淺談大體積封底混凝土施工技術(shù)

1、淺談大斷面鋼板樁圍堰水下封底砼施工技術(shù)朱洪葛摘要：本文以永寧黃河公路大橋主墩41#、42#圍堰封底施工為背景，系統(tǒng)闡述了大型圍堰封底施工的工藝方法，介紹了大型圍堰水下混凝土封底的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)，總結(jié)了永寧黃河公路大橋主墩承合成功封底的施工工藝，對以后同類施工有一定指導(dǎo)和借鑒。關(guān)鍵詞：鋼圍堰；大體積水下混凝土；澆筑工藝； 質(zhì)量控制1、前言極易產(chǎn)生各種混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，輕者會(huì)影響混凝土的耐久性，重者會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水下大體積混凝土在大型橋梁、大型碼頭、大型水壩等現(xiàn)代工程建設(shè)中占有越來越重要的地位，因此這些大體積混凝土施工工藝控制、結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)劣就顯得相當(dāng)重要，然而由于大體積混

2、凝土體積龐大，一次性混凝土澆筑量大，澆筑過程連續(xù)性強(qiáng)，水下工程條件復(fù)雜，若施工措施不力，導(dǎo)致封底失敗，或者封底厚度不均，嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能。因此，對大體積混凝土施工工藝進(jìn)行有效的控制，成為施工中經(jīng)常遇到的問題。下面以用永寧黃河公路大橋主墩圍堰封底工程為例，進(jìn)行闡述論證。2、工程概況永寧黃河公路大橋工程主橋橋跨結(jié)構(gòu)布置為（110+260+110）m雙塔雙索面斜拉橋，橋梁寬2×16.5m。承臺(tái)施工采用鋼圍堰加內(nèi)撐，圍堰長54.0m，寬34.8m，封底砼厚2.5m，找平層為0.5m設(shè)計(jì)封底混凝土方量為4698m33、工藝原理3.1封底方案選擇項(xiàng)目部通過對水下封底和干封兩種形式進(jìn)行對比

3、，干封混凝土施工方便，混凝土質(zhì)量容易控制，節(jié)約成本，但其受水位及地質(zhì)影響大，適用于施工水位低，透水性差的地質(zhì)條件。水下封底施工過程復(fù)雜，混凝土質(zhì)量控制較難，混凝土平整度不易控制，施工成本大，但其不受水位和地質(zhì)影響。進(jìn)過計(jì)算必選，結(jié)合地質(zhì)狀況和橋址段黃河水文狀況，最終選擇最優(yōu)的水下封底混凝土并在承臺(tái)的腰部增加抗拔樁加大混凝土抗浮能力的方法進(jìn)行施工。3.2封底混凝土強(qiáng)度計(jì)算圍堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水頭差引起的向上的壓力，封底混凝土標(biāo)號為C25，其容重=23kN/m3，施工時(shí)清理基底保證封底混凝土厚度不小于3.0m，考慮到封底砼底部分“夾砂”及頂面的浮漿問題，計(jì)算取2.5m有效厚度。封底

4、混凝土所受荷載： q=水h水砼h砼 =10×（1110.5-1097.211）-23×2.5=75.4kN/m2 采用有限元midas軟件對未加抗拔樁封底砼進(jìn)行實(shí)體建模如圖3.2-1。 圖3.2-1 未加抗拔樁封底砼建模 模型中，將鋼板樁內(nèi)側(cè)與封底砼間、鋼護(hù)筒與封底砼間共同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行DX、DY、DZ方向的約束，對模型進(jìn)行加載計(jì)算，結(jié)果如圖3.2-2。圖3.2-2 未加抗拔樁時(shí)封底砼強(qiáng)度（單位：N/mm2） 由上圖計(jì)算結(jié)果可知封底砼最大等效應(yīng)力為0.53MPa=0.5MPa。且考慮到大面積封底砼為水下澆筑，一般設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)給予折減。所以在未加抗拔樁的情況下封底砼強(qiáng)度不滿足要求！

5、施工擬考慮在承臺(tái)橫橋向上下兩側(cè)各增加兩根2200mm砼抗拔樁，加入抗拔樁后封底砼建模如圖3.2-3。圖3.2-3 加入抗拔樁后封底砼建模 加載計(jì)算結(jié)果如圖3.2-4。圖3.2-4 加入抗拔樁時(shí)封底砼強(qiáng)度（單位：N/mm2） 由上圖計(jì)算結(jié)果可知加入抗拔樁后，封底砼最大等效應(yīng)力為0.22MPa0.8=0.8×0.5MPa=0.4MPa，滿足要求！3.3 抗拔樁計(jì)算抗拔樁抗拔力按其與封底混凝土粘結(jié)力相等計(jì)算，混凝土容重取23kN/m3，細(xì)沙樁周極限摩阻力為45kPa，護(hù)筒與封底混凝土粘結(jié)力取120kPa，抗拔系數(shù)取0.5，安全系數(shù)取1.5，護(hù)筒直徑2.5m，樁身直徑2.2m。 單根抗拔樁承

6、受的抗拔力R1=2.5x3.14x2.5x120=2355kN. 設(shè)樁底深入封底混凝土底面以下深度為L 則，樁周抗拔極限摩阻力Q1=0.5x2.2x3.14x(L+2.5)x45=155.43L+388.58 樁自重Q2=(3.14x2.22/4)(L+2.5)x23=87.39L+218.46 Q1/1.5+Q2=R1=2355kN 155.43L+388.58+1.5x(87.39L+218.46)=1.5x2355 L=9.8m，取L=10m 樁身按設(shè)計(jì)抗拔力R1配筋，需抗拉鋼筋面積As=2355000/253=9308.3mm2 選用3020的HRB400鋼筋。3.4 基坑底土抗隆起驗(yàn)

7、算在工況二下圍堰內(nèi)清淤到+1097.211m標(biāo)高時(shí)，須驗(yàn)算坑底的承載力，如承載力不足，將導(dǎo)致坑底土的隆起。本工程基底抗隆起計(jì)算參照Prandtl（普朗德爾）和Terzaghi（太沙基）的地基承載力公式，并將樁墻底面的平面作為極限承載力的基準(zhǔn)面，承載力安全系數(shù)的驗(yàn)算公式如下： 式中：Nq、Nc -按Prandtl公式時(shí)， ；c-土的粘聚力(kPa)； -土的內(nèi)摩擦角（°）；-土的重度(kN/m3)； t-支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度(m);h-基坑開挖深度(m); q-地面荷載(kPa)。對于工況二進(jìn)行驗(yàn)算，則=12.4=23 =8.41.2,滿足要求！3.5 基坑底管涌驗(yàn)算 在工況一下圍堰內(nèi)抽水

8、至+1103.5m標(biāo)高時(shí)，圍堰內(nèi)外水頭差為7m，基底可能發(fā)生管涌現(xiàn)象，因此需對此工況下基坑底進(jìn)行管涌驗(yàn)算。圍堰內(nèi)不發(fā)生管涌的條件為：K=1.5在工況一下： K=4.91.5，滿足要求！4、水下混凝土封底施工工藝4.1施工準(zhǔn)備 1）水下吸泥施工本工程封底砼面以上土層為砂性土，圍堰內(nèi)吸泥采用水下吸泥法施工。根據(jù)圍堰設(shè)計(jì)要求，在內(nèi)支撐安裝到位后并保持圍堰內(nèi)外水位一致的情況下進(jìn)行水下吸泥施工。為保證圍堰內(nèi)水位能始終與圍堰外水位保持一致，在鋼板樁插打前，每個(gè)圍堰選擇6根鋼板樁根據(jù)設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高至低水位時(shí)的高度在鋼板樁上開孔設(shè)置開關(guān)閥，在圍堰內(nèi)水下吸泥過程中打開開關(guān)閥使圍堰內(nèi)水位隨河水漲落變化，在封底砼達(dá)到

9、強(qiáng)度準(zhǔn)備抽水前，在低水位時(shí)關(guān)閉開關(guān)閥。吸泥施工采用高壓水槍配合泥漿泵進(jìn)行作業(yè)，清理圍堰內(nèi)基底至封底砼底標(biāo)高，清理完后檢查基底平整度并作好記錄。水下吸泥工作原理：機(jī)具由一臺(tái)22kw泥漿泵帶1臺(tái)11kw高壓水槍，吸泥管端綁定高壓水槍槍頭。工作時(shí)整個(gè)吸泥管伸入水中，用高壓水將河床泥沙沖為泥漿，由泥漿泵吸出泥漿以此往復(fù)循環(huán)直至設(shè)計(jì)吸泥標(biāo)高。 水下吸泥施工示意如圖4.1-1。圖4.1-1 水下吸泥施工示意圖吸泥至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，潛水員下水利用高壓水槍將封底砼高度范圍內(nèi)鋼板樁及鋼護(hù)筒沖洗干凈以保證封底砼與鋼板樁、鋼護(hù)筒的粘結(jié)力。4.2 圍堰內(nèi)抽水、基礎(chǔ)開挖、鋼管樁基礎(chǔ)割除及回填封底混凝土作用：一方面通過封底混

10、凝土與樁基鋼護(hù)筒、鋼板樁形成一個(gè)整體，依靠其自重、封底砼與鋼護(hù)筒、鋼板樁的粘結(jié)力抵抗水浮力；另一方面在封底砼達(dá)到強(qiáng)度圍堰內(nèi)抽水后，封底砼對鋼板樁下部形成有效支撐。封底砼采用導(dǎo)管法水下澆筑。施工前先利用鋼護(hù)筒或鉆孔平臺(tái)定位樁放置型鋼分配梁，其上鋪設(shè)腳手板作為封底施工平臺(tái)。然后根據(jù)圍堰尺寸及樁基位置布置封底導(dǎo)管。封底平臺(tái)布置示意如圖4.2-1。圖4.2-2 封底平臺(tái)布置示意圖封底導(dǎo)管采用300mm鋼管，導(dǎo)管頂部裝有一設(shè)法蘭盤的管節(jié)與儲(chǔ)料斗相接，儲(chǔ)料斗采用樁基施工時(shí)首盤沖灌的儲(chǔ)料斗。導(dǎo)管計(jì)劃使用39根，導(dǎo)管在使用前須進(jìn)行水密試驗(yàn)，導(dǎo)管安裝時(shí)，每個(gè)接頭須預(yù)緊檢查，下放固定時(shí)，導(dǎo)管下口懸空1520cm。

11、導(dǎo)管布置按每根導(dǎo)管的作業(yè)半徑4m考慮，導(dǎo)管固定在平臺(tái)分配梁上。灌注前，把儲(chǔ)料斗裝滿混凝土。一切準(zhǔn)備工作就緒后，利用吊機(jī)“拔球”使混凝土瞬間通過導(dǎo)管壓向基底，在導(dǎo)管周圍堆成一平坦的混凝土圓錐體，然后吊運(yùn)混凝土漏斗通過導(dǎo)管源源不斷地灌入錐體內(nèi)，混凝土在水下攤開和升高，直至達(dá)到承臺(tái)底設(shè)計(jì)標(biāo)高。封底混凝土澆筑順序及導(dǎo)管布置見圖4.2-2圖4.2-2封底混凝土澆筑順序及導(dǎo)管布置4.3封底混凝土澆筑要求封底混凝土應(yīng)自流平，混凝土拌合物應(yīng)和易性好、不泌水、不離析，流動(dòng)性好、擴(kuò)展性好。在澆筑過程中時(shí)刻關(guān)注圍堰外側(cè)水位，確保內(nèi)外水位一致。4.4封底混凝土澆筑準(zhǔn)備工作4.4.1.1測量放線技術(shù)人員給出圍堰十字線及

12、邊線，精確探明基底各部位的標(biāo)高。4.4.1.2基坑清底鋼板樁圍堰形成后，對基坑要進(jìn)行清底。潛水員下水采用高壓水泵和水力吸泥機(jī)，清理圍堰基底至設(shè)計(jì)標(biāo)高，清理完后檢查基底平整度并作好記錄，同時(shí)潛水員對封底范圍內(nèi)的鋼護(hù)筒及鋼板樁進(jìn)行沖洗，以保證封底砼與鋼護(hù)筒、鋼板樁的粘結(jié)力。4.4.1.3施工布置封底平臺(tái)的布置，利用鋼護(hù)筒、鉆孔平臺(tái)定位樁搭設(shè)封底砼平臺(tái)作為封底砼施工過程中人員操作、小型機(jī)具的堆放平臺(tái)；導(dǎo)管內(nèi)徑為300mm的鋼管，具有足夠的抗拉強(qiáng)度和密水性，能安全地承受自重力和裝滿混凝土的重力。導(dǎo)管的內(nèi)徑要一致，誤差不大于±2mm，內(nèi)壁要光滑無阻，管體要不漏、不裂。導(dǎo)管組拼后要做水密試驗(yàn)，試

13、驗(yàn)壓力不小于入水深度水壓的1.5倍。導(dǎo)管與頂節(jié)用帶止口橡膠墊的法蘭盤螺栓連接。法蘭盤必須與導(dǎo)管軸線垂直，且應(yīng)焊有加強(qiáng)肋塊。導(dǎo)管組拼后用鋼尺丈量出準(zhǔn)確的長度并在頂部根據(jù)封底厚度標(biāo)識(shí)尺寸刻度；在基坑頂搭設(shè)灌注支架，以懸掛緩降器漏斗及導(dǎo)管，導(dǎo)管的提升利用懸掛在支架上的倒鏈協(xié)助施工；4.5水下封底混凝土灌注注意事項(xiàng)由于水下混凝土面積大，不可能一次同時(shí)“沖灌”灌注。水下混凝土封底采用導(dǎo)管分項(xiàng)逐根灌注，其灌注順序應(yīng)從低至高、從橫橋向一側(cè)至另一側(cè)逐個(gè)進(jìn)行。從低至高灌注是為了避免因高處導(dǎo)管內(nèi)混凝土往低處流淌造成導(dǎo)管底口脫空或埋入的厚度過薄，致使導(dǎo)管底口進(jìn)水，發(fā)生質(zhì)量事故；從橫橋向一側(cè)至另一側(cè)灌注是為避免基底浮

14、泥及封底頂面的浮漿集中在基礎(chǔ)中間，影響封底混凝土的厚度。水下混凝土灌注前要精確探明基底各部位的標(biāo)高，首先用尖錘測量導(dǎo)管底處基底標(biāo)高，待首批混凝土灌入后再用平底錘測量埋管深度，待確認(rèn)導(dǎo)管埋深滿足要求后再移動(dòng)儲(chǔ)料斗至下一根導(dǎo)管。封底混凝土配合比的選用：選用配合比的強(qiáng)度要提高10-20%，充分考慮水下混凝土的特性。拌合混凝土要求有足夠的流動(dòng)性，以順利通過導(dǎo)管，并能在水下自動(dòng)攤開?；炷恋奶涠瓤刂茷?8-22cm，開始灌注階段，采用增加適量水泥或粉煤灰來增加混凝土的流動(dòng)性和黏度，使其具有良好的和易性，避免在灌注過程中產(chǎn)生離析?；炷翍?yīng)摻入適量緩凝劑，初凝時(shí)間不小于12小時(shí)。每根導(dǎo)管的首批混凝土坍落度

15、不要太大，以避免因落下的混凝土不能形成一定坡率而埋不住導(dǎo)管底口。首批混凝土的數(shù)量：v=R2h/3=5m3,R為擴(kuò)散半徑，最大為4m,h為導(dǎo)管底口處混凝土埋高，h=0.3m。備用一臺(tái)插入式振動(dòng)器，在漏斗頸混凝土卡住時(shí)，用來疏通混凝土?；炷翑嚢钑r(shí)間較普通情況稍加長，一般不小于2min。施工中安排專人精確探明基坑底標(biāo)高、砼表面標(biāo)高，應(yīng)該控制導(dǎo)管埋深?；炷翝仓皯?yīng)對所有機(jī)具設(shè)備進(jìn)行檢修，確保能正常工作運(yùn)行后才能開盤，同時(shí)應(yīng)備好易損件。圖5.4-4封底混凝土施工示意圖5、施工效果 以永寧黃河公路大橋主橋41#、42#主墩圍堰封底為例，按以上施工工藝進(jìn)行大型鋼板樁圍堰封底施工后抽水完觀察封底效果很好，整個(gè)圍堰未見涌水現(xiàn)象出現(xiàn)，封底平整度滿足后續(xù)施工要求。說明施工中所采取的措施是成功的