万家丽路是湖南省长沙市城东重要的南北通道, 万家丽路快速化改造工程全长16.635km, 主线高架长15.8km, 施工期2014年4月8日—2015年10月1日, 总工期18个月, 是省重点工程。由于该工程处于长沙中心城区, 两厢商业、住户密集, 且沿线有多处学校、医院、行政办公区。因此, 为降低施工噪声, 加快工程进度, 减少对沿线居民工作、生活的影响, 本工程桩基基本采用旋挖钻施工。

该高架桥工程共有桩基1 756根, 桩径1.2~2.5m, 有73%的桩基直径2.0m以上, 桩基桩径较大, 成孔沉渣清理难度大。根据工程地勘报告, 桩基施工的大多路段地面下5~10m存在流砂层^[1], 穿越地层复杂, 桩底沉渣累计速度快;桩基长15~60m, 有80%的桩基桩长在30m以上, 桩基底沉渣控制难度大。按照CJJ2—2008《城市桥梁工程施工与质量验收规范》要求, 端承桩沉渣厚度≤100mm, 摩擦桩沉渣厚度<300mm^[2]。而本工程设计文件要求, 端承桩沉渣厚度≤50mm, 摩擦桩沉渣厚度≤100mm^[3], 桩底沉渣厚度质量控制要求比国家现行城市桥梁工程规范高出很多。因此, 该工程减少桩底沉渣, 将沉渣值控制在设计允许范围内是桥梁桩基工程质量保证的关键, 对其旋挖桩基底沉渣质量控制技术进行优化研究十分必要^[4]。

为了掌握桩基底沉渣质量控制关键因素, 桩基工程大面积实施前, 先查阅了近年来关于桩底沉渣产生和控制的资料, 得知沉渣量大主要产生于钻进成孔、安放钢筋笼、灌注混凝土等环节^[5];再通过对以往施工的100根大直径桩基实施过程资料及施工记录进行调查分析, 统计出桩基各分项施工过程与桩底沉渣质量的关系, 如表1和图1所示。

通过资料调查和统计分析, 在大直径桩基施工过程中“清孔施工过程”和“旋挖机械成孔施工过程”影响桩基沉渣质量控制的累计频率达到88%, 是影响桩基沉渣质量的A类因素, 应作为桩基沉渣质量控制优化技术研究的重点, 本工程施工工序中采取有效措施进行优化、改进。

通过查阅资料和对本工程7根试验桩及类似项目大直径桩基的施工过程及施工质量进行分析, 找出影响桩基沉渣质量控制的优化目标。

桩基各工序施工的时长与桩基沉渣厚度控制存在密切关系, 各道工序施工时间如果过长, 将导致桩基沉渣厚度持续累计, 造成桩底沉渣不满足要求, 如表2所示。

从表2可知, 桩基清孔施工 (含第1次清孔、第2次清孔) 和旋挖钻进的平均耗时达到27h, 占总耗时的78.3%, 如果能将钻进和清孔施工时长缩短, 则能有效优化桩底沉渣由于时间持续累计产生的厚度。

大直径桩基旋挖成孔采用泥浆护壁方式施工, 通过优化泥浆性能, 可达到减少沉渣的效果^[6]。本工程大多路段地下5~10m存在流砂层, 桩基底沉渣累计速度快, 成孔沉渣清理难度大。因此, 桩基旋挖成孔施工过程的主要因素对于基底沉渣质量控制影响显著。

1) 护壁泥浆性能影响

桩基施工钻进到流砂层时, 极易出现塌孔现象, 表现为泥浆面突然上升, 钻头被埋, 需要降低钻进速度, 待孔壁稳定后继续钻进, 成孔后沉渣迅速增厚, 导致清孔时间过长, 有时甚至需要重新掏渣清孔。如表3所示。

2) 沉渣厚度测量受主观影响

本工程通过调查3名施工员与3名监理员共同对同一根桩进行沉渣厚度检测情况, 共检测10根桩, 检测结果如表4所示。

从表4可知, 项目施工人员、监理人员在同一时间, 同一孔位各自独立采用施工中最常用的测绳吊锤击打孔底的方式进行沉渣厚度测量, 结果差别较大。由于测绳吊锤测量方法的准确性全凭测量人员的手感和经验^[7], 因此实际操作中各自测量数据不同, 相互意见不能统一, 难以迅速进入下道工序, 导致最终实际沉渣较厚或反复清孔时间过长。

3) 存在流砂地层影响

通过现场钻进过程中的取样, 实际地质情况与地质报告基本吻合, 在地面以下5~10m存在厚度不等的流砂层, 通过设置沉渣盒及旋挖钻掏渣, 发现90%以上沉渣为粉细砂。钻进到该层时, 钻进速度较其他地层须降低1倍以上, 否则极容易造成塌孔;而且成孔后孔底沉渣迅速增厚, 平均清孔时间需增加6~8h。如表5所示。

此外, 桩基旋挖成孔施工过程还有各工序衔接配合不到位、工人对施工工艺掌握不熟练、施工场地地坪不平整、钻进速度控制不均匀、现场管理协调不足等因素影响基底沉渣质量控制, 但分析后都不属于主要原因。综上可得, 旋挖桩护壁泥浆性能、沉渣厚度测量受主观影响、存在流砂地层影响是影响桩基沉渣质量控制的主要优化目标。

针对护壁泥浆性能问题, 通过在泥浆中加入一定比例的化学添加剂对性能进行优化。本工程在泥浆中按4种构成比例分别加入膨润土和羧甲基纤维素化学添加剂进行试验, 膨润土1比例为50kg膨润土∶1m³水, 膨润土2比例为75kg膨润土∶1m³水, 羧甲基纤维素1比例为0.35kg∶1m³水, 羧甲基纤维素2比例为0.53kg∶1m³水。灌注混凝土时从孔内抽出泥浆周转利用, 减小环境污染, 降低成本;同时, 下钢筋笼前使用旋挖钻进行一次清孔掏渣, 清孔后静置1~5h, 分析比较孔内沉渣厚度。传统与化学造浆成孔沉渣对比如图2, 3所示。

从图可知, 传统膨润土造浆方式不能满足设计要求的50mm沉渣厚度要求, 而化学造浆方式不同比例的桩底沉渣效果也不一样, 通过试验, 最终确定了采用羧甲基纤维素2比例为0.53kg∶1m³水的化学造浆方式可有效减少桩底沉渣量, 可以满足要求。

为了解决采用测绳吊锤测量方法经常造成桩基沉渣厚度各自测量数据不同的问题, 本工程采用新型沉渣快速测量器 (见图4) , 将沉渣测量分两步进行, 先用尖锐的探头测量出孔底深度, 再换用平板探头测量孔深。若孔底有沉渣, 则第2次探头测量到的是沉渣顶面高度, 将两次测量值相减, 即得沉渣厚度数值。同时编制沉渣测量工具操作手册, 对现场控制人员进行交底, 消除主观因素对测量结果的影响。

由统计数据可知, 使用专用沉渣测量器后, 不同人员沉渣厚度测量偏差<10mm, 现场各方意见基本一致, 施工效率显著提高, 缩短了清孔后静置时间, 相应减少了沉渣的沉淀厚度;同时现场人员根据测量结果进行准确的施工计划与安排, 施工效率提高了50%。

针对施工现场存在流砂地层的问题, 根据工程地质报告结合流砂层实际位置, 采用加长孔端的钢护筒, 使其穿过流砂层2m方式加固桩孔, 旋挖钻在流砂层钻进时, 可快速钻进, 不会出现塌孔及沉渣过多现象。桩基混凝土灌注时, 灌注到钢护筒底部以上2m后, 在该部分混凝土初凝前, 开始拔出钢护筒, 保证混凝土面始终高于护筒底部2m以上, 且需在护筒部位混凝土初凝前完成, 可使钢护筒周转利用, 降低成本。

本工程桩基按沉渣质量控制优化措施实施后, 施工效率显著提高, 同时随着施工工艺的改进以及施工时间的缩短, 沉渣厚度也得到有效控制, 桩底沉渣控制在50mm以内, 较传统施工工艺桩底沉渣减少50%以上, 如表6所示。

本工程单根桩平均施工时间, 从优化措施前的34h降到17.4h, 工作效率提高50%以上;在采取优化措施后, 第2次清孔的时间显著降低, 从实施前平均15h降低到3h以内, 有效减少了桩底沉渣由于时间持续累计产生的厚度。

本工程桩基按沉渣质量控制优化措施实施后, 各工序验收时的首次合格率也明显提高, 尤其在孔底沉渣厚度指标上, 由于能准确客观地测量出沉渣的准确数值, 参与验收各方不再靠个人主观判断, 优化措施应用初期, 桩基首验合格率达到95%。试验桩完成后, 工程全面采用沉渣质量控制优化措施, 并在施工过程中继续总结优化, 不断减少桩基底沉渣厚度, 后续桩基首验合格率达97.5%。根据桩基检测报告, 所有桩基沉渣厚度均<50mm, 所有桩基均为合格桩, I类桩比例达到96%以上。优化措施前后质量验收情况对比如表7所示。

本工程共计1 756根桩, 在试验桩完成后, 项目按照旋挖桩基沉渣质量控制优化措施制定了《万家丽项目旋挖桩基施工作业指导书》, 要求各旋转钻施工点严格按该指导书要求施工, 并在施工过程中不断总结优化。全线除因110k V高压线下净空限制无法采用旋挖钻机施工的210根桩基、地质条件较好路段的471根桩基以及前期施工的部分桩基外, 全线共有860根桩按照桩基沉渣质量控制优化措施进行施工^[8]。

桩基施工有效工作时间机械设备按16h/日, 人员按8h/日计, 得出单根桩投入减小约0.24万元, 860根桩基总计节约直接工程费206.4万元, 节约工期1个月以上^[4]。实际因桩基施工效率提高, 现场等待时间减小, 设备空置率大大降低, 产生的经济效益远大于此。

通过依托万家丽路快速化改造工程对高架桥旋挖桩基底沉渣质量控制优化技术研究, 得出的桩基沉渣质量控制采用化学添加剂优化护壁泥浆性能、使用新型沉渣测量器量测和加长孔端钢护筒的措施, 实现了桩基沉渣厚度较通常施工方法减少50%, 施工效率提高50%以上, 工程经济效益明显, 旋挖成孔桩基沉渣质量控制优化技术攻关达到了预期要求。桥梁桩基工程质量控制的重点是桩底沉渣质量, 因此, 本项研究成果对于我国类似桥梁工程桩基施工具有借鉴和推广意义。