1 工程概況
冶河大橋位于河北省井陘縣境內，是連接井陘縣東西兩大動脈307國道和石太高速公路的連接線完善工程。全長550米，寬18米，雙向四車道。線路起點位于縣城微礦路上，與307國道形成菱形立交，然后跨越307國道、冶河、石鐵分局井陘鐵路貨場及石太鐵路正線，終點與石太高速公路連接。全橋設計為直線，15墩2臺，基礎為Φ1.8m和Φ1.5m樁基礎，上部采用裝配式預應力砼簡支梁，橋跨布置為1*30m＋1*40m＋9*30m＋3*40m+1×50m＋1×40m，共計16孔128片梁。1#~15#墩采用Φ1.8m端承樁35根計604延米，0#、16#橋臺采用Φ1.5m端承樁16根計320延米。樁端支承于破碎的弱風化白云質灰巖層上，樁底嵌入巖層深度大于1.7m以上，樁身為C25普通硅酸巖混凝土。
橋址處地層主要為填土、卵石及奧陶系中統白云質灰巖。自上而下分為3層，分別如下：
a 素填土：褐黃色，稍濕~濕，稍密~密實。土質不均，成分以粉土為主，夾粉質粘土薄層。該層在河槽地段缺失，在307國道附近厚2~3m，在5#、6#孔地帶厚7m左右，層底標高209.91~213.18m。
b 卵石：雜色，中密~密實。卵石成分以灰巖、砂巖為主，一般粒徑5~15cm，局部含大量漂石，充填物為礫石、砂粒及粘粒土，層厚11.60~16.20m，層底標高195.45~199.70m，容許承載力[σ]=400~600kPa。
c 弱風化白云質灰巖：灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造。巖石不完整，有溶蝕跡象，規模較小，裂隙發育，其間局部充填粘性土，巖溶發育厚度一般在基巖面下2.00~3.00m，容許承載力[σ]=1500~2500kPa。
2 施工方案的選擇
由于地質情況復雜，且冶河為季節性河流，根據地質勘察報告，自然地表下8~10m以下富含地下水，且裂隙貫通，滲透速度較快，其上均為砂卵石層，干燥無水，易坍塌。根據現場實際情況，整體河床干涸，僅10#、11#墩位于主河槽處有少量流水。通過多種方案經濟分析比較，決定采用人工挖孔與沖擊鉆成孔相結合的施工方案。即從自然地坪開始先進行人工挖孔作業(混凝土護壁)，至8~10m左右(地下水位線處)，然后采用沖擊鉆進行泥漿護壁機械成孔。樁身砼采用導管水下灌注。
3 關鍵技術
3.1 人工挖孔
根據樁直徑大，土質較松散，為沖積卵石土層，地表以下8~10m內無水(地質勘測報告)，上部采用人工挖孔方法施工。：
3.1.1 平整場地、定樁位
在施工現場的控制網及高程復測完畢之后，利用各控制點首先放出橋中心線及橋中心控制樁；然后利用橋中心控制樁為控制點用經緯儀及測距儀精確定出各樁位中心樁，并對已定樁位采取釘圍板或磚砌的方式精心保護。開挖前在樁孔周圍釘鋼筋頭將中心樁引出樁孔外，待挖至1m深澆注護壁砼后再將其引至護壁上，同時在護壁上打出控制標高對挖深及樁長進行控制。
3.1.2 安裝提升系統
提升架采用三角轆轤，將其置于樁孔之上，并將腳架的三條腿埋入土中不得少于30cm，以保證在使用過程中架子不會傾覆，埋完后在支腿周圍壓上重物。
3.1.3 樁孔挖土1m深并清底
中心樁位引護完畢后，用人工從上至下逐層開挖。孔內挖土人工用鍬、鎬進行，首先用鎬對土進行松動，然后用鍬將土翻起。如遇卵石及大量漂石時，用鑿石機將其松動破碎后再挖。當挖至1m深時對樁底進行清理，將松動土全部鏟起放入桶中，通過提升轆轤將余土提出樁孔外直至清完。
3.1.4 綁扎一節鋼筋
孔底清理干凈并將余土運出后，開始綁扎護壁鋼筋。先在樁孔壁上劃出加強鋼筋的位置，然后打入相應數量的鋼筋頭并將橫向加強筋固定其上；加強筋固定后，開始綁扎豎向筋，鋼筋設置為φ8＠200，采用鐵絲梅花綁扎法進行。
3.1.5 支一節模板
模板采用一節組合工具內定型鋼模板，用尺寸350×900mm弧形鋼模及拼裝板組成，用U形卡連接，上下各設一道兩半圓的8號槽鋼內箍頂緊，不另設支撐，以便井下作業，拆上節支下節，如此循環。
3.1.6 澆一節護壁砼
護壁厚15cm(允許誤差±30mm)，采用C20砼，砼護壁縱向搭接10cm。為保證接縫嚴密，砼在澆注過程中振搗密實，上部100mm高澆灌口澆注完畢后用砼堵塞，防止有地下水沖壞土壁。砼澆注過程中，隨時用小錘敲擊模板外側以檢查砼是否澆注到位。
3.2 機械成孔
根據現場地質情況，為克服大粒徑卵石、漂石層的鉆孔困難，選用CZ-30型沖擊鉆機。對于Φ1.5m樁采用外徑1.5m十字型沖錘一次成孔，Φ1.8m樁采用二次成孔工藝，即先用外徑1.5m十字型實心沖錘沖擊成孔，再用外徑1.8m圓筒空心沖錘擴孔到設計孔底，用圓形掏渣筒掏渣，并選用合理的鉆進參數。
3.2.1 護壁技術
(1)泥漿的配制 由于地下水位下砂卵石層較厚且含大量漂石，造成沖孔困難且孔壁易坍塌，泥漿易漏失，因此制備高質量的泥漿顯得尤為重要。本工程采用優質粘土造漿，另外摻入孔中泥漿量0.1%~0.4%的純堿，它可以有效的提高泥漿性能指標，使粘土顆粒進行分散而不易凝結，為粘土吸收外界的正離子顆粒提供了條件，并可增加水化膜厚度，提高泥漿的膠體率和穩定性，降低失水率。
(2)設置泥漿循環系統
根據工程實際，本工程設置沉淀池及泥漿池，以使掏渣筒排渣后泥漿中的鉆渣可充分沉淀。泥漿可以回流循環使用。并配備BW-160型泥漿泵一臺，以便及時補漿并隨鉆進要求改善泥漿性能。
3.2.2 施工過程控制
(1)鉆機定位時利用人工挖孔施工所形成上部鋼筋砼護壁代替鋼
表1 泥漿性能技術指標
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相對密度 |
粘度(s) |
含砂率(%) |
膠體率(%) |
穩定性(g/cm) |
|
1.3~1.5 |
26~28 |
＜4 |
＞95 |
＜0.03 |
護筒進行定位導向，并保持泥漿面。沖擊成孔過程中采取分離樁位、交錯布置，以防止沖擊振動使鄰孔壁坍塌或影響鄰孔剛灌注砼的凝固，相鄰孔沖擊施工時必須待鄰孔砼灌注完畢24h或砼壁強度達到2.5MPa后，方可開鉆。
(2)開鉆前在孔內投入粘土，并加適量粒徑不大于15cm的小片石，頂部拋平，用小沖程1m沖砸，泥漿比重1.2-1.5，鉆進0.5-1.0m再回填粘土，繼續以小沖程沖砸，如此反復二、三次，必要時多重復幾次。
(3)在砂卵石層中沖孔時，采用中、高沖程2-4m沖砸，泥漿比重1.3左右，并及時掏渣。進入基巖后，采用低錘沖擊或間斷沖擊，當發現偏孔時應回填片石至偏孔上方300mm-500mm處，然后重新矯正沖孔。
(4)沖擊過程中遇到探頭石，采用十字形鉆頭(焊接合金鋼)低錘密擊間斷沖擊的辦法，清除障礙，同時嚴禁沖錘重擊，防止出現坍孔。
(5)鉆進過程中要經常檢查并及時調整泥漿性能。如泥漿稠度太大則由于阻力作用影響鉆頭進尺速度，且易發生樁孔偏移；泥漿稠度太小，則鉆渣難以充分懸浮，造成掏渣困難，且難以起到護壁作用。
(6)沖孔時仔細查看鋼絲繩的回彈和回轉情況。耳聽沖擊聲音，借以判別孔底情況。鉆進時隨著進尺快慢及時放松主鋼絲繩，防止打空錘現象。鉆機正常工作時，每沖擊1次，沖擊梁上緩沖彈簧響1聲，如果出現2次響聲，即為打空錘，此種現象容易損壞機具，故沖孔過程中必須隨時檢查。
(7)當孔內泥漿含渣量增大時，將鉆速減慢，并及時抽渣，抽渣時可采取以下措施：
a抽渣筒放到孔底后，要在孔底上下提放幾次，使多進些鉆渣，然后提出。
b采用孔口放細篩子或承渣盤等方法，使過篩后的泥漿流回孔內。
(8)為保證孔型正直，每鉆進4-5m深度檢孔一次。檢孔器用鋼筋制成，其高度為鉆孔直徑4倍，直徑與鉆頭直徑相同。更換鉆頭前，先經過檢孔，并要將檢孔器檢到孔底方可投入新鉆頭。
(9)按照設計要求，樁端入巖深度必須在1.7m以上，為確保入巖深度，保證樁端承載力，進入基巖后每鉆進100-500mm清孔取樣一次(非樁端持力層為300-500mm；樁端持力層為100~300mm)以備終孔驗收。
3.3 清孔及鋼筋籠就位
本工程大直徑樁均為嵌巖樁，必須清除孔底沉渣才能保證單樁承載力，因此本工程采用了二次清孔工藝。
3.3.1 首次清孔 樁身成孔后經驗收合格，首先用沖擊鉆頭泛漿，掏渣筒清孔，直到孔內泥漿比重控制在1.1~1.2之間，沉渣厚度小于5cm。
3.3.2 鋼筋籠就位
(1)將驗收合格的鋼筋籠運至孔口，運輸過程中要防止變形；
(2)采用16T吊車吊裝鋼筋籠入孔。吊裝鋼筋籠采用專用鋼絲繩并帶[16扁擔，吊裝時要對稱吊點，吊點處加強，吊鉤垂直于籠子中心，保證鋼筋籠垂直下入孔內。
(3)由于本工程鋼筋籠頂標高均在自然地面下，深度各樁不一樣，根據情況籠頂設置吊筋將鋼筋籠懸掛于孔口[16槽鋼橫擔上并用鋼管在孔口固定定位，以防止其偏位并發生浮籠現象。
3.3.3 二次清孔
本橋采用抽漿法進行二次清孔，可以有效地清除孔底沉渣。用空氣吸泥機清孔注意事項：
(1)高壓風管沉入導管內的入水深度應大于鉆孔內水頭到出漿口高度的1.5倍，一般不宜小于15m，但不必沉至導管底部附近。鋼筋骨架須在導管吊入之前先放入。
(2)開始工作時應先向孔內供水，然后送風清孔。停止清孔時應先關氣后斷水，以防水頭降低造成坍孔。
(3)送風量大小與鉆孔深度及導管內徑有關。本工程導管內徑為25cm，送風量需20m3/min，風壓(MPa)可按公式H/100+0.05計算，H為風管口入水深度(m)。
(4)當孔底沉淀較厚且堅實時，可適當加大送風量(送風量大則沉渣上升的速度也大，沉渣易被吸上)，并搖動導管，改變導管在孔底的位置。
(5)清孔過程中必須始終保持孔內原有水頭。如孔較深，則中途宜停頓片刻，待孔內上部懸浮鉆渣均勻沉淀后，再送風清孔一次。當風管口設置很低，在清孔過程中不能保持孔口水頭時，不可馬上停止送風，先將風管或導管提升一定高度才停止送風，以免稠漿渣將風管口堵塞。
3.4 水下砼灌注
清孔完畢應立即進行水下灌注樁身混凝土，利用清孔用導管安裝初灌斗直接灌注，可縮短灌注時間。
3.4.1 混凝土配合比設計
水下砼施工必須進行專門的配合比設計。本工程采用C25普通硅酸鹽砼，摻入適量DH4B緩凝高效減水劑。其配合比如表2所示。
表2 C25水下普通硅酸鹽砼配合比
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材料名稱 |
水泥 (32.5級) |
砂子 |
石子 |
水 |
DH4B緩凝高效減水劑 |
坍落度(mm) |
|
材料用量(kg/m3) |
450 |
710 |
1065 |
190 |
lang=EN-US style='font-family:宋體'>3.6 |
200 |
3.4.2 準備工作及澆注
(1)本工程采用內徑250mm導管澆注水下砼，接頭采用絲扣連接，用“O”形橡膠圈密封，嚴防漏水。下導管前進行水密性檢查，檢驗水壓為0.6~1.0MPa，不漏水為合格。
(2)首盤砼用量經計算為4.4m3，灌注前先配制0.3
m3水泥砂漿放入初灌斗，并用隔水塞(用砂球制成，外徑比導管內徑小2~3cm，鐵絲綁扎牢固)封住初灌斗底，備足初灌砼，剪斷鐵絲使砼靠自重流入孔底。
(3)首盤砼灌注埋管深度不得小于1m，澆注過程中導管在砼中的埋深控制在2~4m。灌注中經常用測錘探測砼面的上升高度，并適時提升，逐級拆卸導管，保持導管的合理埋深。
(4)遇特別情況(局部嚴重超徑、縮徑、漏失層位和灌注量特別大的樁孔等)增加探測次數，同時觀察返水情況，以正確分析和判斷孔內的情況。
(5)澆注水下砼的最后砼面高程高出設計高程80~100cm，以保證鑿除樁頂砼浮渣后滿足設計要求，確保樁身砼頂質量。
(6)砼澆注過程中，及時統計每樁砼澆注量，并計算樁身砼充盈系數，每根樁作砼試塊2~3組，專人填寫水下砼灌注記錄。
3.5 樁基檢測
3.5.1本工程對所施工樁基采用低應變方法100%檢測，并根據設計院要求對10號b孔及11號b孔進行現場高應變檢測，對施工的3號a孔及9號a孔樁身進行了鉆探取芯檢驗。
(1)低應變檢測委托河北大地土木工程有限公司進行，所施工30根樁，根據檢測報告顯示整體樁身質量比較完整，除5號b樁為Ⅱ類樁外，其余29根均為Ⅰ類樁，Ⅰ類樁達96.7%。
(2)樁身高應變檢測委托河北省建筑工程質量檢測中心地基檢測所進行，對所檢測10號b
實測單樁極限承載力值25405KN，11號b實測單樁極限承載力值26152KN。高應變檢測完成后將實測數據交設計院復核驗算均符合設計要求。
(3)樁身鉆探取芯檢驗委托河北地礦建設集團二分工司進行，對所檢測3號a樁及9號a樁結果為：巖芯混凝土級配良好，外觀良好，巖芯采取率98%，破碎帶取出了代表性巖芯。
3.5.2 C25普通硅酸鹽砼試塊90組，經石家莊交通局質監站檢驗評定，均達到設計要求。
4 經濟分析比較
采用上部無水地帶人工挖孔，下部富水地帶機械成孔相結合的施工方案，既避免了全部用人工挖孔無法全部挖到位、進度慢、危險性大的缺點，又避免了全部用機械成孔速度慢、成本高的缺點，明顯提高了工程進度，并大幅降低了工程成本。經綜合測算，有效縮短工期1個月以上，節約投資12萬元。
