1 工程概述
PACITAN2×315MW火电项目是印度尼西亚国家重点工程, 专用卸煤码头及防波堤工程是该电厂重要的配套工程。项目位于爪哇岛中南部, 直面南印度洋。码头采用突堤式平面布置, 结构形式为高桩梁板式结构。靠船装卸平台平面尺度为195m×23m, 共设26榀排架, 排架间距6m、8m, 采用钢管桩基础, 其中近岸段16榀排架因基岩埋深较浅采用嵌岩钢管桩, 钢管桩直径φ=1 2 0 0 m m, 壁厚δ=1 8 m m, Q 2 3 5-B Z钢制作。整个码头嵌岩钢管桩共102根, 钢管段长度17m至44m, 桩底钢筋砼芯入岩深度3m至10m不等, 平均7.1m, 钢管桩砼芯高度5m或8m (当钢管桩底钢筋砼芯入岩深度>5m时取8m, 其余取5m) [1]。
2 自然条件
根据工程地质勘察报告, 码头海域地层主要为第四纪的海相 (Q4m) 和海陆交互相沉积层 (Q4mc) 地层及三叠系地层 (T) , 综合分为六大层: (1) 细砂, 松散~稍密状态; (2) 粗砾砂, 中密状, 局部密实; (3) 粉细砂, 中密~密实状; (4) 粉质粘土, 可塑~硬塑状; (5) 强风化泥灰岩; (6) 中风化泥灰岩 (T3mwl) , 泥质结构, 块状构造, 裂隙发育, 多为陡倾角, 溶蚀现象发育, 岩石表面多见溶蚀孔洞[1]。
项目海域为不规则半日潮, 最大潮差2.27m, 工程海区呈现明显的涌浪特征, 波浪周期12s~18s。虽已建成防波堤, 但正常情况下, 每月约有20d的时间码头平台区涌浪都在1m以上, 对打桩船和起重船的施工作业造成很大影响。
3 施工工艺流程及质量控制要点
3.1 钢管桩沉桩
所有钢管桩采用打桩船进行施打, 采用JINLING D100-23柴油锤。钢管桩不仅是码头建成后的受力构件, 同时也是嵌岩灌注桩施工过程中的重要的措施, 因此在施工过程中对最终停锤标高和钢管桩垂直度要严格控制和把握。
3.2 水上平台的搭设
水上平台依托已经施打完毕的钢管桩搭设。平台结构、尺寸设计时综合考虑了嵌岩桩施工时钻孔设备、材料荷载及其布置、施工操作顺序和泥浆循环、混凝土浇注等因素, 同时兼顾了后续的横梁现浇、预制靠船构件安装等具体施工工艺和要求, 另外还需考虑施工期水位、潮汐、波浪等因素的影响。本工程中两榀排架搭设成一个施工平台, 平台支撑自下而上为钢管桩-钢抱箍 (或焊接牛腿) -横向I35工字钢主梁-纵向I20工字钢次梁-10cm×8cm方木-5cm厚满铺木板面层, 所有构件通过焊接或捆绑的方式连成一个牢固的整体, 选取施工平台中跨距最大、施工最不利荷载组合进行结构强度和刚度验算, 平台满足结构和安全的各项要求后方能使用。每个平台上同时安排两台冲击钻机在上面作业, 两台钻机沿相反的方向和顺序各自在一个排架上完成半幅桩基的施工后交换位置, 进行另外一个排架半幅桩基的施工。桩机的横向和纵向的移动全部通过千斤顶顶升底座, 借助方木、滚管通过手拉葫芦牵引的方式进行, 最大程度的减少了对起重船的依赖, 提高了施工效率并增加了施工安全保障系数。
3.3 超前钻施工
根据初步地质勘察报告, 码头区域地质情况复杂, 岩面起伏变化大, 在 (6) 层的中风化泥灰岩中发现了溶洞、裂隙存在, 为了确保桩基质量, 采用了逐桩超前钻措施, 以探明岩面和溶洞的分布、发育情况, 确保桩尖持力层5m范围内没有溶洞, 如果有, 则需将溶洞击穿, 穿过溶洞后的入岩深度达到设计嵌岩深度的要求, 同时根据实际的岩面标高对嵌岩深度进行调整。尽管进行了超前钻, 在实际嵌岩施工中仍多次遇到地质情况与同桩超前钻结果不符的情况, 分析原因主要是裂隙、溶洞发育, 钻孔布孔时正好偏离溶洞、裂隙位置以及基岩表面起伏大造成的。
3.4 冲孔
一般情况下, 对于岩基上存在软覆盖层的地质情况来说, 全部采用冲击成孔是不太合适的, 但是在海上施工平台条件下, 同一个孔位变换成孔设备很不方便, 工效也会大大降低, 所以在本工程中还是采用从开孔到终孔均采用冲击成孔的方法。在具体操作上, 参考超前钻揭示的每根桩的地质资料, 根据土质的软弱程度, 调整冲程, 在沙层、粉质粘土层和强风化泥灰岩层中, 冲击锤的主要作用是把土体捣碎, 落锤高度控制在1m以内;对于中风化泥灰岩, 落锤高度控制在2m左右;应防止空锤导致钢丝绳崩断事故的发生。成孔过程中注意以下几点。
(1) 钻机在孔位上应稳定牢固, 施工过程中及时检查偏位情况, 确保不发生倾斜、位移。
(2) 冲击钻机冲孔开孔时, 应低锤密击, 待钻孔达到一定深度后, 方可正常冲击。
(3) 锤头直径的大小将直接影响孔径的大小, 施工前要合理确定锤头直径。在施工过程中要定期对锤头直径进行检查, 如发现外径磨损要及时加焊锤头。
(4) 控制好相邻孔位的施工时间。采用间隔跳桩的方法施工, 相邻桩基混凝土强度未达到10MPa时, 不得在相邻孔位进行冲击钻孔。
3.5 泥浆循环及排渣
冲击成孔过程中的沉渣必须及时排出, 否则将影响冲击效率。本工程中钢管桩尖基本都进入风化泥灰岩面内, 故泥浆的主要作用是浮渣, 采用优质粘土进行造浆, 正循环排渣工艺。因为全部为水上作业, 如采用泥浆船则受波浪、潮汐的影响大, 使用不便, 影响成孔进度和施工安全, 因此在施工平台上建立泥浆循环体系, 即施工一个孔位时, 利用同一个施工平台上另一排架的钢管桩作为循环池。本工程中钢管桩内管底5m或8m及桩顶以下4m为钢筋混凝土, 其余为空芯, 因此在桩顶混凝土段浇注前, 可以利用钢管桩作为循环池。在施工孔的孔口设一缺口, 换浆时泥浆携带浮渣从缺口流出通过木板加工的泥浆槽流至循环钢管内, 在泥浆循环池钢管上方用三角架吊装一台离心式泥浆泵, 通过软管将池内经过沉淀和过滤后的泥浆压入施工孔底 (软管的出浆口捆绑在冲击锤上下到孔底) 。可根据现场情况选择较远的孔位作为循环池, 或加大泥浆槽的宽度, 以加大泥浆流程, 促进沉渣更快的沉淀, 同时人工用钢丝网做成的网兜在孔口和泥浆槽内不断拦截和捞取浮上来的沉渣。浮渣过程中, 不时的提冲击锤抖动, 扰动沉渣, 利于砂石从孔口流出。当发现泥浆中较大砂石的含量少时可以在孔口流槽里加适量的水, 利于较小的砂石沉淀。
3.6 清孔
经多次冲孔、换浆桩底达到设计高程经终孔检查符合要求后, 进行清孔工作。清孔的目的是减小孔底沉淀层厚度至规定范围内, 防止孔底沉渣过厚降低桩身承载力和增加附加沉降, 同时也为在泥浆环境下灌注水下混凝土创造更好的条件。清孔的具体操作与排渣基本相同, 清孔完成时泥浆比重在1.1~1.2g/cm3之间, 黏度20s~22s, 含砂率小于4%。用检孔器检查孔径和垂直度符合要求后安装钢筋笼和导管, 沉放导管时检查导管的连接是否牢固和密实, 以防止漏气漏浆而影响灌注。在混凝土灌注前需要再次测量孔底沉渣厚度, 不满足设计要求时利用导管进行二次清孔。当孔口返浆比重及沉渣厚度均符合规范要求后, 应立即进行水下混凝土的灌注工作。
3.7 钢筋笼制作和安装
钢筋笼在平台上分段制作, 直接用冲击钻机起吊, 入孔后焊接成型, 各节段钢筋接头应错开, 同一截面的接头总数不超过50%, 钢筋的搭接采用单面焊, 焊缝长度不小于10d。本工程采用超声波法检测桩身混凝土完整性, 有钢筋混凝土段检测管用U形环焊接固定在钢筋笼加劲筋上, 空心段将底部钢筋笼段的三根主筋往上延伸到孔顶, 每4m设一道加劲箍筋, 用于固定检测管。钢筋笼和检测管焊接速度要快, 以免时间过长影响成孔质量, 钢筋笼入孔后通过三根延伸主筋和其顶部加强箍筋将其固定在护筒口上, 支撑系统应稳定、牢固, 确保钢筋笼在灌注过程中不倾斜、不移动。要保证检测管焊接安装过程中的密封性。钢筋笼每隔2m设置砼垫块, 垫块等距绑在钢筋笼周径上, 每周四个。钢筋笼的底面标高控制在±50mm以内。钢筋笼下放到位并固定后开始下导管, 导管下口距离孔底在40cm左右。
3.8 水下混凝土浇注
混凝土灌注采用导管法。由于是在海上浇注混凝土, 码头平台距离岸边较远最远的桩距离混凝土泵300m, 且海上风浪较大, 起重船移动和使用非常不便, 一旦发生混凝土堵管而不能及时处理, 很容易造成断桩事故。因此, 本工程一方面加大设备资源配置, 另一方面加强了以下质量控制措施。
(1) 加强混凝土配合比控制, 保证混凝土强度达到设计要求, 同时加强混凝土拌和系统计量装置的校验, 严格计量和测试管理。
(2) 混凝土灌注时加强对混凝土搅拌时间和混凝土坍落度的控制。因为混凝土搅拌时间不足会直接影响混凝土的强度和工作性能, 混凝土坍落采用18cm~22cm, 灌注过程中随时了解混凝土面的标高和导管的埋入深度。导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2m~6m, 严禁把导管底端提出混凝土面。
(3) 采用混凝土输送泵输送混凝土, 砼的运输时间和距离应尽量缩短以迅速、不间断为原则, 防止在运输过程中产生离析, 灌注开始后, 应紧凑、连续地进行, 严禁中途停工。
4 施工难点及处理措施
在钢管桩基础施工前, 组织所有施工、技术人员对施工工艺流程和质量控制要点及方法进行了探讨, 对于可能出现的问题提出了预防处理措施, 但因项目地质情况复杂, 海上施工条件恶劣, 仍遇到一系列问题, 相应的采取了解决措施。
4.1 海上起重船配合工作难度大
项目所在海域直接面临印度洋, 波高浪激, 长周期的涌浪造成起重船晃动剧烈, 无法正常工作。经过研究, 决定在嵌岩桩施工中尽可能减少对水上设备的依赖, 除钻机由岸上到水上平台和水上平台之间的转移采用起重船外, 其他如钻机在平台上的孔位间的移动、冲击锤起落、钢筋笼安放、砼灌注等尽可能由桩机自身配合小型机具完成, 泥浆循环在水上平台上进行, 这样有些工序环节可能会慢些, 工人劳动强度增大, 但变不可控因素为可控因素, 总体上提高了施工效率, 并保证了施工安全。
4.2 钢管底部变形成卷口
在超前钻和冲击成孔过程中仍发现部分钢管桩发生底部卷口变形, 根据变形程度采取不同的措施:对轻微卷口的, 回填强度高的块石至变形部位, 用冲击锤反复冲击, 将卷口部位的钢管冲击屈服;对卷口较为严重的, 经设计验算适当减小嵌岩段桩径。
4.3 倾斜岩面的处理
根据地质资料显示, 部分区域岩面起伏大, 如B11、B12两桩间距8m, 岩面高差达12m, 存在倾斜岩面的可能性大。在这些桩冲孔时, 当孔深接近岩面时, 采用小冲程试探冲孔, 当落锤时钢丝绳抖动严重或偏向一边, 则可认为冲击面为倾斜岩面, 这时往孔内投入片石, 将孔底垫平后再冲击成孔。
4.4 溶洞桩的处理措施
根据地质勘察报告和超前钻资料显示, 本工程桩端持力层中风化泥灰岩中, 局部发现溶洞和裂隙, 且较发育。因此施工过程中结合现场情况, 采取相应的处理措施。
冲击成孔过程中, 根据超前钻资料, 在钻到溶洞顶部附近时, 采用小冲程, 将溶洞击穿, 防止卡钻的发生。一旦发生泥浆面下降, 应迅速补水, 根据溶洞的大小进行回填, 然后仍采用小冲程轻砸, 将回填材料挤入溶洞内部。对于一些溶槽、溶沟、小裂隙等可投放粘土, 如果还发现泥浆流失严重, 可投入整袋水泥堵塞起到护壁作用;对于封闭的比较小的溶洞 (洞深在1m左右) , 若洞内无填充物或填充物不满, 直接填入碎石和粘土, 并固结成型后钻孔。若洞内有大量填充物时, 可向洞内填入砂子, 起到密实作用;当遇到体积较大的溶洞时 (洞深在1m~2 m) , 先填入大块碎石, 而后填入粘土, 中间间隔地投入不同粒径的碎石和砂子。如果回填的石头和粘土没有作用, 仍多次漏浆, 采用直接灌注水下混凝土的方法堵漏。
在溶洞桩混凝土浇注过程中, 要控制好溶洞段的灌注速度和导管埋深。在浇筑溶洞桩尤其是有较大溶洞的桩时, 不应只按常规方法计算首灌量, 应备足比首灌量多三倍以上的砼后方可开始浇筑, 保证导管埋入砼0.6m以上, 防止首灌时穿孔造成导管下口未被封埋入砼内, 造成管内反泥浆现象, 导致砼开浇的失败。一般来说, 为了保证桩身的砼质量, 在浇筑过程中, 一定要严格控制导管埋入砼的深度, 按照规范, 在砼浇筑过程中导管埋深以2m~6m为宜 (但溶洞桩施工并不能完全拘泥于此) , 过大或过小都会在不同外界条件下出现不同形式的质量问题另外在浇注混凝土过程中, 因为往往无法准确估算在施工中筑成的孔壁所能承受的压力, 一旦浇筑过程中砼压力大于溶洞段孔壁所能承受的压力导致穿孔, 砼面将迅速下降, 极易造成导管下口露出砼面, 造成断桩, 因此在溶洞桩的浇筑过程中尤其是在有较大溶洞的情况下, 导管埋深宜取规范上限, 控制在6m左右[2]。
对钻孔时漏浆严重或多次漏浆的孔, 要做到心中有数, 在灌注时应适当加大混凝土灌注高度, 一般考虑要超过桩顶设计高程1.5m~2m, 尽量避免在灌注完成拔出导管后混凝土面下降过多造成断桩。
嵌岩灌注桩的整个施工过程属隐蔽工程项目, 质量检查比较困难, 要保证钻孔灌注桩的施工质量, 其关键还在于人, 现场管理人员要有高度的责任心, 以防为主, 对桩基各个施工环节要充分重视并精心施工, 只有这样桩基的质量控制才能得到保证。本工程中经对完成的桩基进行超声波检测、PDA测试和钻芯取样检测, 各项指标均达到设计要求, 也验证了施工中所采取的各项质量控制措施是正确的, 有效的。
摘要：本文主要结合印度尼西亚PACITAN电厂卸煤码头中嵌岩钢管桩施工实践, 分析总结嵌岩钢管桩施工质量控制要点及一些问题的处理措施, 为以后类似条件的桩基施工提供借鉴。
关键词：嵌岩钢管桩,超前钻,冲击成孔,溶洞
参考文献
[1] 印尼PACITAN燃煤电厂施工图设计.
[2] 交通部第三航务工程勘察设计院.港口工程桩基规范 (JTJ 254-98) [S].人民交通出版社.