侯小軍,趙金鵬

德大鐵路濟(jì)南黃河橋超長(zhǎng)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(tuán)有限公司,西安 710054)

德大鐵路黃河特大橋100號(hào)、101號(hào)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(dá)110m,為解決由于鉆孔過(guò)深易產(chǎn)生的樁身傾斜、鉆進(jìn)效率低、清孔難等問(wèn)題,施工中選用了ZSD250型氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)及刮刀鉆頭,并針對(duì)成孔垂直度、鉆進(jìn)參數(shù)、泥漿指標(biāo)等關(guān)鍵因素采取一系列有效措施進(jìn)行控制,成孔質(zhì)量達(dá)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(diǎn)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(shì)總體較平緩。全橋全長(zhǎng)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(jì)樁徑2.0m,樁長(zhǎng)較長(zhǎng),其中100號(hào)、101號(hào)墩樁基礎(chǔ)位于黃河河道中間,樁長(zhǎng)分別為96m和93m,每個(gè)墩共計(jì)52根樁,最大鉆孔深度達(dá)110m。

該橋橋址2個(gè)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(jiàn)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(zhǎng)鉆孔樁施工時(shí),嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行施工,并通過(guò)成孔質(zhì)量控制,保證成樁質(zhì)量評(píng)定優(yōu)良率達(dá)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(guò)程

3.1 鉆機(jī)選擇

由于鉆具特殊結(jié)構(gòu)特征和流體力學(xué)動(dòng)力特點(diǎn),決定了大直徑、深孔樁基施工采用正循環(huán)體系鉆機(jī)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(jìn)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(jī)工藝。

根據(jù)孔位處地質(zhì)及水文條件、孔深、施工場(chǎng)地、施工能力等因素,特別是地質(zhì)條件較為復(fù)雜,通過(guò)綜合考慮比選后,基于黃河大橋主橋100號(hào)、101號(hào)墩在樁基施工前需先搭設(shè)鉆孔平臺(tái),為大型鉆機(jī)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(hào)、101號(hào)墩樁基施工中選用ZSD250型氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī),鉆頭選用三翼刮刀鉆頭進(jìn)行鉆孔施工。ZSD250型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)機(jī)型及部件如圖1所示。

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

3.2 成孔質(zhì)量影響因素分析

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

3.3 質(zhì)量控制對(duì)策

3.3.1 垂直度控制

設(shè)計(jì)鉆孔樁的垂直度要求控制在1%,對(duì)于本橋長(zhǎng)度超過(guò)100m的超長(zhǎng)鉆孔樁來(lái)說(shuō),如果現(xiàn)場(chǎng)控制不好就很容易超標(biāo)。施工時(shí)必須采取綜合措施,控制好成孔垂直度,一旦偏孔應(yīng)及時(shí)糾偏。具體控制措施如下。

(1)采取措施保證鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中始終保持穩(wěn)定非常關(guān)鍵。鉆機(jī)平臺(tái)采用C20混凝土進(jìn)行硬化處理,厚度15 cm,并通過(guò)擴(kuò)大鉆機(jī)支撐面積及加強(qiáng)錨固等措施來(lái)保證鉆機(jī)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(shí)都要檢查鉆機(jī)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(duì)垂直度進(jìn)行跟班檢測(cè),在鉆進(jìn)過(guò)程中每鉆進(jìn)20m左右,用JJC-1D型測(cè)斜儀檢查一次垂直度,對(duì)于不符合要求的孔,要及時(shí)停止鉆進(jìn),及時(shí)糾偏。對(duì)新開(kāi)孔的樁孔,通過(guò)加大檢測(cè)頻率(20 m/次),確定相應(yīng)鉆進(jìn)參數(shù)下的孔位偏差,作為同類地質(zhì)情況下的鉆進(jìn)依據(jù)。

3.3.2 鉆進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)不同的地質(zhì)條件及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方法和參數(shù),當(dāng)遇到硬巖時(shí)要及時(shí)更換鉆頭,這對(duì)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(kāi)鉆時(shí),進(jìn)尺一定要慢,要控制好鉆壓,采用小鉆壓鉆進(jìn)。在同一地層中正常鉆進(jìn)時(shí),要堅(jiān)持減壓鉆進(jìn)。規(guī)范要求,孔底壓力不能超過(guò)鉆具總重扣除浮力的80%,這就需要在鉆進(jìn)過(guò)程中全程采取減壓鉆進(jìn)。操作人員和技術(shù)人員要進(jìn)行跟班檢測(cè)和控制。

(2)鉆進(jìn)控制遵循分地層控制原則,針對(duì)不同的地層,采用不同的鉆進(jìn)方法。如在砂性土層即粉沙層中鉆進(jìn)時(shí),采用低檔慢速,讓泥漿有充分的固壁時(shí)間;在砂類土或軟土層即粉質(zhì)黏土層中鉆進(jìn)時(shí)易塌孔,控制進(jìn)尺,低壓、低檔、慢速、小泵量、大比重泥漿鉆進(jìn);在粉質(zhì)黏土層中鉆進(jìn)時(shí),要堅(jiān)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(guò)多,引起糊鉆;在黏土質(zhì)中鉆進(jìn),由于泥漿黏性大,鉆進(jìn)所受阻力也大,易糊鉆,采用大泵量、中鉆速、小比重泥漿鉆進(jìn);在地層變換時(shí),尤其是從軟弱地層進(jìn)入較硬地層時(shí)(地表下20～30m,即新老淤積接觸層面),要慢速鉆進(jìn),上下來(lái)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(jiān)硬土層鉆進(jìn)時(shí),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(jìn)速度又能保證垂直度。牙輪鉆頭見(jiàn)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(shí),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(shí),通過(guò)試驗(yàn)專門配制復(fù)合泥漿。經(jīng)反復(fù)試配,通過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試比照,確定采用磷質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿。泥漿配置的材料為:膨潤(rùn)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(cè)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(shí)施鉆孔的安全性。當(dāng)鉆至砂層或黏土層時(shí),應(yīng)采用低檔慢速減壓鉆進(jìn),同時(shí)提高水頭,加大泥漿比重,以加強(qiáng)護(hù)壁效果,盡量減少對(duì)砂層的擾動(dòng),防止坍孔。

(2)開(kāi)孔時(shí)采用造漿池造漿,因泥漿循環(huán)稀釋,可在鋼護(hù)筒內(nèi)按比例添加水和少量膨潤(rùn)土及其他配料進(jìn)行人工造漿,同時(shí)加入純堿對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行鈉化改良。

(3)鉆進(jìn)過(guò)程中,根據(jù)孔位地質(zhì)柱狀圖,確定不同土層中鉆進(jìn)的泥漿性能指標(biāo)。同時(shí),按照泥漿指標(biāo)分地層控制的原則,在鉆孔過(guò)程中隨時(shí)撈取鉆碴土樣,與設(shè)計(jì)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(dá)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(jìn)護(hù)壁和二次清孔的要求;在黏性土中,泥漿相對(duì)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(jìn)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(jiàn)表2。

表2 泥漿性能指標(biāo)

4 質(zhì)量控制成果

通過(guò)對(duì)樁基鉆孔施工各項(xiàng)工序的控制,加強(qiáng)質(zhì)量管理,超長(zhǎng)鉆孔樁的成孔質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)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(píng)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(jì)南黃河橋超長(zhǎng)鉆孔樁施工經(jīng)驗(yàn)證明,超長(zhǎng)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(duì)影響成孔質(zhì)量的關(guān)鍵工序進(jìn)行有效控制,重點(diǎn)控制好垂直度、鉆進(jìn)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(dá)到理想效果,保證成樁質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

[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(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012(8):56-59.

[3] 鐵道部經(jīng)濟(jì)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(guó)鐵道出版社,2010.

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

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

[6] 崔天寶.鄭州黃河公鐵兩用橋主橋長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)大鉆孔灌注樁施工技術(shù)[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2005(S1):1-4.

[9] 毛亮坤.超厚細(xì)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(bào),2005(4):47-48.

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