楊長清
(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)
鉆孔灌注樁為就地灌注的鋼筋混凝土樁基礎(chǔ),與沉入樁中的錘擊法相比,具有施工震動噪聲低、樁徑上限高、周圍擠土壓力小等諸多優(yōu)點,故在施工過程中得到廣泛應(yīng)用,對其施工技術(shù)的優(yōu)化研究也一直吸引眾多學者的關(guān)注。楊學祥等[1]針對武穴長江公路大橋15號主墩基礎(chǔ)覆蓋層厚等特點,提出其灌注樁基礎(chǔ)成孔關(guān)鍵技術(shù)在于采用旋挖鉆機、回旋鉆機同時進行的鉆孔施工技術(shù),最后鉆孔樁清孔后下放鋼筋籠,采用導(dǎo)管法灌注樁身混凝土,完成樁基施工。郎綠原[2]則根據(jù)平潭海峽公鐵兩用大橋鼓嶼門水道橋基礎(chǔ)巖層軟硬不均、斜面、裂隙發(fā)育明顯等特點提出了采用二次成孔工藝施工鉆孔樁,并得到了實踐檢驗的肯定。對于不同的地質(zhì)條件,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)需要不同的處理技術(shù)。趙光澤、劉璐、白士新等人[3-5]對鉆孔灌注樁在水上、地下淤泥層等不同地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁的成樁施工技術(shù)研究都做出了自己的貢獻。
此外,在嚴寒地區(qū)越冬期間由于溫度較低往往不能進行橋梁上部結(jié)構(gòu)施工,尤其是多年凍土區(qū)。然而可采用合理的施工技術(shù),利用越冬停工期進行橋梁樁基施工,使其變?yōu)闃痘┕さ狞S金時間,則可以在保證成樁質(zhì)量前提下既縮短建設(shè)周期,又能創(chuàng)造效益,可謂一舉多得。因此,研究低溫條件下在多年凍土區(qū)進行樁基礎(chǔ)施工的技術(shù)也已成為眾多學者關(guān)注的重點,尤其是多年凍土層中的鉆孔灌注樁施工技術(shù)又是重中之重。劉超等[6]就結(jié)合實際工程探討研究了在低溫環(huán)境下的橋梁鉆孔灌注樁施工技術(shù)后指出,保證泥漿循環(huán)系統(tǒng)正常工作和鉆孔設(shè)備正常運轉(zhuǎn)是鉆進成孔的關(guān)鍵;控制混凝土各環(huán)節(jié)的溫度損失,確保入模溫度和后期養(yǎng)護,是確保成樁質(zhì)量的關(guān)鍵。蔣代軍等[7]則對青藏高原多年凍土區(qū)中樁基礎(chǔ)的單樁承載力長期穩(wěn)定性做了相應(yīng)研究,指出地表以下320 m在30年間,天然地溫與樁土體系溫度隨時間均有升高,單樁承載力在未來內(nèi)有降低趨勢,因而在多年凍土區(qū)應(yīng)采取相應(yīng)措施考慮“時間”這一動態(tài)因素。
鐵力至伊春高速鐵路是哈長城市群的重要基礎(chǔ)設(shè)施,位于小興安嶺南麓,沿線穿越多處島狀多年凍土。為確保沿線鐵路橋梁的順利通車,保證各橋梁樁基礎(chǔ)的承載力,現(xiàn)對高速鐵路多年凍土區(qū)鉆孔樁施工技術(shù)進行研究。
多年凍土是指距離地表一定范圍內(nèi)的土體溫度低于0℃且凍結(jié)狀態(tài)保持2年或者2年以上的土體[8]。查閱相關(guān)凍土統(tǒng)計資料表明:中國多年凍土面積在世界上位列第三,從中國的凍土分布區(qū)域上可以看出中國多年凍土主要集中分布在高海拔的橫斷山脈、喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、青藏高原地區(qū)及高緯度的大、小興安嶺地區(qū)。在高緯度地區(qū)隨著緯度的降低凍土地溫逐漸升高,凍土厚度不斷變薄,凍土的分布狀態(tài)從連續(xù)凍土逐漸過渡成不連續(xù)凍土(又稱島狀凍土)。鐵力至伊春高速鐵路先行標段共4座橋梁涉及島狀多年凍土施工,多年凍土的鉆孔樁共234根,均位于小興安嶺地區(qū)。其中橋梁鉆孔樁施工涉及多年凍土分別為解放1號大橋、解放4號大橋、解放5號大橋和跨S207省道2號特大橋。解放1號大橋穿越多年凍土地段涉及3?!?#墩,共4個墩;解放4號大橋穿越多年凍土地段涉及3?!?#墩,共3個墩;解放5號大橋穿越多年凍土地段涉及0?!?#墩、4~7#墩,共 7 個墩;跨 S207 省道2號特大橋鉆孔樁穿越多年凍土地段涉及8?!?#墩、55#~58#墩、61#~67#墩,共11 個墩。
由于小興安嶺地區(qū)緯度高,所在區(qū)域的多年凍土分布狀態(tài)以島狀為主。在小興安嶺島狀多年凍土區(qū)用沖擊鉆進行鉆孔灌注樁施工時,由于其工藝及多年凍土的獨特地質(zhì)特性使其與非凍土地區(qū)有著明顯的區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)場勘測,工程所在標段地質(zhì)狀況呈如下分布:
根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示,最大凍結(jié)深度2.9 m。多年凍土為富冰凍土、多冰凍土、飽冰凍土、含土冰層。
(1)富冰凍土:灰褐色,以細圓礫土、粗圓礫土及花崗巖全風化為主,肉眼可見冰膜,圓礫土主要成分為凝灰?guī)r,花崗巖等,呈渾圓狀,一般粒徑2~50 mm,充填30%的中粗砂。
(2)多冰凍土:灰褐色,堅硬,以黏、粉粒為主,土質(zhì)不均,含5%~10%的雜砂;肉眼可見分凝冰,巖芯中可見土顆粒周圍有冰膜,但冰層厚度小于2.5 cm,體積含冰量約占10%~15%。分布于地勢稍高的臺地下緣,局部揭露,揭露層厚1.3~3.5 m。
(3)飽冰凍土:灰褐色,堅硬,以黏、粉粒為主,土質(zhì)不均,含5%~10%的雜砂;肉眼可見分凝冰,芯中可見層狀或明顯定向的冰條帶,但冰層厚度小于2.5 cm,體積含冰量約占35%~45%。局部揭露,揭露層厚1.2~4.5 m。
(4)含土冰層:灰褐色,堅硬,以黏、粉粒為主,土質(zhì)不均,含5%~10%的雜砂;肉眼可見分凝冰,并且冰厚度大于2.5 cm,體積含冰量約占70%~80%。局部揭露,揭露層厚2.0 m。
鉆孔樁凍土層分布情況見圖1。
圖1 鉆孔樁凍土層分布(單位:m)
因在島狀多年凍土地區(qū)施工時,由于樁基開挖、水泥混凝土的澆筑及水化熱等諸多因素的耦合作用,會對天然凍結(jié)土層的熱平衡狀態(tài)產(chǎn)生破壞,這樣會產(chǎn)生凍土土層融化、土體強度下降等不利影響。所以,在該地區(qū)采取合適的鉆孔灌注樁施工工藝對樁身穩(wěn)定性及承載力起決定性作用。
旋挖鉆機采用撈渣斗清理鉆渣,泥漿僅用于護壁,不僅用量小,還可實現(xiàn)對周圍環(huán)境的零污染,比其他成孔工藝更有利于保護環(huán)境。吳鴻迪等[9]根據(jù)深中通道中山大橋所處海域地質(zhì)情況采用樁基旋挖鉆機成孔技術(shù)研究,保證工程的順利進行。值得注意的是,在島狀多年凍土區(qū)施工與普通地區(qū)施工工藝的區(qū)別在于需要隨著工程的推進實時掌握地層溫度情況。所以鉆進時要根據(jù)現(xiàn)場情況取樣,經(jīng)設(shè)計單位判定與圖紙設(shè)計地質(zhì)相符以確定現(xiàn)場實際凍土層上、下限標高,根據(jù)凍土層位置安裝鋼筋籠上的溫度傳感器。
現(xiàn)場施工時需進行多程序依次施工的方法以保證工程質(zhì)量。具體來講,為滿足鉆機安全需對場地進行平整;為確定鉆孔樁位置要進行樁位測量;鉆機就位后進行鉆進。施工工藝流程見圖2。
圖2 鉆孔樁沖擊鉆施工工藝流程
3.1.1 場地平整
施工前,測量人員進行放樣,對鉆孔樁施工所需區(qū)域進行平整壓實,鉆機底座應(yīng)置于堅實土層上,修筑施工平臺完成后應(yīng)進行承載力檢測,確認能否滿足鉆機安全作業(yè)要求。
3.1.2 樁位測量
樁位測量使用RTK進行放樣,并打入明顯標記,樁位放樣應(yīng)確保準確無誤。放樣完成后經(jīng)過監(jiān)理復(fù)核確認無誤后方可開鉆。開鉆前采用十字護樁法對樁中心點進行防護,不得損壞,便于鉆孔過程中和成孔后的校核,孔位允許偏差見表1。
表1 孔位偏差測量
本樁基采用旋挖鉆機,為保證鉆機安放穩(wěn)固、底架水平,鉆機就位前對場地進行平整與壓實,同時地基承載力經(jīng)檢測符合鉆機施工要求。
鉆機就位后,進行樁位對中,鉆頭的中心與護樁十字線交叉點及樁位中心處于同一垂直線上。
旋挖鉆鉆進過程中核對凍土層上限及下限位置,若凍土層位置出現(xiàn)偏差后立即聯(lián)系工程技術(shù)部,由技術(shù)部與監(jiān)理、設(shè)計單位共同現(xiàn)場確認,是否調(diào)整實施方案。
3.1.3 鉆進
鉆進時根據(jù)現(xiàn)場實際土層情況調(diào)整鉆進速度,開始時慢速鉆進,然后逐步轉(zhuǎn)入正常,鉆進過程中經(jīng)常檢查鉆孔位置偏差及鉆桿的傾斜度,防止出現(xiàn)偏孔、斜孔。
鉆進過程中,每0.5 m取渣樣裝袋;根據(jù)施工圖地勘報告顯示的凍土層上、下限位置,在地質(zhì)變化處每0.3 m取渣樣裝袋,根據(jù)現(xiàn)場實際取樣,經(jīng)設(shè)計單位判定與圖紙設(shè)計地質(zhì)相符確定現(xiàn)場實際凍土層上、下限標高,根據(jù)凍土層位置安裝鋼筋籠上的溫度傳感器。
3.2.1 雙層護筒施工
雙層護筒鉆孔樁施工分為兩種情況,凍土段位于承臺及以上的護筒下放至凍土層下限以下0.5 m位置,每鉆進3 m,下放一節(jié)鋼護筒,護筒達到凍土下限以下0.5 m時,采用旋挖鉆機正常鉆進,混凝土澆筑結(jié)束后拔除護筒;凍土段位于承臺底及以下的,采用雙層長護筒施工。
雙層護筒施工時外側(cè)護筒采用跟進施工方法。首先旋挖鉆采用和外側(cè)護筒直徑相同的鉆頭鉆進,每鉆進3 m,下放一節(jié)鋼護筒,護筒達到凍土下限位置時,開始更換與內(nèi)側(cè)護筒直徑相同的鉆頭,繼續(xù)鉆進0.5 m后下放內(nèi)側(cè)鋼護筒,內(nèi)、外側(cè)護筒均下放完成后,采用卡具固定,雙層護筒之間的空隙采用中粗砂回填,護筒安裝完成后更換鉆頭正常鉆進。外側(cè)護筒直徑比內(nèi)側(cè)護筒直徑大40 cm,壁厚10 mm,護筒深入凍土層下限位置;內(nèi)側(cè)護筒直徑大于鉆孔樁直徑20 mm,壁厚10 mm,護筒深入凍土層下限以下0.5 m,混凝土澆筑完成后不拔除;護筒跟進前在不拔除護筒外側(cè)涂刷1 cm瀝青渣油,降低凍土對樁基礎(chǔ)的上拔力;同時在內(nèi)側(cè)護筒外壁每層增加4根限位鋼筋,每層間距2 m,防止護筒中心偏移超限,內(nèi)側(cè)護筒限位鋼筋與外側(cè)護筒內(nèi)壁預(yù)留1 cm間隙,護筒不拔除?;炷翝仓瓿珊蟛鸪ň甙纬鈧?cè)護筒,基坑開挖后割除樁頂以上護筒。護筒卡具示意見圖3。
圖3 護筒卡具示意
護筒埋設(shè)時,雙層護筒均高于地面0.5 m,外側(cè)護筒深入凍土下限位置,內(nèi)側(cè)護筒深入凍土下限以下0.5 m,護筒跟進時由技術(shù)人員根據(jù)渣樣確認凍土層位置,按照凍土層上、下限確認護筒長度。雙層護筒之間采用中粗砂隔離,護筒頂面設(shè)置雙層護筒卡具固定,混凝土澆筑完成后拆除卡具拔除外側(cè)護筒。
3.2.2 鋼筋籠的制作與安裝
鋼筋籠在鋼筋加工場地內(nèi)集中加工,經(jīng)質(zhì)檢員及監(jiān)理工程師按照設(shè)計圖紙的要求對鋼筋的種類、型號、主筋根數(shù)等進行確認,驗收合格后出場;鋼筋籠在運達現(xiàn)場后存放在加工好的槽鋼架上,鋼筋籠頂部應(yīng)采用塑料布覆蓋。
鋼筋籠每2.0 m設(shè)置保護層墊塊4個,墊塊采用比設(shè)計樁體混凝土高一等級強度的圓形混凝土墊塊,墊塊直徑15 cm,用φ10 mm圓鋼從墊塊中心穿過,焊接在鋼筋籠主筋上,保證鋼筋籠保護層厚度為70 mm。
2)基礎(chǔ)設(shè)施與資源應(yīng)用方面。大投入沒有大產(chǎn)出,高投資未能體現(xiàn)高效益[2]。雖然教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施與資源建設(shè)取得巨大成績,但是國家和政府投入巨資建設(shè)起來的校園網(wǎng),目前絕大部分并未充分發(fā)揮作用,很多地方存在資源浪費、設(shè)備閑置等現(xiàn)象。
吊筋為鋼筋籠高程定位筋,采用φ16 mm鋼筋制作,上部做成直徑為10 cm的圓環(huán),每個鋼筋籠頂設(shè)置共2根吊筋,吊筋上部用鋼管穿過吊筋圓環(huán)橫擔于護筒頂部及枕木上,鋼管直徑70 mm,壁厚5 mm。枕木緊貼護筒放置,枕木頂面高出護筒頂面5 cm。
3.2.3 導(dǎo)管試拼、試壓及安裝
導(dǎo)管采用整體拼裝一次吊裝入孔無法實現(xiàn),因而采用分段吊裝入孔,為縮短吊裝時間,提前將導(dǎo)管分段組裝完成,減少吊裝過程中連接接頭。
在施工前對施工的導(dǎo)管進行水密試驗,檢查每節(jié)導(dǎo)管有無孔洞,導(dǎo)管連接處的密封情況。如有漏水現(xiàn)象則不能使用,要及時拆除更換。導(dǎo)管水密試驗時的水壓不得小于孔底凈水壓力的1.5倍。
鋼筋籠安裝完成后放置導(dǎo)管卡盤,在卡盤上安裝導(dǎo)管至孔底,導(dǎo)管底節(jié)為4 m,標準節(jié)為3 m,調(diào)整節(jié)為 2、1.5、1.0、0.5 m,內(nèi)徑 260 mm,導(dǎo)管按照高出孔底400 mm進行裝配并做好記錄。
3.2.4 泥漿制備
在64號臺與65號臺之間設(shè)一組泥漿池及沉淀池,泥漿池基坑開挖完成后,使用2層加厚塑料布墊底,防止泥漿外滲。泥漿池及儲漿池四周設(shè)置護欄圍擋,采用裝配式護欄,立桿間距2 m,高度為1.2 m。在護欄四邊掛警示標志,夜間掛警示燈。
根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件采用膨潤土造漿,泥漿的主要作用是保護孔壁。施工過程中,根據(jù)地質(zhì)條件隨時調(diào)整泥漿的指標。保持孔洞中泥漿液面高出地下水位1 m以上。新制泥漿沖擊鉆比重為1.1~1.3 g/cm3,旋挖鉆比重1.05~1.15 g/cm3,粘度16~22 s,含沙率≤4%,膠體率不小于95%,pH值大于6.5。
3.2.5 清孔及灌注混凝土
鉆孔灌注樁清孔后的泥漿性能指標應(yīng)符合孔內(nèi)排出或抽出的泥漿無2~3 mm顆粒;泥漿比重不大于1.10;含砂率不大于2%;粘度為17~20 s。檢查成孔質(zhì)量及孔底沉渣,成孔檢查合格后應(yīng)及時進行下道工序,間歇時間不宜過長。鉆孔樁混凝土采用水下導(dǎo)管法灌注,混凝土要有較好的流動性、和易性,坍落度控制在200±20 mm,混凝土灌注完成后拔除護筒,護筒埋置較深時,拔除護筒時重點注意防止塌孔和保護成樁樁頭質(zhì)量。
在多年凍土區(qū)施工對溫度的把控直接決定著施工質(zhì)量。早在1998年金會軍等[10]就對天山烏魯木齊河源冰達坂多年凍土區(qū)域的溫度進行過監(jiān)測,相關(guān)技術(shù)也日漸成熟。程培峰等[11]為獲取島狀多年凍土地區(qū)混凝土灌注樁和樁周溫度的動態(tài)變化規(guī)律,提出一套系統(tǒng)的關(guān)于多年凍土地區(qū)樁-樁周土溫度遠程動態(tài)監(jiān)測的方法,實現(xiàn)了對多年凍土樁-樁周土溫度數(shù)據(jù)持續(xù)不間斷的監(jiān)測。
本次對高速鐵路島狀多年凍土區(qū)的溫度檢測是根據(jù)凍土段凍土含冰情況,富冰凍土、多冰凍土、飽冰凍土、含土冰層每種土層選取兩根鉆孔樁安裝溫度傳感器,富冰凍土選取跨S207省道2號特大橋64#墩1號樁、65#墩1號樁;多冰凍土選取解放1號大橋3#墩1號樁、4#墩1號樁;飽冰凍土選取解放5號大橋1#墩1號樁、2#墩1號樁;含土冰層選取56#墩1號樁、57#墩1號樁。溫度傳感器安放在樁基鋼筋籠上,避免與主筋接觸,按照凍土層位置,設(shè)置在凍土層上限、中間、下限及下限以下1 m處,澆筑結(jié)束后每隔6 h進行測溫,做好溫度記錄,以備后續(xù)施工提供參考。
此外,安裝鋼筋籠上的溫度傳感器時,應(yīng)避免與主筋接觸,在鋼筋籠箍筋位置焊接加固鋼筋以固定溫度傳感器,下放鋼筋籠及澆筑混凝土過程中對溫度傳感器做好防護措施,避免破壞影響后續(xù)施工。在混凝土灌注前預(yù)埋溫度傳感器,傳感器預(yù)埋位于凍土上限、凍土層中間、凍土層下限,每層傳感器布置2個,其中一個采用1 cm薄壁鋼管保護,樁基回凍時間一般不少于1個月。葛洪林等[12]針對季節(jié)性凍土區(qū)鐵路因土體凍脹等影響,以川藏鐵路沿線部分地區(qū)為研究對象,基于熱-力耦合理論,考慮土體凍脹等關(guān)鍵因素,分析全年不同時期接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)凍脹變形特征。其分析結(jié)果表明樁基整體位移量與凍深呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,而凍深與全年氣溫條件顯著相關(guān),故建議通過保溫隔熱等防護措施減小凍深。
高速鐵路島狀多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁在保證樁身穩(wěn)定性和承載力前提下施工具有可行性,但需采取必要的施工控制措施。
(1)雙層長護筒采取隔熱措施對于島狀多年凍土區(qū)的樁基施工是可行的,可以將凍土施工轉(zhuǎn)化為常溫施工,既防止樁基混凝土的受凍,又可以防止凍土受擾動而融化。
(2)旋挖鉆機可用于高速鐵路島狀多年凍土鉆孔樁的施工,但為滿足鉆機安全工作要求需要對場地平整,之后進行樁位測量,在鉆機就位后鉆進。
(3)導(dǎo)管采用分段吊裝入孔,注意在施工前對施工的導(dǎo)管進行水密試驗,提前分段將導(dǎo)管組裝完成,減少吊裝過程中的連接接頭。
(4)施工時及時安裝溫度傳感器以掌握周圍溫度場情況,在施工后采取保溫隔熱措施減小凍深。