侯小軍,趙金鵬

德大鐵路濟南黃河橋超長鉆孔樁成孔質(zhì)量控制技術(shù)

侯小軍,趙金鵬

(中鐵一局集團有限公司,西安 710054)

德大鐵路黃河特大橋100號、101號主墩位于黃河河道中間,基礎(chǔ)采用鉆孔樁,樁徑2.0m,最大鉆孔深度達110m,為解決由于鉆孔過深易產(chǎn)生的樁身傾斜、鉆進效率低、清孔難等問題,施工中選用了ZSD250型氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機及刮刀鉆頭,并針對成孔垂直度、鉆進參數(shù)、泥漿指標(biāo)等關(guān)鍵因素采取一系列有效措施進行控制,成孔質(zhì)量達到了理想效果,保證了成樁質(zhì)量。

鐵路橋;鉆孔灌注樁;反循環(huán)回轉(zhuǎn)成孔;質(zhì)量控制

1 工程概況

德大鐵路黃河特大橋位于山東省西北部,是德大鐵路重點控制性工程,屬于黃河下游魯北平原區(qū),距離黃河入?？?00～120 km,地勢總體較平緩。全橋全長8 092.74m,基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁,主橋鋼梁為1聯(lián)(120+4×180+120)m下承式變高度連續(xù)鋼桁梁,主橋設(shè)計樁徑2.0m,樁長較長,其中100號、101號墩樁基礎(chǔ)位于黃河河道中間,樁長分別為96m和93m,每個墩共計52根樁,最大鉆孔深度達110m。

該橋橋址2個主墩范圍主要以粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂為主,不易成孔,孔壁容易塌陷。而且主河槽內(nèi)樁基深度較深,因此成孔質(zhì)量控制是必須解決的重大技術(shù)難題。主橋范圍各主要地層厚度及埋深見表1。

表1 主橋范圍主要地層厚度及埋深m

2 質(zhì)量目標(biāo)要求

在該橋超長鉆孔樁施工時,嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進行施工,并通過成孔質(zhì)量控制,保證成樁質(zhì)量評定優(yōu)良率達到100%,垂直度≤1%,且小于50 cm,樁頂在順橋向和橫橋向的偏差均應(yīng)小于5 cm[3-5]。

3 成孔質(zhì)量控制過程

3.1 鉆機選擇

由于鉆具特殊結(jié)構(gòu)特征和流體力學(xué)動力特點,決定了大直徑、深孔樁基施工采用正循環(huán)體系鉆機效率低下,且難以清除孔底鉆渣。為了提高大直徑樁基的鉆進效率和有效清除孔底沉渣,德大鐵路黃河特大橋主橋樁基施工采用反循環(huán)鉆機工藝。

根據(jù)孔位處地質(zhì)及水文條件、孔深、施工場地、施工能力等因素,特別是地質(zhì)條件較為復(fù)雜,通過綜合考慮比選后,基于黃河大橋主橋100號、101號墩在樁基施工前需先搭設(shè)鉆孔平臺,為大型鉆機施工作業(yè)提供了牢固、穩(wěn)定、平穩(wěn)的環(huán)境,所以確定在黃河主橋的100號、101號墩樁基施工中選用ZSD250型氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機,鉆頭選用三翼刮刀鉆頭進行鉆孔施工。ZSD250型回轉(zhuǎn)鉆機機型及部件如圖1所示。

圖1 ZSD250氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機和三翼刮刀鉆頭

3.2 成孔質(zhì)量影響因素分析

通過分析,提出了10條影響樁基成孔質(zhì)量的末端因素,如圖2所示。

圖2 影響樁基成孔質(zhì)量的末端因素

對以上10條影響樁基成孔質(zhì)量的末端因素進行認(rèn)真驗證分析,最終確定了在進行鉆孔樁成孔施工時有以下3方面關(guān)鍵因素:垂直度控制、鉆進參數(shù)控制、泥漿指標(biāo)控制。

3.3 質(zhì)量控制對策

3.3.1 垂直度控制

設(shè)計鉆孔樁的垂直度要求控制在1%,對于本橋長度超過100m的超長鉆孔樁來說,如果現(xiàn)場控制不好就很容易超標(biāo)。施工時必須采取綜合措施,控制好成孔垂直度,一旦偏孔應(yīng)及時糾偏。具體控制措施如下。

(1)采取措施保證鉆機在鉆進過程中始終保持穩(wěn)定非常關(guān)鍵。鉆機平臺采用C20混凝土進行硬化處理,厚度15 cm,并通過擴大鉆機支撐面積及加強錨固等措施來保證鉆機平穩(wěn)及移位;派專人校核鉆架,每班檢查鉆架是否水平及鉆桿是否垂直;在每次交接班時都要檢查鉆機是否移位、錨固是否可靠;每次接鉆桿后都要檢查轉(zhuǎn)盤是否水平,并做好記錄。

(2)配備2名質(zhì)檢工程師對垂直度進行跟班檢測,在鉆進過程中每鉆進20m左右,用JJC-1D型測斜儀檢查一次垂直度,對于不符合要求的孔,要及時停止鉆進,及時糾偏。對新開孔的樁孔,通過加大檢測頻率(20 m/次),確定相應(yīng)鉆進參數(shù)下的孔位偏差,作為同類地質(zhì)情況下的鉆進依據(jù)。

3.3.2 鉆進參數(shù)控制

根據(jù)不同的地質(zhì)條件及時調(diào)整鉆進方法和參數(shù),當(dāng)遇到硬巖時要及時更換鉆頭,這對提高成孔質(zhì)量和功效非常關(guān)鍵。具體控制措施如下。

(1)剛開鉆時,進尺一定要慢,要控制好鉆壓,采用小鉆壓鉆進。在同一地層中正常鉆進時,要堅持減壓鉆進。規(guī)范要求,孔底壓力不能超過鉆具總重扣除浮力的80%,這就需要在鉆進過程中全程采取減壓鉆進。操作人員和技術(shù)人員要進行跟班檢測和控制。

(2)鉆進控制遵循分地層控制原則,針對不同的地層,采用不同的鉆進方法。如在砂性土層即粉沙層中鉆進時,采用低檔慢速,讓泥漿有充分的固壁時間;在砂類土或軟土層即粉質(zhì)黏土層中鉆進時易塌孔,控制進尺,低壓、低檔、慢速、小泵量、大比重泥漿鉆進;在粉質(zhì)黏土層中鉆進時,要堅持減壓原則,控制鉆壓,防止加壓或鉆具自重導(dǎo)致鉆錐切入土體過多,引起糊鉆;在黏土質(zhì)中鉆進,由于泥漿黏性大,鉆進所受阻力也大,易糊鉆,采用大泵量、中鉆速、小比重泥漿鉆進;在地層變換時,尤其是從軟弱地層進入較硬地層時(地表下20～30m,即新老淤積接觸層面),要慢速鉆進,上下來回掃孔,以防出現(xiàn)斜孔,前30 m是成孔質(zhì)量的關(guān)鍵。

(3)在富含硬石層及膠結(jié)砂巖層等堅硬土層鉆進時,將三翼刮刀鉆頭更換成牙輪鉆頭,并且鉆速采用慢檔。尤其是在變土層位置采用低壓慢轉(zhuǎn)施工,既能保證鉆進速度又能保證垂直度。牙輪鉆頭見圖3。

圖3 牙輪鉆頭圖片

3.3.3 泥漿指標(biāo)控制

鉆孔樁施工時,泥漿的性能及質(zhì)量控制是成孔成功與否的關(guān)鍵,具體控制措施如下。

(1)在深樁施工時,通過試驗專門配制復(fù)合泥漿。經(jīng)反復(fù)試配,通過各項指標(biāo)的測試比照,確定采用磷質(zhì)膨潤土泥漿。泥漿配置的材料為:膨潤土6%～8%,黏土20%,片堿0.3%,CMC0.5%,PHP0.05%,配制成優(yōu)質(zhì)泥漿。鉆孔全程監(jiān)測泥漿比重、含砂率、膠體率和泥皮厚度等指標(biāo),從而保證在極易坍塌的地層實施鉆孔的安全性。當(dāng)鉆至砂層或黏土層時,應(yīng)采用低檔慢速減壓鉆進,同時提高水頭,加大泥漿比重,以加強護壁效果,盡量減少對砂層的擾動,防止坍孔。

(2)開孔時采用造漿池造漿,因泥漿循環(huán)稀釋,可在鋼護筒內(nèi)按比例添加水和少量膨潤土及其他配料進行人工造漿,同時加入純堿對膨潤土進行鈉化改良。

(3)鉆進過程中,根據(jù)孔位地質(zhì)柱狀圖,確定不同土層中鉆進的泥漿性能指標(biāo)。同時,按照泥漿指標(biāo)分地層控制的原則,在鉆孔過程中隨時撈取鉆碴土樣,與設(shè)計資料比照,根據(jù)不同的地層,采用不同的泥漿指標(biāo)。在砂性土中,泥漿比重控制在1.15～1.25,使泥漿具有一定的液柱壓力,以達到平衡孔壁外圍地層壓力,穩(wěn)定孔壁,滿足反循環(huán)施工工藝的要求,黏度控制在20～25 s,以滿足鉆進護壁和二次清孔的要求;在黏性土中,泥漿相對密度控制在1.05～1.20,黏度控制在18～20 s,含砂率控制在3%以內(nèi),以加速鉆進速度[4-6],pH值維持在8～9左右,使泥漿處于堿性狀態(tài),提高黏土的分散度。泥漿性能指標(biāo)見表2。

表2 泥漿性能指標(biāo)

4 質(zhì)量控制成果

通過對樁基鉆孔施工各項工序的控制,加強質(zhì)量管理,超長鉆孔樁的成孔質(zhì)量達到了設(shè)計及規(guī)范的相關(guān)要求和預(yù)期目標(biāo),樁基成樁質(zhì)量評定優(yōu)良率100%,垂直度≤1%[6-10],且小于50 cm,樁頂在順橋向和橫橋向的偏差均應(yīng)小于5 cm,滿足規(guī)范要求。

德大鐵路濟南黃河橋超長鉆孔樁施工經(jīng)驗證明,超長鉆孔樁施工質(zhì)量的好壞主要取決于成孔質(zhì)量,施工中必須對影響成孔質(zhì)量的關(guān)鍵工序進行有效控制,重點控制好垂直度、鉆進參數(shù)、泥漿指標(biāo)等關(guān)鍵環(huán)節(jié),成孔質(zhì)量就能夠達到理想效果,保證成樁質(zhì)量。

參考文獻:

[1] 張紅武,將恩惠,等.黃河高含沙洪水模型的相似率[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,1994.

[2] 邱柏初.多沙河流跨河橋梁橋墩基礎(chǔ)設(shè)計研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2012(8):56-59.

[3] 鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.TZ322—2010鐵路橋梁鉆孔樁施工技術(shù)指南[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

[4] 唐德賢.京滬高速鐵路黃河特大橋長大鉆孔樁鉆頭的選用與改進[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(S1):62-64.

[5] 毛亮坤.氣舉反循環(huán)法在百米超長鉆孔樁施工中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(S1):89-91.

[6] 崔天寶.鄭州黃河公鐵兩用橋主橋長大鉆孔樁施工技術(shù)[J].世界橋梁,2011(1):17-19.

[7] 李少棟.水中長大鉆孔樁施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2009 (10):51-55.

[8] 李永軍.跨海大橋長大鉆孔灌注樁施工技術(shù)[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2005(S1):1-4.

[9] 毛亮坤.超厚細砂層地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁泥漿指標(biāo)控制[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2005(4):47-48.

[10]中華人民共和國鐵道部.TB10752—2010,J1148—2011高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

Quality Control Technology of Hole form ing of Extra-long Bored Piles of Ji'nan Yellow River Bridge on Dezhou-Dajiawa Railway

HOU Xiao-jun,ZHAO Jin-peng
(China Railway First Group Co.,Ltd.,Xi'an 710054,China)

The#100 and#101main piers of the supermajor bridge on the Dezhou-Dajiawa Railway over the Yellow River are located in themiddle of river channel of the Yellow River.Bored pileswere used for the foundations,going down to110 meterswith the diameter of2meters.To solve the problems,such as pile body inclining,low drilling efficiency,difficulthole-cleaning and so on caused by extra-deep drilling operation,the ZSD250 gas lift reverse circulation rotary drilling rig and the drag bit were selected and adopted during construction.In addition,a seriesof effectivemeasureswere utilized to control the critical factors such as the perpendicularity of hole-forming,drilling parameters,mud indexes and so on.As aresult,the ideal hole-forming quality has been achieved and ensured.

railway bridges;cast-in-situ bored pile;hole-forming by reverse circulation rotary drilling method;quality control

U443.15+4

B

1004-2954(2013)07-0060-04

2013-02-22

侯小軍(1974—),男,高級工程師,1998年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地下工程與隧道工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:hxj@sohu.com。