水下砼事故处理及预防.doc

灌注桩混凝土水下浇注的
工程事故预防及处理
马　永　琪
(中航勘察设计研究院，北京　100086)
　　【摘要】 结合工程实例，阐述了灌注桩水下浇注混凝土的技术要点，针对施工中常见的工程事故，提出了预防及处理的技术措施。方法切实可行，效果显著。
　　【关键词】 水下浇注　坍落度　缺陷处理
0　前言
　　桩基础日益成为软弱地基上工业建筑、高层楼宇、码头桥梁、重型仓储等工程经常采用的一种深基础型式。钻孔灌注桩受到了建筑设计、施工单位的重视，使其成为目前桩基础中最受欢迎的一种型式。
　　钻孔灌注桩受工程地质条件及水文地质条件的影响，大多数钻孔灌注桩必须采用水下浇注混凝土的方法施工。
1　水下浇注混凝土施工方法
　　水下浇注混凝土施工是灌注桩质量控制中最重要的一个环节。
　　水下浇注混凝土是用混凝土从孔底开始灌注，将孔内泥浆置换出来，成为混凝土桩；一般使用密封的刚性导管浇注混凝土，也可使用混凝土输送泵连接的柔性胶管直接插到孔底浇注混凝土，因设备投入较大，没有被普遍采用。
　　导管浇注混凝土施工必不可少的设备还有料斗、隔水阀、导管提升机械等，为便于施工，导管分节制作，最底一节长度不超过6.0m，导管直径常用200～300mm。料斗容积为1.0m3比较合适。
　　隔水阀主要有底盖式、滑阀式两种见图1。

图 1　隔水阀示意图
　(a)滑阀球塞
1.φ6钢筋　2.胶皮　3.预埋木块　4.C20混凝土　D＝导管内径-20　H＝D＋50　　　(b)底盖
　　　　1.导管　2.钢制底盖
　　底盖式是在导管底部安设一底盖，将导管慢慢沉到孔底再在导管及料斗中注满混凝土，逐步提起导管，底盖随即脱落。
　　滑阀式是将导管先放入孔内，导管底端距孔底0.5～0.7m(视导管直径而定)，用铁丝将隔水阀吊放在导管内水面上(不留孔隙)，料斗内注满混凝土后，剪断铁丝，隔水阀将导管内水排出后留在孔内*，初次浇注的混凝土保证导管插入深度不小于1.0m。
　　浇注过程中，理想的混凝土流动方式是：最先浇注的混凝土在最上部，一直与泥浆面稳定接触，但是，在导管插入深度较小时，导管内新注入的混凝土是从导管四周向上流动的，只有导管插入较深时，混凝土才会整体上升**。导管最大埋深不得大于6.0m。
　　浇注过程中，应及时掌握孔内混凝土面上升的高度及导管插入深度，测定每个混凝土面位置应取两个以上的测点，测绳受拉伸、湿度等因素影响，所标长度变化较大，须经常校正。
　　浇注混凝土必须连续进行，否则先浇灌进去的混凝土达到初凝，将阻止后浇灌的混凝土从导管中流出。施工中，混凝土浇注速度应尽可能地快一些，较好的方法，是将混凝土从运输搅拌车中直接投到导管的料斗中去。终止浇注混凝土前，须确定混凝土面真实高度，以见混凝土中粗骨料为准。
　　在进行灌注桩施工之前，为确保水下浇注混凝土作业，在调查确认混凝土搅拌站的设备性能、拌制能力、运输能力等条件的同时，还必须充分考虑施工场地内外运输车运行路线、交通状况，卸料设备、排除孔内泥浆措施等。
2　经常遇到的工程事故
　　水下浇注混凝土质量问题有如下几种：
　　(1)导管堵塞
　　(2)导管漏水
　　(3)导管拔出混凝土面
　　(4)混凝土上返不流畅
　　(5)导管被混凝土埋住、卡死
　　(6)钢筋笼上浮
　　(7)混凝土拌制不符合要求
　　这些问题带来的后果是：
　　(1)断桩
　　(2)桩顶空心
　　(3)桩身有夹渣、蜂窝
　　(4)桩身配筋减少
　　以上事故可以通过施工记录分析、无破损检测等方法来确定，由于灌注桩施工的不可逆性，其事故处理就非常困难。
3　事故的预防
　　水下浇注混凝土质量事故的预防应从两方面来解决，其一是加强管理，严把质量关，其次是提高施工人员的素质和操作水平，减少人为的差错。常见事故预防的技术措施一般有如下几个方面：
　　(1)混凝土配合比中水灰比控制在0.5～0.6，砂率应在40%～50%，粗骨料最大粒径应小于40mm，混凝土坍落度控制在18～20cm，要有良好的流动性、和易性，用料上优先采用中粗沙，级配较好的卵石，矿渣硅酸盐水泥，避免使用普通硅酸盐水泥。
　　混凝土和易性与水泥品种、砂率有极大的关系，砂率小、粗骨料级配不好，搅拌出的混凝土极易离析，影响水下浇注混凝土质量。
　　水泥品种对混凝土的流动性影响极大，如采用普通硅酸盐水泥搅拌出的混凝土，在和易性、坍落度都满足要求的情况下，由于混凝土的“粘滞力”较大，浇注过程中，混凝土上返不顺利，需经常提管、拆管，不仅影响浇注速度，还极易造成事故。
　　例如济青公路惠民段某立交桥采用钻孔灌注桩基础，桩径φ1200，桩长27.00m，在灌注2-7＃桩时，使用525＃普通硅酸盐水泥，混凝土和易性很好、坍落度为17～19cm，采用φ300导管灌注，由于混凝土上返不顺利，频繁拆卸导管，导管插入混凝土中的深度很小，共浇注混凝土35m3，浇注时间竟达7h。后经无破损测试检验，在桩顶下8m处，混凝土呈蜂窝状。后改用425＃矿渣硅酸盐水泥，浇注同样一根桩的时间仅为1h20min。在不得已使用525＃普通硅酸盐水泥时，建议在正常的混凝土配合比中添加减水剂，并在尽可能短的时间内浇注完毕。混凝土配合比还应考虑运输距离、气温影响，在夏季或运输过程中时间较长时，应加混凝土缓凝剂，浇注前混凝土坍落度降低可以加水灰比为0.5～0.6的素水泥浆。
　　(2)导管使用前须做密封试验，使用后及时冲洗，预制隔水阀要准备充足，为了加快灌注速度，混凝土最好从运输搅拌车中直接投到导管的漏斗中去，我院自1985年开始使用，效果很好，浇注40m3混凝土的一根桩，一般不超过90min。
　　(3)导管底端距孔底高度依据桩径、隔水阀种类、大小而定，最高不超过0.5m，浇注过程中，应匀速向导管料斗内灌注，如突然灌注大量的混凝土导管内空气不能马上排出，可能导致堵管，若管内空气从导管底端排出，可能带动导管拔出混凝土面。
　　(4)浇注过程中，须不断测定混凝土面上升高度，并根据混凝土供应情况来确定拆卸导管的时间、长度，以免发生桩身夹渣、断桩或“埋管”事故。如济青公路某大桥桩基础(桩径φ1200)施工中，灌注混凝土12m3时，按照理论或经验计算，混凝土面上升高度约9.0m左右，但实测高度仅为3.2m，仅凭经验判断，已造成工程事故。
　　(5)导管插入混凝土中的深度应根据搅拌混凝土的质量、供应速度、浇注速度、孔内护壁泥浆状态来决定，一般情况下，以2～6m为宜。
　　如果导管插入混凝土中的深度较大，供应混凝土间隔时间较长，且混凝土和易性稍差，极易发生“埋管”事故。如某时代大酒店灌注14＃桩时导管被埋住，是由于导管插入混凝土中的深度较大，和易性又差造成，某水泥厂水泥库钻孔灌注桩施工时，发生了三次埋管事故，均是因为导管插入混凝土中的深度大，浇注时间长所致。
　　如果预料到不能及时供应混凝土(超过1h)，混凝土运输距离远，交通堵塞等因素时，除混凝土中加缓凝剂外，导管插入混凝土中的深度不宜太小，据已往经验，以5～6m为宜，每隔15min左右，将导管上下活动几次，幅度以2.0m左右为宜，以免使混凝土产生初凝假象。浇注混凝土中断超过2h，应判为断桩。
　　(6)产生桩顶空心的因素有：导管插入混凝土中的深度较大，混凝土坍落度小，桩径小(≤φ800)桩顶空心呈不规则漏斗形，其深度、位置与导管拔出时的位置、桩顶混凝土状态有关。
　　某水泥厂熟料库桩基础施工现场实测数据如下：　　

桩径：φ600
桩长：28m
导管直径：φ250
灌注结束时导管插入混凝土中深度：10m
灌注混凝土面终止高度：地表
导管拔出混凝土
后持续时间／s
20
120
300
600
开挖后
空心
深度
24＃桩
1.6m
1.0m
0.8m
0.7m
0.6m
19＃桩
1.3m
0.6
0.5m
0.5m
0.4m

　　防止桩顶空心，建议采用如下方法：
　　(1)灌注结束前导管插入混凝土中深度不超过6.0m；
　　(2)灌注结束后，导管拔出混凝土之前，导管上下活动几次，幅度不超过50cm，或者用机械、人工振捣桩顶混凝土，时间不超过20s。
　　(3)尽可能缩短灌注时间，避免使桩顶混凝土产生假凝现象、降低桩顶混凝土的流动性。
4　工程事故处理
　　工程事故处理必须按照有关规定、程序，与业主、设计单位、监理公司等有关部门协商，经批准后，才能进行。
　　(1)桩身缺陷处理
　　桩身缺陷必须经过目前国家认可的检测手段确定，最好能够定量地指出桩身缺陷的范围、严重程度。
　　如场地条件允许，可采用补桩处理，每个缺陷桩两侧各补一根。
　　对于桩身有夹渣、蜂窝的缺陷，可以采用注水泥浆处理。例如济青公路惠民段某立交桥2＃-7＃桩，桩身蜂窝采用抽芯钻孔注浆处理，素水泥浆用525＃普通硅酸盐水泥，水灰比是0.45∶1，桩顶抽芯钻孔两个，从其中一个钻孔口用水泵压清水，另一孔中返水至清后，用注浆泵注素水泥浆，注浆管从孔底开始注浆，两个孔都返出合格水泥浆为止。后经无破损检验，满足工程要求(见图2)。
　　(2)导管拔出混凝土面
　　水下浇注混凝土过程中，如误将导管拔出混凝土面，必须及时处理。孔内混凝土面高度较小时，终止浇注，重新成孔；
　　孔内混凝土面高度较高时，可以用二次导管插入法，其一是导管底端加底盖阀，插入混凝土面1.0m左右，导管料斗内注满混凝土时，将导管提起约0.5m，底盖阀脱掉，即可继续进行水下浇注混凝土施工。由于要克服泥浆对导管的浮力，混凝土面较深时，不宜采用；其次是用滑动球阀“二次求和法”处理，以某水泥厂生料库54＃桩为例见图3，具体操作步骤如下：
　　①准确测定混凝土面位置为地表下6.0m，将φ250、长7.0m导管吊放在混凝土面上。用双股7＃铁丝系上预制混凝土球阀，放在导管内水面上；
　　②导管上料斗内注入混凝土0.1m3，缓慢将预制混凝土球阀放在导管底端，把铁丝固定在料斗上。
　　③把导管插入混凝土面下1.0m，料斗内注满混凝土。

图 2　2＃-7＃桩动测波形及频谱曲线
(a)未经处理之前　　(b)经注浆处理之后
　　④剪断铁丝，连续浇注混凝土至地表。
　　此方法使用时，必须由有经验的工程师现场指导，导管长度、吊预制混凝土球阀铁丝长度、铁丝抗拉强度、混凝土面实际位置等数据，必须在事先正确确定。
　　(3)导管卡死、断裂造成的断桩
　　导管插入混凝土中拔不起来或被拔断，如果桩径较大，可以采用二次导管插入法处理，否则只能补桩、接桩。
　　接桩一般用人工孔的办法处理，清除桩顶残渣，接钢筋笼，浇注混凝土至设计标高。
　　某时代大酒店桩基础工程，14＃桩导管断裂，终止浇注混凝土；桩径φ600，配筋长13.0m，混凝土等级C20，14＃与15＃桩共一承台，上为构造桩，因而不能用补桩的办法处理，只能接桩。
　　桩径小、场地小、地层以砂层、花岗岩残积土为主，是富水层，人工挖孔处理失败，后采用钻机处理见图4。

图 3　二次求和法实际操作示意图

图 4　14＃断桩处理示意图
　　　　①用抽芯钻机取样，确定混凝土面高度是在地表下14.0m，浮渣层很薄，利用抽芯钻机在桩顶四周处理浮渣层；
　　②用10mm厚的钢板，制作一个内径φ600、长14.00m的钢筒，底口镶嵌合金钻刃，上顶封闭，中心焊一个与回转钻机方钻杆插接的套筒。
　　③将钢筒放入孔内，回转钻机支稳、校正，利用钢筒作钻具，使用清水正循环钻进，钢筒嵌入桩顶1.00m，停止。
　　④将清水换做水灰比0.5∶1的素水泥浆注入钢筒内，筒外侧充满水泥浆为止；
　　⑤将钢筒顶盖切掉，2h后，用底吸式潜水泵排出筒内水泥浆，放入钢筋笼，干孔浇注C25混凝土至设计桩顶标高。
　　(4)钢筋笼上浮
　　非通长配筋的桩，当混凝土坍落度偏小、浇注速度较快时，容易将钢筋笼浮起，施工中除注意控制坍落度，浇注速度外，还应注意导管底端避免位于钢筋笼底口上下2.0m之内的位置；法兰连接的导管为防止挂钢筋笼，在法兰处加焊护罩效果好。
　　防止钢筋笼上浮的办法很多，如：笼顶主筋与钢护筒点焊在一起；用重物固定笼子吊环等；我们自1986年开始，采用在主筋上焊“倒刺”的方法，来防止钢筋笼上浮，效果很好。
　　“倒刺”用φ8～φ10钢筋制作(图5)，钢筋笼同一截面焊3～4个“倒刺”，每个笼子设两道即可。
　　(5)桩顶处理
　　设计桩顶标高常常低于地表，受泥浆各项指标、地层岩性、混凝土配合比等因素的影响，灌注混凝土时，桩顶超灌高度较难控制，一般桩顶浮渣层厚0.5～1.0m左右，混凝土面的高度，其准确的测定，应以见混凝土中粗骨料为准。
　　超过桩顶部分的混凝土，达到设计强度后，需要清除，方法有：　　

图 5　“倒刺”示意图
　　①人工凿除(效率低)；
　　②风镐凿除(噪音大，桩顶易受扰动)；
　　③手持冲击钻打孔，注化学膨胀剂清除(桩顶易受扰动)等。
　　我们在长期施工中，摸索出两种较好的方法，介绍如下：
　　其一是用具有一定压力的清水(压力不宜太大)，扰动桩顶上部混凝土，成为较松散、低强度的混合物，桩头开挖后，比较容易凿除。
　　其二是在灌注混凝土结束后2h，即将桩顶上部泥浆、浮渣层人工清掉，预留0.2～0.3m的保护层，24h后，人工凿除保护层即可，桩顶需要注意养护，不能失水、受冻。
　　*实际上，隔水阀并不一定留在桩底，有时可以浮在桩顶上，通过对桩身抽芯检查，可以证实。因此，预制混凝土球阀应与桩身混凝土等级相同。
　　**利用水下浇注混凝土方法对士孔灌注施工，可以直观观测到混凝土流动情况。
参　考　资　料
　1　周国钧，牛青山编译.灌注桩设计施工手册.北京：地震出版社，1991.5
作者简介：马永琪，男，35岁，高级工程师，主任工程师。1980年毕业于长春地质学院。主要从事深基坑开挖与支护和工程降水工作。
收稿日期：1996-05-03