旋挖鉆在復(fù)雜地質(zhì)條件下充盈系數(shù)的控制與研究

孫建勝

(中鐵一局第三工程有限公司，陜西寶雞 721006)

1 工程概況

西平鐵路工程是西安至平?jīng)龅娜珖诮ㄖ攸c(diǎn)鐵路線，是連接西北陜、甘兩省集客貨一體的重要運(yùn)輸干線。新溝特大橋、南石窟寺特大橋?yàn)槲髌借F路重點(diǎn)控制性工程，其中新溝特大橋?yàn)槿€最長橋，全長2 028.56 m，共計(jì)63個(gè)墩臺(tái)，鉆孔樁258根，樁徑為125 cm。樁基位于甘肅涇川縣涇河河道內(nèi)，地質(zhì)情況復(fù)雜，由上至下依次為:第四系全新統(tǒng)沖積物(黏質(zhì)黃土、細(xì)砂、中砂、細(xì)圓礫土、粗圓礫土)，第三系上新統(tǒng)砂巖，白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂巖等。

2 旋挖鉆擴(kuò)孔成因

河灘地質(zhì)條件差，施工難度大，在旋挖鉆的鉆孔過程中，經(jīng)常發(fā)生擴(kuò)孔現(xiàn)象，甚至引起塌孔。造成成本的增加。前期旋挖鉆施工鉆孔樁時(shí)，該特殊地層通常在深度4～10 m處擴(kuò)孔或塌孔。該地層為砂質(zhì)黏土，厚度薄，穩(wěn)定性差。根據(jù)前50根樁成孔混凝土實(shí)際用量分析，均有不同程度的擴(kuò)孔現(xiàn)象，尤其在5～7 m夾砂質(zhì)黏土處，擴(kuò)孔現(xiàn)象尤為顯著。擴(kuò)孔最大時(shí)孔徑達(dá)1.37 m(設(shè)計(jì)樁徑為1.25 m)，樁孔充盈系數(shù)一般都在1.25～1.34左右。經(jīng)過分析總結(jié)，出現(xiàn)上述情況的主要原因是含砂層處旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)不合理，一味追求快速成孔，把鉆速調(diào)至最高檔鉆孔，易導(dǎo)致擴(kuò)孔。

3 充盈系數(shù)控制技術(shù)

針對(duì)上述擴(kuò)孔情況的原因分析，制定出旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)施工技術(shù)改進(jìn)等以下控制技術(shù):

1)每墩臺(tái)開鉆第一根樁前應(yīng)以地質(zhì)勘測報(bào)告為依據(jù)，認(rèn)真做好現(xiàn)場鉆渣取樣并與勘測報(bào)告中地質(zhì)情況的比對(duì)工作，以備同墩臺(tái)的其他各樁施工作參考。

2)旋挖鉆機(jī)鉆孔過程控制:合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，開始時(shí)輕壓慢轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)至含砂土層時(shí)，勻速穿過，并加大泥漿密度，以穩(wěn)孔護(hù)壁;鉆至淤泥質(zhì)黏土?xí)r，保持中檔鉆速等。根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)更換適用于該地層的鉆頭，控制鉆桿的搖晃擺幅在最小范圍內(nèi)。

3)開鉆前、鉆進(jìn)中、灌注前泥漿指標(biāo)的控制:在鉆孔過程中，改善泥漿的性能，有利于在砂土類地層鉆孔中保證孔壁的形狀和穩(wěn)定性。泥漿在鉆孔中起著懸浮和攜帶鉆渣、清洗孔底，增加孔壁穩(wěn)定性的作用。泥漿制備采用黏土和膨潤土加火堿結(jié)合的方法，達(dá)到了泥漿性能穩(wěn)定，沉渣少，護(hù)壁效果好，成孔質(zhì)量高的要求。還要注意不同地層泥漿主要指標(biāo)的控制，如旋挖鉆在淤泥層中鉆進(jìn)時(shí)，泥漿指標(biāo)應(yīng)控制在:密度1.2～1.3 g/cm3，黏度19～22 s，含砂率 2 ～3%;在砂礫層中鉆進(jìn)，泥漿指標(biāo)應(yīng)控制在:密度1.3～1.4 g/cm3，黏度20～25 s，含砂率3～4%;在水下混凝土灌注前，泥漿指標(biāo)應(yīng)控制在:密度1.05 ～1.1 g/cm3，黏度17 ～20 s，含砂率≤2%。

樁基施工自2008年2月15日開始至2008年4月23日完成，歷時(shí)67 d。對(duì)樁基進(jìn)行小應(yīng)變動(dòng)測，檢測結(jié)果:Ⅰ類樁254根，占所測樁數(shù)98.4%，Ⅱ類樁4根，占所測樁數(shù)1.6%，無 Ⅲ，Ⅳ 類樁出現(xiàn)，承載力均超過設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過對(duì)施工方案的優(yōu)化，旋挖鉆機(jī)鉆孔技術(shù)改進(jìn)后，鉆孔充盈系數(shù)基本上降至1.05～1.1范圍內(nèi)，擴(kuò)孔現(xiàn)象得到了有效的控制，在含砂層處的擴(kuò)孔幅度也明顯的降低(擴(kuò)孔率1.25以下)，單根樁基平均節(jié)省C35混凝土1.69 m3，如表1所示，全橋樁基共節(jié)省約15.3萬元。

表1 新溝特大橋西安臺(tái)(橋臺(tái))鉆孔樁施工充盈系數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 成樁質(zhì)量的控制技術(shù)

4.1 清孔方法對(duì)鉆孔灌注樁質(zhì)量的影響及控制

在鉆孔灌注樁施工中，正循環(huán)和反循環(huán)清孔是常用的兩種清孔方法，不同的清孔方法對(duì)鉆孔樁的清孔及成樁質(zhì)量有著不同的影響。根據(jù)樁尖所處的不同地層和孔底沉渣，因地制宜地選擇不同的清孔方法。例如:當(dāng)樁尖附近為砂層時(shí)，正循環(huán)清孔比反循環(huán)清孔質(zhì)量要高，這由于反循環(huán)清孔排大粒徑的鉆渣(如碎石、卵石等)效率高，較大的抽吸作用致使樁底附近松散的沉渣(微小砂粒)顆粒在孔內(nèi)反復(fù)懸落，另外對(duì)樁尖土層擾動(dòng)大，導(dǎo)致成樁質(zhì)量(承載力)降低，如表2所示。

表2 新溝特大橋35#墩正、反循環(huán)清孔法清孔效果對(duì)比

因此，選擇合適的清孔方法要能減少沉渣厚度，同時(shí)又不擾動(dòng)樁尖土層。選擇什么樣的清孔方式提高成樁質(zhì)量，取決于樁底土層的條件，當(dāng)樁底為沙、土層時(shí)，一般應(yīng)采用正循環(huán)清孔法清孔;當(dāng)樁底為卵、礫石層時(shí)，一般應(yīng)采用反循環(huán)清孔法清孔。這樣會(huì)使清孔效率提高，降低孔底沉渣厚度，提高成樁質(zhì)量。

4.2 鉆孔時(shí)間對(duì)鉆孔灌注樁質(zhì)量的影響及控制

成孔時(shí)間長，孔壁泡水軟化現(xiàn)象嚴(yán)重，極限阻力減小，較長的成孔時(shí)間會(huì)加大泥皮和沉渣厚度，降低樁身混凝土和樁周土之間的摩擦力。

根據(jù)相同樁長、樁徑的100根樁各項(xiàng)數(shù)據(jù)比對(duì)(旋挖鉆機(jī)和沖擊鉆機(jī)成孔各50根)，數(shù)據(jù)顯示:每臺(tái)旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)直徑1.25 m的孔，平均每小時(shí)進(jìn)尺8 m，每天成孔2個(gè)，用正循環(huán)方式清孔，平均每天灌注2根。鉆直徑1.5 m孔，平均每小時(shí)進(jìn)尺5 m，每天成孔1個(gè)，用正循環(huán)方式清孔，平均1.5 d灌注1根。而每臺(tái)沖擊鉆機(jī)鉆1.25 m孔，平均每小時(shí)進(jìn)尺0.65 m，每3～4 d成孔1個(gè)，用正循環(huán)方式清孔，平均4～5 d灌注1根。鉆1.5 m孔，7～8 d成孔1個(gè)。用正循環(huán)方式清孔平均9～10 d灌注1根。

4.3 在同等條件下旋挖鉆與沖擊鉆工效比較

在同等條件下，旋挖鉆比沖擊鉆工效提高了近10倍，兩者主要區(qū)別在于成孔工藝不同。旋挖鉆頭是圓筒狀取土斗，通過鉆頭旋挖鉆孔同時(shí)取土裝入斗中。鉆桿提升鉆頭出孔后翻轉(zhuǎn)倒土，完成鉆孔過程。鉆孔樁終孔時(shí)，孔底經(jīng)鉆頭取土基本無鉆渣，待孔內(nèi)泥漿沉淀后，用旋挖鉆頭撈鉆渣，經(jīng)量測校核孔深通常鉆渣都在設(shè)計(jì)允許值內(nèi)，一般不需要再進(jìn)行清孔。此時(shí)鉆機(jī)可進(jìn)行下一樁位鉆孔，從而大大提高了成孔速度(如表3所示)。

表3 新溝特大橋鉆孔樁施工鉆機(jī)工效對(duì)比

比較這兩種鉆機(jī)各自施工的50根樁基小應(yīng)變檢測結(jié)果:旋挖鉆施工的Ⅰ類樁50根，占所測樁數(shù)100%，Ⅱ類樁0根;沖擊鉆施工的Ⅰ類樁47根，占所測樁數(shù)94%，Ⅱ類樁3根，占所測樁數(shù)6%?？梢?，在同等條件下，旋挖鉆機(jī)要比沖擊鉆機(jī)成樁質(zhì)量高。另外，旋挖鉆頭的多次上下往復(fù)提落，使孔壁變得粗糙，不易產(chǎn)生縮孔。旋挖鉆施工的樁基，成樁后的承載力明顯要高于其他傳統(tǒng)鉆機(jī)。

5 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)鉆孔樁施工方案的優(yōu)化，旋挖鉆機(jī)鉆孔技術(shù)改進(jìn)后，在復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑鉆孔樁施工順利完成，大大提高了成樁的質(zhì)量和效率，節(jié)約了成本，縮短了工期，更為后續(xù)的施工創(chuàng)造了有利的條件。

［1］ 中華人民共和國交通部．JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2000．

［2］ 張忠亭．鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)與施工(第一版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．

［3］ 范立礎(chǔ)．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［4］ 彭彥彬，屈彥玲．鉆孔灌注樁清孔技術(shù)及斷樁的預(yù)防和處理［J］．鐵道建筑，2006(7):42-44．

［5］ 李華．鉆孔灌注樁施工技術(shù)［J］．山西建筑，2007(10):175-176．