大直径百米超长水中桩基施工防塌孔技术研究
时间：2023-03-02 23:15:04 来源：千叶帆 本文已影响人
张天宇，邵昀，周克虎，周菲，唐铭阳
（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070）
灵江特大桥采用7×30 m+13×40 m+（120+260+120）m+11×40 m+20×30 m预应力混凝土T梁，先简支后连续/钢-混凝土组合刚构结构，全长2 275.96 m；
其中Z3主墩（22#墩）位于灵江内，距南岸约75 m的水中，最高水位+7.65 m，最低水位-1.63 m。灵江特大桥Z3主墩桩基直径达3.2 m，桩长96 m，属大直径深孔桩基。
发生塌孔后，施工管理人员应根据产生塌孔的实际情况以及施工实际情况，查明产生塌孔的主要原因。并且应通过加大水头、移开重物等方式确定产生塌孔的原因，以防止塌孔现象进一步产生[1]。对于塌孔较少的情况，如果确定不会进一步产生塌孔现象，可以恢复正常钻进。对于塌孔工作不严重的情况，能通过填土、采用改善泥浆性能、深埋护筒等方式继续开展施工工作。当塌孔情况非常严重时，应立即对钻孔进行回填，回填材料选择砂石或者砂土，填充完成后，应等待数日，确定其不会再产生塌孔后才能进行进一步施工。这时钻孔工作运行过程中应积极吸取上次塌孔的经验，及时改善泥浆性能，严格控制钻进速度等。
2.1 钻机卡钻与钻物脱落
卡钻现象一般产生于钻孔产生冲击的情况，这种现象的产生一般是由于钻孔的过程中产生梅花孔，或者钻推受到磨损，未能及时对其进行维修，导致钻孔变小，或者新换的钻孔过大，产生倾倒现象。当遇到深石或者在钻孔的过程中有物体掉落，导致钻孔卡住等。一般情况下，如果产生这一问题，不能直接将钻头提起，应使用小锥对钻孔进行冲击，将钻渣或者松动的物体进行清理后提出钻头。如果在施工过程中发现有钻物掉落，应及时使用绳套、钩子等将掉落的物体进行打捞。如果掉落的物体已经被泥沙埋住，应先将周围的泥沙清理干净，直至打捞物体能直接接触掉落的物体后才能进行打捞工作。当钻推断裂，进入钻孔时，应尽快加大泥浆的浓度，然后进行打捞工作。如果无法将其进行打捞，应聘请有专业经验的打捞队进行打捞工作。但是需要注意的是，这一工作不能耽搁较长的时间，以防止产生塌孔。对于无法打捞上来的钻堆，应与业主、设计单位等进行最终孔洞方案的确定，重新进行开孔方案的制订。在这一过程中，需要格外注意的是，任何工作人员不得擅自进入无护筒或者防护措施的钻孔中，如必须进行钻孔施工，应聘请专业工作人员进行，并且进行该工作的过程中应佩戴齐全的防护措施以及防堵措施，保证工作人员的人身安全。
2.2 导管进水
在灌注混凝土的过程中，导管可能会产生进水、阻塞等情况，一旦发生这一问题，应及时分辨并找到产生这个问题的根本原因，并针对产生该现象的不同原因进行不同的处理。当导管进水时，应分辨其进水程度为初期还是中期。如导管进水初期，可能是由于混凝土储存量不足或者孔底间距过大等因素导致，因此，当混凝土落下后，不能将导管埋没，导致水从导管底部进入导管中。针对这一现象，应立即将导管拔出，并将其底部的混凝土通过泥石泵吸出，或者使用抓斗对其进行清理，如果实在不能将对其清理干净，应将钢筋笼提出对其进行反复清理。然后，按照产生塌孔等情况的处理方式对其进行重新下放骨架，及时改正施工中混凝土的操作工艺，并进行重新灌注。如果在混凝土灌注时由于接头不严等问题导致气囊裂开，使水从裂开处流入，或者由于导管提升速度过快，导致导管底部混凝土面产生积水现象，能通过以下方式进行解决：施工人员将导管中的水全部抽干，并进行混凝土灌注。同时，还应防止导管外部的混凝土与原有的混凝土从导管底部翻入，应确保导管插入混凝土的深度足够，一般情况下应大于3 m。由于导管中可能存在水分，不能被完全抽干，后续灌入的混凝土可能会被稀释，并增加混凝土量。因此，后续进行混凝土灌注应适当增加混凝土的浓度。灌注混凝土后，应小幅振动，弥补原有混凝土的流动性损失。如果混凝土在水面以下不深，则可以使用吸泥机将原有的混凝土以及其表面沉淀的土吸走，将导管重新压入混凝土中，然后进行重新灌注。灌注时，应快速对其进行提升，以冲开导管底部产生的阻塞成分。如果混凝土面在水下不深的位置，但是已经基本凝固，则导管不能重新插入混凝土中，能在原有的护筒中增加直径稍小的护筒，并在较大压力下，将其压入原有混凝土中的适当深度，然后，将护筒抽出，并将其表面的混凝土清理干净，再在护筒中灌注普通的混凝土。
2.3 导管阻塞
导管阻塞也分为初期与中期。
初期阶段导管阻塞多由于水栓卡管导致，有时产生该现象也可能是由于混凝土本身流动性较差，导致混凝土中的水泥浆被冲走，剩余物质将导管阻塞[2]。针对该情况，可以采用长杆冲捣混凝土的方式进行，或者使用吊绳对混凝土进行抖动，或者使用钻杆对混凝土进行冲击。如果采用该方式后仍不能奏效，可将导管中的混凝土提出钻孔，对其进行清理，然后进行重新吊装导管，重新灌注。一旦发现有混凝土掉入井孔，应及时将散落在孔底周围的混凝土进行清理。
中期阶段导管阻塞时间较长，一般是由于施工故障导致混凝土在导管中停留时间过长，造成阻塞。该现象的处理方式是将导管与阻塞物一同拔出。如果这时原有的混凝土未完全凝固，能将新的导管重新插入混凝土中，并将其底部的水抽出，彻底清理参与的土渣，然后继续进行灌注，但灌注结束后，这一桩基能作为断桩进行补强。当灌注时间过长，孔洞中的混凝土已经产生凝固时，导管中仍存在混凝土阻塞情况，应将导管拔出，重新安设钻机，对钢筋孔中的混凝土吸出，并将骨架一一拔出。然后使用黏土等将孔洞填塞，当其凝实后，重新进行钻孔。产生该现象的主要原因是导管中混凝土过深，导致管外混凝土已经初步凝固，加大导管与混凝土之间的阻力。并且在过于快速提升导管的过程中导致其产生断裂情况。如果埋管过程中产生事故，当事故产生初期，可通过千斤顶等拔出，如果不能处理，可通过插入较小的护筒的方式吸出其中的混凝土，在水下将混凝土面进行切断，重新进行灌注。为防止这一情况的产生，施工人员应严格控制埋管深度，并在导管上安装振捣器，防止拔管过快。除此之外，为防止钢筋笼上升，应使用钻机对其进行控制，对于不符合设计要求的桩，应将钢筋笼拔除，重新灌注混凝土。
2.4 泥浆三大性能指标测定
泥浆三大性能指标是影响施工过程中塌孔产生概率的重要因素，在施工之前，应重点进行泥浆三大性能指标的测定，保证泥浆黏度、比重以及含沙量能符合施工的实际需求。
1）泥浆比重应使用泥浆比重计进行测量。需要注意的是，在测量之前，应对仪器进行校正。
2）泥浆黏度应使用泥浆黏度计进行测量。在施工现场，使用泥浆黏度计，用手堵住漏斗的出口，将200 mL与500 mL的泥浆进行过滤后灌入漏斗，然后将出口打开，让泥浆从管子中流出，计算其流出所用的时间以及计算泥浆的黏度。在测量之前，需要对仪器进行校正。
3）含砂率的测量应使用含沙量测量仪进行测量。测量过程中，将100 mL泥浆灌入量杯中，使用清水将泥沙进行稀释，后将其倒入过滤网中进行过滤处理，并使用清水对其进行冲洗，后将过滤出的泥沙倒入含沙量杯中，静置1 min，后观察沉淀物的毫升数，为泥浆的含砂率[3]。
控制泥浆比重是防塌孔的关键，考虑本工程地质条件较为复杂，施工具有一定难度。项目部根据试桩的施工经验，以本项目的地质条件拟采用PHP优质泥浆，以确保成孔质量方面要求。
3.1 泥浆护壁法
泥浆护壁法的主要作用是防止桥在成孔的过程中产生孔壁坍塌情况，能将钻渣实现悬浮，并实现挟渣的过程。公路建设过程中，主要使用膨润土泥浆或者CMC泥浆等材料，需要根据施工地址的不同选择合适的泥浆。泥浆的主要成分是黏土与水的混合物，其中还可能会掺杂少量的其他物质，如纤维素、碱等，促使其性状产生改变，进而提升其护壁作用。但是使用其进行灌浆护壁的过程中，可能会减小对桩体的摩擦力，从而减小阻力，能在一定程度上降低整体施工工程的承载力，影响施工质量的提升。同时这一施工工程在运行的过程中，泥浆的质量、性状、操作方式等均会对施工质量产生影响，不利于桩体摩擦力发挥其作用。
3.2 加长护筒法
施工人员在实行钻孔灌注桩施工之前，应先在其上部预埋护筒，对桥梁桩基础进行加护。一般情况下，应使用钢板制作，使其具有较强的坚固程度，能耐得住水下的压强，并且还应提升其对水中杂质的阻隔作用，同时该材料制成的护筒还能符合施工过程中大空洞的要求。为防止其在施工过程中受到深水的影响，整体应以焊接方式进行。
3.3 钻孔压灌超流态混凝土桩施工
钻孔压灌超流态混凝土桩施工主要是通过钻孔的方式施工，一般情况使用长螺旋钻机进行钻孔，将深度保证在标高范围内，停止钻孔后，将其内套管抽出，并在提钻的同时，将其顺利通过钻头上的混凝土孔。将压灌的水泥或者动态化的混凝土进行压灌，将钻杆移开，并将钢筋笼压入桩体。该施工方式在成孔时，能利用钻机中的钻杆实现护壁的效果。这种施工方式能防止其他类型的护壁方式降低其对护壁中的阻力，更好地应用于黄土状粉土、沙土地基中。在粉质黏土以及密实黏土中使用，则能使其阻力进一步提升。但是如果是在淤泥土壤中使用桩基，则需要注重混凝土桩体的宽度，不能过细，否则可能导致压入钢筋笼的过程产生困难。
综上所述，泥浆护壁与钢筋护筒均能提升桩基孔壁的稳定性，并能有效实现防塌孔。本文在研究与分析防塌孔技术的基础上，对大直径百米超长水中桩基施工技术进行分析。施工人员应针对不同施工情况以及施工需求，选择合适的防塌孔技术对施工情况进行处理，减少其运行过程中可能产生的施工事故，保证孔壁的稳定性，提升桩基成孔施工的质量。
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