薛旭濤 李世平 闕正義 唐 飛 劉 潤 鄭伯鐘

1. 中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665；2. 中建四局第一建筑工程有限公司 廣東 廣州 510800

由于交通荷載的增加，為加大橋梁的承載能力，橋梁樁基在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)了大直徑樁、超長樁的趨勢[1]。廣東地區(qū)存在大量軟土地層，水中橋梁施工時(shí)，樁基穿越深厚軟土地層，下部無基巖支撐，樁基多采用摩擦樁。為了加大摩擦樁的承載力，部分不良地質(zhì)樁基的樁長超過90 m，成為超長樁。

水中軟土地層超長樁在施工中易出現(xiàn)坍孔、頸縮、漏漿等事故，結(jié)合前人的工程實(shí)踐探索，氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)和泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)可以滿足超長樁的施工要求。前人對超長樁的研究主要集中在施工技術(shù)和現(xiàn)場管理經(jīng)驗(yàn)方面[2-3]。在水中軟土地質(zhì)條件下，本文對2種設(shè)備因原理不同而導(dǎo)致的施工工效上的差異進(jìn)行研究，結(jié)合工程地質(zhì)情況，選擇合適的施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行鉆孔施工，從而達(dá)到保證樁基工程施工質(zhì)量和加快施工進(jìn)度的目的。

1 工程概況

廣東省汕頭市蓮陽河特大橋全長1 459.6 m，橋梁左右幅單幅標(biāo)準(zhǔn)寬度13.75 m，跨河部分因設(shè)置人行道加寬至17.75 m。該橋12#—26#墩柱位于蓮陽河水中，水下樁基共計(jì)126根，采用C35鋼筋混凝土鉆孔樁基，樁基受力形式為摩擦樁。其中12#—21#墩、26#墩樁徑2.0 m，樁長95.3～100.0 m；23#、24#墩樁徑2.0 m，樁長115 m；22#、25#墩樁徑2.0 m，樁長81～83 m。

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，場區(qū)覆蓋層由第四系填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、砂類土組成，橋位位于抗震設(shè)防烈度Ⅷ度地震區(qū)，場地土類別為Ⅳ類，砂土在地震力作用下嚴(yán)重液化。

2 施工機(jī)具選擇

2.1 鉆孔灌注樁設(shè)備選擇

根據(jù)本工程場地內(nèi)地質(zhì)情況，參考文獻(xiàn)[4]的要求，項(xiàng)目同時(shí)選用氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)和泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行施工，在施工中通過對2種設(shè)備的施工進(jìn)度、質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過對比分析后選用更為經(jīng)濟(jì)、安全可靠的施工設(shè)備。本項(xiàng)目樁基施工所選用的反循環(huán)鉆機(jī)工作參數(shù)如表1所示。

表1 反循環(huán)鉆機(jī)工作參數(shù)

2.2 氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)工作原理

氣舉反循環(huán)鉆機(jī)的工作原理是將壓縮空氣由進(jìn)氣管輸入到混合器中，通過混合器將壓縮空氣送入到鉆桿內(nèi)，將壓縮空氣和鉆桿內(nèi)的液體互相融合，達(dá)到降低鉆桿內(nèi)壓強(qiáng)的目的，使鉆桿和樁孔之間形成壓差，將孔底泥漿吸入鉆桿中，向上通過排渣口排入泥漿沉淀池中，經(jīng)過沉淀后的泥漿流入泥漿池中循環(huán)利用[5]。氣舉反循環(huán)原理如圖1所示。

氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)的工作效率和其沉沒比有極大關(guān)聯(lián)，沉沒比a的計(jì)算公式為：

式中：a——?dú)馀e式反循環(huán)鉆機(jī)沉沒比；

h1——導(dǎo)管插入泥漿深度；

h2——泥漿出口距離泥漿頂面高度。

2.3 泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)工作原理

泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆機(jī)的鉆桿內(nèi)腔形成負(fù)壓，通過孔內(nèi)液柱和大氣壓的共同作用，孔壁與環(huán)狀空間的泥漿流向孔底，將鉆頭切削下來的鉆渣，帶進(jìn)鉆機(jī)的鉆桿內(nèi)腔中，再經(jīng)由砂石泵排至現(xiàn)場設(shè)置的沉淀池內(nèi)。在沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內(nèi)，形成反循環(huán)，成孔后經(jīng)過一次清孔及二次清孔，最終完成樁基施工。泵吸反循環(huán)原理如圖2所示。

圖1 氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)工作原理示意

圖2 泵吸式反循環(huán)鉆機(jī) 工作原理示意

3 超長鉆孔灌注樁施工

3.1 施工條件

蓮陽河特大橋鉆孔灌注樁施工位于水中，施工時(shí)需先搭設(shè)水上作業(yè)平臺(tái)。作業(yè)平臺(tái)要滿足樁基施工時(shí)鉆機(jī)荷載、鋼筋籠吊裝荷載、混凝土運(yùn)輸和灌注荷載等要求。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮通航情況。

3.2 反循環(huán)鉆機(jī)施工

3.2.1 鋼護(hù)筒插打

鋼護(hù)筒插打的關(guān)鍵是振動(dòng)錘的選擇。根據(jù)護(hù)筒下沉所需激振力的大小，選擇振動(dòng)錘型號(hào)。激振力計(jì)算原則為：激振力P＞土的動(dòng)摩阻力R－護(hù)筒和振動(dòng)錘自重G。

經(jīng)計(jì)算可以得出P＞1 921.8 kN，DZJ300型雙夾臂液壓振動(dòng)錘的最大激振力為2 185 kN，可滿足完成鋼護(hù)筒插打施工所需激振力。

3.2.2 泥漿制備及性能指標(biāo)

本工程樁基直徑大、樁孔深，穿越淤泥層、砂層，造漿性能差。本次樁基施工時(shí)選用了丙烯酰胺泥漿。該泥漿具有不分散、低固相、低密度、高黏度等優(yōu)點(diǎn)[6]，被廣泛應(yīng)用于樁基施工，尤其是超長樁施工中。

為確保泥漿質(zhì)量，達(dá)到反循環(huán)鉆機(jī)順利鉆進(jìn)成孔的目的，在開鉆前對泥漿進(jìn)行試配，優(yōu)化泥漿配合比，確保鉆進(jìn)過程中及時(shí)調(diào)整泥漿指標(biāo)，保證孔內(nèi)泥漿密度，降低超長樁穿越不同地質(zhì)時(shí)的坍孔風(fēng)險(xiǎn)。

為防止環(huán)境污染以及合理利用施工場地，在現(xiàn)場設(shè)置泥漿制備區(qū)，采集制備好的泥漿，經(jīng)由泥漿泵泵送至鋼護(hù)筒內(nèi)。隨著鉆機(jī)的鉆進(jìn)，要對泥漿密度及時(shí)進(jìn)行檢測并隨著鉆進(jìn)情況調(diào)整。泥漿各施工階段的性能指標(biāo)要求見表2。

表2 泥漿各施工階段的性能指標(biāo)

3.2.3 鉆機(jī)鉆孔施工

根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，鉆進(jìn)過程劃分為2個(gè)階段：護(hù)筒內(nèi)鉆進(jìn)階段；護(hù)筒外軟弱地層鉆進(jìn)階段。

護(hù)筒內(nèi)鉆進(jìn)階段：從護(hù)筒底口2.0 m以上，采用直徑2.0 m刮刀鉆頭反循環(huán)加壓清水鉆進(jìn)，每小時(shí)進(jìn)尺控制在2～4 m。鉆進(jìn)時(shí)注意孔內(nèi)補(bǔ)充清水保持水位，混合泥漿經(jīng)沉淀池沉淀后，泥漿回流入護(hù)筒，鉆渣轉(zhuǎn)運(yùn)至棄渣場。

護(hù)筒外軟弱地層鉆進(jìn)階段：護(hù)筒底口以上2 m至孔底，調(diào)換直徑2.0 m的改進(jìn)型機(jī)械鉆頭，開鉆時(shí)鉆頭反循環(huán)空轉(zhuǎn)，啟動(dòng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)，置換孔內(nèi)泥漿；當(dāng)孔內(nèi)泥漿指標(biāo)符合要求后，優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁反循環(huán)減壓鉆進(jìn)，在護(hù)筒底口附近慢速鉆進(jìn)，形成穩(wěn)定孔壁，每小時(shí)進(jìn)尺控制在0.3～0.8 m。鉆頭出護(hù)筒5 m后恢復(fù)正常鉆進(jìn)，根據(jù)不同地層的特點(diǎn)，在鉆孔過程中及時(shí)調(diào)整護(hù)壁泥漿指標(biāo)和鉆進(jìn)速度，每小時(shí)進(jìn)尺為1.0～3.5 m，孔內(nèi)補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)泥漿。氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)和泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)施工參數(shù)如表3所示。

表3 鉆機(jī)施工參數(shù)

3.2.4 清孔

當(dāng)鉆孔施工達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，及時(shí)對樁孔深度和孔徑進(jìn)行復(fù)核，滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)進(jìn)行清孔施工。清孔時(shí)將鉆具提離孔底30～50 cm，緩慢旋轉(zhuǎn)鉆具，補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)泥漿，進(jìn)行反循環(huán)清孔，同時(shí)保持孔內(nèi)水頭，防止坍孔。清孔完成后及時(shí)停機(jī)提鉆、移走鉆機(jī)，盡快進(jìn)行成樁施工。

4 樁基施工情況分析

蓮陽河特大橋樁基施工安排3臺(tái)氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)、3臺(tái)泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行施工。施工過程中對6臺(tái)反循環(huán)回旋鉆機(jī)進(jìn)行編號(hào)，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ號(hào)鉆機(jī)。同一墩臺(tái)施工時(shí)必須隔孔施工。

根據(jù)設(shè)計(jì)對樁基工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本橋主墩23#、24#墩樁基數(shù)量最多，共計(jì)9根，選取主墩23#、24#樁基施工順序進(jìn)行示意，如圖3所示。

圖3 樁基鉆孔順序

施工過程中對23#、24#樁基的鉆孔施工進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取各步驟的施工平均時(shí)長，得出單樁施工工期（表4）。

施工完成后檢測鉆孔成孔質(zhì)量，標(biāo)高、垂直度、沉渣厚度控制均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

表4 氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)與泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)單樁施工工期對比

1）泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)和氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)均可完成軟土地層中水中超長樁鉆孔施工，經(jīng)檢測，施工質(zhì)量可靠。

2）氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)在超長樁鉆孔施工過程中施工工期比泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)短。這是2種鉆機(jī)工作原理不同導(dǎo)致的，隨著鉆孔深度的增加，泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)泥漿泵的泵吸力損失增大，泵吸效率下降；氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)的沉沒比隨鉆進(jìn)深度的增加而增加，沉沒比越大，鉆進(jìn)效率越高。

5 結(jié)語

在軟土地質(zhì)條件下的超長樁施工時(shí)，選用氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)和泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)均可完成樁孔鉆進(jìn)施工。但選用氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)的施工速度、清孔效率超過泵吸式反循環(huán)鉆機(jī)。在今后同類工程中，選用氣舉式反循環(huán)鉆機(jī)施工，可以有效加快施工進(jìn)度，達(dá)到節(jié)約工期和保證樁基施工質(zhì)量的目的，對此類工程施工有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。