復(fù)雜地質(zhì)區(qū)大直徑超長樁多機(jī)聯(lián)合成孔技術(shù)

劉向榮，施 飛，趙小軍

（中建三局基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，湖北 武漢 430070）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

武漢江漢六橋位于長豐橋與知音橋之間，是武漢市第六座跨漢江大橋。主橋?yàn)槿缱藻^式懸索橋，橋長682 m。主塔共有橋墩2座（3#、4#），采用分離式承臺，每個承臺分布9根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁，共36根。3#橋墩樁基設(shè)計樁長110 m，4#橋墩樁基設(shè)計樁長96 m。

1.2 地質(zhì)概況

據(jù)主橋墩鉆孔揭露，上覆層上部為松散～稍密的粉細(xì)砂，中部為中密～密實(shí)狀態(tài)的細(xì)中砂，下部為中密狀態(tài)的卵礫石土、半成巖?；鶐r為二疊～泥盆系泥質(zhì)粉砂巖、石英砂巖、灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖。主橋墩地層自上而下主要由8個單元層組成，根據(jù)各單元層內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)差異又可分為若干亞層，具體見圖1所示。

圖1 地層分布圖

1.3 樁基施工難點(diǎn)分析

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜。砂層厚度達(dá)到35～60 m，與漢江有水力聯(lián)系，容易發(fā)生坍塌變形，砂層中泥漿指標(biāo)控制、鉆壓及鉆進(jìn)速度控制為施工過程中的難題；基巖巖性變化大，軟硬不均，入巖深度高，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況，最大入巖深度達(dá)19 m。

（2）樁基屬于大直徑超長樁，成孔過程中垂直度的控制、泥漿指標(biāo)控制、沉渣厚度控制均為成孔過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（3）工期緊。樁基于2011年11月開始施工，為搶占枯水期進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)施工，樁基施工工期須控制在3個月以內(nèi)，施工工期緊張。

2 施工工藝分析及選擇

目前，沖擊鉆機(jī)、回旋鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)是最常見的樁基施工機(jī)械。這三種施工方法各有特點(diǎn)，見表1所列。

該工程樁基地質(zhì)條件復(fù)雜，樁徑大，樁長深，工期緊，經(jīng)過對地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)研究分析后決定，采取旋挖鉆和回旋鉆機(jī)聯(lián)合成孔的施工工藝。在土層中施工，可以充分發(fā)揮旋挖鉆機(jī)成孔速度快、質(zhì)量高的特點(diǎn)；在巖層中施工，由于常規(guī)沖擊鉆受到鉆孔直徑和孔深的限制，因此采用回旋鉆機(jī)進(jìn)行巖層施工。

3 多機(jī)聯(lián)合成孔技術(shù)特點(diǎn)

該項(xiàng)工程采用旋挖鉆和氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)聯(lián)合成孔工藝，根據(jù)不同的地層采用不同工作原理的鉆機(jī)進(jìn)行施工，充分利用不同鉆機(jī)針對不同地層的優(yōu)勢，達(dá)到提高效率、縮短工期、保證質(zhì)量安全、節(jié)約成本的目的。

4 機(jī)械選型及參數(shù)

4.1 旋挖鉆機(jī)選型

根據(jù)該項(xiàng)工程施工的實(shí)際需要，旋挖鉆機(jī)采用國內(nèi)領(lǐng)先的TR400C型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工。主要參數(shù)如表2所列。

表1 三種鉆機(jī)比較表

表2 旋挖鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)一覽表

4.2 回旋鉆機(jī)選型

回旋鉆機(jī)采用GYD300液壓式回旋鉆機(jī)，主要參數(shù)如表3所列。

表3 回旋鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)一覽表

5 多機(jī)聯(lián)合成孔施工流程及操作要點(diǎn)

5.1 施工流程（見圖2）

5.2 操作要點(diǎn)

5.2.1 測量放樣

圖2 施工流程圖

樁基的平面定位采用坐標(biāo)法，復(fù)核后在樁中心位置釘以木樁，并在鋼護(hù)筒范圍以外設(shè)置4根護(hù)樁。施工中要妥善保護(hù)護(hù)樁，不得移位或丟失。

5.2.2 護(hù)筒埋設(shè)

樁基施工采用筑島的方式形成樁基施工平臺，3#墩筑島平臺標(biāo)高+20.5 m，樁頂標(biāo)高+13 m，4#段筑島平臺標(biāo)高+19.5 m，樁頂標(biāo)高+8 m。鋼護(hù)筒直徑2 800 mm，長度5 m，采用挖坑埋設(shè)法實(shí)測定位，埋設(shè)應(yīng)準(zhǔn)確、水平、垂直、穩(wěn)固。護(hù)筒底部和四周應(yīng)采用黏質(zhì)土回填并分層夯實(shí)，護(hù)筒中心豎直線應(yīng)與樁中心重合，平面允許誤差為50 mm，豎直線傾斜不大于1%。為確保樁位質(zhì)量，樁位采用全站儀定位，護(hù)筒埋設(shè)后，再次進(jìn)行復(fù)測。護(hù)筒就位后，在護(hù)筒口上焊十字鋼筋架（檢查完后割除），在其中心掛一線錘校核護(hù)筒的安設(shè)位置。

5.2.3 泥漿配置

泥漿制備時采用優(yōu)質(zhì)膨潤土和泥漿攪拌機(jī)在孔外制漿。設(shè)置專門的貯漿池保證泥漿的循環(huán)利用，同時避免了泥漿對環(huán)境的污染。

在該項(xiàng)工程施工過程中，不同階段泥漿作用不同。由于該項(xiàng)工程樁基施工穿越厚砂層，旋挖鉆機(jī)在施工過程中采用靜態(tài)泥漿護(hù)壁濕法施工工藝，泥漿主要起到護(hù)壁和固孔作用，而在氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)在巖層中鉆進(jìn)時，泥漿除了護(hù)壁固孔作用外，還有排渣作用。對于旋挖鉆機(jī)的泥漿指標(biāo)控制，目前還沒有相應(yīng)的規(guī)范，該項(xiàng)工程鉆進(jìn)過程中，泥漿主要指標(biāo)如表4所列。

表4 泥漿主要性能指標(biāo)一覽表

在氣舉反循環(huán)施工過程中，為了控制含砂率，利用泥沙分離裝置降低泥漿中的含砂率。

5.2.4 旋挖鉆機(jī)定位及鉆進(jìn)

5.2.4.1 旋挖鉆機(jī)定位

對于旋挖鉆機(jī)，在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時，由鉆機(jī)自身的回旋自動定位控制系統(tǒng)自動、快速、平穩(wěn)地對正孔位，不需要人工對準(zhǔn)孔位。

5.2.4.2 旋挖鉆機(jī)鉆頭選擇

旋挖鉆機(jī)在砂層中鉆進(jìn)，普通鉆斗經(jīng)常會“跑空”，撈不到砂子，因此，選用撈砂式封底鉆斗（見圖 3）。

圖3 斗齒雙底撈沙斗實(shí)景

5.2.4.3旋挖鉆機(jī)鉆速控制

旋挖鉆機(jī)啟動后，初始采用低速鉆進(jìn)，主卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩承擔(dān)不低于鉆桿、鉆斗重量之和的20%，保證孔位不產(chǎn)生偏差。在亞黏土層中鉆進(jìn)時，考慮到亞黏土塑性好、土質(zhì)硬、穩(wěn)定性好，采用中等壓力高檔鉆速鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)尺控制控制在60 cm左右。砂層鉆進(jìn)時由于砂土穩(wěn)定性差，土體經(jīng)擾動后易坍孔，采取增壓低速鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)尺深度控制在40 cm以內(nèi)，并加大泥漿泵入量，減小對土體的擾動以防坍孔。在軟硬土層換界面處注意控制鉆速和鉆壓.并采用二次復(fù)鉆掃孔，避免產(chǎn)生孔斜。

5.2.4.4 垂直度控制

旋挖鉆機(jī)施工，在其駕駛室內(nèi)裝有桅桿垂直度儀、鉆塔垂直度及鉆孔深度由電腦控制，使鉆機(jī)水平就位，垂直調(diào)平時具有非常高的準(zhǔn)確性。鉆進(jìn)過程中操作人員可隨時了解鉆機(jī)的平穩(wěn)狀態(tài)，提高成孔效率、確保成孔質(zhì)量。

5.2.5 鉆機(jī)轉(zhuǎn)換

在旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)接近巖層頂面時，更換回旋鉆機(jī)在巖層中繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計孔深。該項(xiàng)工程選用GYD300回旋鉆機(jī)，主體總重量約33 t。為提高效率，利用70 t履帶吊整機(jī)移位，利用全站儀進(jìn)行定位，底座和頂端應(yīng)平穩(wěn)，利用鉆機(jī)自身液壓系統(tǒng)調(diào)整立臂垂直度，保證孔位中心、鉆頭中心在同一直線上。

5.2.6 回旋鉆機(jī)鉆進(jìn)

5.2.6.1 鉆頭選擇

對于回旋鉆機(jī)，主要在巖層中進(jìn)行施工，因此采用針對巖層施工的滾刀鉆頭進(jìn)行施工（見圖4）。

圖4 滾刀鉆頭實(shí)景

5.2.6.2 配重及鉆進(jìn)速度控制

由于施工區(qū)域巖性變化大，軟硬不均，對于不同類型的巖層，采取不同的鉆壓及轉(zhuǎn)速（見表5）。每隔1 h必須認(rèn)真觀察鉆渣一次，以判斷鉆孔所在位置。

表5 在不同巖層中鉆進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)一覽表

5.2.6.3 垂直度控制

回旋鉆機(jī)施工過程中，鉆機(jī)就位后要準(zhǔn)確、水平、穩(wěn)固，定位后要墊實(shí)，以保證鉆機(jī)的平衡運(yùn)行；成孔過程中，鉆機(jī)塔架頭部滑輪組邊緣、轉(zhuǎn)盤中心、鉆孔中心應(yīng)始終保持在同一鉛垂線；為保證鉆孔的垂直度，必須采用減壓鉆進(jìn)，即鉆機(jī)的主吊鉤始終要承受部分鉆具的重力，而孔底承受的鉆壓不超過鉆具重力之和（扣除浮力）的80%；鉆頭入巖時，要輕壓鉆進(jìn)，待鉆進(jìn)0.2～0.3 m后，提起鉆桿掃孔，在沒有任何阻力即電流表沒反映或回旋壓力表沒有變化時再繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)巖層位發(fā)生變化時，需要重復(fù)上述操作。鉆進(jìn)過程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)孔斜時，應(yīng)立即進(jìn)行上下掃孔，直到將孔掃直，方可繼續(xù)鉆進(jìn)，嚴(yán)禁發(fā)生孔斜時，強(qiáng)行鉆進(jìn)至終孔。

5.2.7 成孔檢測

成孔是灌注樁施工中的第一個環(huán)節(jié)，成孔的質(zhì)量直接影響到成樁質(zhì)量。因此，在混凝土澆注前對灌注樁成孔進(jìn)行質(zhì)量檢測顯得十分重要。該項(xiàng)工程采用超聲波技術(shù)對成孔質(zhì)量進(jìn)行控制，主要檢測孔徑測量、垂直度測量、沉渣厚度測量。成孔質(zhì)量檢測很好地將施工隱患消除于成樁前，有效地避免了可能給投資者造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會影響，為工程進(jìn)度提供了有利的保障。

6 經(jīng)濟(jì)效益比較

采用多機(jī)聯(lián)合成孔的施工工藝，在砂土層中采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)，巖層中采用回旋鉆機(jī)鉆進(jìn)，與常規(guī)的一種鉆機(jī)施工工藝相比，具有如下優(yōu)勢。

6.1 施工效率高

以該項(xiàng)工程為例，在相同的綜合地質(zhì)條件下，施工90 m深土層，采用回旋鉆機(jī)，施工時間需要10 d；采用旋挖鉆機(jī)僅僅1 d即可完成。統(tǒng)計表明，旋挖鉆機(jī)施工效率是普通回旋鉆機(jī)的10～14倍，是普通沖擊鉆機(jī)的20～28倍。

6.2 施工質(zhì)量好

旋挖鉆機(jī)自帶有自動測斜裝置，鉆塔垂直度及鉆孔深度均有儀表顯示，其底盤可伸縮并自動整平，鉆進(jìn)時非常平穩(wěn)，可以隨時監(jiān)測并調(diào)整垂直度，有效保證其垂直度。氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)施工，自帶反循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行一次清孔，清空效率高，效果好，且配置泥沙分離裝置，能有效控制含砂率和沉渣厚度。

6.3 良好的環(huán)保性

旋挖鉆機(jī)靜態(tài)泥漿施工工藝，施工過程中噪音低、震動小，且樁渣子集中地方外運(yùn)，機(jī)械化程度高，利于現(xiàn)場文明施工管理。

7 小結(jié)

該項(xiàng)工程樁基施工，采取旋挖鉆機(jī)和氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)聯(lián)合成孔的施工工藝，有效地縮短了工期，保證施工質(zhì)量，同時具有環(huán)保性，總體來說此施工工藝經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，具有較高的推廣價值。

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