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        斷裂帶路基螺桿樁施工工藝研究

        2019-03-29 08:55:52孫向英
        四川建筑 2019年1期
        關(guān)鍵詞:螺桿鉆桿鉆頭

        孫向英

        (中鐵二十一局集團國際工程有限公司,北京100089)

        1 工程概況

        1.1 工程地質(zhì)

        新建濟南至青島高速鐵路設(shè)計時速為350 km/h,其中DK208+577.78~DK213+150段因穿越地質(zhì)斷裂帶而采用路基+有碴軌道設(shè)計,DK209+125~209+175段及DK209+300.00~DK209+518段落穿越沂沭斷裂帶中的安丘~莒縣斷裂,線路于DK209+150處與F14斷層相交,該斷裂部位基巖出露,斷裂切割白堊系青山組火山巖地層,斷裂破碎帶內(nèi)發(fā)育碎裂巖化及斷層角礫,發(fā)育斷面及擦痕,膨潤土化強烈,為一強烈擠壓破碎帶,破碎帶寬30~50 m,產(chǎn)狀95°∠75°。地基處理設(shè)計為螺桿樁加固。

        本段螺桿樁加固地區(qū)地質(zhì)情況為:0~5 m為粉土,承載力為140 kPa;5~7 m為粉質(zhì)黏土,承載力為300 kPa;7~15 m為膨潤土化凝灰?guī)r,承載力為500 kPa。

        1.2 水文地質(zhì)

        地表水:沿線大部分為旱地,天然河道、水塘分布較少,地表水相對不豐富。

        地下水:地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水,地下水主要受大氣降水及側(cè)向徑流補給,排泄方式主要為蒸發(fā)及人工抽取,水位季節(jié)變化幅度3~5 m。

        1.3 氣象條件

        本段線路屬于溫帶,半濕潤地區(qū),屬溫暖帶大陸性季風氣候。由于冬夏季風的交替影響,春季較短,氣溫回升快,少雨多風;夏季炎熱,降水較多且集中;秋季短促,天高氣爽;冬季較長,寒冷干燥。

        土壤最大凍結(jié)深度:0.5 m。

        地震動峰值加速度:0.20g,地震基本烈度Ⅷ度)。

        1.4 主要工程內(nèi)容及數(shù)量

        本段地基處理形式為螺桿樁:樁間距2.2 m,呈正方形布置,樁徑0.5 m,本段螺桿樁共2 156根,合計16 497 m。樁頂設(shè)C35鋼筋混凝土樁帽,尺寸1.5 m×1.5 m×0.4 m,樁帽頂鋪設(shè)0.5 m厚碎石墊層,帽間回填碎石,墊層內(nèi)鋪設(shè)一層單向高強土工格柵(抗拉強度不小于200 kN/m)。螺桿樁地基處理分段統(tǒng)計詳見表1。

        表1 螺桿樁分段統(tǒng)計

        2 技術(shù)原理

        螺桿樁是一種“上部為圓柱型,下部為螺絲型”中等直徑、組合式部分擠土灌注樁,螺桿樁屬于部分擠土樁。采用的原理是“螺絲釘比釘子更牢固”的原理。適用于黃土、粉土、黏土、砂土、砂夾卵石,全強風化基巖的地質(zhì)處理。

        3 施工工藝流程

        3.1 施工準備

        3.1.1 技術(shù)準備

        (1)熟悉圖紙,召開施工圖會審專題會,根據(jù)會審結(jié)果,召開了螺桿樁施工技術(shù)交底會,向螺桿樁施工負責人、領(lǐng)工員、作業(yè)工班進行了技術(shù)交底。

        (2)繪制樁位布置圖,對樁位進行編號。復核測量基線、水準點,檢查施工場地所設(shè)的水準點是否會受施工影響。按樁位布置圖測放樁位,在樁位中心打入鋼釬或木樁,并采用白灰標志樁軸線,并作編號記錄,由質(zhì)檢工程師做好現(xiàn)場螺桿樁樁點、樁位復測檢查記錄。

        3.1.2 混凝土配合比

        樁體混凝土強度等級為C20,螺桿樁施工前進行配合比試驗,以確定混合料的配比,要求樁體混合料試塊(邊長15 cm)標準養(yǎng)護28 d立方體抗壓強度不小于20 MPa?;旌狭纤涠纫藶?60~200 mm。

        3.2 施工工藝流程

        3.2.1 成樁工藝性試驗

        施工前進行成樁工藝試驗(一般相同地質(zhì)條件、料源、施工隊伍及相同的混合料配比情況下不少于3根),從而確定各項施工參數(shù),包括螺桿尺寸的檢測,成孔深度能力的檢測、成孔后土體回彈模量檢測、成孔終孔控制扭矩電流的檢測、孔與孔的影響檢測、混凝土用量的檢測、泵壓泵速的檢測、直流控制系統(tǒng)施工參數(shù)的檢測,以復核地質(zhì)資料以及設(shè)備、工藝、施工順序是否適宜,確定配合比、塌落度、攪拌時間、拔管速度等各項工藝參數(shù),確認了試樁完整性及承載力滿足設(shè)計要求,試樁再根據(jù)試樁確定的工藝參數(shù)進行后續(xù)螺桿樁的施工。

        3.2.2 技術(shù)要求

        (1)螺桿樁加固范圍不小于基底寬度,路堤加固至填方坡腳。

        (2)采用正方形布置,樁徑0.5 m,間距2.2 m。

        (3)螺桿樁原則上需穿越松軟土至硬層,對于第四系土層一般應(yīng)嵌入基本承載力不小于0.18 MPa的土層內(nèi)不小于1 m,對于下伏基巖地段應(yīng)嵌入全或強風化層不少于0.5 m,本段為下伏基巖地段。

        (4)螺桿樁樁頂設(shè)0.4 m厚1.5 m寬C35混凝土樁帽,樁帽間填筑碎石,樁帽上為0.5 m厚碎石墊層。

        (5)螺桿樁施工采用螺桿樁鉆機鉆管內(nèi)泵壓灌注成樁工藝。

        3.2.3 工藝流程圖

        螺桿樁施工工藝流程見圖1。

        圖1 螺桿樁施工工藝流程

        3.2.4 工藝要求

        (1)螺桿樁施工順序采用從線路中心向兩側(cè)順序推進,采取跳躍式進行施工。

        (2)螺桿樁施工時,樁機就位后,應(yīng)用鉆機塔身的前后和左右的垂直標桿檢查塔身導桿,校正位置,使鉆桿垂直對準樁位中心,確保螺桿樁垂直度容許偏差不大于1%。樁位容許偏差不大于5 cm,樁徑允許偏差不大于2 cm。

        3.2.5 螺桿樁成樁過程

        (1)先采用正轉(zhuǎn)向下旋進鉆孔,至樁底標高后反轉(zhuǎn)提升,鉆進、提升速度均為旋轉(zhuǎn)一周鉆進或提升一個螺距,螺距為40 cm,鉆進速度和轉(zhuǎn)速通過電腦程序自動控制,反轉(zhuǎn)提升過程中,邊提升鉆頭邊灌注混凝土,灌注混凝土采用輸送泵通過鉆頭中心混凝土輸送孔,泵送至孔樁內(nèi),灌注混凝土高度距離鉆頭距離不大于20 cm,由鉆機內(nèi)自動控制系統(tǒng)控制,此操作至整個樁長的1/2處,螺桿段施工完成后鉆頭開始正轉(zhuǎn),但繼續(xù)提升鉆頭,破壞孔樁內(nèi)螺紋使孔樁內(nèi)成直桿狀,提升過程中同時灌注混凝土,使上部樁體成直桿狀,直螺段比例為 1∶1(圖 2)。

        圖2 螺桿樁施工

        (2)下鉆過程中樁機自控系統(tǒng)嚴格控制鉆桿下降速度和旋轉(zhuǎn)速度,使二者匹配,要求鉆桿旋轉(zhuǎn)2周以上,螺桿鉆桿下降一個螺距,鉆至螺桿樁直桿段設(shè)計深度,在成圓土體中形柱狀;隨后鉆桿旋轉(zhuǎn)一周,螺桿鉆桿下降一個螺距,鉆至螺桿樁螺紋段設(shè)計深度,在土體中形成螺紋狀。

        圓柱段每鉆進1 m鉆桿旋轉(zhuǎn)5周,螺紋段每1 m鉆桿旋轉(zhuǎn)2.5周。

        (3)鉆頭鉆至設(shè)計標高后,樁機反向旋轉(zhuǎn)提升鉆桿,提鉆過程中自控系統(tǒng)應(yīng)嚴格控制鉆桿提升速度和旋轉(zhuǎn)速度,與下降時一樣,保持同步和匹配。與此同時制備好的細石混凝土迅速填充(泵送)由于鉆桿旋轉(zhuǎn)提升所產(chǎn)生的帶螺紋型空間和鉆桿直接提升或正向旋轉(zhuǎn)提升所產(chǎn)生的帶圓柱型空間,形成螺桿樁。

        (4)提拔速度控制在2~3 m/min,成樁過程連續(xù)進行,避免因后臺供料慢而出現(xiàn)停機待料。提鉆時鉆頭達到一定位置后停止泵壓混凝土,由鉆桿內(nèi)的混凝土充填至樁標高,嚴禁先提鉆后泵料,確保成樁質(zhì)量。

        (5)嚴禁直提鉆桿。

        (6)施工過程以設(shè)計樁長和施工電流都合格作為控制指標。如控制電流不合格,應(yīng)及時查明原因。

        3.2.6 樁頭處理及清土

        3.2.6.1 樁頭處理

        樁體強度達到設(shè)計強度的70%后進行樁間土開挖及清運,樁間土采用人工開挖,清除保護土層時不擾動基底土,防止形成橡皮土。施工時嚴格控制標高,避免超挖。

        保護土層清除后,截除樁頂50 cm樁頭,采用截樁機截樁,嚴禁人工鑿除。樁頂允許偏差0~+20 mm。

        3.2.6.2 棄土清運

        棄土清運包括螺桿樁鉆孔棄土清運和保護土層清運兩部分。在螺桿樁施工中,由于采用排土成樁工藝,其排出的土量取決于樁長和樁間距。在施工中及時清運打樁棄土是保證螺桿樁正常施工的一個重要環(huán)節(jié)。

        3.2.7 參數(shù)確定

        (1)鉆機鉆進速度:鉆機鉆進速度在嵌入持力層前為0.8 m/min,進入持力層后0.2 m/min,因試樁期間操作手對地質(zhì)情況不熟悉,在后續(xù)施工過程中可以提高速度,過程中通過電流變化對鉆進速度進行控制。

        (2)混凝土灌注速度:由鉆機自動控制,根據(jù)試樁結(jié)果退鉆及灌注混凝土速度每分鐘2~3 m,如果鉆頭離開混凝土面,鉆機自動報警,鉆頭自動停止提升,繼續(xù)灌注混凝土,確保樁體混凝土密實。

        (3)混凝土配合比:已通過試驗確定配合比,施工現(xiàn)場塌落度宜控制在160~200 mm范圍內(nèi)。

        (4)直螺段比例控制:直螺段采用數(shù)控與標線相結(jié)合的方式進行,首先在螺桿樁機鉆頭上按照設(shè)計樁長用紅油漆標出直螺段分界點,施工過程中由螺桿樁自帶數(shù)控機通過設(shè)定不同模式控制直螺段長度,人工按照紅油漆標記進行直觀復核,確保直螺比例滿足要求,直螺比例按1∶1控制。

        (5)成孔深度能力的檢測:螺桿機成孔深度可達全~強風化巖層,本施工段落基巖為膨潤土化凝灰?guī)r和粉質(zhì)粘土,根據(jù)鉆機設(shè)計指標能夠鉆至設(shè)計樁底位置。

        3.3 施工總結(jié)

        (1)單根樁完成時間(除移鉆時間)約40 min,平均鉆進每1 m需用時3 min,持力層鉆進速度約為每1 m 8min,退鉆桿及灌注混凝土每1 m用時30~40 s。粉土層的施工電流約為40~60 A,粉質(zhì)黏土層的施工電流為60~80 A,膨潤土化凝灰?guī)r施工電流為80~100 A。嵌入持力層深度通過電流變化推算,符合要求方可停鉆。樁基完成后,需注意保護樁身,且保證養(yǎng)護時間。

        (2)螺桿樁樁頭采用截樁機環(huán)切去除樁頭。

        (3)試樁螺紋段占整個樁長的1/2,經(jīng)過對螺桿樁試樁的檢測,螺桿樁深度、直徑、承載力均符合設(shè)計要求。說明按此直螺段比例控制是可行的,后續(xù)施工可以按此比例施工。

        (4)施工電流為100 A以上時,則證明進入了強風化凝灰?guī)r地層。進尺緩慢。有火花冒出時,則連續(xù)鉆一個小時不會有進尺。

        (5)每根樁的完成時間根據(jù)樁長和嵌入的地層不同而不同。本段落樁長為5~15 m,用時20~60 min。

        (6)個別螺桿樁因需要挖開后發(fā)現(xiàn)樁端無虛土。

        (7)螺桿樁下部為螺紋段,大大提高了樁的承載力。螺桿樁上部為直桿段,加大了受力面積,提高了樁身剛度。(8)樁身上大下小的特點滿足附加應(yīng)力變化規(guī)律。(9)螺牙的存在使樁身不會喪失粘聚力。

        (10)做單樁承載力檢測時最大加載800 kN,Q~s曲線平緩光滑,樁頂最大沉降量12.33~14.05 mm,小于40 mm,最大回彈量2.41~4.89 mm。

        (11)由于螺桿樁施工幾乎無噪音和上述特點,特別適合在居民密集區(qū),樁端嵌入全風化基巖使用。

        4 安全生產(chǎn)保證措施

        4.1 安全管理綜合措施

        編制好施工安全方案和安全技術(shù)交底。施工現(xiàn)場的臨時用電,嚴格按照JGJ 46-2005《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。嚴格執(zhí)行用火規(guī)定,所有施工人員熟悉并掌握消防設(shè)備的性能和使用方法。

        4.2 施工機械安全保證措施

        (1)設(shè)置機械設(shè)備管理部門及管理人員,建立健全了各項管理制度,制定了安全技術(shù)操作規(guī)程,建立了安全技術(shù)檔案。

        (2)操作人員體檢合格,無妨礙作業(yè)的疾病和生理缺陷,并經(jīng)過專業(yè)培訓、考核合格后上崗。起重機械操作人員、場內(nèi)車輛駕駛員等特種作業(yè)人員都持證上崗。

        (3)施工機械進入作業(yè)地點后,向操作人員進行施工任務(wù)和安全技術(shù)交底。操作人員熟悉作業(yè)環(huán)境和施工條件,聽從指揮,遵守現(xiàn)場安全規(guī)定。

        (4)操作人員在操作過程中注意了機械工況,沒有擅自離開工作崗位。嚴禁無關(guān)人員進入工作區(qū)域或操作室內(nèi)。

        (5)操作人員遵守了機械有關(guān)保養(yǎng)規(guī)定,及時進行各級保養(yǎng)工作,保持機械的完好狀態(tài)。

        (6)試行多班作業(yè)的機械操作人員嚴格執(zhí)行了交班制度。

        (7)操作人員和配合作業(yè)人員必須正確使用勞動防護用品。

        4.3 保證夜間施工安全的措施

        (1)運輸車輛夜間作業(yè)時,設(shè)置良好的照明設(shè)備,并設(shè)燈光警告標志。做到了照明光線充足,不留死角。裝卸設(shè)專人指揮,空重車分道行駛,按先后次序在指定的地點裝卸,未搶裝搶卸。

        (2)夜間的各種施工作業(yè)安排專人進行盯崗,合理安排施工程序和施工人員,控制好各個施工環(huán)節(jié),確保夜間施工的正常進行。配備足夠數(shù)量的發(fā)電裝置,一旦照明斷電,立即啟用備用發(fā)電裝置進行發(fā)電。

        5 結(jié)束語

        螺桿樁是一種優(yōu)良的地基處理方案,它利用“螺絲釘比釘子更牢固”的原理更能很好的處理地質(zhì)斷裂帶,同時無噪音、無污染,出土量少。本文通過對螺桿樁施工的闡述,使其更廣泛地應(yīng)用到地基處理中。

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