煤礦主井井塔樁基施工與

煤礦主井井塔樁基施工探索與分析[謫要]根據(jù)主井現(xiàn)場(chǎng)的特殊情況，從樁基的設(shè)計(jì)、地基土的人工解凍、施工方法、采取的措施，分析樁基施工中應(yīng)注意的問題及取得的效果。[關(guān)鍵詞]鉆孔灌樁基：人工解凍：后壓漿：應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試1、前言主井井塔是煤礦能否按期投產(chǎn)的關(guān)鍵性工程之一，該工程設(shè)計(jì)規(guī)模在井塔類工程中堪稱“亞洲第一”，且在人工解凍的凍融土地基上建設(shè)如此井塔便是一個(gè)最大的創(chuàng)新，同時(shí)對(duì)凍結(jié)的地基土進(jìn)行了人工解凍也是前所未有的。為確保結(jié)構(gòu)安全，樁基采取后壓漿技術(shù)，埋設(shè)壓力盒、應(yīng)力計(jì)進(jìn)行隨時(shí)觀測(cè)。該項(xiàng)目的成功實(shí)施，將為今后凍融土的研究提供有力的依據(jù)?，F(xiàn)就ＸＸ莊煤礦主井井塔樁基施工過程中采取的措施、樁基設(shè)計(jì)施工方案作簡(jiǎn)要論述。工程概況：××煤礦一座特大型礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)煤碳800萬噸，主井井塔總高度90.8m，軸線尺寸23.9m×21.00m，共八層，建筑面積為4372㎡，建筑體積481978m3,鋼筋砼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，總重量為31000噸，可堪稱亞洲第一井塔。主井井筒采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)采用-330C鹽水，至2004年3月28日開始正式凍結(jié)，2004年10月26日停止凍結(jié)，凍結(jié)深度600米。由于主井井塔工期緊迫，2005年5月初，采用人工解凍，解凍深度為60米。解凍利用原凍結(jié)孔，采用熱鹽水循環(huán)。自2005年3月17日開始解凍，2005年6月30日停止解凍，累計(jì)解凍時(shí)間為105天。井塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁徑1m，樁長(zhǎng)45m，單樁豎向承載力特征值為4000KN~4300KN，總樁數(shù)為86根。3、地基現(xiàn)狀及采取人工解凍措施3．1主井前期凍結(jié)及自然解情況主井井筒設(shè)計(jì)凍結(jié)孔采用主排孔+內(nèi)排輔助孔，主排孔：布置圈徑18m，孔數(shù)44個(gè)，孔深307m，開孔間距1.28m;內(nèi)排孔：布置圈徑14m/12.5m，孔數(shù)18個(gè)，孔深150m/230m，開孔間距2.416m。自04年3月26日開凍，于2004年10月26日停凍，共計(jì)凍結(jié)212天。停凍后幾次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)如下表。主井1#測(cè)溫孔溫度變情況日期 深度日期153060831051351602052252502743012004.100.26-7.5-9.5-9.6-9.5-9.3-11.1-9.4-9-10.1-11.6-11.5-11.82004.111.02-7.1-9-8.5-9.1-9.3-7.5-8-7.7-8.7-10.1-10-10.12005.033.10-1.6-2.9-1.6-2-3-1.4-0.7-1-1.3-0.8-0.2-2.5經(jīng)合肥煤炭設(shè)計(jì)研究院勘察所于2005年3月17日初次勘探，地面向下3.7m便見凍土（硬度較大，無法鉆進(jìn)）；并查明凍土外圍半徑12m，根據(jù)勘查情況，及以上測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)結(jié)果，比照矸石井自然解凍測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，如完全自然解凍，尚需兩年時(shí)間。為確保礦井投產(chǎn)，提前施工井塔基礎(chǔ)，必須進(jìn)行人工強(qiáng)制解凍。3.2解凍方案：根據(jù)樁基結(jié)構(gòu)圖，對(duì)井塔內(nèi)排樁基2m范圍內(nèi)所有凍結(jié)孔進(jìn)行強(qiáng)制解凍，使這些凍結(jié)孔四周的凍結(jié)壁融化。設(shè)計(jì)樁深-50m，為保證樁基質(zhì)量，解凍深度定為60m。對(duì)在解凍范圍內(nèi)的凍結(jié)孔進(jìn)行熱鹽水循環(huán)，吸收凍結(jié)孔四周凍結(jié)壁的冷量，使之快速融化，恢復(fù)常態(tài)。具體方法是：對(duì)凍結(jié)孔因進(jìn)清水而封凍的孔進(jìn)行沖孔處理，在凍結(jié)孔內(nèi)下φ63×6的聚乙烯塑料軟管（下配加重管）作供液管，制作凍結(jié)孔鹽水循環(huán)去回路分配器，在地面設(shè)置鹽水箱，對(duì)箱內(nèi)氯化鈉鹽水進(jìn)行加熱，使鹽水達(dá)到一定溫度，再由鹽水泵把熱鹽水送入凍結(jié)孔去回路分配器，對(duì)凍結(jié)孔進(jìn)行加熱循環(huán)后，周而復(fù)始，直至凍結(jié)土融化。經(jīng)過歷時(shí)3個(gè)多月的人工解凍，于6月20日合肥煤炭設(shè)計(jì)院勘察所在井筒周邊采用徑向鉆孔進(jìn)行鉆探，均未發(fā)現(xiàn)凍土。為防止回凍，現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)維持解凍至6月30日全部停止解凍。4、樁基的設(shè)計(jì)與施工4.1樁基設(shè)計(jì)該工程樁基設(shè)計(jì)方案前期為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制鋼筋混凝土方樁，樁徑為400mmx400mm，初步確定樁長(zhǎng)27m，共布置樁位296根。因現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹窄，無預(yù)制場(chǎng)地，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制樁質(zhì)量不易控制，隨考慮改為預(yù)應(yīng)力管樁。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，預(yù)制應(yīng)力管樁價(jià)格較高，運(yùn)輸費(fèi)用很大，且如土質(zhì)稍硬，打壓過程中極易造成斷樁。無論采用預(yù)制方樁或預(yù)應(yīng)力管樁，打壓方法采用錘擊，最多上2臺(tái)設(shè)備，如采用靜壓僅能上1臺(tái)設(shè)備，且靜壓設(shè)備重達(dá)1000T，對(duì)場(chǎng)地的要求很高，場(chǎng)地必須保證靜壓機(jī)或錘擊樁移位方便，否則將在很大程度上制約打樁的進(jìn)度?？紤]主井井周圍的特殊性，有眾多的凍結(jié)管及冷凍溝槽，如采用預(yù)制方樁和預(yù)應(yīng)力管樁，場(chǎng)地很不利于打樁機(jī)的施工，且采用預(yù)制方樁和預(yù)應(yīng)力管樁，樁間距很小，現(xiàn)場(chǎng)樁位極易與凍結(jié)孔相碰，將直接造成樁的無法打入。綜合以上各種因素，經(jīng)充分的研究分析，確定樁基設(shè)計(jì)為機(jī)械鉆孔灌注樁，鉆孔樁機(jī)較為靈活，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地要求不高。為盡量加大樁間距，盡可能避免樁位與凍結(jié)孔相碰，盡量減少樁數(shù)，按大直徑樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)，樁徑確定為1.0m，有效樁長(zhǎng)45m，埋深-50m，共計(jì)布置樁數(shù)86根。其中擴(kuò)底樁44根，不擴(kuò)底樁42根，后壓漿處理28根，并根據(jù)樁基檢測(cè)要求，選定試樁3根，錨樁12根。4.2樁基施工4.2.1施工工藝流程：設(shè)置護(hù)筒——樁機(jī)就位——鉆孔（擴(kuò)底）——處理孔底虛土（沉渣）——鋼筋籠安放——插入導(dǎo)管——二次清孔——水下灌注砼、拔出導(dǎo)管——拔出護(hù)筒。4.2.2前期準(zhǔn)備：為確保樁基的按時(shí)開工，首先對(duì)主井附近樁位范圍的障礙物及凍結(jié)溝槽進(jìn)行拆除，中要并回填粘土壓實(shí)。在拆除及回填過程中，對(duì)樁位及凍結(jié)孔的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行核對(duì)，如有沖突，及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)部門進(jìn)行變更設(shè)計(jì)，并且在拆除和回填中要保證凍結(jié)管的垂直，避免凍結(jié)管在回填土中傾斜。為確保成樁機(jī)械行駛，其上鋪墊800㎜厚矸石壓實(shí)。由于回填土較厚約5m，且人工解凍后的土質(zhì)太差，給成孔帶來一定的難度。為確保上部不發(fā)生塌孔，故采用6m長(zhǎng)鋼護(hù)筒，以確保孔口的安全。由于正常施工護(hù)筒長(zhǎng)度僅為1m，現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)6m的護(hù)筒在埋設(shè)及拔出上就給施工帶來了很大的困難。為此，現(xiàn)場(chǎng)采用了25T汽車吊、樁機(jī)、挖掘機(jī)等多種機(jī)械協(xié)調(diào)配合的施工方法。4.2.3樁基施工工藝：由于該工程工期非常緊張，為加快樁基進(jìn)度，現(xiàn)場(chǎng)采用YTR230大型旋挖機(jī)進(jìn)行施工，并從北京專門加工了一套與旋挖機(jī)配套的擴(kuò)底鉆頭，大大提高了成孔速度（較常規(guī)成孔機(jī)械的效率提高近3倍），每樁的成孔耗時(shí)約為4小時(shí)。為保證混凝土澆筑速度，專門布設(shè)了一座砼攪拌站，設(shè)一臺(tái)JS750強(qiáng)制性攪拌機(jī)，一臺(tái)配料機(jī)，一臺(tái)HBT--60輸送泵，砼用泵送砼，砼內(nèi)摻加水泥用量1%的HT--4（華騰牌）高效泵送劑。4.2.4旋挖機(jī)的工作原理和特點(diǎn)本樁基工程采用干土直接取土工藝。旋機(jī)鉆孔取土?xí)r，依靠鉆桿和鉆頭自重切入土層，斜向斗齒在鉆斗回轉(zhuǎn)時(shí)切下土塊向斗內(nèi)推進(jìn)而完成鉆取土；遇硬土?xí)r，自重力不足以使斗齒切入土層，此時(shí)可通過加壓油缸對(duì)鉆桿加壓，強(qiáng)行將斗齒切入土中，完成鉆孔取土。鉆斗內(nèi)裝滿土后，由起重機(jī)提升鉆桿及鉆斗至地面，拉動(dòng)鉆斗上的開關(guān)即打開底門，鉆斗內(nèi)的土依靠自重作用自動(dòng)排出。鉆桿向下放關(guān)好斗門，再回轉(zhuǎn)到孔內(nèi)進(jìn)行下一斗的挖掘。每一循環(huán)視孔深不同約在1~5min內(nèi)完成。每鉆進(jìn)一斗，入土0.5~0.8m。50m深樁孔，在一般地質(zhì)條件下約100~200斗即告完成。軟土層最高小時(shí)進(jìn)尺能達(dá)到15m。旋挖鉆機(jī)的鉆進(jìn)特點(diǎn)：1）成孔速度快、質(zhì)量高；2）環(huán)保特點(diǎn)突出，施工現(xiàn)場(chǎng)干凈。這是由于旋機(jī)通過鉆頭旋土，再通過凱式伸縮鉆桿將鉆頭提出孔內(nèi)再缷土；3）行走移位方便。旋挖鉆機(jī)具有履帶，可以自行走；4）旋挖鉆機(jī)的地層適應(yīng)能力強(qiáng)。旋挖鉆機(jī)可以適用于淤泥質(zhì)土、粘土、砂土、卵石層等地層。4.2.5清水施工工藝的成孔工藝流程在成孔過程中不需泥漿護(hù)壁，而是鉆斗在慢速旋挖過程中自造的泥漿對(duì)孔壁起到一定穩(wěn)定作用，在旋挖鉆進(jìn)過程中，鉆斗往返于孔底與地表之間，所形成的孔壁比較粗糙。旋挖鉆孔灌注樁的樁土之間的咬合作用較強(qiáng)，能較好地反映出混凝土樁體與黃土及粉質(zhì)粘土之間的相互作用效應(yīng)。施工過程的質(zhì)量控制。為保證工程質(zhì)量，礦方根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，制定了一套嚴(yán)格的監(jiān)督驗(yàn)收制度及驗(yàn)收程序，實(shí)行了全過程的質(zhì)量控制。從護(hù)筒的埋設(shè)到砼灌注完畢，對(duì)每一分項(xiàng)必須根據(jù)驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行實(shí)測(cè)檢查，并現(xiàn)場(chǎng)簽字認(rèn)可。每一道工序未進(jìn)行簽字驗(yàn)收合格，堅(jiān)決不得進(jìn)行下道工序施工。從而有效地保證了樁基的工程質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)針對(duì)在－15m～－20m流沙層段由于人工解凍后成孔困難的情況，采取合理地調(diào)配泥漿比重，和控制鉆進(jìn)速度的辦法，有效地降低了在該段出現(xiàn)塌孔的機(jī)率。5、后壓漿技術(shù)的應(yīng)用5.1由于土層經(jīng)過凍融后，其物理力學(xué)指標(biāo)均顯著降低，為保證灌注樁滿足上部荷載要求，采用后壓漿技術(shù)進(jìn)行處理。鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)是通過預(yù)埋的后壓漿管路，對(duì)鉆孔灌注樁的樁側(cè)壓入水泥漿液，通過漿液的滲擴(kuò)、擠密和劈裂、壓實(shí)等方式，改善樁土界面，使樁側(cè)泥皮及樁周以內(nèi)的土體物理力學(xué)性能得以明顯改善，樁周一定范圍內(nèi)的土體得到加固，土體強(qiáng)度增加，增大樁側(cè)摩阻力，和減少沉降量，從而大幅度地提高鉆孔灌注樁的承載力，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。5.2后壓漿技術(shù)設(shè)計(jì)：樁側(cè)壓漿器分別距樁頂5m、10m、15m、20m四個(gè)斷面環(huán)向布置，壓漿器采用鋁塑花管在其表面套置具有一定彈性的材料組成，側(cè)壁壓漿導(dǎo)管選用內(nèi)徑φ20的鍍鋅鋼管，所有壓漿管路均采用絲扣和隔水帶嚴(yán)密聯(lián)接，漿液配制為P.O.32.5級(jí)水泥，水灰比0.5：1。主要設(shè)備選用BW—150型高壓注漿泵，其最大工作壓力為7MP，泵的排量為50～300L/min。5.3后壓漿施工：將樁側(cè)壓漿導(dǎo)管底接上三通和短節(jié)，以便與壓漿器鋁塑花管相連，并綁扎在相應(yīng)位置的鋼筋籠外側(cè)。壓漿管件下入應(yīng)隨鋼筋籠下置同時(shí)進(jìn)行，每下完一節(jié)鋼筋籠后，必須在壓漿導(dǎo)管內(nèi)注水檢查其密封性，壓漿管下入完畢，在管口必須擰上堵頭，防止雜物進(jìn)行管內(nèi)造成堵塞。為保證每根壓漿管暢通，每根樁身砼灌注完畢，養(yǎng)護(hù)三天后用清水預(yù)壓一遍。壓漿施工在樁身砼養(yǎng)護(hù)7天后進(jìn)行。先壓稀漿再逐漸加濃。壓漿過程中應(yīng)時(shí)刻觀察壓力表變化情況，并做好記錄。注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試注情況確定，樁頭出現(xiàn)返漿，可停止高壓注漿，24小時(shí)后補(bǔ)注漿一次。為防止壓注水泥漿完畢，因管內(nèi)壓力過大造成返漿現(xiàn)象，要求在壓漿管口處安裝相應(yīng)規(guī)格的水管球閥，在壓漿完畢后關(guān)閉球閥，待管內(nèi)漿液壓力釋放完畢后方可拆除。本工程共計(jì)注漿30根，共注水泥105噸。5.4后壓漿施工檢測(cè)與評(píng)價(jià)在后壓漿施工過程中，施工管理人員密切注意注漿時(shí)鉆孔內(nèi)及四周的變化，漿液通過高壓管到達(dá)預(yù)定的層段時(shí)開始注漿，當(dāng)該層段被漿液充分填滿后必定沿著井壁上升，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，造成樁頭出現(xiàn)返漿，有的甚至沿鉆孔埋設(shè)的護(hù)筒四周往上冒到地表，在這樣的情況下停止注漿，然后分層段進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。由此，我們認(rèn)為后壓漿達(dá)到了預(yù)期的目的，即樁側(cè)壓水泥漿液，使水泥漿液在樁四周土體劈裂，充填孔隙，擠推泥皮，樁周物理力學(xué)性質(zhì)改善，樁周土密實(shí)，樁與樁周土的粘結(jié)力加強(qiáng)，從而極大地提高了鉆孔灌注樁的承載力。對(duì)鉆孔樁樁頭開挖檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，通過后壓漿處理的鉆孔灌注樁，樁周出現(xiàn)水泥漿泡，水泥漿液在樁周擴(kuò)散，達(dá)到了預(yù)期目的。6、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)6.1測(cè)試目的：由于目前國內(nèi)外對(duì)凍融土研究甚少，各種地基土的物理力學(xué)指標(biāo)的選取具有一定的不準(zhǔn)確性，可能使鉆孔灌注樁承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，這將嚴(yán)重影響到整個(gè)工程的安全使用，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。為此，必須在工程建設(shè)和使用過程中對(duì)鉆孔灌注樁及其地基土進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變及凍融土溫度變化等方面的原位測(cè)試，為建筑物的安全使用提供準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)分析數(shù)據(jù)。6.2測(cè)試方法：通過在鉆孔灌注樁身和樁底埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)、溫度計(jì)和樁底埋設(shè)壓力盒來測(cè)試鉆孔灌注樁承受荷載時(shí)在凍融土及凍融土后壓漿條件下樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的分布特征，從而分析出凍融土對(duì)鉆孔灌注樁承載力的影響程度。鋼筋應(yīng)力計(jì)、壓力盒及溫度計(jì)選擇在28#、46#、71#、77#樁內(nèi)埋設(shè)，根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察報(bào)告，將鉆孔灌注樁樁基范圍內(nèi)場(chǎng)地地基土物理力學(xué)性質(zhì)和地基承載力特征值相近的土層歸并為五層：0.0～-6.0m;-6.0～-9.0;-9.0～-11.0;-11.0～-23.0;-23.0～-50.0(以場(chǎng)地自然地面標(biāo)高作為零點(diǎn))。在每一地層分界面上分別埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)、溫度計(jì)，每根樁的鋼筋應(yīng)力計(jì)分-6.0m-9.0m-11.0m-23.0m四個(gè)斷面安放，每個(gè)斷面4組;土壓力盒安放在樁底，通過這段時(shí)間的測(cè)試和分析，數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確而穩(wěn)定，能夠真實(shí)反映該工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。6.3檢測(cè)原理。檢測(cè)使用的鋼筋應(yīng)力計(jì)、壓力盒及溫度計(jì)為振弦式傳感器。振弦式傳感器工作原理為：儀器內(nèi)部有一根張緊的鋼弦，鋼弦一端固定，另一端則固定在測(cè)量元件（受壓膜片或測(cè)量端塊）上，受力后鋼弦長(zhǎng)度將產(chǎn)生微小變化，引起固定頻率的變化，根據(jù)振動(dòng)的諧振頻率與鋼弦的應(yīng)變或者應(yīng)力成正比從而計(jì)算出物理量的數(shù)值。這種基本關(guān)系可以用來測(cè)量多種物理量如應(yīng)變、荷載、力、壓力、溫度和傾斜等。振弦傳感器較一般傳感器的優(yōu)點(diǎn)就在于傳感器的輸出是頻率而不是電壓。頻率可以通過長(zhǎng)電纜（>2000m）傳輸，不會(huì)因?yàn)閷?dǎo)線電阻的變化、接觸電阻或絕緣改變而引起信號(hào)的明顯衰減。6.4檢測(cè)概況該工程從2005年7月30日開始檢測(cè)。針對(duì)各個(gè)階段的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化通過計(jì)算公式來計(jì)算和分析各階段樁基的軸力、摩阻力、樁端阻力及地溫的變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確而且穩(wěn)定。綜合軸力和側(cè)摩阻力的分析，我們認(rèn)為樁基處于正常穩(wěn)定的狀態(tài)，建筑物是安全的，從地溫的觀測(cè)分析結(jié)果上看，地溫基本保持穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)回凍現(xiàn)象。7、樁機(jī)檢測(cè)在樁基檢測(cè)中，合肥煤炭設(shè)計(jì)院勘察所打破了常規(guī)抽檢的方法，對(duì)每根樁都進(jìn)行了低應(yīng)變測(cè)試，以確定工程樁的樁身完整性。低應(yīng)變完整性檢測(cè)結(jié)果。通過對(duì)55#、75#、86#樁進(jìn)行抽芯取樣檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)15#、36#、39#樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)測(cè)試，3根工程樁的