，保證灌注施工過程連續(xù)，縮短灌注作業(yè)時間，可有效降低灌注過程中的堵管、卡管等風(fēng)險；

3)對于混凝土方量大灌注樁，首灌混凝土摻入外加劑增加流動性，可降低長時間灌注過程中由于混凝土初凝造成質(zhì)量事故；

4)對于空樁深度大的水下混凝土灌注施工中，采用灌無憂設(shè)備和人工取樣驗證的雙控方法，可有效控制樁頂混凝土的灌注標(biāo)高，防止少灌或超灌高度過大。