水下混凝土施工孔壁坍塌问题分析

目录1绪论 61.1课题研究背景 61.2国内外应用发展趋势 72水下混凝土的理论概述 82.1水下混凝土的主要性能 82.2水下混凝土的配合比设计 93水下混凝土灌注施工技术 103.1混凝土灌注前检查与准备工作 103.2水下混凝土灌注的主要方式 113.3导管法灌注的主要机具 133.4导管法水下灌注混凝土施工工艺 153.4.1混凝土初灌量 153.4.2连续灌注水下混凝土 153.4.3混凝土灌注时间 164工程实例分析 164.1工程概况 164.1.1水文气候 164.1.2工程特点 174.1.3施工难点 174.2施工准备 184.3施工工艺 184.3.1平整场地与桩位放样 194.3.2埋设护筒 194.3.3泥浆制备 204.3.4成孔 214.3.5水下混凝土施工工艺 22结论 25致谢 26参考文献 27水下混凝土施工孔壁坍塌问题分析摘要：水下混凝土灌注技术是钻孔灌注桩基施工中关键的一环，施工质量直接关系到成桩质量。因此，水下混凝土灌注施工质量问题，亟待探讨、研究和解决。本文从水下混凝土的施工技术角度出发进行研究，首先阐述研究背景和意义，并对国内外的发展现状进行回顾总结，接着对水下混凝土的原材料、主要性能、配合比设计、拌制与传输进行分析，最后对水下混凝土的施工技术做详细的研究分析，以期能对水下混凝土灌注施工质量问题的改进起到借鉴作用。关键词：水下混凝土；灌注技术；施工技术1绪论请留出一个汉字的空间，下同1.1课题研究背景请留出一个汉字的空间，下同与普通的混凝土相比，水下混凝土不仅具有流动性能好、泌水性能高、抗分散性能强等特点，而且它是在普通混凝土上添加了絮凝剂，能够确保混凝土的粘稠性，使混凝土不易出现分层、离析现象。钻孔灌注桩应用越来越多、越来越广，大量桩基础需采用水下混凝土灌注成桩水下混凝土灌注是钻孔灌注桩的最后一道工序，也是最重要的一道工序，该工序完成质量的好坏，直接关系到成桩的好坏，对该工序的完成要求也特别高。施工时为了防止塌孔常采用泥浆护壁，由于混凝土在泥浆下灌注整个过程不可视，使得施工中诸如埋管深度、提管时间及灌注速度等很难准确确定。同时，影响施工的正常进行和施工质量的因素很多，难以全部预见。研究水下混凝土灌注技术，可以更好的指导施工，加快施工进程，减少质量事故，保证质量安全，提高社会、经济效益，对实际工程具有重要的理论指导意义和现实应用价值。在建筑施工中水下混凝土施工技术具有至关重要的作用，其不仅是大坝施工工作有序开展的基本条件，还是推动我国社会经济持续增长的关键点。基于此，相关部门需加大水下混凝土施工技术重视力度，促使其存在的实效性在大坝施工中发挥出最大化，以期我国现代社会健康有序发展。钻孔灌柱桩施工是公路桥涵工程中的一个重要组成部分，它作为一种基础形式以其适应性强、成本适中、施工简便等特点被广泛地应用于公路桥梁及其他工程领域。钻孔灌注桩是用钻(冲)孔机械在不同的地质中钻(冲)成桩孔，达到设计标高后在孔内吊入钢筋骨架，灌注桩身混凝土而形成的，是深基础中最常用的一种形式。上部结构和桥面系的施工，都是建立在稳定的桩基础之上，没有合格的的桩基础工程，就没有合格的桥梁工程。作为交通基建工程中的重要组成部分，桥梁工程本身造价高，成本高，设计施工难度高，因此，作为桥梁工程重要组成部分的钻孔灌注桩，从施工工艺到质量控制都需要特别关注。桩基础在桥梁工程中主要进行水下作业，属于隐蔽工程，一旦工程完工后发现质量缺陷，修复难度高，进而造成重大的经济损失。在整个桩基础工程中，从一开始原材的选择与配合比的设计，到制备泥浆、钻孔、清孔、制造钢筋笼以及最后灌桩，整个施工流程环环相扣，稍有不慎灌注桩的质量就难以保障，进而使整个桥梁工程的质量受到影响，因此需要有大量实践经验人员的设计和完善程序化的施工工艺。桥梁工程中大量使用钻孔灌注桩基础。但这些常规非破损检测技术由于其局限性，不能可靠的检测出缺陷面积小于等于桩身截面15%的桩基础。因此，钻孔灌注桩的配合比设计及优化、施工灌注工艺以及具体施工中存在的问题，亟待探讨、研究和解决。1.2国内外应用发展趋势1963年冬中国在河南省安阳冯宿桥的两座桥台中首次采用了钻孔灌注桩基础。1965年4月交通部在河南召开钻孔桩技术鉴定会，认为它是一项重大技术革新，是在当时我国客观条件下一种多快好省的桥梁基础施工方法，决定在全国推广。1965年交通部在河南举行鉴定会之后，随即以交通部公路科学研究所为首，河南、吉林、湖南、陕西、四川等省参加，组成专题研究组，并动员全国公路桥梁系统大协作，对钻孔桩的施工工艺、设计方法进行全面系统的研究。专题研究组收集了全国105根桩径最大达140cm，桩长最大达47m的试桩资料进行分析整理，除了施工工艺外，最重要的是提出了钻孔灌注桩的设计方法。70年代末期，全国转向经济建设，尤其改革开放以来，全国公路交通建设普遍发展，许多大江大河上的大跨径桥梁都纷纷上马。大桥要求更大直径的桩基。为了满足这一客观形势发展的需要，大直径钻孔灌注桩应运而生。我国于20世纪80年代末期开始研究和应用水下混凝土。水下混凝土的应用范围很广，如沉井封底、钻孔灌注桩浇注、地下连续墙浇注、水中浇注基础结构等，以及一系列的水工、海工结构的施工等。从施工条件看，水下浇注混凝土，比陆上干地浇注混凝土困难得多，有些工作要克服水环境带来的水压流速、黑暗、缺氧、涌浪等一系列困难。19世纪中叶，就有人开始着手进行水下浇注混凝土的试验，后来有人用木溜槽成功地将混凝土直接浇于水下河床。20世纪初，美国成功地应用导管法进行水下混凝土浇注，在修建底特律河隧洞和珍珠港干船坞时收到良好效果。30年代以后发明了开底容器法、端进法和水下预填骨料灌浆法。1968年由荷兰人首次使用柔性软管和刚性出料口的液阀法，成功地浇注了水下底板和护坡等水下混凝土结构物。20世纪80年代中期，钻孔桩成为泰国重型结构物基础重要的选择，特别是在曼谷城区。由于钻孔桩施工方法的多适应性、高承载力及其施工可行性与节约成本，使得大直径钻孔桩应用越来越多。随着时间的推移，施工设备、安装技术及深基础单元测试大大发展。20世纪90年代大量的桩基仪器实物静载试验使得对深埋基础的作用有了进一步的了解。根据这些试验结果集中研究设计参数与方法，建立了良好的湿法灌注基础的设计参数，使得湿法钻孔灌注桩成为泰国施工专业人员心中信赖的基础。1974年水下混凝土首先由德国研制成功(定名为水下不分散混凝土)，并在日本、德国等国家获得了迅速的发展。1978年日本从德国引进水下混凝土技术，并结合本国实际情况开展研究，于1981年开始工程应用，至今水下不分散混凝土工程应用量已达900百万立方米以上。2水下混凝土的理论概述2.1水下混凝土的主要性能水下混凝土由于是在水下灌注，除了要求混凝土的质量更高外，还要求施工工艺简单，经济要合理，且对环境无污染。这些必然要求与浇注的一般混凝土有不同的性能与特点。和易性是混凝土拌合物性能的综合反映，混凝土的和易性包括流动性、粘聚性（可塑性）、稳定性（保水性、抗分离性）和易密性四个方面，它综合反映了混凝土拌合物的水灰比与流动性、骨料离析与泌水性能、动切力和密实性，其测定方法通常有坍落度、流动度、砂率、稠度、密实性试验等。坍落度试验是目前现场采用的一种方法。实际上拌合物的坍落度是随着时间的增长而变化的，时间越长，坍落度越小。因此对水下混凝土来说，有必要使混凝土拌合物的坍落度在一定时间内保持在一个变化较小的范围内，以保证水下灌注能顺利进行。该范围值通常以混凝土拌合物保持流动性指标时间来表示，一般为1-1.5h。坍落度对水下灌注混凝土影响很大。坍落度过大，流动性好但易产生泌水和离析；坍落度过小，则混凝土的流动性受影响，管阻增大，两者都会造成堵管。导管法水下灌注混凝土需要高流动性混凝土，其坍落度应严格控制在混凝土灌注距桩顶约5m处时，将坍落度减至160-170mm，以确保桩顶浮浆不过高。气温高、成孔深、导管直径在250mm之内取高值；孔浅、气温较低、导管直径较大时可取低值。为提高和易性，混凝土中宜掺用外加剂、粉煤灰等材料。水下混凝土施工与在大气中施工截然不同，它不能用振捣器进行振捣，而是靠混凝土自身荷载或外界压力产生流动进行摊平和密实。在混凝土凝结硬化前，若流动性稍差，就会在混凝土中形成蜂窝、麻面和空洞，严重影响混凝土的质量。此外，水下混凝土施工多是通过各种管道进行输送和灌注的，如果混凝土拌合物流动性差，也容易造成堵管，给施工带来困难。所以要求混凝土必须是富有粘性、有较大流动性和一定的保持能力。但如果混凝土拌合物的流动性过大，不仅需要增加砂浆数量且浪费水泥，而且还会由于采用导管法、泵压法施工，容易造成倾注过快而形成管口脱空和返水事故。2.2水下混凝土的配合比设计影响水下混凝土灌注桩成桩质量的原因主要有两个方面，一是水下混凝土配合比的设计，混凝土配合比是生产混凝土的重要技术参数，直接关系到混凝土质量与成本，是混凝土质量控制中的重要环节；二是施工过程中对每道施工工序的质量控制。对于水下混凝土配合比设计，原有的普通混凝土配合比设计已经满足不了要求，因为水下混凝土除了有普通混凝土的特性外，它还有自己的特性，如要求强度高、水下不分散性等，因此使得水下混凝土的组分已由传统的四组分过渡到了多组分。与高强混凝土相比，水下混凝土的组分还要复杂，现阶段对水下混凝土配比设计的研究还不成熟。混凝土的配合比必须与导管法灌注水下混凝土相适应。合适的配合比应使混凝土具有足够的可塑性、粘性，易于在导管中流动，而又不易离析。确定水下混凝土配合比的原则是在保证所要求的强度、耐久性、流动性和良好的和易性、粘聚性、保水性、初凝时间以满足水下灌注法作业所要求的前提下，尽可能地节省水泥用量，降低成本。配合比设计首先要确定水下混凝土的配置强度、和易性、石料的最大粒径和凝固时间等参数。水下混凝土的配制强度是根据桩结构设计计算采用的混凝土最小强度加以确定的。3水下混凝土灌注施工技术3.1混凝土灌注前检查与准备工作“工欲善其事，必先利其器。”灌注前应对桩孔质量、回淤沉渣厚度、泥浆指标、桩底标高进行一次全面检查，防止意外事故发生。由于水下混凝土灌注桩孔径比较大（于600mm），般采用泵吸反循环清孔。启动砂石泵进行泵吸反循环清孔作业，把孔底泥渣吸出孔外，逐渐使泥浆比重降至1.1g/cm3以下，粘度保持为16-17秒，含砂率介于1.5-2%之间，同时反复探测孔底标高，如发现沉淀厚度不能满足桩长所需和规定的0.4d时，则再采用压风机清孔，利用高压气体把沉渣排出孔外，直至达到设计要求。沉渣厚度不能大于设计要求，测定泥浆比重，粘度及含砂率，达标后方可同意灌注水下混凝土，否则需要重新清孔。清孔的目的是抽、换原钻孔内泥浆，降低泥浆的相对密度、粘度、含砂率等指标，清除钻渣，减少孔底沉淀厚度，防止桩底存留沉淀土过厚而降低桩的承载力。切忌用增大孔深的方法代替清除孔底沉渣。特别是随着施工工艺的发展，采用大直径钻孔桩己趋于普遍，在施工中彻底清除孔底沉淀土对充分发挥桩底原土层的支承力、提高大直径钻孔桩竖直承载力尤为重要。清孔还为灌注水下混凝土创造良好条件，使测深正确、灌注顺利，确保混凝土质量，避免出现断桩、夹泥之类的工程质量事故。终孔检查后，应迅速清孔，不得停歇过久使泥浆、钻渣沉淀增多，造成清孔工作的困难甚至坍孔。清孔方法应根据设计要求、钻孔方法、机械设备和土质情况决定。3.2水下混凝土灌注的主要方式目前水下混凝土灌注采用比较多的方法是导管法和泵压法，导管法施工又分为高位灌注和低位灌注两种形式。高位灌注特点：（1）地面上导管部分较长，相应增加了混凝土的含气量；（2）灌注支架增加了施工场地面积；（3）支架高、操作人员需爬到高架上操作，不安全因素多；（4）吊车起吊投料时，要求对准高架顶部的储料斗，操作难度大，灌注速度慢。低位灌注特点：（1）地面上导管部分很短，相应的减少了混凝土的含气量，增加了混凝土的密实度；（2）投料斗通过抱箍与灌注导管相连，可根据灌注需要随时调整导管内混凝土的位能和动能；（3）不需要灌注高架，相应的减少了施工面积；（4）操作人员不需要爬到高架顶部，操作安全；（5）混凝土投料口低空操作，对准导管口即可，不仅灌注混凝土质量均匀而且速度提高近一倍，所以工程中大都采用低位灌注。导管可以组装成整节式、套筒式和活节式三种。整节式导管由一根钢管或非拆卸管节组成，适用于浇注厚度不超过5m的水下混凝土。工作平台应有足够的超高，在浇注过程提升导管或可以随承料漏斗一起上提到仓面。套筒式导管是布置双层导管，与承料漏斗相接的内导管固定不动，施工中只提升埋入水中的外套管，这样可省去拆卸导管的时间，特别适用于泵压法施工。在水下浇注混凝土施工中，真正应用最多的是活节式导管，它可以随着混凝土面的上升逐节拆卸导管，施工非常简单而方便。用导管法施工，进入导管内的第一批混凝土拌合物，能否在隔水条件下顺利到达仓底，并使导管底部埋入混凝土内一定深度，是能否顺利浇注水下混凝土的重要环节。为此，就必须采用悬挂在导管上部的顶门或吊塞作为隔绝环境水。顶门用木板或钢板制作，吊塞可以用各种材料制成圆球（柱形。在正式浇注前，用吊绳把滑塞悬挂在承料漏斗下面的导管内，随着混凝土面的浇注面一起下滑，至接近管底时将吊绳剪断，在混凝土自身质量推动下滑塞下落，混凝土冲出管口并将导管底部埋入混凝土内。此外，采用自由滑动软塞或底塞，也可以达到以上目的。对于大直径钻孔灌注桩水下混凝土的施工，以导管法应用得最广。在泥浆护壁钻孔灌注桩施工中几乎都用导管法。导管法灌注混凝土的优点：（1）能向水深处迅速地灌注大量混凝土；（2）不用排水；（3）利用有利的地下条件对混凝土进行标准养护，即养护接近于标准养护；（4）作用设备和器具简单，能适用各种施工条件。缺点是：（1）由于是水下混凝土，故每立方米混凝土的水泥用量比一般混凝土要多；（2）在桩顶形成混凝土浮浆层；（3）要精心地管理，否则稍有疏忽，就不易保证混凝土的质量；（4）灌注量大时，作业时间和劳动强度都比较大。泵送混凝土就是将预先搅拌好的混凝土，利用混凝土输送泵泵压的作用，沿管道实行垂直及水平方向输送的混凝土。泵压法的泵压管路系统，主要由水平输送管和垂直浇注管组成。垂直浇注管内有导管浇注管、单根输送浇注管、套接浇注管、带辅助管的浇注管和带辅助管的套接浇注管。导管法和泵压法是工程上应用最广泛的浇注方法，可用于规模较大的水下混凝土工程，能保证混凝土的整体性和强度，可在深水中施工，要求模板密封条件较好。但与导管法相比，泵压法需要专门的输送设备，要求有较大的浇注强度和搅拌能力，且不宜用于水深超过15m的水下工程。综上所述，下面只介绍应用最为广泛的活节式导管水下混凝土灌注技术。3.3导管法灌注的主要机具导管法灌注的主要机具有：向水下输送混凝土用的导管；导管进料用的漏斗；初存灌量大时，还应配备储料斗；首批混凝土填充导管的隔离混凝土与导管内所用的器具，如滑阀、隔水塞和底盖等；升降安装导管、漏斗的设备，如灌注平台、钻机钻架等；混凝土的搅拌设备，如搅拌机等。导管法一般分为底盖式和滑阀式两种。底盖式是灌注混凝土所用导管的底部安设一底盖，然后将导管缓慢沉到孔底，再在无水的导管中灌入混凝土。逐步提起导管，底盖便脱落，就留在孔底混凝土中。底盖式导管法的问题在于：当桩孔内的水较深时，由于浮力作用，导管很难沉入桩孔中，此法通常只适用于孔内水深1cm以内的情况。为了抵消浮力可在导管上增设配重；由于底盖堵住管底，如需处理沉渣，就无法采用空气升液式或利用空吸泵的方法。底盖可用混凝土，也可用钢制成。滑阀式是在导管底部开放的状态下，将导管缓慢沉到距孔底300--500mm的深度处。在灌注混凝土前，将碗状滑阀（或隔水塞）放到导管内的水面之上。然后将首批混凝土拌合物填满，剪断悬挂滑阀（或隔水塞）的铁丝，使滑阀（或隔水塞）和混凝土拌合物顺管而下，将管内的水挤出去，滑阀（或隔水塞）便脱落，就留在孔底混凝土中。滑阀采用钢制叶片，下部为密封橡胶垫圈。采用贝诺特灌注桩水下施工时，通常用底盖式导管。另外底盖式大部分只是用在当滑阀式出现某种形式事故的时候。采用滑阀式导管法时，由于底口是敞开的，故在下入时受浮力影响小，导管本身承受的水压力不大，因此可用管壁较薄的钢管，以减轻导管自重。滑阀式较底盖式用得广。采用滑阀式应注意：滑阀（或隔水塞）应紧贴导管水面，两者之间不得留有空隙混凝土应连续灌注，其灌注速度不得低于滑阀的下降速度；在滑阀的上面至少应有多高的混凝土，还应用铁丝等吊位滑阀，以便控制下降速度；在灌注混凝土过程中，万一有水进入导管内，当需要重新校正导管时，应根据当时的具体情况预先备好底盖为去掉粘附在导管内壁上硬化的混凝土，应轻轻敲击，否则将使导管内壁凹凸不平，此时应防备滑阀突然滑出。隔水塞的作用就是使导管中下落的混凝土与水分离，其目的是在混凝土的重力作用下，隔水塞将水向下推动。直至导管内的水完全让位于混凝土，从而完成首批混凝土的灌注。如果导管中没有隔水塞，导管中下落的混凝土将呈劈楔型与水混合，致使混凝土离析。剪塞法和拔塞法是灌注桩施工中最常见的两种隔浆方法。所谓剪塞法就是剪断连接隔水塞的铁丝等，使隔水塞在混凝土压力作用下在导管内行走直至孔底。所谓拔塞法则是把隔水塞从漏斗底部拔出来，混凝土直接与泥浆接触直至孔底。使用剪塞法时，一般把隔水塞做成圆柱形，外径略小于导管内径，并在顶部固定一个圆形胶皮，其外径略大于导管内径，使混凝土在导管内完全与泥浆隔离。隔水塞是一次性使用。使用拔塞法时，隔水塞有要能堵住漏斗底部即可，一个隔水塞可以重复使用。在施工中使用剪塞法要比使用拔塞法复杂一些。在施工摩擦桩时，由于摩擦桩承载力主要由侧摩阻力提供，桩端阻力处于很次要的位置，因此使用拔塞法压浆比较简单，且对桩的承载力不会有大的影响。在施工端承桩时，由于端承桩的承载力主要由桩端阻力提供，侧摩阻力处于次要地位，因此必须使用剪塞法压浆才能保障桩的设计承载力和沉降量要求。传统的隔水塞多用混凝土柱塞，钢筋或钢板等刚性材料加橡胶预制而成，采用剪塞法完成混凝土的初灌。按隔水装置（吊塞）及方法不同可分为刚性塞和柔性塞两大类。刚性塞分为钢制滑阀、钢制底盖、混凝土隔水塞、木制球塞等。柔性塞分为隔水球（足球或排球内胆）、麻布或编织袋内装锯末、砂及干水泥等。隔水塞一般采用混凝土制作，宜制成圆柱形，其直径宜比导管内径小采用3-5mm厚的橡胶垫圈密封，其直径宜比导管内径大5-6mm,混凝土强度等级宜为隔水塞也可用硬木制成球状塞，在球的直径处钉上橡胶垫圈，表面涂上润滑油脂。不管由何种材料制成，隔水塞在灌注混凝土时均应能顺畅下落和排出。为保证隔水塞具有良好的隔水性能和能顺利地从导管内排出，隔水塞表面应光滑，形状尺寸归整。3.4导管法水下灌注混凝土施工工艺3.4.1混凝土初灌量首灌混凝土是水下混凝土灌注的关键环节，直接影响到成桩质量及竖向承载力。在灌注首批混凝土之前最好先配制0.1-0.3m3水泥砂浆放入滑阀（隔水塞）以上的导管和漏斗中，然后再放入混凝土。确认初灌量备足后，即可剪断铁丝，借助混凝土重量排除导管内的水，使滑阀（隔水塞）留在孔底，灌入首批混凝土。计算首批灌注混凝土的量要充分考虑桩底的扩径程度、导管底口距孔底的悬置距离、埋管深度、泥浆比重、孔底沉渣厚度等，导管内混凝土由于首批混凝土量大，混凝土在孔内上托速度快，因此必须将钢筋笼焊接牢固，防止浮笼，此外，孔内由于出浆量也大，需要有相应的排浆沟和足够大的混浆池。3.4.2连续灌注水下混凝土吊放入孔的钢筋笼不得碰撞壁孔，不得有变形损坏。吊放后，先将钢筋笼在垂直位置上固定好，然后进行第二次清孔，检测孔底的淤泥厚度，符合规定后，于0.5h之内开始混凝土的灌注施工。第一步是在导管中下入球塞，球塞初始位置应是其顶面与导管内的泥浆液面平齐，低于液面，则倒入的混凝土会有泥浆，高于液面，会产生气阻或形成高压气囊而破坏导管接头的密封圈造成泥浆泄漏。第二步是倒入少量水泥砂浆，数量视桩径而定，缓缓下放球塞使砂浆全部进入导管内，停止下放球塞并向孔口料斗内倒满混凝土，待吊运料斗也装满并吊至孔口料斗上方后，剪断固定球塞的铁丝或拔出，开始灌注首批混凝土。吊运料斗内的混凝土放完后，继续装料、向孔口料斗内倒料，倒料过程中，要控制倒料速度，避免满管下放，而在导管内形成气囊。导管口距孔底要保持300-500mm左右的距离，旋转时要精确测量，反复校核。当球塞被压出导管并灌下一定数量的混凝土后，应将导管缓慢下降100-200mm，使灌注初期导管被混凝土埋入的深度尽可能加大，以保证底层的混凝土质量。首批混凝土灌注正常后，应连续不断灌注混凝土，严禁中途停工。在灌注过程中，应经常用测锤探测混凝土面的上升高度，并适时提升、逐级拆卸导管，保持导管的合理埋深。测量孔内混凝土面高度的次数一般不宜少于所使用的导管节数，并应每次起升导管前，探测一次管内外混凝土面高度。遇特别情况（局部严重超径、缩径、漏失层位和灌注量特别大的桩孔等）应增加探测次数，同时观察返水情况，以正确分析和判定孔内的情况。在每次提升导管前应不断计算和测量混凝土灌注高度，测量的混凝土面高度要与灌入的混凝土量的折算值相比较，以确定是否有坍孔等情况发生，测定埋深来控制提升、拆卸导管。3.4.3混凝土灌注时间灌注水下混凝土应迅速进行，防止坍孔和泥浆沉淀过厚。每根桩的灌注时间不能太长，尽量控制在8小时内完成；为防止顶层混凝土失去流动性，导管提升困难，每小时灌注高度最好不小于10m。4工程实例分析混凝土的配合比优化为灌注桩的施工提供良好的先决条件，同时我们需要对灌注桩工艺流程进行质量控制，才能得到优良工程，本章对河南郑民高速开封到民权段水下灌注桩的整个工艺流程进行研究，该工程的部分路段要求符合国防军事要求，达到战事起降飞机的要求，因此工程质量要求极为严格。郑民高速开封到民权段的桥涵规模为：大桥740m/3座，中桥283.56m/5座，互通式立交2处（七里湾枢纽互通式立交：主线桥255m/3座，匝道桥411.74m/4座；杞县互通式立交：主线桥80m/1座），分离式立交1009.76m/15座，涵洞20道，通道83道，箱涵1道，天桥170.16m/2座。标段包含大中桥、天桥及分离式立交桥共计33座。桩基直径为1.2m，共586根，桩基直径为1.5m，共358根，桩基直径为1.6m，共6根，桩基直径为1.8m，共16根。圬工材料混凝土数量为61035.96m3,钢筋数量3960.1689t。4.1工程概况4.1.1水文气候本文所研究的项目所在地区属黄河洪积冲积平原区的黄河南岸沙丘地副区，地面平坦开阔，高差不大，地形较为平坦，局部低洼。总体地势西北高，东南低。该区零星分布着一些碟形洼地，其形成原因多与河流泛滥淤积滞水有关。在平原上还保留有河流故道的遗迹，其方向多是西北东南向，与现代水系的方向大体一致。项目所在区域属于温暖带大陆性气候。冷暖气团交替频繁，春夏秋冬四季分明。平均日照时数为2267.6小时，平均日照百分率为51%。年平均气温为14℃。降水四季分配不均，多集中在夏季7、8月份。该区地表水主要为降水形成的地面径流和河道过境水，地下水主要由降水入渗形成，其次为河渠侧渗及灌溉回归水补给。路区地下水位一般4-9米，局部地下水位埋深小于2米（临河漫滩等路段）。根据区域资料，路线区地下水位变幅为3-5米。本段线路位于浅层地下水水量中等丰富区，含水层为粉细砂、粉砂，厚度5－10m，局部≤5m。顶板埋深大部10－15m，部分≤10m。深部含水层主要为粉细砂、中粗砂孔隙潜水含水层，部分为承压水，含水层数和厚度变化较大，大气降水以及地表水的入渗，为路区地下水的主要补给来源。项目区地表均为第四系全新统地层覆盖。与本工程有关的岩土介质是第四系地层，其岩性特征简述如下：第四系全新统（Q4al）：项目区广泛分布，其岩性为黄褐色、灰黄色、灰褐色粉土、粉质黏土，下部为粉细砂夹中细砂，二元结构明显。第四系上更新统（Q3al）：该层厚20—50米，其岩性为：浅黄、褐黄、灰黄色粉土、薄层粉质黏土夹灰黑色粉质黏土及粉砂、粉细砂。第四系中更新统（Q2a1）：本次勘探未揭露。据区域地质资料，该层厚20—50米。其岩性上下有别：上部为棕黄、灰黄、灰褐色粉土、粉质黏土；下部为棕黄、褐黄少有棕红、灰绿色粉质黏土。全统普遍含有钙质结核。层理清楚，砂层薄而细，仅1—2层厚度10米左右的深黄色粉砂、粉细砂。4.1.2工程特点首先工期短，工程量大，须合理组织施工，其次根据地质情况，结合项目总体施工计划，标段选择适合本工程地质状况的施工机具（反循环钻机和旋挖钻机）进行施工，采用泥浆护壁，导管法灌注水下混凝土。4.1.3施工难点（1）项目位于华中平原地区，村镇繁多，各级公路错乱复杂，近距离的弃土场位置选取较为困难，增加了钻孔灌注桩施工时钻渣丢弃的难度。（2）根据标段地质资料分析调查得知此地区主要以粉土和粉砂为主，对泥浆的要求较高，应及时排除钻渣并补充优质泥浆，，避免坍孔。（3）项目路线较长，桥梁位置分散，距离混凝土拌和站距离较远，需现场与拌合站配合，组织好混凝土罐车，防止桩基混凝土施工时因混凝土供应不连续而发生质量事故。4.2施工准备水下灌注桩有多种施工技术与方法，根据实际工程状况，为了满足工程需求，需要结合工程技术要求，合理的选择工程机械与工程技术方法。以最合理的人员、机械组织施工，本文结合工程实际情况，探讨水下灌注桩的施工技术与方法，经结合实际水文地质条件，计划采用反循环回转钻法结合旋挖钻机进行钻孔施工，导管法灌注混凝土。为了使工程顺利进行，合理的机械配备非常重要，为了保证工程的顺利实施，使用了2台HG200型反循环钻机、2台雷沃612D旋挖钻机以及1台福田220旋挖钻机进行施工。以稳定性好，故障频率较低，成孔效率高，技术成熟、灵活耐用，工作能力满足工期要求，能够满足水下灌注桩的施工需求作为机械选择的重点。施工机械准备见表4.1。表4.1工区主要施工机械配置4.3施工工艺水下灌注桩工程的施工流程如下图所示，为了确保施工质量，需要根据工程所在地址选择成孔作业方法。本标段的钻孔灌注桩共有966根，根据本合同段地质特点，结合同类工程中的施工经验，桩基采用反循环回转钻成孔，灌注混凝土采用导管法灌注的施工工艺。钻孔灌注桩施工工序主要包括平整场地、桩位放样、埋设护筒、钻孔、清孔、钢筋笼制作与安装、混凝土灌注、凿除桩头、桩基检测等。4.3.1平整场地与桩位放样根据施工现场实际条件对场地进行平整，清除杂物，换除软土，夯打密实。结合桥址区实际地质情况，地表以粉土为主，透水性强，经雨水冲刷后水土流失严重，钻机工作过程中容易产生位移和沉降，因此应换填钻机工作位置底下软土，并用枕木铺垫，保证钻机能平稳作业。场地平整完成后，采用全站仪放出桩位中心线及桩位准确位置，每根桩需设置十字护桩，便于复核桩位。本标段的桩基结构形式为桩接柱式或接承台，组织测量技术人员对设计图纸中的坐标及水准点数据进行复核，确定无误后，对桩位放样，并复核确定该桩位的中心偏差，误差在允许范围内方可进行埋设护筒,且保护好护桩，然后安装调试钻机，护筒、护桩尺寸结构如图4.1所示。图4.1护筒、护桩尺寸4.3.2埋设护筒工程施工具有较厚的覆盖层，为了确保施工工艺的合理性，需要设置护筒。护筒穿过淤泥质的粉砂层，确保空口的未定型。工程所使用的护筒采用10mm的钢板加工而成，采用振动沉拔锤打入埋置。护筒刃脚1m范围内采用10mm厚钢板加固处理，能够避免护筒在打入过程中变形，护筒埋设如图4.2所示。图4.2护筒埋设4.3.3泥浆制备泥浆在灌注桩钻孔过程中起到稳定护壁、悬浮钻渣、冷却钻头的重要作用，受地质条件以及气候条件所限，泥浆的性能指标会有所变化，为使钻孔过程顺利进行，采用优质粘土或膨润土造浆护壁，向制浆池中投放优质粘土造浆，钻孔时始终保证孔内水头位置高于地下水位1.0m～1.5m以上，施工现场随时对泥浆相对密度、黏度、含砂率等性能指标进行测定，根据地质条件调节泥浆比重，间歇向孔内投放粘土，以达到护壁的效果及成孔的要求，在松散易坍塌的砂层中钻进时，适当增大泥浆的比重和粘度，保持孔内水头高度，减少泥浆对孔壁的冲刷，必要时，为改善泥浆质量，掺入适量外加剂，泥浆性能指标见表4.2。表4.2泥浆性能指标4.3.4成孔（1）基本要点桩基的钻孔和开挖，应间隔钻孔成桩，防止因距离过短导致串孔。钻头下入孔内，钻头距孔底5～8cm，开动泥浆泵，待冲洗液循环3～5min后，再启动钻机慢速回转，同时将钻头慢慢降下，轻压慢转几分钟，待钻头进入护筒底口1m后，逐渐增大转速和钻压进入正常钻进。正常钻进时，合理调整和掌握钻进参数，不得随意提动孔内钻头。加接钻杆时，应先停钻，将钻具提离孔底80～100mm，维持浆液循环1～2min以清洗孔底，并将导管内的钻渣携出排净，然后停泵加接钻杆。（2）成孔质量控制在钻进过程中应时刻注意钻机仪表，如仪表显示竖直度有变化，应及时进行调整，调整后钻进。钻孔过程中每进尺5—10米时测定泥浆各项技术指标，不满足要求时及时调整。钻进过程中生成的泥浆，导入泥浆沉淀池，沉淀后循环使用。因故停钻时，孔口应加护盖，严禁钻头留在孔内，以防埋钻。同时保持孔内有规定的水头（即应高于地下水位或空外水位1.0-2.0m）和要求的泥浆浓度、粘度，以防坍孔。在钻进过程中，要根据地质情况调整钻机的钻进速度。根据地质情况采用与钻孔直径相匹配的钻头和钻进速度，特别是初始进尺要慢，以保证孔口质量；钻孔时根据地质情况，经常检查、调节泥浆比重，间歇向孔内投放粘土，以达到护壁的效果及成孔的要求，成孔过程中，必须保证孔内水位的稳定。一般成孔时泥浆比重保持在1.05～1.45之间，钻进过程中随时测量泥浆性能指标、孔深及了解钻进情况，并做好记录，发现异常及时报告处理。（3）清孔与钻孔质量检测桩底清理紧接终孔检查后进行。钻到设计孔深后，在原深处进行空转清土（10转/分钟），然后停止转动，提起钻杆。在空转清土时不得加深钻进,提钻时不得回转钻杆。检测成孔后泥浆比重、粘度、含砂率，是否符合灌注水下混凝土要求，灌注前再次检测泥浆指标，其比重、粘度、含砂率符合灌注混凝土标准时清孔结束。清孔在钻孔完成后进行，采用抽浆法进行，之后对孔深、桩基直径、钻孔桩倾斜度进行检测。用测绳检测孔深；探孔器检测桩基直径；测量钻孔桩倾斜度的方法是利用三脚架或吊车将探孔器放入孔内，在护桩上拉十字线确保探孔器对中，且探孔器上吊点固定不动，探孔器靠自重下沉，若探孔器能在自重作用下顺利下到孔底，则说明孔径能满足设计要求，如果在自重作用下下不到孔底，说明孔径小于设计孔径，则应扫孔或重钻；当探孔器在孔顶对中下落后，通过护筒顶量测吊绳相对桩位中心偏移大小。4.3.5水下混凝土施工工艺（1）钢筋笼制作安装钢筋加工场场地均采用C15混凝土硬化（厚度10cm），排水顺畅，场地平整；钢筋做到下垫上覆，同时垫高符合规范要求。钢筋原材、半成品与成品分开存放，并做好标示标牌各种原材料、半成品或成品应按其检验状态与结果、使用部位等进行标识。钢筋笼根据桩长分节在钢筋场地进行加工，每节钢筋笼长度宜小于18m，便于吊车吊装钢筋笼，钢筋笼主筋接长采用双面搭接焊，焊缝长度不小于5d，加强筋圈采用双面焊进行焊接，焊缝长度不小于5d。加工时注意使主钢筋焊接接头在同一截面的数量不大于50%。钢筋笼的质量指标见下表4.3。表4.3钢筋笼检查项目（2）声测管的加工及安装声测管采用选用外径D=54mm，壁厚为1.4mm的钢管，声测管上端高出基桩顶面须大于100cm，接头用套管连接，下端用封底套管，不能漏水，浇注混凝土前，将声测管内灌满水，上口用塞子塞紧，防止异物掉入。（3）钢筋笼下井桩基钢筋笼在钢筋加工场集中加工，加工完成后采用钢筋笼运输车运至桩位处，钢筋笼运输过程采取措施防止产生不可恢复的变形，采用25t汽车吊吊装钢筋笼。（4）安设导管采用内径为300mm的快速丝扣接头连接导管，无缝钢管制成，导管内壁光滑、圆顺、内径一致、接口严密，连接处用橡胶圈密封防水。导管应预先试拼，并按规定做水密承压试验，保证导管不漏水。管节底管可适当放长，长度为4m，且底部不设法兰盘，防止导管钩挂钢筋笼，其余导管为2.65m一节，另准备调节段，有0.5m、1.0m、1.5m、2.0m各一节。导管底部距孔底30～40cm，漏斗必须满足首批混凝土用量的要求（符合导管埋深要求），混凝土漏斗的容量根据此原则设计。（5）混凝土灌注水下混凝土灌注采用导管拔栓法，钢板栓圆直径大于导管直径1～1.5cm，灌注混凝土前将钢板栓置于漏斗颈口外，用细钢丝绳引出。当达到混凝土初存量后，迅速将钢板栓向上拔出，排走导管内的泥浆至孔底。在灌注水下混凝土前应再次测量孔深，以确定沉渣厚度。首批混凝土灌入孔底后，立即测探孔内混凝土面高度，计算出导管埋置深度，如符合要求，即可正常灌注。首批混凝土灌注成功后，大料斗换成小料斗，转入正常灌注阶段，混凝土不断地通过小料斗、导管灌注至水下，直至完成整根桩的浇筑。灌注开始后，应紧凑地、连续地进行，严禁中途停止灌注。在灌注过程中要防止混凝土拌合物从漏斗顶溢出或从漏斗外掉入孔底，造成泥浆性质变化，从而造成混凝土面探测不准确，甚至泥浆返浆出现异常，致使灌注桩出现问题。灌注过程中，控制混凝土浇筑速度和孔内泥浆流量情况，及时测