大直徑鋼管斜樁全斷面沖擊成孔嵌巖樁的工程應(yīng)用

童康民

(浙江省巖土基礎(chǔ)公司,浙江寧波 315040)

大直徑鋼管斜樁全斷面沖擊成孔嵌巖樁的工程應(yīng)用

童康民

(浙江省巖土基礎(chǔ)公司,浙江寧波 315040)

通過大直徑鋼管斜樁全斷面沖擊成孔嵌巖樁在中奧能源集團(tuán)舟山六橫PX儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目的應(yīng)用,介紹了全斷面斜樁嵌巖沖擊成孔的工藝流程、沖擊成孔常見事故處理,全斷面斜樁嵌巖沖擊成孔工藝在海域碼頭基礎(chǔ)施工領(lǐng)域的成功運(yùn)用說明其具有廣闊的應(yīng)用前景。

鋼管斜樁;全斷面沖擊成孔;嵌巖樁;工藝流程;成孔事故

0 前言

傳統(tǒng)的高樁碼頭建造,基礎(chǔ)施工多采用預(yù)制斜樁,該樁的摩擦荷載必須滿足碼頭多種承載力要求,如果第四系地層厚度不能滿足,則必須使樁端嵌入中微風(fēng)化基巖一定深度后才能滿足樁的抗拔、抗滑要求。近年來在浙江沿海地區(qū)建造碼頭過程中所遇到的難題是預(yù)制斜樁不能進(jìn)入中微風(fēng)化基巖,若利用鉆孔灌注樁則不能直接成斜樁,因而不能達(dá)到碼頭基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求的抗拔力及抗滑力。針對(duì)這種現(xiàn)狀,我公司1996年開發(fā)了在我國首次采用的多束斜樁錨巖技術(shù),并獲得了浙江省自然科學(xué)進(jìn)步三等獎(jiǎng),該技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)港工建設(shè)基礎(chǔ)施工方法上的一項(xiàng)空白。在過去的十多年中,在浙江沿海區(qū)域碼頭建設(shè)施工中,我公司已完成20多個(gè)斜樁巖錨施工項(xiàng)目。但在斜樁錨巖施工過程中發(fā)現(xiàn),此施工技術(shù)只能應(yīng)用于抗拔力及抗滑力設(shè)計(jì)要求不是很高的碼頭領(lǐng)域中,而不能滿足設(shè)計(jì)承載能力較大的碼頭基礎(chǔ)施工;在高端碼頭基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,通過對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行理論受力分析與計(jì)算,顯示只有采用全斷面斜樁嵌巖才能滿足高端碼頭中樁的高抗拔力及高抗滑力。

在國內(nèi)高端碼頭基礎(chǔ)全斷面斜樁嵌巖施工技術(shù)中,成孔工藝采用的是全液壓回旋式工程鉆機(jī)進(jìn)行成孔施工,鉆頭為牙輪鉆頭,這種施工工藝我們?cè)?jīng)在上海寶鋼集團(tuán)馬跡山礦石中轉(zhuǎn)碼頭一期工程全斷面斜樁嵌巖設(shè)計(jì)施工中采用過;但在施工過程中發(fā)現(xiàn),此工藝在成孔施工中存在一定的缺陷:設(shè)備繁瑣而笨重且造價(jià)高、成孔速度慢、對(duì)地質(zhì)巖層的完整性要求高、鉆頭損耗大、設(shè)備及技術(shù)事故多等;導(dǎo)致單樁成樁時(shí)間長,為了保證施工工期,在施工過程中需要投入大量的人力及設(shè)備,從而大大增加了施工成本,嚴(yán)重降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為此我公司施工技術(shù)人員在以后的多個(gè)類似項(xiàng)目中通過不斷的實(shí)踐和總結(jié),研創(chuàng)出一種高效的成孔施工工藝即沖擊成孔全斷面斜樁嵌巖施工工藝,解決了上述難題。中奧能源集團(tuán)舟山六橫PX儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目碼頭樁基礎(chǔ)施工就是此成孔工藝的一次完美的體現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)要求

中奧能源集團(tuán)舟山六橫PX儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目碼頭位于六橫島岙山附近,此區(qū)域第四系地層厚度薄,平均厚度為10 m左右,碼頭靠船墩要承受15萬噸級(jí)油輪?？?為滿足受力要求靠船墩樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中需將“1800 mm鋼管樁(斜度為6∶1)打入中等風(fēng)化凝灰?guī)r面,然后在鋼管樁內(nèi)成孔徑為1600 mm的孔,成孔進(jìn)入⑥2層中等風(fēng)化凝灰?guī)r面(巖性為:深灰色,灰綠色,紫紅色,凝灰結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,裂隙面閉合,巖石脆硬,巖心呈碎塊狀和短柱狀,巖性以凝灰?guī)r為主間夾凝灰質(zhì)砂巖、安山玢巖)4.0 m,數(shù)量為25根。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鋼管斜樁嵌巖樁結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)

2 施工工藝流程

鉆頭加工→沖擊成孔→清孔→安放鋼筋籠→灌注混凝土。

2.1 鉆頭加工

在鋼管斜樁全斷面嵌巖樁沖擊成孔的施工工藝中,鉆機(jī)采用DZ-10型普通的沖擊式工程鉆機(jī),但沖擊錘頭的結(jié)構(gòu)是斜樁全斷面嵌巖能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。斜樁全斷面嵌巖的沖擊錘頭采用定做的沖擊錘頭及鋼套筒制作(圖2)。由于樁底要嵌入中風(fēng)化巖層4 m并考慮到強(qiáng)風(fēng)化基巖厚度和鋼套筒在鋼管樁內(nèi)部存留部分長度,沖擊錘頭長度初步擬定為6 m左右,在鋼管套筒的錘頭部分一端鑲嵌硬質(zhì)合金頭。沖擊錘頭由于受樁斜度的影響,錘頭的重力在沖擊過程中導(dǎo)致一定程度的分解,因此沖擊效果受到影響,依據(jù)直樁全斷面嵌巖的施工經(jīng)驗(yàn),沖擊錘頭總重初步擬定5～6 t;由于斜樁沖擊過程中錘頭是沿著管樁內(nèi)壁最低位置上下反復(fù)滑動(dòng),所以在沖擊過程中鋼管和錘頭部分對(duì)管樁內(nèi)壁產(chǎn)生小幅度的磨損,因此考慮在鋼套筒外側(cè)四周焊接鋼筋或安裝滑輪的措施以減少?zèng)_擊鉆頭對(duì)管樁內(nèi)壁的磨損,對(duì)于不可避免的磨損可以通過后期在管樁內(nèi)灌注混凝土的工藝彌補(bǔ),使樁基質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;上述沖擊錘頭參數(shù)視試成樁效果加以調(diào)整。

圖2 沖擊錘頭

2.2 成孔

開孔時(shí),應(yīng)低錘密擊。遇到孤石時(shí),可采用高低沖程交替沖擊,將大孤石擊碎。沖擊過程中控制好泥漿密度,孔內(nèi)泥漿面應(yīng)保持穩(wěn)定。進(jìn)入基巖后,應(yīng)低錘沖擊或間斷沖擊,待樁孔全斷面進(jìn)入基巖后,再選取正常沖程,以防因基巖面傾斜導(dǎo)致孔斜,如發(fā)現(xiàn)孔斜應(yīng)回填片石至孔斜上方300～500 mm處,然后重新沖孔。

2.2.1 樁身垂直度控制

(1)開孔時(shí),必須用水平尺校正機(jī)架底座,保持穩(wěn)固,交班時(shí)每個(gè)班都必須復(fù)查一次,發(fā)現(xiàn)傾斜應(yīng)隨時(shí)墊平。

(2)換層沖擊時(shí)應(yīng)根據(jù)地層變化調(diào)整沖擊參數(shù)。

(3)沖擊過程中,如發(fā)現(xiàn)孔斜、塌孔現(xiàn)象等情況,應(yīng)停止沖擊,待摸清情況采取措施后方可繼續(xù)沖擊成孔。

2.2.2 孔深控制

(1)據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)高程,由測(cè)量員提供孔口標(biāo)高,并由當(dāng)班施工員記錄在樁機(jī)成孔報(bào)表上。

(2)由施工員會(huì)同機(jī)班長配備足夠沖具,并統(tǒng)一測(cè)量沖具長度做好標(biāo)記。

(3)沖擊成孔到中風(fēng)化巖時(shí),應(yīng)準(zhǔn)確記錄其頂板埋深,嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求,控制沖擊進(jìn)入持力層的設(shè)計(jì)深度后終孔。中風(fēng)化巖頂板埋深以下列2條作為判斷依據(jù):

①工程地質(zhì)勘察報(bào)告所述的中風(fēng)化巖頂板標(biāo)高等值線圖;

②孔口巖樣硬度、顏色、風(fēng)化程度及含量。

2.2.3 孔壁穩(wěn)定性控制

成孔過程中必須保證泥漿性能。因故障停止時(shí),應(yīng)保持孔內(nèi)液面高度高出潮位高度,以保證孔壁內(nèi)外液面壓力平衡。

2.2.4 沉渣的控制

終孔時(shí)必須用大泵量作一次清孔,清孔換漿應(yīng)徹底,沉渣厚度滿足設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求。

2.3 清孔

采用二次清孔,第一次清孔利用成孔結(jié)束時(shí)正循環(huán)清孔,第二次清孔是在下好鋼筋籠和導(dǎo)管后進(jìn)行,利用空壓機(jī)及導(dǎo)管進(jìn)行氣舉反循環(huán)清孔。清孔時(shí),經(jīng)常上下竄動(dòng)導(dǎo)管,以便能將孔底周圍浮渣清除干凈。清孔沉渣厚度≯5 cm,滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后,進(jìn)行混凝土灌注。

(1)終孔時(shí)必須用大泵量作一次清孔,清孔換漿應(yīng)徹底,孔內(nèi)泥漿應(yīng)無粗砂、碎石和大的泥塊,泥漿密度在1.25 kg/L左右,粘度在25 s左右。

(2)下入鋼筋籠、導(dǎo)管后,進(jìn)行二次清孔,進(jìn)一步置換孔內(nèi)泥漿,使其性能滿足護(hù)壁和灌砼要求。

(3)二次清孔后,孔內(nèi)泥漿性能指標(biāo)要求如下:密度<1.25 kg/L,粘度≤28 s,含砂率≤8%,清孔沉渣厚度≯5 cm,滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后,方可進(jìn)行水下砼灌注。

2.4 鋼筋籠制作與安放

鋼筋籠制作場(chǎng)布置于場(chǎng)地高處不受潮水影響的區(qū)域,鋼筋籠制作完成檢查合格后利用吊船運(yùn)輸至孔口并進(jìn)行安放。

2.4.1 鋼筋籠制作工藝

鋼筋必須有質(zhì)量保證書,并通過抽樣復(fù)檢合格后才能制作鋼筋籠。鋼筋籠由專職電焊工上崗制作,并對(duì)鋼筋焊接質(zhì)量抽樣送檢,抽樣數(shù)量為每300個(gè)焊接接頭做一組試驗(yàn)。采用BX-300型電焊機(jī), J422電焊條。先根據(jù)樁徑制作加強(qiáng)筋,然后按主筋根數(shù)均勻分布點(diǎn)焊加強(qiáng)筋上,繞上箍筋并梅花點(diǎn)焊。做到成型鋼筋籠直、箍筋圓,直觀效果好。待成孔后運(yùn)至孔口下籠,每節(jié)鋼筋籠間采用單面焊焊接。

2.4.2 鋼筋籠的制作偏差范圍(見表1)

表1 鋼筋籠的制作偏差范圍表

2.5 水下砼灌注

采用C35商品混凝土,用泵送入導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)行混凝土灌注,灌注時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)采用“250 mm絲扣接頭式導(dǎo)管,由于鋼管樁具有一定的斜度,因此在部分導(dǎo)管四周安裝導(dǎo)向鋼板,以便在灌砼時(shí)使導(dǎo)管居于管樁中間;

(2)初灌時(shí),導(dǎo)管底距應(yīng)控制在30 cm左右,初灌量應(yīng)保證導(dǎo)管埋管達(dá)到0.8 m以上;

(3)灌注過程中應(yīng)由專人負(fù)責(zé)探測(cè)砼面指導(dǎo)拆管,導(dǎo)管埋深宜控制在2.5～10 m之間,杜絕夾泥、斷樁;

(4)為保證樁頂混凝土質(zhì)量,所有樁均需超灌,超灌按0.8 m控制;

(5)水下砼灌注的整個(gè)過程,包括灌注樁樁號(hào)、灌注時(shí)間、砼實(shí)際灌注量、拔管記錄等,應(yīng)由專人負(fù)責(zé)詳細(xì)記錄,便于分析和總結(jié)。

3 施工質(zhì)量措施

(1)工程施工前為本工程全體施工人員進(jìn)行技術(shù)交底,明確各道工序的設(shè)計(jì)要求及施工規(guī)范要求。

(2)組織QC小組,實(shí)行全面質(zhì)量管理,嚴(yán)格把好每道工序質(zhì)量關(guān),上道工序不合格不準(zhǔn)進(jìn)入下道工序的工作。

(3)對(duì)外購的建筑材料必須嚴(yán)格控制質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),檢查復(fù)核質(zhì)量保證材料,對(duì)于重要材料堅(jiān)持進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)鋼筋籠的加工,做到工藝檢查、設(shè)備檢查、施工操作規(guī)范檢查、焊接質(zhì)量檢查、建立嚴(yán)格驗(yàn)收把關(guān)制度。

(4)施工現(xiàn)場(chǎng)配備專職質(zhì)量檢查人員,檢查復(fù)核鉆機(jī)的對(duì)位,中風(fēng)化巖層的頂面、鉆孔深度、沉渣厚度、鋼筋籠的制作質(zhì)量、混凝土的坍落度等。

(5)嚴(yán)格按照本施工設(shè)計(jì)中擬定的工藝流程施工,認(rèn)真做好施工記錄,及時(shí)填寫施工報(bào)表。

(6)建立每周一次的技術(shù)總結(jié)會(huì)議制度,要求項(xiàng)目部成員、技術(shù)員、鉆機(jī)班班長參加,對(duì)施工中存在的質(zhì)量問題和隱患及時(shí)處理、總結(jié)。

(7)技術(shù)人員應(yīng)配合建設(shè)、監(jiān)理及總包單位管理人員共同做好各項(xiàng)質(zhì)檢工作。

4 沖擊成孔常見事故處理

由于地質(zhì)原因及穩(wěn)樁措施(人工基床)的特殊構(gòu)造,鋼套筒底以下的成孔施工存在著許多不利情況。通過潛水探摸和施工實(shí)踐,了解和掌握了海底裸巖區(qū)表層的情況,并綜合了這次編方案前組織對(duì)施工區(qū)域的海底航測(cè)、潛水探摸的情況,經(jīng)過了綜合性分析、研究,在選擇基床拋填物和沉樁工藝、鉆機(jī)及成孔工藝時(shí)已溶合了這些問題,但我們?nèi)匀徽J(rèn)為還會(huì)有一些不確定因素的存在,還應(yīng)加以預(yù)防和確定故障排除工藝。對(duì)于個(gè)別鋼套筒底以下巖層孔壁存在嚴(yán)重的裂縫、滲漏情況,采取注壓化學(xué)水泥漿液、靜壓滲透固結(jié)封堵的工藝。

4.1 孔壁坍塌和滲漏故障

鋼套筒底至巖面之間,因巖面上的礁石塊、凹凸?fàn)罨驕系懒芽p、巖面斜坡筒底與巖面一側(cè)開口等情況,在施工中如孔壁不能完整形成或形成后發(fā)生坍塌和孔壁滲漏時(shí),要及時(shí)提起鉆頭(嚴(yán)防埋鉆)→向孔內(nèi)分層拋填塊石(塊石粒徑應(yīng)選擇大于20 cm、小于50 cm)、粘土(粘土要求成塊或袋裝成團(tuán))、必要時(shí)拋填部分袋裝水泥→沖擊擠壓,造壁(或固壁)→堅(jiān)持分層拋填、分層沖擊的造壁、固壁施工措施(每次拋填厚度控制在1 m左右)。

4.2 卡鉆故障

施工中應(yīng)采取正確的操作工藝進(jìn)行作業(yè),避免因盲目操作等人為因素造成卡鉆故障產(chǎn)生。同時(shí)加強(qiáng)作業(yè)平臺(tái)面的施工管理力度,嚴(yán)防鐵件、鐵器掉入孔內(nèi)造成卡鉆故障。無論何種沖擊鉆機(jī),都必須針對(duì)不同地層采用不同的沖程,防止斜孔或梅花孔故障的產(chǎn)生(甚至發(fā)生卡鉆現(xiàn)象)。施工中一旦發(fā)生了卡鉆現(xiàn)象,首先應(yīng)查明原因、鉆頭所在位置及標(biāo)高,判斷被卡程度,分析被卡部位在排除過程中的各種可能發(fā)生的變化(包括有無可能埋鉆故障的出現(xiàn)),做到卡鉆情況明了,排除方案確定,預(yù)防故障擴(kuò)大有措施。一般卡鉆可采用沖擊震動(dòng)、外加輔力起拔、千斤頂起拔、小藥量爆炸松動(dòng)等手段排除(包括必要時(shí)派潛水員下潛探明情況,掌握較直觀的一手資料)。如經(jīng)分析判斷是因鋼套管底變形等原因造成的卡鉆,在故障排除后,不能盲目進(jìn)行再施工,應(yīng)去探明證實(shí)后再作處理。

4.3 掉鉆故障

施工中經(jīng)常有掉鉆故障發(fā)生,究其原因主要有以下幾個(gè)方面:沖擊鉆機(jī)鋼絲繩陳舊斷裂;沖擊鉆機(jī)沖錐頂可旋轉(zhuǎn)吊環(huán)老化斷裂、鉆進(jìn)中形成斜孔后折裂,吊環(huán)底部環(huán)損壞;沖錐使用時(shí)間過長、上部錐體產(chǎn)生了裂紋未被發(fā)現(xiàn)等。

從上述故障可以看出發(fā)生的原因,綜合起來就是平時(shí)的設(shè)備管理與維修不到位、沖擊鉆進(jìn)過程中沒有仔細(xì)觀察和及時(shí)排除故障苗頭造成的,因此要防止上述故障發(fā)生的根本措施在于對(duì)鉆機(jī)隊(duì)伍、操作人員的加強(qiáng)管理,制定嚴(yán)密的設(shè)備進(jìn)場(chǎng)檢查和確認(rèn)、設(shè)備檢修與保養(yǎng)工作制度;同時(shí)在施工期間需要操作工精心作業(yè)、經(jīng)常觀察(一般上述故障中大部分最終爆發(fā)之前都會(huì)有預(yù)兆),不盲目操作,更要杜絕片面追求速度而設(shè)備帶病運(yùn)行。一旦發(fā)生掉鉆故障,可采用專用打撈卡、夾具器材;必要時(shí)可由潛水員下潛輔助加設(shè)鋼絲繩起吊排除,努力做到故障排除方案制定不過夜,不影響總體施工進(jìn)度。

5 結(jié)語

大直徑鋼管斜樁全斷面沖擊成孔嵌巖樁在中奧能源集團(tuán)舟山六橫PX儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目的應(yīng)用,使得全斷面斜樁嵌巖沖擊成孔施工技術(shù)從理論上得到進(jìn)一步的實(shí)踐及認(rèn)可,無疑也為我公司在高端碼頭樁基礎(chǔ)施工領(lǐng)域中開創(chuàng)出新的局面,更大程度上滿足了客戶的要求,擴(kuò)大了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] JTJ 221-98,港口工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] JTJ 270-98,水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] JTJ 285-2000,港口工程嵌巖樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[4] JTJ 248-2001,港口工程灌注樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[5] JGJ 94-94,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

Application of Whole Section Compact-shock Borehole Build ing Technology for Large Diameter Inclined Steel-pipe Pile

TONG Kang2m in(Zhejiang Geotechnical Foundation Co.,Ningbo Zhejiang 315040,China)

The paper introduced the whole section compact2shock borehole building technology about the technological process and common accident treatmentwith a case of whole section compact2shock borehole building technology for large diameter inclined steel2pipe pile,the successful practice proved the wide application prospect of this technology.

inclined steel2pipe pile;whole section compact2shock borehole building;rock2socketed piles;technological process;accident in hole completion

TU473.1

A

1672-7428(2010)04-0065-04

2009-12-09;

2010-01-04

童康民(1976-),男(漢族),遼寧丹東人,浙江省巖土基礎(chǔ)公司寧波分公司主任工程師、國家注冊(cè)一級(jí)建造師,土木工程專業(yè),從事巖土工程的施工技術(shù)與管理工作,浙江省寧波市寧穿路448弄16號(hào),tkm88888@163.com。