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        大直徑嵌巖樁旋挖鉆成孔技術(shù)改進(jìn)及應(yīng)用

        2021-06-05 07:06:36魏朝西
        廣東土木與建筑 2021年5期
        關(guān)鍵詞:沖擊鉆主墩鋼護(hù)筒

        魏朝西,楊 勇

        (保利長(zhǎng)大工程有限公司 廣州510620)

        關(guān)鍵字:基礎(chǔ)工程;大直徑鉆孔灌注樁;旋挖鉆;沖擊鉆;成孔技術(shù)

        0 前言

        隨著我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展,新建橋梁的跨徑越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,樁基的設(shè)計(jì)直徑越來(lái)越大、樁長(zhǎng)也越來(lái)越長(zhǎng),相應(yīng)的嵌巖深度及巖石強(qiáng)度越來(lái)越大。鉆孔灌注樁傳統(tǒng)的成孔工藝有沖擊鉆成孔、回旋鉆成孔和人工挖孔等,但對(duì)于大直徑嵌巖樁基施工,成孔困難,質(zhì)量難以得到保證,且工期較長(zhǎng),樁基施工往往成為制約工程進(jìn)展的關(guān)鍵控制性工序。近年來(lái),旋挖鉆在樁基施工中的應(yīng)用逐漸推廣,其施工工效也得到了業(yè)界的普遍認(rèn)可[1],但也暴露出一些施工質(zhì)量問(wèn)題,如樁底沉渣清理不徹底,在樁底與基巖之間形成夾層,或者混凝土灌注前二次清孔時(shí),直徑30~50 cm 的鉆渣易堵塞導(dǎo)管,對(duì)施工造成諸多不利影響。以珠海市某大橋工程3#主墩樁基施工為背景,探索了一種旋挖鉆與沖擊鉆組合成孔的施工方法。

        1 工程概況

        珠海市某大橋主航道橋?yàn)殡p塔雙索面疊合梁斜拉橋,其跨徑布置為(73+162+500+162+73)m,如圖1所示。3#主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為20根直徑φ 2.5 m 的鉆孔灌注樁,樁中心間距6.5 m,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)介于40~65 m[2]。地下基巖為中微風(fēng)化灰?guī)r,巖面起伏較大,基巖飽和抗壓強(qiáng)度平均值為53 MPa,最高達(dá)到84 MPa,設(shè)計(jì)要求樁端全斷面嵌入中風(fēng)化或微風(fēng)化巖層深度不小于2倍樁徑。由于橋位附近漁港進(jìn)行清淤疏浚、絞吸吹填施工,分階段地將絞吸吹填的流態(tài)淤泥堆載在橋位區(qū)域,淤泥面標(biāo)高約+3.0 m。3#主墩施工前,采用筑島的方式形成施工場(chǎng)地,筑島范圍自承臺(tái)邊緣往外延伸80 m,筑島頂面標(biāo)高按+3.5 m 控制。筑島填料為工程性能良好的砂性土、黏土或石粉,分層填筑、壓實(shí),以排擠橋梁施工范圍內(nèi)的流態(tài)淤泥。

        圖1 主航道橋總體布置Fig.1 General Layout of the Main Channel Bridge (m)

        根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示,3#主墩橋位處工程地質(zhì)情況具體如下。

        〈1〉地表人工填筑的砂性土、黏土或石粉:厚度3.5~6.0 m。

        〈2〉灰褐色素填土:主要由粘性土組成,含少量植物根莖,該層系新近堆填而成,其密實(shí)程度不均勻,尚未完成自重固結(jié),結(jié)構(gòu)呈松散狀態(tài),該層厚約4.0 m。

        〈3〉淤泥:呈飽和、流塑狀態(tài),層厚12.9~20.8 m。

        〈4〉粉質(zhì)粘土:由灰?guī)r原地風(fēng)化殘積而成,干強(qiáng)度及韌性中等,呈稍濕、硬塑狀態(tài),層厚2.9~7.2 m。

        〈5〉粉質(zhì)粘土:系砂巖或灰?guī)r原地風(fēng)化殘積而成,主要由粘粒及粉粒組成,局部區(qū)域含少量石英碎石,粒徑1~3 cm,呈稍濕、硬塑狀態(tài),層厚2.60~16.40 m。

        〈6〉全風(fēng)化砂巖:屬極軟巖,絕大部分礦物已風(fēng)化成土狀,巖體完整程度為極破碎,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi),巖芯呈土柱狀,合金鉆具易鉆進(jìn),層厚4.2~14.5 m。

        〈7〉強(qiáng)風(fēng)化砂巖:屬極軟巖,大部分礦物已顯著風(fēng)化,節(jié)理裂隙極發(fā)育,巖體完整程度為極破碎,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi),巖芯呈土夾碎塊狀或碎塊狀,合金鉆具鉆進(jìn)較難,層厚1.8~15.0 m。

        〈8〉中風(fēng)化灰?guī)r:塊狀構(gòu)造,結(jié)構(gòu)部分破壞,節(jié)理裂隙稍發(fā)育,巖體完整程度為較完整,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類(lèi),巖芯呈柱狀或短柱狀,巖芯采取率約95%,節(jié)長(zhǎng)1~50 cm,RQD≈90%,金剛石鉆具方可鉆進(jìn)。揭露厚度較大,部分區(qū)域灰?guī)r已被溶蝕,形成溶洞,揭露層厚10.5~15.5 m。

        2 施工方案優(yōu)化

        由于橋梁施工區(qū)與漁港吹填堆載區(qū)交叉,需讓漁港吹填先行施工,導(dǎo)致3#主墩開(kāi)工時(shí)間比相鄰主墩滯后11個(gè)月,樁基礎(chǔ)施工時(shí)間異常緊迫。為了確保樁基成孔效率和施工質(zhì)量,通過(guò)對(duì)樁基成孔工藝的深入對(duì)比與研究,擬采用大噸位的旋挖鉆作為樁基主要成孔設(shè)備,但對(duì)旋挖鉆施工暴露的質(zhì)量問(wèn)題需采取有效措施予以解決,故而創(chuàng)新地應(yīng)用大功率旋挖鉆與沖擊鉆組合成孔的工藝。

        根據(jù)地質(zhì)情況,在鉆進(jìn)上方覆蓋層時(shí),使用與樁徑相等的撈砂斗鉆一次鉆進(jìn);鉆入全風(fēng)化巖層后,采用分級(jí)擴(kuò)孔工藝,先充分利用旋挖鉆機(jī)的扭力,在樁基中心鉆一個(gè)小孔,破壞基巖的完整性,再分級(jí)鉆進(jìn)、逐級(jí)擴(kuò)孔,以降低巖層內(nèi)的成孔難度,提高鉆孔效率。由于旋挖鉆各級(jí)鉆頭的特點(diǎn),旋挖鉆擴(kuò)孔鉆進(jìn)使巖層形成的粒徑大小不一的鉆渣,其中粒徑在50 cm 以下的片石狀鉆渣則難以被清理出來(lái),最終沉積在孔底,導(dǎo)致樁身與基巖之間形成夾層,影響樁基受力。為了徹底清除這些片石狀鉆渣,采用沖擊鉆對(duì)樁孔進(jìn)行反復(fù)沖砸,將片石狀鉆渣砸碎成顆粒狀鉆渣,再利用反循環(huán)工藝將鉆渣徹底清除,同時(shí)確保樁孔底面平整,使樁端與基巖平順銜接。保證樁基質(zhì)量。此工藝充分利用了旋挖鉆成孔效率高的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也避免了旋挖鉆清孔不徹底的缺點(diǎn)[3]。

        3 樁基礎(chǔ)施工

        3.1 施工工藝流程(見(jiàn)圖2)

        圖2 樁基礎(chǔ)成孔施工流程Fig.2 Flow Chart of the Pile Foundation Hole Construction

        3.2 施工準(zhǔn)備

        ⑴施工場(chǎng)地需具有足夠的承載能力,保證鉆孔過(guò)程中地基穩(wěn)定,確保旋挖鉆機(jī)不發(fā)生傾斜。

        ⑵提前布置好泥漿循環(huán)系統(tǒng),按照泥漿配比調(diào)配泥漿,并檢測(cè)泥漿指標(biāo)。

        ⑶檢查旋挖鉆機(jī)的機(jī)械性能,尤其是桅桿的垂直度,同時(shí)做好各類(lèi)型鉆頭的檢查。

        ⑷下放鋼護(hù)筒,護(hù)筒直徑比樁徑大30 cm。

        ⑸檢查沖擊鉆的沖錘直徑和鋼絲繩的狀態(tài),確保沖進(jìn)過(guò)程中的安全。

        3.3 鋼護(hù)筒沉放

        使用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量放樣工作,做好測(cè)量記錄,并埋設(shè)十字護(hù)樁。

        樁基鋼護(hù)筒采用內(nèi)徑為2 800 mm,壁厚20 mm 的鋼板卷制,單根護(hù)筒平均長(zhǎng)度為22 m,以穿透淤泥質(zhì)土層并進(jìn)入粉質(zhì)粘土層1 m 為準(zhǔn),采用70 t 履帶吊機(jī)輔以2YZ-360 液壓振動(dòng)錘施打到位,施打過(guò)程中采用導(dǎo)向架進(jìn)行護(hù)筒的定位及垂直度控制。

        經(jīng)測(cè)量放樣出樁位中心,開(kāi)挖直徑約為3.0 m,深度為2.5~3.0 m 深的基坑,于基坑底部定位出樁中心點(diǎn),并做好標(biāo)識(shí),平整基坑頂周邊場(chǎng)地。導(dǎo)向架根據(jù)放樣樁中心位置安放,用線錘使導(dǎo)向架中心與樁中心重合。起吊鋼護(hù)筒下節(jié)喂入導(dǎo)向架,確保鋼護(hù)筒中心與樁中心在同一垂線上。鋼護(hù)筒在導(dǎo)向架的導(dǎo)向作用下垂直下沉到淤泥層中,并依靠其自重下沉至穩(wěn)定。護(hù)筒下沉穩(wěn)定后,可松開(kāi)吊鉤,然后把振動(dòng)錘起吊到鋼護(hù)筒頂口,用液壓夾鉗將鋼護(hù)筒頂口夾住,緩慢下放吊鉤,鋼護(hù)筒在振動(dòng)錘自重壓力下繼續(xù)往下沉,在此過(guò)程中應(yīng)采用經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)護(hù)筒的垂直度是否滿足要求。在振動(dòng)下放過(guò)程中,通過(guò)兩臺(tái)全站儀垂直交匯監(jiān)測(cè),確保鋼護(hù)筒中心與樁位中心重合,持續(xù)觀測(cè)及時(shí)調(diào)節(jié)鋼護(hù)筒的垂直度,要求鋼護(hù)筒平面偏差不大于50 mm,垂直度小于1%。

        3.4 泥漿制備及循環(huán)

        采用膨潤(rùn)土和自來(lái)水制備成泥漿用于樁孔護(hù)壁。在3#主墩左側(cè)設(shè)置儲(chǔ)漿池,儲(chǔ)漿量約為1 000 m3,分三級(jí)設(shè)置,供樁基施工過(guò)程中泥漿集中處理、儲(chǔ)存。

        3.5 旋挖鉆成孔

        鉆機(jī)就位前,復(fù)核鋼護(hù)筒中心的平面位置及垂直度是否滿足前述控制要求,經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后,再次測(cè)量放樣樁基中心,并按測(cè)量點(diǎn)位拉好交叉線,通過(guò)旋挖鉆自身的行走系統(tǒng)及對(duì)位系統(tǒng),使鉆頭對(duì)準(zhǔn)樁中心。

        由于孔口段土層比較松軟,開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)要控制進(jìn)尺速度,每次進(jìn)尺控制在50 cm左右,提鉆要穩(wěn)、慢,防止孔口塌孔。同時(shí)因鉆桿上的限位圈尚不能發(fā)揮作用,在孔口段孔深10 m 以?xún)?nèi)旋挖時(shí)要注意監(jiān)控垂直度,發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)進(jìn)行糾正[4]。

        在鉆孔過(guò)程中,根據(jù)地質(zhì)情況,選用不同的鉆頭。在覆蓋層內(nèi),采用與樁基等直徑的斗鉆,出渣快,便于覆蓋層內(nèi)旋挖的土質(zhì)鉆渣及時(shí)清出。入巖后,巖層對(duì)旋挖鉆頭的阻力大大增加,為克服大直徑鉆頭旋挖鉆進(jìn)時(shí)扭矩不足的工況,以提高鉆孔效率,采用分級(jí)鉆進(jìn)、逐級(jí)擴(kuò)孔工藝。本項(xiàng)目樁基分三級(jí)進(jìn)行擴(kuò)孔施工,先采用1.5 m 牙輪筒鉆取芯,再采用2.0 m 及2.5 m牙輪筒鉆進(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)孔,實(shí)現(xiàn)最終擴(kuò)孔。筒鉆鉆頭整體結(jié)構(gòu)與挖土斗鉆鉆頭基本一致,只是底部沒(méi)有封口,通過(guò)筒鉆的壓剪作用,破壞巖層的整體性,從而達(dá)到進(jìn)尺的目的[5]。

        巖層第一級(jí)鉆進(jìn)采用φ 1.5 m牙輪筒鉆,待鉆頭內(nèi)巖芯填滿鉆頭內(nèi)筒時(shí),利用鉆頭內(nèi)設(shè)置的螺旋漲塞對(duì)巖芯產(chǎn)生的水平力和鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的的扭矩共同作用下將巖芯掰斷,如圖3 所示。巖芯掰斷后利用鉆頭與巖芯摩阻力將巖芯柱取出,循環(huán)往復(fù),直至將巖石鉆成直徑φ 1.5 m的小孔,如圖4所示。

        更換上φ 2.0 m牙輪筒鉆,下部帶φ 1.5 m導(dǎo)正鉆頭鉆進(jìn)至孔底,換用φ 1.5 m雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗掃孔清渣。更換上φ 2.5 m 牙輪齒鉆,下部帶φ 2.0 m 導(dǎo)正鉆頭鉆進(jìn)至孔底,再用φ 2.0 m雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗掃孔清渣,如圖5 所示。最后換用φ 2.5 m 牙輪齒筒鉆鉆進(jìn)到底,換用φ 2.5 m雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗掃孔清渣[6]。

        圖3 截齒取芯原理Fig.3 Principle of Pick Coring

        圖4 截齒取芯的芯樣Fig.4 Core Sample of Pick Coring

        圖5 分級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Stepped Reaming Drilling

        在鉆進(jìn)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)變化情況,及時(shí)調(diào)整鉆斗的升降速度,在提鉆瞬間,鉆頭底部會(huì)出現(xiàn)短時(shí)負(fù)壓,使孔壁承受徑向內(nèi)吸力,易導(dǎo)致地質(zhì)條件較差的土層發(fā)生塌孔,因此在施工應(yīng)注意防范,做好鉆進(jìn)記錄,根據(jù)不同地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整泥漿指標(biāo)和旋挖速度。

        3.6 沖擊鉆輔助清孔

        旋挖鉆鉆孔到位并掃孔清渣后,移開(kāi)至下一根樁位,沖擊鉆就位,采用直徑φ 2.5 m的沖錘,沖錘中心對(duì)準(zhǔn)樁孔中心,沖錘下放至孔底部,采用約1.0 m 的小沖程反復(fù)沖砸,將旋挖鉆未清理干凈的片石狀的鉆渣砸碎,同時(shí)可對(duì)孔型進(jìn)行修整。沖砸過(guò)程中,泥漿采用正循環(huán)方式進(jìn)行循環(huán),泥漿稠度適當(dāng)增大,以便充分起到浮渣的作用[7]。

        當(dāng)孔深達(dá)到設(shè)計(jì)深度后,停止沖砸。再采用反循環(huán)進(jìn)行一次清孔,以便徹底清除鉆渣。清孔后,采用超聲波檢孔儀對(duì)樁孔進(jìn)行檢測(cè),合格后,進(jìn)入后續(xù)工序施工[8]。

        4 質(zhì)量控制措施

        泥漿采用淡水造漿,為避免有可能海水滲入,采用能適應(yīng)20%海水的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土,保證在地質(zhì)變化情況下的泥漿穩(wěn)定性,不會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象。針對(duì)不同地質(zhì)條件,及時(shí)調(diào)整泥漿性能要求[9]。

        鉆進(jìn)時(shí)注意地質(zhì)變化情況,及時(shí)調(diào)整旋挖速度,在砂質(zhì)地層時(shí)降低鉆進(jìn)速度,采用短進(jìn)尺鉆斗,減少每次挖取量,同時(shí)降低提升速度,減少負(fù)壓產(chǎn)生。成孔過(guò)程注意補(bǔ)充孔內(nèi)的泥漿,防止泥漿面過(guò)低造成孔壁坍塌。鉆機(jī)鉆孔時(shí),應(yīng)根據(jù)土層類(lèi)別、鉆孔速度及供漿量來(lái)確定相應(yīng)的成孔速度[10]。

        旋挖鉆機(jī)配備自動(dòng)對(duì)中、孔深探測(cè)系統(tǒng),開(kāi)挖前進(jìn)行一次對(duì)中,在鉆進(jìn)過(guò)程中即可保持位置不變;為了保證成孔的垂直度,開(kāi)鉆之前采用吊線法檢查顯示器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;鉆進(jìn)過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制鉆桿的垂直度,確保成孔垂直度滿足設(shè)計(jì)要求。鉆孔過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)斜孔、彎孔、縮頸、塌孔或沿護(hù)筒周?chē)皾{以及地面沉陷等情況,應(yīng)停止鉆孔,經(jīng)采取有效措施后,方可繼續(xù)施工[11]。

        5 結(jié)語(yǔ)

        珠海市某大橋3#主墩樁基施工創(chuàng)新地采用旋挖鉆、沖擊鉆組合成孔工藝,與鉆孔灌注樁傳統(tǒng)成孔工藝相比,充分利用了旋挖鉆成孔效率高的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也避免了旋挖鉆清孔不徹底的缺點(diǎn)。實(shí)際施工中,該大橋3#主墩20根直徑φ 2.5 m的樁基施工時(shí)間僅70 d,平均3.5 d/根,其施工效率明顯優(yōu)于其他施工工藝,施工時(shí)間約只有沖擊鉆施工時(shí)間的1/4,大幅減少了施工成本,有效地保證了樁基施工質(zhì)量。經(jīng)超聲波檢孔儀檢測(cè),旋挖鉆、沖擊鉆接力成孔孔壁順直,垂直度滿足文獻(xiàn)[10]要求;成樁后經(jīng)超聲波無(wú)損檢測(cè)和強(qiáng)制抽芯檢測(cè),樁底沉淀厚度滿足規(guī)范要求,該大橋3#主墩20根樁基全部為Ⅰ類(lèi)樁,樁基施工質(zhì)量?jī)?yōu)良。相關(guān)施工工藝可供類(lèi)似工程借鑒。

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