朱 峰,劉崢志,雷 斌

(1.深圳市工勘建設(shè)集團有限公司,廣東 深圳 518063; 2.深圳市工勘巖土集團有限公司,廣東 深圳 518063)

0 引言

在深厚易塌孔地層進行旋挖灌注樁施工,通常需要沉入深長護筒進行護壁,將護筒穿越易塌孔地層,以確?？妆诜€(wěn)定。目前,傳統(tǒng)深長護筒的施工方法主要有3種:①采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機鉆樁下長護筒,配合沖抓斗進行取土鉆進;②采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機鉆樁下長護筒,配合旋挖鉆機進行取土;③使用振動錘沉入超長護筒,再用旋挖鉆機進行取土。以上3種方法都需要兩種大型設(shè)備配合施工,工序較復(fù)雜,鉆進效率低。

針對在深厚易塌孔地層超長護筒施工存在的問題,對灌注樁超長護筒施工技術(shù)進行了研究,采用深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術(shù),沉入長護筒、旋挖取土、起拔長護筒全過程均只采用1臺旋挖鉆機進行施工,達到了施工工效高、成樁質(zhì)量好、綜合成本低的效果,取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

1 工程概況

深惠城際大鵬支線土建七工區(qū)動走線特大橋位于深圳七娘山下,緊鄰大鵬半島地質(zhì)公園地塊,南西側(cè)為碧洲村,北西側(cè)為新大村。場地地層由上至下主要為:素填土、填砂層、填碎石、雜填土、淤泥質(zhì)砂、礫砂、碎(卵)石、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。橋梁樁基樁徑為1.0,1.2m,持力層為微風(fēng)化花崗巖,樁底最小嵌入持力層深度不小于1.5m,設(shè)計樁長16.2～30.3m。開始施工時,孔口下入8m的長護筒,護筒底進入雜填土中,施工中由于未完全隔離易垮塌地層,底部淤泥質(zhì)砂、礫砂、卵石層造成嚴重垮孔。經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)研究和試驗,為確保順利成孔,需將護筒下至巖面,完全將易塌孔地層護住,護筒最大深度達28m。

剛開工的5根工程樁中,每根樁都發(fā)生了不同程度的塌孔現(xiàn)象,樁基進尺十分緩慢。項目部立即停止施工,商討應(yīng)對辦法,為保證樁基施工質(zhì)量和施工效率,需將護筒穿越地下深厚的易塌孔地層,決定采用深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術(shù)。

2 深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術(shù)

2.1 適用范圍

1) 適用于扭矩不小于380kN·m的旋挖鉆機。

2)適用于含地下水豐富層、溶洞、流砂層、淤泥層等深厚易塌孔地層。

3)適用于樁徑不大于1 500mm、跟管套管長度不大于35m的基坑支護樁和工程樁鉆進。

2.2 工藝原理

本工法采用大扭矩旋挖鉆機施工,將驅(qū)動器通過連接器與旋挖鉆機的動力頭用連接銷連接,旋挖鉆機動力頭輸出扭矩和施加下壓力帶動驅(qū)動器,使與驅(qū)動器相連的首節(jié)鋼套管帶筒靴切入土中。當(dāng)鋼套管沉入困難時,解除鋼套管與驅(qū)動器的連接銷,旋挖鉆機在鋼套管內(nèi)下放旋挖鉆頭取土作業(yè),以減少鋼套管的摩阻力。完成取土后,通過旋挖鉆機接長鋼套管,旋轉(zhuǎn)并下壓鋼套管繼續(xù)沉入。如此循環(huán)沉入鋼套管、接長鋼套管、旋挖取土等步驟,直至將鋼套管下沉穿越易塌孔地層或滿足設(shè)計樁底標高。

在完成鋼筋籠吊放、樁身混凝土灌注后,再使用旋挖鉆機將鋼套管逐節(jié)拔出。起拔鋼套管前,先安放好孔口套管起拔夾持平臺,當(dāng)下節(jié)鋼套管拔出地面約1m時,使用孔口套管起拔夾持平臺將鋼套管固定,再松開鋼套管間的連接銷,將鋼套管移至下一根樁孔內(nèi)沉入,循環(huán)作業(yè)直至拔出全部鋼套管后完成施工。

2.2.1旋挖鉆機與套管接駁連接原理

本技術(shù)針對錨索產(chǎn)生滲漏的原因,在錨索滲水通道內(nèi)事先埋設(shè)注漿管,一旦出現(xiàn)錨索漏水,從預(yù)埋的注漿管口實施注漿即可進行有效封堵。

1)套管接駁連接

采用旋挖鉆機接駁套管鉆進,套管接駁主要構(gòu)件包括連接器、驅(qū)動器、鋼套管、帶刀齒筒靴等,由工廠加工制作。

連接器用于驅(qū)動器與旋挖鉆機動力頭之間的連接,上、下方均設(shè)有連接銷,上方與旋挖機動力頭連接,下方通過銷軸與驅(qū)動器連接。

驅(qū)動器長2m,管身開有若干圓氣孔,上部設(shè)有連接銷孔并通過螺栓與連接器連接,下部設(shè)計定位槽和連接銷,用于連接鋼套筒;驅(qū)動器實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)過渡,起到傳遞旋挖鉆機扭矩與加壓力的作用。

鋼套管設(shè)2,3,4m等長度規(guī)格,壁厚為30,40mm兩種規(guī)格,每節(jié)套管的上部50cm壁厚20mm,開設(shè)排狀連接銷孔,對稱設(shè)計4個定位銷;下部同樣開設(shè)相應(yīng)的連接銷孔,與上部反向設(shè)計4個定位槽相對應(yīng),用于鋼套管間或與筒靴榫接。

筒靴前端鑲嵌合金鉆齒,通過旋轉(zhuǎn)及軸壓環(huán)切各類地層,用于切削各種土層和巖層,減緩埋設(shè)套管阻力,提升套管鉆入能力;筒靴上部與鋼套管上部結(jié)構(gòu)相同,上方連接鋼套管。

連接器、驅(qū)動器、鋼套管、帶刀齒筒靴分別如圖1～4所示。

圖1 連接器Fig.1 The connectors

圖2 驅(qū)動器Fig.2 The drives

圖3 鋼套管Fig.3 The steel casing

圖4 帶刀齒筒靴Fig.4 Cartridge boots with cutter teeth

2)旋挖鉆機與套管接駁連接

先將旋挖鉆機動力頭下壓盤卸除,用連接銷軸將連接器與旋挖鉆機動力頭銷接,連接器同樣采用銷接與驅(qū)動器連接,動力頭通過連接器、驅(qū)動器傳遞下壓力及扭矩。安裝連接器、驅(qū)動器后,不影響鉆桿的伸縮以及旋挖鉆頭旋轉(zhuǎn)取土。旋挖鉆機加裝連接器、驅(qū)動器前后如圖5所示。

圖5 連接器、驅(qū)動器加裝前后Fig.5 Connector and driver before and after retrofitting

操作人員通過操控旋挖鉆機,緩慢下放驅(qū)動器套入鋼套管,調(diào)整驅(qū)動器并使驅(qū)動器下部定位槽與鋼套管的定位銷對齊后再次下放驅(qū)動器,驅(qū)動器與鋼套管完成對接,對稱、順時針撥動連接銷完成緊固。驅(qū)動器與鋼套管連接如圖6所示。

圖6 驅(qū)動器與鋼套管連接Fig.6 The driver is connected to the steel casing

鋼套管間或鋼套管與筒靴的連接與驅(qū)動器相同,將鋼套管下方的定位槽與另一節(jié)鋼套管(筒靴)上部的定位銷對齊完成對接,然后在連接銷孔插入柱狀螺栓并完成緊固,從而完成鋼套管間或與筒靴的連接。鋼套管間連接如圖7所示。

圖7 鋼套管間連接Fig.7 Connection between steel sleeves

2.2.2鋼套管沉入及套管內(nèi)取土原理

1)鋼套管沉入原理

將連接器與旋挖鉆機動力頭連接,并依次連接驅(qū)動器、鋼套管和筒靴。通過旋挖鉆機動力頭輸出扭矩和施加壓力于鋼套管、筒靴,將首節(jié)鋼套管旋轉(zhuǎn)切入土中。當(dāng)首節(jié)鋼套管頂離地面約1m左右,停止沉入,開始接長鋼套管。旋挖鉆機解除與首節(jié)鋼套管連接,重新接駁另一節(jié)鋼套管,將兩節(jié)鋼套管進行對接,完成緊固后,旋挖鉆機再次施壓將鋼套管沉入。循環(huán)沉入鋼套管、接長鋼套管步驟,直至鋼套管穿越深厚易塌孔地層。

2)旋挖鉆機套管內(nèi)取土原理

當(dāng)鋼套管與驅(qū)動器連接后,旋挖鉆頭可在鉆孔長度方向通過伸縮鉆桿進行套管內(nèi)旋轉(zhuǎn)鉆進,但由于受鋼套管、驅(qū)動器的阻礙無法卸土。隨著鋼套管不斷沉入,鋼套管承受的摩阻力也越來越大,造成下沉困難時,就需要解除鋼套管與驅(qū)動器的連接,將旋挖鉆頭攜帶著驅(qū)動器自由在套管內(nèi)鉆進取土,或入巖鉆進以及提升鉆頭套管外卸土。

2.2.3孔口夾持起拔套管原理

1)孔口夾持平臺設(shè)計

當(dāng)樁身混凝土灌注完成后,需及時拔出鋼套管,避免因混凝土凝固造成套管無法拔出。此時,將驅(qū)動器與鋼套管重新連接,動力頭反向轉(zhuǎn)動驅(qū)動器同時施加上拔力,將鋼套管逐節(jié)拔出。起拔鋼套管前,為防止鋼套管因自重作用下沉或掉落,本工法在鋼套管外專門設(shè)計了孔口套管起拔夾持平臺。

孔口套管起拔夾持平臺由型鋼制作,平臺設(shè)2個螺桿鎖、6個凸輪鎖和固定頂塊,具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 套管起拔孔口夾持平臺結(jié)構(gòu)Fig.8 Clamping platform structure at orifice

2)孔口套管起拔

上節(jié)鋼套管拔出地面,驅(qū)動器與鋼套管解除連接前,為防止鋼套管在自重作用下下沉,順時針方向旋轉(zhuǎn)螺桿鎖,將螺桿向鋼套管內(nèi)旋出,并卡住焊在鋼套管上的短鋼筋;上抬凸輪鎖手柄,凸輪鎖凸輪帶有連續(xù)鋸齒,當(dāng)鋸齒與套管外壁接觸時,凸輪鋸齒將發(fā)揮夾持作用。若套管有下沉趨勢,連續(xù)分布的鋸齒會與套管越夾越緊,利用鋸齒與套管之間的摩擦力抵抗套管下沉。螺桿鎖及凸輪鎖固定套管如圖9所示。

圖9 螺桿鎖及凸輪鎖固定套管Fig.9 Screw lock and cam lock fixing casing

當(dāng)上節(jié)鋼套管拔出地面約1m左右時,擰動孔口套管起拔夾持平臺的螺桿鎖及凸輪鎖將鋼套管固定。使用電動扳手擰出鋼套管之間的柱狀螺栓,提升旋挖鉆機動力頭及驅(qū)動器,將上節(jié)鋼套管與下節(jié)套管分離,移至孔外合適位置或轉(zhuǎn)至下一根樁施工。上節(jié)鋼套管放穩(wěn)或沉入下一根樁后,逆時針撥動驅(qū)動器的全部連接銷,解除驅(qū)動器與鋼套管的連接。旋挖鉆機駛回原樁位,重新連接鋼套管,繼續(xù)拔出余下鋼套管,直至全部拔出。

2.2.4流水作業(yè)原理

1號樁完成混凝土灌注后,使用旋挖鉆機帶驅(qū)動器起拔鋼套管,起拔過程中使用孔口套管起拔夾持平臺固定地下部分鋼套管,防止其下沉。起拔出來的鋼套管移至2號樁位沉入,然后旋挖鉆機繼續(xù)將1號樁剩余的鋼套管逐節(jié)拔出,并沉入2號樁,如此循環(huán),完成1號樁所有的套管起拔以及2號樁套管沉入流水作業(yè)。

2.3 施工工藝流程

深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工工藝流程如圖10所示。

圖10 施工工藝流程Fig.10 Construction process

2.4 操作要點

1) 施工準備 ①施工前,收集場地勘察資料,查閱設(shè)計圖紙,確定樁頂和樁底標高,計算空樁及實樁樁長,制定施工方案,安排人員材料設(shè)備進場。②清除場地施工范圍內(nèi)的所有障礙物,平整場地并壓實。③依據(jù)設(shè)計圖紙,使用全站儀對樁位進行測量定位,并標志出樁位中心點,引出4個護樁。④根據(jù)施工需要準備足夠數(shù)量的鋼套管和2套筒靴,以便全套管跟進施工流水作業(yè)。⑤拆卸旋挖鉆機驅(qū)動下壓盤,安裝連接器、驅(qū)動器。

2) 開孔 ①開孔可采用旋挖鉆筒或直接采用帶筒靴的套管開孔。②采用旋挖鉆筒開孔時,將旋挖鉆頭中心對準樁位中心點,下放鉆頭至地面,旋轉(zhuǎn)、下壓鉆頭開始鉆進成孔,鉆孔深度以孔口不發(fā)生垮塌為準。

3) 首節(jié)鋼套管帶筒靴沉入 ①將首節(jié)鋼套管與驅(qū)動器連接,安裝鋼套管前,先將驅(qū)動器的連接銷順時針全部打開,再安裝鋼套管。驅(qū)動器完全插入鋼套管后,逆時針撥動連接銷,將鋼套管固定。②將連接筒靴的鋼套管緩慢下放至已開好的孔內(nèi),通過旋挖鉆機動力頭調(diào)整鋼套管的垂直度,并確認鋼套管垂直度符合要求。③垂直度符合要求后,旋轉(zhuǎn)旋挖鉆機動力頭,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器并加壓,鋼套管開始切削土層入土下沉。

4) 鋼套管孔口接長、沉入 ①為方便鋼套管接長,當(dāng)首節(jié)鋼套管沉入至外露地面約1m時,停止沉入,開始接長鋼套管。②順時針撥動驅(qū)動器連接銷使得驅(qū)動器與鋼套管解鎖,提起驅(qū)動器。③將驅(qū)動器與另一節(jié)鋼套管連接,旋挖鉆機移位至首節(jié)鋼套管上方,調(diào)整動力頭使鋼套管下方定位槽插入首節(jié)鋼套管上方定位銷,緩慢下放。④兩節(jié)鋼套管對接完成,安裝螺栓前,將連接銷孔及柱狀螺栓的浮泥用高壓水槍沖洗干凈。安裝好螺栓后,先人工用扳手初緊,再用電動扳手緊固。⑤套管連接完成后,用水平靠尺檢測套管垂直度,用直尺復(fù)核樁位,不符合要求則及時進行調(diào)整。⑥旋轉(zhuǎn)旋挖鉆機動力頭,轉(zhuǎn)動并下壓沉入鋼套管,當(dāng)沉入鋼套管頂距離地面約1m時,停止沉入,重復(fù)接長鋼套管步驟。

5) 旋挖鉆頭鋼套管內(nèi)取土 ①隨著鋼套管不斷沉入,鋼套管受到的摩阻力增大,當(dāng)鋼套管難以繼續(xù)沉入時,使用旋挖鉆頭在鋼套管內(nèi)取土。②旋挖鉆斗取土完成后,逆時針撥動驅(qū)動器全部連接銷,使驅(qū)動器與鋼套管之間連接分離,提起驅(qū)動器;當(dāng)驅(qū)動器與鋼套管連接處位于高處,伸手無法撥動時,可使用自制長鉤撥動連接銷。③伸長旋挖鉆機鉆桿,用旋挖鉆斗于鋼套管內(nèi)取土,卸至渣土箱內(nèi)臨時堆放;取土深度與鋼套管底平,或略比鋼套管底深,確?？椎撞话l(fā)生塌孔。④重復(fù)鋼套管壓入與旋挖套管內(nèi)取土、卸渣等作業(yè)步驟,直至鉆孔深度穿越易塌孔地層或滿足設(shè)計樁底標高。

6) 套管內(nèi)旋挖鉆進 ①鋼套管穿越易塌孔地層進入巖面后,在套管內(nèi)正常旋挖鉆進。②解除驅(qū)動器與鋼套管連接,正常旋挖鉆頭進行鉆進、取土、卸土作業(yè),直到鉆孔深度滿足設(shè)計樁底標高。

7) 清孔、下放鋼筋籠、安放灌注導(dǎo)管、灌注樁身混凝土 ①鉆進達到設(shè)計要求后,使用清孔撈渣鉆頭對孔底進行掃孔,將孔底沉渣清掃干凈。②吊機吊籠入孔時,派專人指揮,吊機平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。③鋼筋籠吊裝合格后,安裝灌注導(dǎo)管,導(dǎo)管直徑250mm,接頭連接牢固并設(shè)密封圈,保證不漏水、不透水。④ 二次清孔滿足要求后,即進行樁身混凝土灌注,灌注時使用12h超緩凝混凝土,避免未拔出全部鋼套管前混凝土發(fā)生凝固,造成鋼套管無法拔出。⑤首批灌注混凝土的數(shù)量滿足導(dǎo)管首次埋置深度1.0m以上的需要,保持連續(xù)灌注;在灌注過程中,派專人定期測量套管內(nèi)混凝土面和導(dǎo)管內(nèi)混凝土的上升高度,及時拆除導(dǎo)管,埋管深度控制在2～6m。

8) 安放孔口套管起拔夾持平臺 ①混凝土灌注完成后,開始拔出鋼套管。②拔出鋼套管前,將旋挖鉆機驅(qū)動器與鋼套管分離,從鋼套管上方緩慢下放,將孔口套管起拔夾持平臺套入鋼套管。③夾持平臺就位后,使用墊塊將孔口套管起拔夾持平臺安放平穩(wěn),并保持平臺平面水平。

9) 逐節(jié)拔出套管 ①將旋挖鉆機就位,對準套管中心,下放接駁器與孔口套管對接,并采用螺栓緊固連接。②旋挖機動力頭輸出扭矩使接駁器旋轉(zhuǎn),同時施加上拔力,將套管逐漸拔出孔口。③當(dāng)上節(jié)鋼套管完全拔出,且下節(jié)鋼套管拔出地面約1m時,順時針方向?qū)⒙輻U鎖螺桿旋出,并卡住焊在鋼套管上的短鋼筋;上抬凸輪鎖手柄,凸輪鎖夾緊鋼套管,與螺桿鎖共同作用固定孔內(nèi)超長套管,防止鋼套管下沉。④用高壓水槍對銷孔位置進行沖洗,對稱、逐個松開連接銷,將兩節(jié)鋼套管松開;提升驅(qū)動器,當(dāng)上節(jié)鋼套管與下節(jié)鋼套管完全分離后,開動旋挖鉆機將第一節(jié)鋼套管移至樁位旁邊或下一樁孔。⑤重復(fù)以上步驟,將鋼套管以及首節(jié)刀齒套管全部拔出。

10) 轉(zhuǎn)至下一根樁施工 ①首節(jié)套管拔出后,移至下一根樁位,確認樁位、垂直度符合要求后,加壓旋轉(zhuǎn)沉入土中。②旋挖鉆機繼續(xù)將余下的鋼套管拔出,并沉入下一根樁,完成流水作業(yè)。

2.5 施工工藝特點

1) 施工效率高 本工法采用驅(qū)動器連接鋼套管,旋挖鉆機動力頭通過連接器、驅(qū)動器驅(qū)動鋼套管旋轉(zhuǎn)壓入或拔出,鋼套管接長和拆卸均由旋挖鉆機完成,無需其他大型機械配合加拆套管。卸掉連接鋼套管的插銷后,旋挖鉆機直接在套管內(nèi)鉆進取土,大大提升了施工效率。

2) 成樁質(zhì)量好 本工法采用全套管跟管鉆進,利用鋼套管護壁,無孔壁坍塌、縮徑等風(fēng)險,無需泥漿護壁,清潔環(huán)保;鉆進成孔直徑均勻,成孔質(zhì)量高;鋼套管護壁,垂直度易于控制,節(jié)約樁身混凝土用量,確保了成樁質(zhì)量。

3) 綜合成本低 灌注樁整個施工過程包括下沉鋼套管、旋挖鉆進、出土,僅使用1臺旋挖鉆機施工,大型施工機械用量少,節(jié)省了大量的機械使用費用;施工時,旋挖拔出套管后隨即接入另一孔的套管上鉆進,整體流水作業(yè),減少了輔助作業(yè)時間,施工效率高,綜合成本低。

3 結(jié)語

深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術(shù)無需多臺大型機械配合施工,僅使用1臺大扭矩旋挖鉆機,連接驅(qū)動器及鋼套管,便能完成鋼套管的下沉和起拔以及在鋼套管內(nèi)鉆進取土、卸土等工序,適用于含地下水豐富層、溶洞、流砂層、淤泥層等深厚易塌孔地層,并具有施工效率高、成樁質(zhì)量好、綜合成本低等特點。