铁路桥梁钻孔灌注桩的成桩质量控制与通病防治

王振宇, 梁学成, 李正全

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 引 言

随着我国铁路建设的发展,桥梁工程所占比重的进一步提升,钻孔桩基础以其容易适应持力层高低不平的变化和不同施工条件及外荷载的变化,省工、省料、施工速度快等特点而被广泛采用。

钻孔灌注桩施工时常易发生孔壁坍塌、斜孔、桩身夹泥、短桩等工程问题,可以说是“常发病”和“多发病”。水下混凝土灌注属隐蔽工程,—旦发生质量事故难以观察和补救,从而给后期处理带来困难,影响桥梁的施工进度和使用性能。要想行之有效的控制钻孔灌注桩的成孔质量,就必须熟悉钻孔施工过程中常见的工程质量事故及处理方法,掌握水下混凝土灌注施工中常见病害的防治措施。笔者从施工中经常遇到的实际问题入手,主要针对冲击钻机的成孔方式,就钻孔灌注桩的成桩质量控制及病害产生原因和防治加以分析解答。

2 钻孔桩成孔质量控制

钻孔施工中可能出现的质量问题一般有坍孔、钻孔偏斜、扩孔、缩孔、卡钻、埋钻和梅花孔等。为防止此类事故的发生,确保成孔质量,防患于未然,在施工中应注意以下几点:

(1)施工前要认真查看地质资料,掌握地质状况,分析可能发生的问题并制定预防措施。

(2)施工前注意检查操作平台及钻机安装的稳定性,调整钻头的垂直度。

(3)在钻进过程中,始终要注意泥浆的质量,确保护筒内泥浆面标高不低于地下水位或河水水位 1.5～2.0m,这是防止坍孔和缩颈的基本保证。

(4)泥浆相对密度和粘度不能太大,钻机冲程不能过小,防止出现梅花孔。

3 钻孔施工过程中常见的工程质量事故及防治

3.1 孔壁坍塌

在钻孔过程中,如发现孔口护筒内水位忽然上升溢出,随即骤降并冒出气泡,出渣量突增而不见进尺,钻机负荷显著增加,应怀疑是坍孔征象,可用测深探锤探测,若测得的孔深与原孔深相差较大,可证实坍孔。

坍孔产生的原因一般为:孔内外水位差减小,水头不稳定,不能保证原有的落水压力;泥浆稠度小,起不到加固孔壁的作用;护筒埋设不良,埋深不够,四周填土质量差,造成护筒底周围漏水,容易引起护筒底附近坍孔;施工操作不当,钻头、抽渣筒起落不稳,碰撞、冲击孔壁;停钻时间过长,泥渣沉淀,泥浆稠度不够,再钻时未重新调配适当;清孔、抽渣措施不当,延续时间太长,破坏了护壁泥皮等。

预防和处理方法:坍孔部位不深时,如果孔口或护筒底部坍塌,可采取深埋护筒法,将护筒周围的填土夯实后再继续钻进;也可采取回填粘土、重埋护筒、重新钻孔的方法。如果孔内发生坍塌,应查明坍孔原因、位置,然后进行处理。坍孔不严重时,可回填粘土到坍孔部位以上 1～1.5m,并采取改善泥浆性能、加高水头、深埋护筒等措施,再进行施钻。坍孔严重时,应立即将钻孔用砂类土或砾石土回填,无上述土类时,可采用粘质土并掺入 5%～8%的水泥,等待数日待回填沉实后重新钻孔,此次钻进应注意调整泥浆浓度,减缓钻进速度。

3.2 钻孔偏斜

造成钻孔偏斜的原因:钻机安装不平稳,钻架发生位移;护筒埋设偏斜易造成钻头跟进时发生引导性的偏斜;钻进过程中松绳过多,钻头落底时自由度过大;遇到凸起硬岩,由于硬岩与周围土质的软硬程度相差较大,容易引起偏斜等。

预防和处理方法:钻进过程中,技术人员应随时检查钢绳的垂直度,当发现有倾斜趋势时应及时矫正,避免因发现不及时而造成钻孔严重偏斜,增大处理工作的难度。

当发生钻孔偏斜时,应及时查明偏斜的初始位置并回填砾石土和片石,回填高度应略高于偏斜处,并以小冲程施钻,减缓钻进速度;钻进过程中,必须勤松绳、少量松绳,要注意均匀地松放钢丝绳的长度。

3.3 卡 钻

使用冲击钻钻孔时常发生卡钻现象,卡钻的原因主要有:

在更换钻头时,如果更换的钻头比原钻头的直径大,容易发生卡钻;钻头不转动,孔底出现较深的梅花孔等容易形成卡钻。孔内有探头石或坍落石等也容易引起卡钻。

预防和处理方法:在更换钻头时,要注意其直径的大小,在焊补原钻头时,也要注意其直径是否增大。要预防和及早对不规则孔进行处理,使孔圆顺,以降低卡钻机率。

发生卡钻后,不宜强提钻头,以免钻头越卡越紧。应分析清楚卡钻的原因后再进行妥善处理。可采用小锥冲击或用冲、吸的方法将钻锥周围的钻渣松动后再提出。

3.4 钻头掉落

掉钻头是钻孔中经常发生的事故之一。由于打捞一个钻头往往要耗费几个工班,影响工期,操作不当不但捞不出来,还会引起坍孔,以致不得不废弃钻孔,对施工影响很大,要尽力防止。

冲击式钻机掉钻头的原因主要为:钻头大绳卡子松动;钢丝绳断丝;钻头空打;卡钻时硬提等都容易造成钻头掉落。

预防和处理方法:加强施工检查,对磨损严重的钢绳和卡环等及时更换;认真按规定操作,遇到障碍物不能硬钻,卡钻时不可强提硬拔;钻进过程中均匀地松放钢丝绳的长度,防止松绳过少,形成“打空锤”。也可增加一根保险钢丝绳,当主绳断时,可利用其提起钻头。

发生掉钻事故宜首先加大泥浆浓度,然后用打捞叉、钩、绳套等工具打捞,同时,钻头上要预先焊一些挂钩,以便打捞。打捞无效时,应尽快联系有经验的打捞队伍,不能搁置太长,以免坍孔。值得强调的是:在任何情况下,严禁施工人员进入没有护筒或无其他防护设施的钻孔中心处理故障。当必须下入钻孔时,应邀请专业人员,配备齐全防毒、防溺、防坍埋等安全设施后方可进行。

4 钻孔桩成桩质量控制

4.1 成孔检查与清孔

钻孔达到设计深度后,应对孔深、孔径、孔型、倾斜度进行检查。孔径、孔型、倾斜度的检测宜使用专用仪器,当缺乏专用仪器时,可自制钢筋检孔器。检孔器外径为孔桩钢筋笼直径加100mm(不得大于钻头直径),长度为 4～6倍桩径。

成孔后,更换清渣筒,进行清底并测定孔深。清孔彻底与否对泥浆护壁成孔灌注桩的承载力和沉降量影响较大。

水下混凝土浇筑前,应复查桩底沉渣厚度。利用清孔后孔深与混凝土灌注前量测沉渣顶面孔深的差值来计算沉渣厚度。不满足要求时应进行二次清孔。端承桩沉渣厚度≤100mm,摩擦桩沉渣厚度≤300mm。

清孔后,应尽快下钢筋笼并灌注水下混凝土,间隔时间越短越好,以免坍孔。

4.2 钢筋笼吊装

分节吊装的钢筋笼拼装焊接时需注意钢筋笼的垂直度,并且两节钢筋笼的中心应在同一条直线上,不得发生扭曲现象。

下放钢筋笼时速度要缓慢均匀,随时调整笼体的垂直度,尽量避免钢筋笼倾斜及摆动,以防塌孔。下到设计标高后用2根 φ16～20的吊筋进行定位,采用工字钢固定于护筒两侧的枕木上,并计算钢筋笼位置是否符合设计标高。

4.3 钻孔灌注桩混凝土配合比的选择

(1)水泥的初凝时间不宜早于 2.5h,水泥强度等级不宜低于 42.5MPa。水泥掺入量不宜小于 350㎏/m3,当掺有适宜数量粉煤灰时,可不少于 300㎏ /m3。

(2)粗骨料宜优先选用卵石,如采用碎石,宜适当增加混凝土配合比的含砂率。最大粗骨料粒径不应大于 40mm。

(3)混凝土配合比的含砂 率宜采用 0.4～0.5,水灰比宜采用 0.3～0.4。

(4)混凝土拌合物应有良好的和易性,在运输和灌注过程中应无显著离析、泌水现象。灌注时应保持足够的流动性,其坍落度宜为 180～220 mm。

(5)混凝土的初凝时间要大于灌注完成时间。

4.4 水下混凝土灌注施工控制要点

采用导管法进行水下混凝土灌注,对导管的法兰盘、橡胶垫圈、连接螺栓做认真检查,并对导管进行试拼装,检查导管是否漏水。导管每节长度宜为 2m,底节长度可采用 4～6m,各节用法兰盘连接。提升导管要做到慢升、快落,拆卸导管要快,一般不超过 20～30min。

储料斗的容积要满足首批混凝土灌入桩孔的要求,导管埋入混凝土中的深度应不小于 1m并不宜大于 3m。灌注过程中,严格控制导管埋深(将埋置深度控制在 2～4m),保持导管下端埋入混凝土的深度在任何时候都不小于 1m,以防止导管提漏或埋管过深拔不出而出现断桩。

灌注混凝土要连续进行,中途不得停止。正常灌注间歇不大于 30min。随着灌注工作的进行,应徐徐将导管向上提升,每次提升高度应与混凝土灌注速度相适应,并应保证导管内经常具有足够高度的混凝土。

灌注完毕的水下混凝土顶面要比设计桩顶标高高出 1m,以保证顶面的浮浆或松散层凿除后仍能保证设计长度。

5 钻孔灌注桩病害产生的原因及防治

5.1 桩身夹泥的原因及预防

系指桩身混凝土混进泥土或形成浮浆泡沫软弱夹层。其形成的主要原因是灌注时因导管密封不良,泥浆渗入导管内;首批混凝土储量不足,或虽然混凝土储量已够,但导管底口距孔底的间距过大,混凝土下落后不能埋没导管底口,以至泥水从底口进入;量测孔内混凝土面高度不准确,导管底口超出原混凝土面,导致底口涌入泥水,都会产生夹泥现象,这时,应全部提出导管和钢筋笼,凿掉已浇注的混凝土和未提出的钢筋笼,清孔后重新灌注混凝土。

预防和处理方法:混凝土导管在下入桩孔前,必须对接头、管壁等进行详细检查,定期进行导管水密性试验;首批混凝土要准备充足,并使导管底口至孔底的距离为 30～40cm;导管提升不要过快,量测混凝土面高程及导管埋深要准确。

5.2 桩头夹泥的原因及防治

灌注完毕时,导管埋置过深且拔管过快,形成窝洞,致使浆渣灌入造成夹泥;灌注时间过长,顶部混凝土流动性减小,拔管后形成窝洞,造成夹泥;泥浆过稠,夹带泥渣附于管壁,导致导管位置混凝土形成夹层。

预防和处理方法:确保混凝土连续灌注,减少灌注时间。灌注将近结束时,减小导管埋深,拔出导管时应缓慢进行,使顶部混凝土能充分填满孔洞。当桩头夹泥、形成孔洞时,应将夹泥段凿除至完整混凝土面,并凿成 10cm(宽)×5cm(深)井字槽,四周埋置直径不小于 20mm的连接筋,并采用同标号的混凝土进行接桩。

5.3 钢筋笼上浮的原因及防治

钢筋笼上浮除了是因导管提升时钩挂等一些显而易见的原因外,主要原因是由于导管底口在钢筋笼底部以下 3m至以上2m时混凝土灌注速度过快,使混凝土下落冲出导管底口向上反冲,系其顶托力大于钢筋笼的重力所引起的。

预防和处理方法:在混凝土面接近和进入钢筋笼时,应放慢混凝土灌注速度,当混凝土面上升到骨架底部 4m以上时,缓慢提升导管,切不可过猛,使其底口高于骨架底部 2m以上,即可恢复正常的灌注速度。除上述方法外,还应从钢筋笼自身加以考虑,一般的方法是将钢筋笼顶端牢固焊在护筒上,或将钢筋骨架中的 4根主筋伸长至孔底,起牵制作用。

当钢筋笼出现上浮时,立即停止灌注混凝土,利用护筒、钻机等设施对其进行控制。当上浮高度较小时,待其被控制住后,放慢速度继续浇注,浇注完成后,会同设计单位对该桩进行验算,对不合要求的桩按设计要求增加相应的补强措施;当上浮高度较大时,桩的要求远不能满足设计要求,就要将钢筋笼拔出、清孔,重新灌注混凝土。

5.4 缩颈桩产生的原因与防治

缩颈桩又称瓶颈桩,是指部分桩径缩小、桩截面积不符合设计要求。缩颈桩产生的原因:拔管过快,管内混凝土存量过少,混凝土本身和易性差,出管扩散困难造成缩颈;沉渣厚度过大或有大粒径岩石,灌注过程中形成包泥,使桩身发生不同程度的缩颈现象。

防治措施:在容易产生缩颈的土层中施工时,要严格控制拔管速度;混凝土坍落度要符合要求且管内混凝土必须略高于孔内混凝土面,以保持足够的压力,使混凝土出管扩散正常。

施工时可设专人随时测定混凝土的下落情况,遇有缩颈现象,可采取复打处理。

5.5 产生短桩的原因与防治

灌注结束后,若成桩桩头高程低于设计高程,则属桩头灌短事故,即短桩。其产生的原因:灌注将近结束时浆渣过稠,用测锤难以准确判断混凝土面,或由于测锤太轻,沉不到混凝土面,发生误测以至过早拔出导管终止灌注而造成短桩;还有些是灌注混凝土时发生孔壁坍塌未被发觉,测锤达不到混凝土面,这种情况最为危险,有时会使成桩缩短数米。其预防和处理方法:

(1)在灌注过程中,必须时刻注意是否有发生坍孔的征兆。

(2)测锤的重量及形状要满足要求。

(3)灌注将近结束时,可加清水稀释泥浆并掏出部分沉淀土。

在灌注过程中发现孔内塌方,用测锤测定塌方量,如果塌方量较小,可继续灌注混凝土并增大成桩高度,保证顶面的浮浆或松散层凿除后仍能保证设计长度。如果塌方量较大,可接长护筒或在原护筒内侧加设护筒,压入已灌注的混凝土内,然后用高压水将泥渣和松软层冲松,同时用吸泥机将泥浆沉渣吸除干净,再进行灌注。

若成桩以后发现短桩,可联系设计单位,参照设计意见进行接桩处理。

5.6 造成断桩的原因与处理

断桩是泥浆或砂砾与混凝土混合把灌注的混凝土隔断,形成松散层,使混凝土截面受损,是较严重的质量事故。其产生的原因主要有以下几种:

(1)对孔深及导管的埋深量测不准确,导管被提出混凝土面;

(2)导管内严重漏水,致使灌注时将已灌注的混凝土砂浆冲散,形成骨料堆积的松散夹层;

(3)施工中由于机械故障等原因长时间无法灌注混凝土,造成已灌注混凝土凝固;

(4)灌注过程中出现坍孔,无法进行清理或清理不彻底,形成灌注中断或混凝土中夹有泥石。

处理方法:浇筑时间不长,混凝土数量不大时,可将孔中混凝土及泥石全部清除,重新灌注。

若断桩面距地面深度较浅时,可将护筒续接到混凝土面,抽干孔内泥浆,凿出新鲜混凝土面,再按无水混凝土浇筑至设计标高。

对于在灌注过程中发生的断桩事故应分析原因,采取相应措施,对于计划重做的桩,要立即拔出钢筋笼,重新钻孔,按新孔进行灌注。若钢筋笼无法取出,可回填低标号混凝土至钢筋笼顶部位置,待混凝土强度达到设计强度后,再重新钻孔。钻进过程中,利用大块磁铁将被钻头捶断的钢筋吸出,以免影响钻进速度。

对浇筑完成后才发现的断桩,要采取补桩的方案。方案要通过计算并上报有关部门,一般采用扁担桩、压浆补强等方法进行处理。

6 结 语

由我单位承建的包西铁路项目共有 731根钻孔桩,经低应变反射波法无损检测合格桩为100%,其中 I类桩占 90%,II类桩占 10%。

钻孔桩病害的成因多种多样,处理的方法也各有不同,上述方法是在经过长期施工中积累总结得到的,经过实践的检验证明其行之有效。当然,有关桥梁钻孔桩的通病成因及防治对策是很复杂的,有待进一步研究。只有搞清楚其病害机理,才能对症下药;只有合理的防治措施,才能使国家有限的建设资金发挥最大的经济效益。