城市核心区域钻孔灌注桩桩头套管整体静态破除研究

周志强，李 智，黄 仁，朱训超，邹广庚

（中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410004）

0 引言

在建筑工程、桥梁工程、城市轨道交通等工程项目建设中，钻孔灌注桩技术应用广泛，钻孔灌注桩成孔护壁通常采用泥浆护壁，桩头破除采用传统的人工破除方法、小型机械破除法、环刀法、环凿法等，施工过程中易产生环境污染，破除时产生的粉尘对作业人员健康影响较大，桩头钢筋易弯曲甚至折断，质量得不到保证，声测管、监测管等不易保护且容易造成堵塞。

为解决桩头破除时粉尘对作业工人健康的影响及桩头钢筋易弯曲折断等情况，在柳州市城市公共交通配套工程一期土建施工03标、南宁地铁4号线和玉溪市玉江大道提升改造工程等项目中进行技术改进、工艺创新和现场实施，并完成施工技术总结和工法提炼工作，总结形成“城市核心区域钻孔灌注桩桩头套管整体静态破除施工工法”，以达到减少破桩头时粉尘对作业工人健康的危害，以及桩头钢筋易弯曲折断等情况的目的。

1 工艺原理

1.1 静力爆破工艺原理

人工造孔后，在静力爆破剂的作用下使岩石胀裂、产生裂缝，再用镐头机解小、破除达到开挖目的。因此，静爆产品直接影响爆破开挖效果。

无声破碎剂是通过与水反应形成固相体积增大的结晶，结晶生长力对孔壁施加压缩应力，当与压缩应力成垂直方向的张拉应力超过脆性物体极限强度时，物体发生龟裂，随着无声破碎剂的膨胀压力不断增长，被破碎物体的裂缝不断扩大，直到破碎。常规施工方法是将无声破碎剂用水拌成浆体，填充在岩石钻孔中，在常温下可产生30MPa以上的膨胀压力，经6～24h将混凝土构筑物或岩石破碎。因无声破碎剂在施工时无震动、噪声和有毒气体，不属于危险品，所以便于运输、保管、使用，安全方便。

1.2 静力爆破剂的破碎机理

1）静力爆破剂进行破碎的机理与炸药破碎机理不同，其主要依靠破碎剂在被破碎体内发生缓慢的化学反应和物理变化使晶粒变形、温度升高、体积膨胀，逐渐增大对孔壁的静膨胀压力作用，使介质产生龟裂而解体，静力膨胀破碎法也称静力迫裂和静力破碎技术。

2）岩石或混凝土等脆性介质的抗拉强度远小于其抗压强度，岩石的抗拉强度为5～10MPa，混凝土的抗拉强度为20～60MPa。通常无声破碎剂的膨胀压力可达30～50MPa，当炮孔中的静力爆破剂发挥作用时，炮孔周围介质产生周向拉应力，当拉应力值超过介质抗拉强度时，炮孔之间便产生裂隙，随着膨胀压力的增加，裂隙逐步扩展成裂缝，继而导致介质破坏。

3）静力爆破剂是以特殊硅酸盐、氧化钙为主要原料，配合其他有机、无机添加剂而制成的粉状物质。当氧化钙变成氢氧化钙时，其晶体由立方晶体转变为复三方偏三角面体，这种晶体的转化会引起晶体体积膨胀。根据测定，在自由膨胀前提下，反应后的体积可增长3～4倍，其表面积也增大近100倍，同时释放出6.5×104J/mol的热量。如果将其注入炮孔内，这种膨胀受到孔壁约束，压力可上升到50MPa，在这种压力作用下介质会产生径向压缩应力和切向拉伸应力。

2 施工特点

1）利用水平预埋PVC管解决桩头破除过程需人工配合打孔及机械设备投入多的问题。

2）本工法施工过程中不需要危险性较大的机械设备，大大减少了机械对作业工人的伤害。

3）提供一种绿色环保高效的桩头破除方法，以解决钻孔灌注桩桩头破除过程中对空气污染、人员健康影响、桩头钢筋质量影响大及桩头破除效率低的技术问题。

4）本工法无噪声与扬尘污染。

5）本工法不需要使用切割机械、打孔机械及液压劈裂机等设备，成本低。

3 施工工艺流程

套管整体静态破除施工工艺流程如图1所示。

4 施工操作要点

4.1 钢筋笼加工

钢筋笼加工需满足设计要求，间隔2m设置1道加强筋，与主筋焊接牢固组成骨架。在钢筋笼四周主筋上每隔2m设置1个φ14mm耳环用作定位垫块，使保护层保持70mm厚，钢筋笼外形尺寸要严格控制，按图施工。桩身主筋接头宜采用机械连接，螺旋箍筋与主筋采用点焊；在35d区段范围内钢筋接头百分率不应大于50%。

图1 套管整体静态破除法流程

4.2 钢筋笼桩头钢筋套入PVC管

钻孔灌注桩钢筋笼加工完成后，将事先加工好的直径50mmPVC塑料管直接套入钢筋笼外露的主筋、声测管和监测管上，并通过胶布将其位置固定，保证PVC管不发生串动（见图2），PVC塑料管使桩头混凝土与主筋、声测管和监测管不发生握裹，在桩头破除时保护主筋、声测管和监测管不被破坏。

图2 预埋PVC套管

4.3 预埋破碎装置（水平及竖向PVC管）

钻孔灌注桩桩头破碎装置用于通过水平膨胀力将桩头混凝土与桩身混凝土分离的破碎装置，破碎装置包括水平及竖向PVC管，如图3所示。

1）水平PVC管布设在桩头混凝土与桩身混凝土交界位置，通过产生水平膨胀力迫使桩头混凝土与桩身混凝土分离。

2）竖向PVC管伸出至桩头混凝土外并连通至水平破碎组件内腔，作为向水平破碎组件内腔注入破碎剂的连通管路。

3）预埋破碎装置（水平和竖向PVC管） 在桩顶标高往上10cm位置预先埋设水平破碎组件即连通的多边形φ50mmPVC管，且沿主筋方向引出2条连通管路（PVC管）至地面以上20cm；水平破碎组件（水平PVC管）通过钢筋进行加固，连通管路（竖向PVC管）与主筋固定在一起，伸出桩头的PVC管采用封口盖及胶布进行密封，防止泥浆及混凝土进入PVC管内（见图4）。

图3 破碎装置预埋

4.4 钢筋笼吊装及混凝土灌注

1）钢筋笼验收合格之后进行吊装 起吊前做好各项准备工作，指挥25t履带式起重机转移到起吊位置，在钢筋笼上安装钢丝绳和卡环，挂上25t履带式起重机主吊钩及副吊钩。指挥吊机吊笼入孔、定位，吊机旋转应平稳，在钢筋笼上拉牵引绳。下放时若遇到钢筋笼卡孔情况，要吊出检查孔位情况后再吊放，不得强行入孔。

图4 水平及竖向PVC管安装

2）监理验收合格后进行混凝土灌注工作 灌注采用导管法，导管下放至距孔底30cm处，导管直径25cm，导管接头连接处须加密封圈并上紧丝扣。灌注混凝土接近顶标高时，应严格控制最后一次灌注量，混凝土灌注高度应保证混凝土浮浆清除后符合设计桩顶标高，一般是实际桩顶标高比设计标高高出0.5～1.0m。

4.5 桩头开挖及注入破碎剂

桩基施工完成达到设计强度后，采用挖掘机挖除桩基四周泥土，露出桩头，然后按静态破碎剂产品说明书要求比例，将破碎剂加水拌成流质状后，通过连通管路（竖向PVC管）注入破碎剂，直到破碎剂从观察管路溢出为止。

4.6 桩头破除及吊离

1）等待破碎剂静置反应 破碎剂注入完成后，待破碎剂充分反应后，通过破碎剂反应后产生的膨胀应力沿预埋在桩顶标高位置的PVC管作用，将桩头混凝土与桩身混凝土分离，达到桩头快速破除的效果。

2）桩头混凝土吊离 桩头混凝土与桩身混凝土分离后，采用汽车式起重机将桩头混凝土块整体吊离，完成桩头破除，进行下一道工序施工。

5 施工注意事项

1）根据钻孔灌注桩桩头破除原理，为避免钢筋笼桩头钢筋与混凝土黏结在一起，降低后期桩头破除难度，同时保证钢筋在破除过程中不被损坏，钢筋笼制作成型后对桩头部分钢筋套入PVC套管，并对两端进行密封，防止混凝土灌注过程中混凝土进行PVC套管内。

2）根据静态爆破原理，提前在桩顶标高往上10cm处预埋水平矩形PVC套管，且通过2根竖向PVC套管连接引出桩头，为成桩后桩头破除提供破碎剂注入通道。

3）钢筋笼桩头部位的钢筋通过上述步骤处理后，将钢筋笼吊入孔中，灌注混凝土，待混凝土强度达到设计要求后，开挖桩边土方露出桩头及竖向PVC管，将调配好的静态破碎剂从PVC管一端注入，直到另一端冒浆后停止，并对端头进行封闭。

4）PVC套管内注入静态破碎剂后，放置24h待破碎剂充分反应，通过破碎剂的膨胀作用将桩头混凝土与桩身混凝土分离。

5）桩头混凝土与桩身混凝土分离后采用汽车式起重机将桩头混凝土块吊出完成桩头工作，进入下一道施工工序。

6 结语

随着绿色施工及安全文明施工愈发引起人们的重视，城市施工中扬尘和噪声治理愈发重要，本文所介绍的一种“城市核心区域钻孔灌注桩桩头套管整体静态破除工法”，在传统风镐破除的基础上进行改良，很好地规避了这些风险。