一、前言
钻孔灌注桩是桥梁建设上常用的一种深基础形式。近年来我国桥梁事业发展迅速,新建桥梁的跨径越来越大、结构越来越复杂,钻孔灌注桩的长度也就越来越长、直径也就越来越大。
中港第二航务工程局承建的苏通大桥C1标主4号墩由131根钻孔灌注桩组成,桩长均为120m,桩径~2.85m,为目前世界上最大的桥梁群桩基础。为了促进该施工方法在我国类似桥梁工程项目中推广使用,根据苏通大桥施工经验与实践,特编制该工法。该工法内容主要包括钻孔平台搭设、钻孔桩成孔工艺(钻机选型、泥浆的选用配置、成孔参数的选择)以及成桩工艺(水下砼的配制及浇注工艺),其中钻孔平台搭设工艺曾获2004年武汉市职工创新一等奖。 二、工法特点
1、采用结构护筒直接作为钻孔平台的承重结构。 2、采用了振动锤以及移动式导向架打设钢护筒。
3、钻孔处多为粉沙、细沙、中粗沙及沙砾层等易坍孔地层,施工选用了大功率钻机成孔、优质PHP护壁泥浆。
4、钢筋笼采用镦粗直螺纹接头,并于后场同槽预制,采用大型浮吊大节段吊装。 5、桩基采用桩底后压浆技术。 三、使用范围
适用于采用钻孔灌注桩(地质以砂层为主)为基础的特大桥桩基施工。 四、工艺原理
钻孔桩施工工法主要分两部分:其一主要说明钻孔平台的搭设工法,其二介绍钻孔灌注桩的成孔、成桩以及桩底后压浆工艺。
五、施工工艺 (一)、工艺流程
1、传统钢管桩施工平台搭设工艺流程
图 传统钢管桩施工平台搭设工艺流程
承重梁、分配梁加工、运输 钢管桩加工、运输 施工准备 打桩船抛锚定位 沉设钢管桩 平联施工 承重梁及分配梁安装 平台面板及附属设施安装 2、采用钢护筒作为承重结构的钻孔平台搭设工艺流程
钻孔桩施工 搭设下游侧施工平台 沉放下一排钢护筒及护筒间连接 导向架前移及精确定位 沉放第一排钢护筒及护筒间连接 钢护筒制作、运输 精确安装悬臂式定位导向架 悬臂式定位导向架制作 沉放起始平台钢管桩、形成起始平台 起重船及定位船抛锚定位 安装定位导向架 定位船改造 图 采用钢护筒作为承重结构的钻孔平台搭设工艺流程 3、钻孔灌注桩施工工艺流程
测量放线 搭建水上钻孔平台
图 钻孔桩施工流程图
4、桩底后压浆流程
图 桩底后压浆施工流程图 (二)、施工要点
施工准备 注浆管安装 钻孔桩砼浇筑 注浆管开塞 洗孔、初注 控制注浆压力和注浆量,记录最大压力和单管最终注浆量 效果检查 1、传统钢管桩施工平台搭设施工要点 ① 钢管桩施工
a、钢管桩制作、运输
钢管桩均按设计规格拼装成整桩,按沉放顺序分批加工制作,出厂检验合格后,用驳船运输至施工现场。
b、钢管桩沉设
钢管桩沉设定位采用测量定位。
确定沉桩顺序:根据各工程的施工特点确定沉桩顺序。 打桩船抛锚定位:按照沉桩顺序进行打桩船的抛锚定位。
钢管桩施沉前根据桩位图计算每一根桩中心的平面坐标。直桩直接确定其桩中心坐标,斜桩通过确定一个断面标高后,再计算该标高处钢管桩的桩中心坐标。
钢管桩平面位置及垂直度调整完成后,先自由落桩,再开始压锤,依靠钢管桩及打桩锤的重量将其压入土层,测量复测桩位和倾斜度,偏差满足设计要求后,开始锤击。
钢管桩的最终桩尖标高由入土深度控制。成桩由标高控制,以贯入度作为校核。 ② 平台搭设
a、平联施工
平联钢管采用哈佛板连接。在前场施工中,首先将下好料的一端与钢管桩按设计位置对好位并调平平联焊接,然后用哈佛板将另一端与钢管桩焊接。
b、平台上部结构搭设
逐一安装主承重梁、分配梁,铺设面板,安装栏杆,挂设安全网。 ③、钢护筒施工
a、导向架设计与制作
根据水深、流速条件确定导向架设计高度及刚度。本工程采用11.5m高的点接触式导向架,平台以下5.5m、平台以上6.0m。导向架平面呈“开口式”,平台上下两层导向架之间用螺栓连接,以便于装拆。导向架结构见图5。 钢护筒φ32锁口拉杆液压螺旋千斤顶2[20槽钢加骨架钻孔平台80002100+7.0 2100一般高潮位22503500800022504t拉力4t拉力平台辅助桩60004000 图 导向架结构示意图(单位:mm)
b、钢护筒起吊、就位、施沉
用起重船吊起钢护筒,使钢护筒垂直,选择在平潮或流速较小时将钢护筒缓慢下滑,直至入泥稳定, 待钢护筒下沉稳定后才能脱钩。 2、采用钢护筒作为承重结构的钻孔平台搭设施工要点 ①、起始平台施工
起始平台位于钻孔平台上游侧,其主要作用是为沉放钢护筒,安装悬臂式定位导向架,
提供具有足够刚度的起始工作平台。
起始平台钢管桩施沉利用安装在定位船船艏的导向架定位,用起重船吊振动锤振动下沉。
a、起重设备配置:根据起始平台单根钢管桩的长度重量选择相应的起重设备。 b、振动锤配置:振动锤选择主要满足钢管桩施沉要求。 c、钢管桩沉放
钢管桩的定位采用测量定位。定位船在测量的指挥下移至桩位位置,运桩船停靠浮吊。当钢管桩起吊竖直后,将钢管桩送进导向架内,由测量调整钢管桩的平面位置及倾斜度,当平面位置偏差及倾斜度满足设计要求后,下放钢管桩,浮吊脱钩,起吊液压振动锤就位,测量再次复核钢管桩的平面位置及倾斜度,合乎施工要求后,振动下沉到位。
下沉到位后,定位船移至下一根桩位。第二根桩下沉到位后,及时连接两根桩之间的钢管水平联。钢管平联采用哈扶板连接。 ②、护筒区平台搭设
a、钢护筒制作、运输
钢护筒在钢结构公司厂内加工,分上、下两节制作。然后装船运至施工现场。 b、钢护筒沉放
b-1、振动锤选择:应根据护筒入土情况及地质情况选择振动锤。
b-2、悬臂式定位导向架:根据平台搭设特点,需选用悬臂式定位导向架。 本工程采用的悬臂式导向架其长度为16.125m,宽6m,用起重船吊装移位,并锚固在已完成的起始平台或已沉放的钢护筒顶口上,在导向架前端设置2层层距10.0m的上、下导向装置,导向装置内设置有供钢护筒定位、施沉过程中纠偏、调整的液压千斤顶和锁定装置。
b-3、钢护筒下沉:钢护筒下沉定位采用全站仪定位,同时用经纬仪进行校核。 Ⅰ、第一排钢护筒下沉
吊装悬臂式导向架,进行初步定位及精确定位,并将悬臂式导向架固结在锚固梁上。 Ⅰ-1、起重船将第一节钢护筒吊入定位导向架的导向装置内,锁定上下龙口。 Ⅰ-2、利用龙口的调节装置,调整钢护筒的平面位置及垂直度,使平面位置、倾斜度满足设计要求。起重船落钩,钢护筒沿导向架下至河底并入土,起重船脱钩。
Ⅰ-3、起重船吊安振动锤至钢护筒顶口,并再次校正钢护筒及振动锤的位置。 Ⅰ-4、起动振动锤,振护筒下沉。同时,起重船移至另一位置进行下沉护筒有关工作。 Ⅰ-5、吊走振动锤,拆除导向架与锚固梁间的连接,将导向架移至另一护筒位定位,
并重复以上工序。
Ⅰ-6、单根护筒下沉到位后,及时与起始平台及相邻钢护筒连接。 Ⅰ-7、该排护筒沉设完成后,前移进行下一排护筒沉放。 Ⅱ、第二排钢护筒沉放
测量第一排钢护筒的位置,对焊接在钢护筒上的牛腿找平,将前锚固梁搁置至第一排钢护筒上,并与钢护筒上的牛腿焊接,将导向架整体吊装并锚固在前后锚固梁上;重复上述步骤下沉完本排钢护筒。
重复本步骤,完成所有钢护筒的下沉。 ③、施工平台面层铺设
本工程平台面层采用I25a作为分配梁,面板采用δ6的花纹钢板。 3、钻孔灌注桩施工要点
钻孔施工采用了泥浆护壁、回旋钻机气举反循环的施工工艺,主要包括钻进成孔及清孔。 ①、钻机选型
根据钻孔深度及直径选择相应的钻机。
本工程钻孔灌注桩从平台到孔底深达130多米,对钻机的扭矩及钻杆质量要求较高。选用技术性能先进,提升能力和配重较大的大型钻机投入主墩钻孔桩施工。各钻机性能指标见表。
钻机主要性能参数表 表
钻机型号 最大钻孔口径(m) 最大钻孔深度(m) 输出扭矩(KN·m) 最大提升能力(KN) 最大钻速rpm 钻杆内径mm 配重(KN) 循环方式 GDY400、GF350、ZSD300 140 ≥150 1000 15 ≥330 不小于300KN 气举反循环
②、泥浆制备及泥浆循环
a、泥浆制备及性能指标
护壁泥浆在钻孔中非常重要,尤其是对本工程大直径深孔,土层为砂层,造浆性能差,泥浆控制显得尤为重要。施工采用不分散、低固相、高粘度的PHP泥浆。泥浆的制备在平台泥浆制备区进行。如果平台条件允许,可以采用集中供浆。
泥浆各施工阶段的性能指标要求(见表):
泥浆性能指标一览表 表
阶段 性质 新制泥浆 循环再生泥浆 容重(g/cm) 粘度(s) 3试验方法 清孔泥浆 1006型泥浆比≤ 22~25 ≤ 20~25 <20 <2 ≥96 < 8~10 ≤ 重秤 18~22 <20 < ≥98 < 8~10 粘度计 失水量仪 钢尺 量筒 含砂量测定仪 试纸 失水量(ml/30min) <17 泥皮厚(㎜) 胶体率(%) 含砂量(%) PH值 < 100 < 8~10
b、泥浆循环
泥浆经泥浆净化器使直径在0.074mm以上的土颗粒筛分到溜渣槽内,处理后的泥浆通过钢护筒之间的连通管流入钻孔孔内。每台钻机配置一台泥浆净化器。 ③、钻机安装、调试及移位
根据平台上的钻机位置和钻孔顺序,安装并调平钻机,并固定牢靠。 ④、钻进成孔
a、钻进方法
成孔过程划分为三个阶段:护筒内钻进阶段、土层内钻进阶段、第一次清孔阶段。 护筒内钻进阶段:采用直径匹配的刮刀钻头反循环加压清水钻进,每小时进尺控制在4~6m左右,孔内补充清水,混合泥浆经泥浆净化器处理后泥浆回流入护筒,钻渣转运至处理堆场处理。
土层内钻进阶段:护筒底口以上2m至孔底,调换直径匹配的改进型平底钻头,开钻时钻头反循环空转,启动泥浆循环系统,置换孔内泥浆,当孔内泥浆指标符合要求后,优质泥浆护壁反循环减压钻进,在护筒底口附近慢速钻进,形成稳定孔壁,每小时进尺控制在~0.8m左右。钻头出护筒5m后恢复正常钻进,根据不同土层的特点,在钻孔过程中及
时调整护壁泥浆指标和钻进速度,孔内补充优质泥浆。
此阶段泥浆指标基本控制在了表中的要求:
表
项目名称 指 标 PH值 比重3(g/cm) 粘度(s) 20~25 胶体率(%) 96%以上 失水率含砂率(ml/30min) (%) 20 3 8~10 ≤
终孔后,及时进行清孔。清孔时将钻具提离孔底约30~50cm,缓慢旋转钻具,补充优质泥浆,进行反循环清孔,同时保持孔内水头,防止塌孔。
根据地层地质情况采用相应的钻进工艺参数(见表)。 不同地层钻进参数表 表
地 层 护筒内钻进 密实粉细砂层 软塑亚粘土层 密实中粗砂层 护筒底口地层 钻压(KN) 100~150 100~120 150~300 <100 转数(rpm) 10~15 10~15 5~10 5~10 钻速(m/h) ≤ ~ 1~2 ~ ~
⑤、成桩施工
a、钢筋笼制作
钢筋笼在加工车间下料,分节同槽制作。主筋间采用直螺纹连接,每个断面接头数量不大于50%,相临接头断面间距不小于1.5m。
压浆管与声测管在钢筋笼同槽加工时同槽安装,接头采用焊接并适当与钢筋接头错层,以便对接方便。
成孔检验合格后,下放接长钢筋笼。为加快钢筋笼下放速度,可以根据施工条件将钢筋笼进行预接长。钢筋笼安装下放后,将钢筋笼固定在护筒上,以承受钢筋笼自重和防止混凝土灌注过程中钢筋笼上浮。
b、 二次清孔
如钢筋笼下放完成后,沉渣厚度及泥浆指标超标,需进行二次清孔。 c、水下混凝土灌注
水下砼浇注是钻孔灌注桩施工的主要工序,也是影响桩身质量的关键。 c-1、混凝土配合比设计
混凝土配合比设计通过试配确定,砼除满足强度要求外,一般还须符合下列要求: 粗集料采用级配良好的石灰岩或花岗岩碎石,粒径5~31.5mm; 细集料宜采用级配良好的中砂,细度模数应控制在~; 胶凝材料宜不小于380kg/m3,改善混凝土的和易性、流动性; 混凝土初凝时间大于浇注能力;
混凝土的坍落度控制在20~22cm,3h以后不小于16cm,流动度不小于50cm; 混凝土具有良好的和易性、流动性、泵送性,可掺入适量的粉煤灰及外加剂; 水泥中含碱量小于%,骨料要求做碱骨料反应试验。 c-2、砼浇注
水下砼浇注导管一般选用壁厚δ=12mm,φ外=325mm的无缝钢管,连接为T型螺纹的快速接头。导管径水密试验不漏水,其容许最大内压力均大于孔内泥浆深度压力的倍。
混凝土灌注封底采用拨球法。封底成功后,随即转入正常灌注阶段。混凝土经泵送,不断地通过集料斗、浇筑料斗及导管灌注至水下,直至完成整根桩的浇筑。正常灌注阶段导管埋深控制在3~10m,且每20~30分钟测量一次砼面标高,测点不少于2个,当测点出现较大的高差时,应及时调整导管埋深,同时混凝土在护筒刃脚以下时保持护筒内泥浆面高于水位1.5m。当混凝土灌注临近结束时,核对混凝土的灌入数量,以确定所测混凝土的高度是否准确,当确定混凝土的顶面标高到位后,停止灌注,及时拆除灌注导管。灌注完成时,砼面应不小于设计桩顶标高~0.8m,以保证桩头砼质量。 4、桩底后压浆施工要点
为了改善桩底持力层的受力状况,提高基桩承载能力和基础的整体刚度,本工程主1~4#墩桩基均采用桩底后压浆。
a、压浆前的准备
a-1、安设压浆设备及压浆装置
压浆设备:注浆泵,浆液搅拌机,贮浆桶,压浆压力表,球阀,溢流阀,纱网,卸荷阀。
a-2、压浆管路编号并挂牌明示,压浆管路按编号顺序与浆液分配器对应连接牢固。 a-3、桩基凝土浇筑完成后24~28h,由压浆泵用清水将桩端注浆管单向阀冲开,确保压浆管路系统畅通。对于U型管,每天必须打开U管系统一次,开泵注水循环10~15min,以促使水化热消散和防止压浆管堵塞。
a-4、压浆材料准备到位。 b、水泥浆液配制
b-1、水泥必须控制在以上,同时要求鲜新、不结块。 b-2、桩端压浆浆液水灰比宜控制在~之间。
b-3、严格控制浆液配比,搅拌时间不少于2min,浆液应具有良好的流动性,不离折、不沉淀,浆液进入贮浆桶时必须用纱网进行2次过滤,防止杂物堵塞压浆孔及管路。
c、压浆要求
当桩身混凝土强度到达一定值(通常为75%以上)后,通过地面压力系统经桩端压力注浆装置向桩端土层压浆。
c-1、压浆必须连续进行,中途停待不得大于30分钟。 c-2、桩端压浆水泥浆量达到设计要求后即告终止。
c-3、桩端压浆其泵压宜控制在1~5Mpa之间,终止压力一般控制在6Mpa以内,压浆速度一般控制在30~40L/min以内。
c-4、当泵压浆达到8Mpa,而水泥量达80%以上时,可视为压浆合格。 d、群桩压浆施工施工顺序
注浆先外侧,后内侧;在外测隔桩进行压浆。每根桩压浆时,应确保在其周围20m为半径范围内的桩已经灌注混凝土完毕。同时,根据施工情况,按上述原则可适当调整压浆顺序。
e、压浆量施工控制
浆液总体控制于原则:实行压浆量与压力双控,以压浆量(水泥用量)控制为主,注浆压力控制为辅。若注浆压力达到控制压力,并持荷5min,同时达到设计注浆量的80%,也可以认为满足了设计要求。
f、压浆次序与压浆量分配
压浆分可分三次循环;每一循环的压浆管采用均匀间隔跳压;压浆量分配:第一循环:40%; 第二循环:40%; 第三循环:20%。
g、压浆时间及压力控制
g-1、第一循环:每根压浆管压完后,用清水冲洗管路,间隔时间不小于,不超过3h进行第二循环。
g-2、 第二循环:每根压浆管压完后,用清水冲洗管路,间隔时间不小于,不超过6h进行第二循环。
g-3、第一循环与第二循环主要考虑压浆量。
g-4、第三循环以压力控制为主。若压浆压力达到控制压力,并持荷5min,注浆量达到80%,也满足要求。
六、机具设备
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 振动设备 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 加工机具 26 27 实验设备 28 29 测量仪器 GPS全球定位系统 试验仪器 气割设备 泥浆检测仪 检孔仪 套 套 台 10 4 1 3 船舶及车辆 电力配套设施 钻孔及配套设备 振动锤 回旋钻机 回旋钻机 回旋钻机 回旋钻机 冲抓钻 泥浆泵 空压机 高压开闭站 箱式变电站 发电机 定位船 运输船 载重车 拖轮 拖轮 电焊机 DZ120A ZSD300 ZSD300N ZSD350 ZSD250 Φ1.8m×6m 3PN 20m/min 10000V 1000KVA 300KW 2000t 50OKN CQ1262T 航工503 航工804 BX1-500-2 3设备类型 设备名称 浮吊 浮吊 桅杆吊 型号 3000KN 600KN 800KN 20OKN QY-50A APE400 单位 艘 艘 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 座 台 台 艘 艘 辆 艘 艘 台 数量 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 4 3 2 8 4 1 2 3 1 2 2 1 1 40 备注 护筒内掏渣 破碎、抓取砂袋 备用 起重设备 龙门吊 龙门吊 桅杆吊 汽车吊 振动锤 莱卡SR530 套 30 31 32 33 34 35 36 37 混凝土拌和设备 交通设备 全站仪 电子经纬仪 电子水准仪 测深仪 流速仪 搅拌船 搅拌船 交通船 ET-02 台 台 1 2 1 1 1 2 1 2 Leica NA2 台 SDH-13D LS-25 160m/h 100m/h 600KN 33台 台 艘 艘 艘
七、劳动组织
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 工种 工段长 副工段长 工程技术人员 质检员 安全员 测量员 试验员 焊工 起重工 司机 修理使用工 普工 后勤人员 钢筋工 混凝土工 电工 人数 1 3 7 2 4 4 4 40 20 10 60 60 6 100 60 4 备注 (含钻工) 八、质量要求
符合以下规范要求:
1)《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000) 2)《公路工程质量检验评定标准》(JTJ071-98) 3)《公路工程施工安全技术规程》(JTJ076-95) 4)《墩粗直螺纹钢筋接头》(JG/T 3057—1999)
5)《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002) 6)《港口工程桩基规范》(JTJ254-98)
7) 《公路全球定位系统(GPS)测量规范》(JTJ/T066-98) 8) 《工程测量规范》(GB50026—93)
9)《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001) 九、安全及环保措施
安全责任重于泰山,在施工过程中,坚决自始至终坚持“安全第一,预防为主,科学管理,狠抓落实”的安全工作方针,并从技术上、制度上、思想上、组织上加强安全管理,制定并落实好安全预控措施,防患于未然。具体如下: 1、水上船舶安全
a、合理安排劳动力、机械和船舶的使用,禁止不符合生产安全规定要求的设备、人员进入现场。
b、严格执行安全技术操作规程,组织有关人员对机械设备、设施进行定期检查。 c、水上施工船舶严格执行项目经理部的各项安全制度,执行当地航政、港监部门的规定和交通部规定的船舶管理制度。
d、施工过程中所有船舶接受统一管理,统一指令。 2、起重安全
a、起重用工索具严格按相关规范要求取用安全系数,保证其使用安全。 b、定期对工索具进行检查。
c、在起吊中应严格执行安全操作规程,指挥起吊时,信号必须统一,手势明显,哨音清晰,不得含糊。
d、起吊钢管桩前对工索具进行认真的检查,做到安全可靠,万无一失。
e、吊物时,扒杆与被起吊物下严禁站人,对违反操作规定和不安全的作业及时加以纠正或制止。 3、环保措施
a、水污染的防治措施
1)钻孔桩施工所产生的钻渣和废弃泥浆均泵送至驳船,运至岸上处理。
2)水泥、膨润土等掺和料,应安全堆放,妥善遮盖,不得掉入江中。 3)砼水上拌和站的废水,须集中装运至岸上基地,经沉砂处理后排放。
4)在施工平台上,设置“环保厕所”(干厕),粪便定期收集运至岸上生活区化粪池,统一处理。
5)禁止使用一次性塑料餐具,防止白色污染。交通船舶、施工机械产生的废油料及润滑油等,必须集中收集运至岸上处理。
6)生产用油料必须严格保管,防止泄漏,污染江水。
7)所有50t以上的施工作业和运输船舶,设置油水分离器,船舶舱底水含油量≤15mg/L时,方可排放。
8)水上施工人员的生活污水,用固定容器收集,定期由驳船运至岸上。 b、固体、废弃物的处置措施
1)在水上施工平台设置若干个垃圾桶,集中贮放生活垃圾,定期由驳船运至岸上垃圾场深埋。
2)施工过程中的废弃物、边角料、包装袋等及时收集、清理,运至垃圾场掩埋。 3)船舶上的生活垃圾,亦须袋(桶)装,集中运至岸上垃圾场处理。 十、效益分析
相对于传统钻孔平台,采用钢护筒作为承重结构的搭设钻孔平台大大节约了施工工期,节省了平台搭设材料。以苏通桥主4#墩钻孔平台为例:主4#墩提前两个月完成平台搭设,为完成世界最大群桩基础打下了良好的基础;同时,平台搭设节约钢材近千吨以上。
钻孔中采用大功率钻机,同时采用大型起重设备大节段下放钢筋笼,大大加快了钻孔桩成桩效率。以苏通桥主4#墩为例:130m左右深的钻孔桩从开钻到混凝土浇注完成,仅仅每根平均需要90小时左右;如果按照常规工艺施工成桩时间至少在120小时以上。由此可见,设备的选择以及工艺的更新,使生产效率得到了大幅度提升。 十一、工程实例
中港二航局承担的苏通大桥C1标,地质主要为粉砂、细砂、中粗砂及砂砾层,共计施工钻孔灌注桩205根,全部达到Ⅰ类桩标准。
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