楊宗仁,史學(xué)偉

(1.河北大直徑工程井建設(shè)有限公司,河北石家莊 050031;2.黑龍江省第一地質(zhì)勘察院,黑龍江牡丹江 157011)

滬 -蓉高速鐵路跨越漢江特大橋樁孔施工技術(shù)

楊宗仁1,史學(xué)偉2

(1.河北大直徑工程井建設(shè)有限公司,河北石家莊 050031;2.黑龍江省第一地質(zhì)勘察院,黑龍江牡丹江 157011)

介紹了滬 -蓉高速鐵路武漢蔡家灣特大橋巖溶區(qū)域鉆孔施工工藝、施工設(shè)備的選擇,施工技術(shù)參數(shù)的確定,以及巖溶地層鉆孔施工常見事故的處理及預(yù)防。

巖溶地層;橋樁;樁孔;沖擊反循環(huán)

滬 -蓉高速鐵路是一條橫跨我國東西的鐵路客運(yùn)干線,連接上海、武漢、成都等現(xiàn)代化的大城市,鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為 200～250 km/h,是我國最早開工建設(shè)的鐵路客運(yùn)專線?？缭綕h江特大橋——武漢蔡家灣漢江特大橋是滬 -蓉鐵路的重要工程。蔡家灣漢江特大橋位于武漢市境內(nèi),大橋全長為 912 km。主橋基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,167、168號主橋墩位于漢江水道中。每個(gè)主墩由 12根 “218 m/“215 m的變截面鉆孔灌注樁組成樁基礎(chǔ)。鉆孔施工在水中平臺上進(jìn)行,鋼護(hù)筒頂標(biāo)高 +28 m,底標(biāo)高為 -2 m,長度為 30 m,江底泥面標(biāo)高為 +8 m,設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高為 -45 m不等。每個(gè)樁孔位置上都布置有超前鉆探孔,以查明溶洞的分布及形狀。

主橋址區(qū)域的工程地質(zhì)情況:第四系覆蓋層主要以粘性土、粉砂、砂礫為主,呈密實(shí)狀?；鶐r為灰?guī)r地層,溶洞、溶隙發(fā)育,形態(tài)復(fù)雜,溶洞內(nèi)部充填物多為流塑～軟塑狀粘性土,局部夾碎石,少數(shù)溶洞無充填?；鶐r巖面起伏變化大,個(gè)別相鄰樁 (樁距 515 m)的巖面高差達(dá)到 8 m以上,一般巖面高差都有 2～3 m,巖溶地層溶洞呈垂直方向多層分布,溶洞高一般為 016～118 m,最大溶洞高為 519 m,個(gè)別樁孔最多要穿過 5層大小不等的溶洞。

1 鉆孔工程施工的特點(diǎn)

(1)鉆孔直徑大:167、168號主橋墩鉆孔直徑為“310 m/“215 m,每個(gè)主墩設(shè)計(jì) 12根鉆孔灌注樁,為行列式布置。

(2)鉆孔進(jìn)入基巖深度大:自鉆孔平臺起計(jì)算,最大鉆孔深度為 78 m,個(gè)別鉆孔進(jìn)入基巖深度為 40 m,有的要穿過 5層大小不同的溶洞。巖石抗壓強(qiáng)度最大為 78 MPa。

(3)鉆孔施工在水上平臺進(jìn)行,平臺搭設(shè)時(shí)正值漢江的主汛期,江水流速為 2110 m/s,最高水位為 +26 m,水深為 18 m,施工至枯水季節(jié)最低水位為 +11 m,水深為 3 m,15 m高的水位高落差增大了水上平臺鉆孔施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)巖溶發(fā)育區(qū)域鉆孔施工極易產(chǎn)生鉆孔漏漿、坍孔、斜孔、掉鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故,增加了鉆孔施工難度。

2 鉆孔施工工藝的確定

主墩鉆孔施工在水中平臺上進(jìn)行,鉆孔平臺以沉放到預(yù)定深度的 “218 m×δ20 mm的鋼護(hù)筒和“018 m×δ10 mm鋼管樁為支撐體,與其上面的HN700型雙拼鋼聯(lián)系梁、貝雷梁、工 25型鋼和δ8 mm花紋板組成鉆孔施工平臺。

綜合分析施鉆區(qū)域的工程地質(zhì)條件以及回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和沖擊鉆進(jìn)工藝的特點(diǎn)和適應(yīng)性,采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和沖擊鉆進(jìn)相結(jié)合的成孔工藝方法。上部覆蓋層部分,選用 GF-300型鉆機(jī)使用刮刀鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),氣舉反循環(huán)排渣工藝。基巖地層部分,根據(jù)巖溶地層巖性硬、脆、碎,巖面起伏變化大,巖層傾角大,溶洞、裂隙發(fā)育,易出現(xiàn)漏漿、坍孔等特點(diǎn),基巖部分鉆孔施工選用 YCJF-250型和 CZ-250型鉆機(jī)沖擊鉆進(jìn),反循環(huán)和正循環(huán)排渣工藝。

3 施工設(shè)備的選擇

施工設(shè)備的選擇,關(guān)系到鉆孔工程的質(zhì)量和安全。密實(shí)狀的砂、礫石層選用 GF-300型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn),巖溶地層選用 YCJF-250型和 CZ-250型沖擊鉆機(jī)鉆進(jìn)。各種型號鉆機(jī)的性能參數(shù)見表 1。

表 1 幾種型號鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)

4 覆蓋層鉆進(jìn)工藝

3種型號的鉆機(jī)在施工前期都進(jìn)行了覆蓋層鉆進(jìn)施工,GF-300型鉆機(jī)使用氣舉反循環(huán)排渣工藝,30 m左右的覆蓋層用時(shí) 3天完成,CZ-250型鉆機(jī)使用正循環(huán)排渣工藝,用了 15天的時(shí)間才完成覆蓋層鉆進(jìn),YCJF-250型鉆機(jī)用時(shí) 7天左右的時(shí)間。為了提高鉆進(jìn)效率,其余鉆孔的覆蓋層部分都由 GF-300型鉆機(jī)施工。GF-300型鉆機(jī)覆蓋層鉆進(jìn)使用六翼刮刀鉆頭。護(hù)筒內(nèi)使用清水鉆進(jìn)至地腳 210 m位置處,向孔內(nèi)加入一定量的膨潤土,通過反循環(huán)排渣膠管的高速水流自行攪拌使膨潤土分散,再加入一定量的純堿和水解聚丙烯酰胺等處理劑進(jìn)行攪拌,泥漿性能指標(biāo)為:密度 1112 g/cm3,粘度 23 s,含砂率 2%,pH值 9,膠體率 98%。保證鉆出護(hù)筒后覆蓋層孔壁的穩(wěn)定。

為了使沖擊鉆進(jìn)接續(xù)順利進(jìn)行,回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆孔要保證:鉆孔直徑≮2150 m,鉆孔垂直度控制在 1/200以內(nèi),覆蓋層鉆進(jìn)完成后,泥漿粘度可達(dá)到 25～28 s,密度為 1115～1125 g/cm3,以利于后續(xù)的沖擊反循環(huán)和沖擊正循環(huán)接力鉆進(jìn)。

5 YCJF-250型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)基巖地層沖擊鉆進(jìn)工藝

由于主墩橋址區(qū)域內(nèi)的基巖巖面起伏變化大,同一鉆孔 215 m直徑范圍內(nèi)巖面高差在 2～3 m,巖層傾角大,巖溶裂隙發(fā)育,使用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝極易發(fā)生鉆孔偏斜,引發(fā)憋鉆、滾刀脫落、掉鉆等孔內(nèi)事故。采用 YCJF-250型鉆機(jī)沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)和 CZ-250型鉆機(jī)沖擊正循環(huán)鉆進(jìn)工藝,通過向巖面傾斜孔段和溶洞內(nèi)回填塊石和粘土能夠得到有效的處理。巖溶洞發(fā)生漏漿時(shí),沖擊鉆能夠及時(shí)將鉆頭提出孔外,避免因泥漿漏失引起塌孔導(dǎo)致發(fā)生埋鉆事故。

5.1 鉆機(jī)鉆進(jìn)工藝原理

沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)工藝是使用兩根鋼絲繩通過提引盤提引鉆頭,提引盤可在鉆頭中心管體上相對轉(zhuǎn)動(dòng)。在沖擊油缸的作用下,通過同步卷筒的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),兩根鋼絲繩在工作狀態(tài)時(shí)始終受力相等,在兩根鋼絲繩中間設(shè)置排渣管,通過鉆頭中心管下入孔底,在鉆頭上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊破碎巖石時(shí),用地表的砂石泵實(shí)現(xiàn)反循環(huán),通過排渣管將破碎巖石及時(shí)排至地表獲得進(jìn)尺。與傳統(tǒng)的正循環(huán)沖擊鉆進(jìn)相比,反循環(huán)沖擊鉆進(jìn)工藝具有孔底清潔、減少鉆渣的重復(fù)破碎、沖擊鉆進(jìn)與排渣連續(xù)進(jìn)行等特點(diǎn),鉆進(jìn)效率顯著提高。

5.2 基巖開孔及溶洞頂板鉆進(jìn)施工

根據(jù)每個(gè)樁孔施工前的超前鉆孔勘察資料,基本掌握了基巖巖面的走勢和溶洞的頂板位置及溶洞的埋深。沖擊鉆進(jìn)至基巖面和溶洞頂面時(shí),采用手動(dòng)操作使用小沖程、低頻率的鉆進(jìn)工藝參數(shù),以減少?zèng)_擊鉆頭順著巖面下滑和傾倒的趨勢,如在沖擊鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)鋼絲繩在平面位置上偏擺嚴(yán)重,說明孔底巖面不平或巖質(zhì)軟硬不均勻。此時(shí)應(yīng)停止沖擊鉆進(jìn),向孔內(nèi)投入抗壓強(qiáng)度不小于巖層抗壓強(qiáng)度的巖塊,采用小沖程、低頻率的工藝參數(shù)鉆進(jìn),形成均質(zhì)截面的孔底,待在傾斜的巖石面上沖擊出臺階后,隨臺階截面的增大逐漸提高鉆頭的沖擊行程和頻率,恢復(fù)正常鉆進(jìn)。填石高度一般以高出引起鉆孔傾斜界面 115 m左右為宜。如沖至原位后鋼絲繩仍偏擺嚴(yán)重,應(yīng)繼續(xù)填石糾偏直到鉆進(jìn)平穩(wěn)。在溶洞頂板鉆進(jìn),應(yīng)用手動(dòng)沖擊鉆進(jìn),采用低沖程工藝參數(shù),鉆穿溶洞,防止遇有大的溶洞發(fā)生落鉆引起卡鉆等孔內(nèi)事故。同時(shí)要有專人觀察鉆孔內(nèi)泥漿液面的變化,發(fā)現(xiàn)泥漿漏失,應(yīng)立即將鉆頭提離孔底,防止因泥漿漏失引起塌孔導(dǎo)致埋鉆事故的發(fā)生。

5.3 巖溶孔段的鉆進(jìn)施工

溶洞中鉆進(jìn),由于鉆孔進(jìn)入溶洞范圍內(nèi),溶洞的內(nèi)壁、頂板和底板高低不平,鉆進(jìn)溶洞頂板及底板都相當(dāng)于在傾斜巖面開孔的問題。因此必須采取相應(yīng)處理措施,根據(jù)超前鉆孔地質(zhì)資料、沖擊鉆進(jìn)時(shí)地表設(shè)備的聲音和鋼絲繩的偏擺情況進(jìn)行判斷。空洞鉆進(jìn)須分層回填粘土坯和巖石塊,在無泥漿循環(huán)的情況下經(jīng)反復(fù)沖砸以形成新的孔壁,堵塞原溶洞內(nèi)填充物的活動(dòng)通道及地層裂隙,防止孔壁坍塌和泥漿流失。鉆頭在溶洞內(nèi)沖擊高低不平的巖面時(shí),或一部分為巖石面,一部分為懸空時(shí),容易造成卡鉆或斜孔事故。必須向孔內(nèi)拋填巖石塊和粘土坯,用低沖程、無泥漿循環(huán)反復(fù)沖擊密實(shí),形成均質(zhì)截面的孔底和新的孔壁再回復(fù)正常鉆進(jìn)。

5.4 氣舉反循環(huán)排渣鉆進(jìn)工藝

水上鉆孔平臺搭設(shè)時(shí)正值漢江的主汛期,最高江水位為 +26 m,設(shè)計(jì)鉆孔平臺的標(biāo)高為 +28 m,枯水季節(jié),江水位為 +11 m。為保證工作鋼護(hù)筒底腳部分地層不被“反壓穿”及孔壁的安全,正常鉆進(jìn)施工時(shí),護(hù)筒內(nèi)的泥漿液面始終比江水位高出 2～5 m?？菟竟?jié)施工,工作鋼護(hù)筒內(nèi)無水段的高度在10 m以上,YCJF-250型沖擊鉆機(jī)配置的泵吸反循環(huán)排渣工藝因砂石泵的吸程過大無法正常工作,施工現(xiàn)場將泵吸反循環(huán)改為氣舉反循環(huán)排渣工藝。在排渣鉆桿距底口 5 m的位置設(shè)置混合室,送風(fēng)管選用 “30 mm的高壓纏絲膠管并列式設(shè)置,每隔 6 m與鉆桿固定。YCJF-250型鉆機(jī)在低江水位時(shí)使用氣舉反循環(huán)工藝如圖 1所示。

氣舉反循環(huán)空壓機(jī)風(fēng)量參數(shù)的確定。

圖 1 YCJF-250型鉆機(jī)應(yīng)用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝示意圖

5.5 沖擊鉆孔施工卡鉆事故的預(yù)防及處理

在巖溶地層沖擊鉆進(jìn),由于 “215 m沖擊鉆頭的重力為 75 kN,鉆機(jī)液壓絞車的提升能力為 100 kN,鉆孔施工過程中,多發(fā)的孔內(nèi)事故是沖擊鉆頭在孔內(nèi)發(fā)生卡、夾,無法正常提出。

5.5.1 發(fā)生卡鉆事故的原因

(1)隨著沖擊鉆進(jìn)進(jìn)尺,鉆頭的外出刃磨損,直徑變小未及時(shí)焊補(bǔ)鉆頭導(dǎo)致卡鉆。鉆頭外出刃磨損直徑逐漸變小,一次焊補(bǔ)后的鉆頭直徑過大,又采用高沖程沖擊鉆進(jìn),導(dǎo)致卡鉆事故的發(fā)生。

(2)巖溶地層破碎及溶洞內(nèi)充填有塊石,在鉆頭超過該段孔壁時(shí),塊石探露出孔壁形成“探頭石”,卡住鉆頭的錐腳或錐頂發(fā)生卡鉆事故。

(3)在沖擊鉆進(jìn)鉆頭鉆穿溶洞的頂板進(jìn)入溶洞時(shí),沖程過大導(dǎo)致鉆頭卡、夾在不規(guī)則的溶洞內(nèi)。

(4)溶洞在鉆孔內(nèi)形成半壁孔,沖擊鉆進(jìn)過程中采用沖程過大或放繩過多,導(dǎo)致沖擊鉆頭傾斜,鉆頭的上部頂在孔壁位置,發(fā)生卡鉆事故。

(5)沖擊鉆進(jìn)過程中,鋼絲繩破斷掉入孔內(nèi)或地表掉入孔內(nèi)鐵件,卡在鉆頭翼與孔壁的位置,發(fā)生卡鉆事故。

5.5.2 卡鉆事故的處理方法

處理孔內(nèi)卡鉆事故,首先分析發(fā)生卡鉆事故的原因,再采取有針對性的措施進(jìn)行處理,避免盲目,造成孔內(nèi)事故的疊加。

(1)由于鉆頭磨損因素引起的卡鉆,可用絞車的最大能力進(jìn)行提升,再輔以液壓油缸的沖擊力進(jìn)行沖擊提升,無效時(shí)可在 2根提升鋼絲繩上用再卡住兩根輔助鋼絲繩,使用 2個(gè) 100 kN的手動(dòng)倒鏈進(jìn)行輔助提升,同時(shí)再用重錘沖擊被卡鉆頭的圍圈部分,借助重錘沖擊時(shí)鋼絲繩的反彈力一般能將鉆頭提出。

(2)孔壁探頭石卡鉆,采用重錘沖擊露出孔壁的探頭石,同時(shí)配合鉆頭的上下活動(dòng),將探頭石沖擊破碎或脫落掉入孔內(nèi)提出鉆頭。

(3)使用帶有打撈鉤的鋼絲繩放入孔內(nèi),鉤掛住鉆頭的安全繩位置后,與主繩同時(shí)提動(dòng),或交替提動(dòng),并多次上下、左右擺動(dòng),有時(shí)能將鉆頭提出。

(4)使用 “89 mm或 “114 mm的水文鉆桿,在底部焊有倒鉤,鉤住鉆頭的翼板或安全繩位置,使用千斤頂強(qiáng)力提升,有時(shí)能將被卡住的鉆頭松動(dòng)提出。

(5)采用以上方法處理被卡鉆頭無效時(shí),可使用水下爆破的方法。用卷揚(yáng)機(jī)的最大提升力拉緊提升鉆頭的鋼絲繩,將適量的鹵化炸藥放置于鉆頭的底部引爆,借助爆炸沖擊力使鉆頭產(chǎn)生松動(dòng),提出被卡的鉆頭。

5.5.3 預(yù)防卡鉆事故的措施

(1)在沖擊鉆進(jìn)過程中,要根據(jù)鉆頭的磨損情況及時(shí)補(bǔ)焊鉆頭,采用“少焊勤焊”的方法,新補(bǔ)焊的鉆頭下入孔內(nèi)先采用低沖程沖進(jìn)再恢復(fù)正常。

(2)在破碎、易坍塌掉塊的孔段進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)時(shí),要加入粘土塊反復(fù)沖擊,把粘土擠入破碎的地層孔壁,使易坍塌的地層孔壁穩(wěn)定。

(3)在溶洞的頂板、溶洞及半壁溶洞孔段、溶洞的底板處,要采用安全工藝參數(shù)進(jìn)行沖進(jìn)。

(4)在正常的沖擊鉆進(jìn)過程中,要控制泥漿的含砂率,必要時(shí)采用機(jī)械的方法凈化泥漿,保證孔內(nèi)的安全。

6 結(jié)語

在巖溶地層中成孔,根據(jù)回轉(zhuǎn)和沖擊鉆進(jìn)工藝對地層的適應(yīng)性等因素綜合考慮,選用施工工藝和設(shè)備。實(shí)踐證明,在以粘性土、砂礫層為主的第四系地層,采用氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝,保證安全的情況下能夠取得明顯的進(jìn)尺效率。在破碎、巖溶發(fā)育的基巖地層,使用沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)工藝,采取相應(yīng)的工藝技術(shù)措施,能夠保證鉆孔的質(zhì)量安全,并能夠取得較好的進(jìn)尺效率,是處理巖溶發(fā)育復(fù)雜地層的有效方法。

[1] 鐵道部大橋勘測設(shè)計(jì)院.蔡家灣特大橋施工圖設(shè)計(jì)[R].2007.

[2] TB 10203-2002,鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

[3] 靖向黨.鉆孔工程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

Construction Technology of Pile Hole for Shangha i-Chengdu High Speed Ra ilway Overpassing Hanjiang Super-long Bridge

YANG Zong-ren1,SHI Xue-wei2(1.Hebei Large Diameter EngineeringWell Construction Co.,Ltd.,Shiji-azhuang Hebei 050031,China;2.No.1 Institute of Geological Exploration of Heilongjiang,Mudanjiang Heilongjiang 157011,China)

The paper introcuced the drilling construction technology of Shanghai-Chengdu high speed railway in karst stru-tum,togetherwith the equipments selection,technical parameters determination and the treatment&prevention for com-mom accidences of drilling construction in such strutum.

karst strutum;bridge pile;pile hole;percussive reverse circulation

U473.15+4

A

1672-7428(2010)02-0047-04

2009-10-28

楊宗仁 (1971-),男 (漢族),內(nèi)蒙古赤峰人,河北大直徑工程井建設(shè)有限公司副經(jīng)理、注冊安全工程師、注冊建造師,巖土工程專業(yè),從事大直徑工程井施工技術(shù)及管理工作,河北省石家莊市建華南大街 58號,hbjkyzr@sina.com。