旋挖鉆機(jī)穿越砂層成孔工藝探討

馮廣維

(中鐵二十一局集團(tuán) 華北區(qū)域指揮部，北京 101111)

旋挖鉆機(jī)穿越砂層成孔工藝探討

馮廣維

(中鐵二十一局集團(tuán) 華北區(qū)域指揮部，北京 101111)

旋挖鉆機(jī)已普遍應(yīng)用于鐵路橋梁樁基礎(chǔ)施工，但由于應(yīng)用時(shí)間較短，針對旋挖鉆機(jī)施工的規(guī)范、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指南等較少。本文分析旋挖鉆機(jī)在砂層成孔過程中塌孔的原因并給出解決措施，總結(jié)了砂層中旋挖鉆機(jī)成孔工藝流程，并就砂層中旋挖鉆機(jī)成孔清孔驗(yàn)收指標(biāo)給出了建議。

旋挖鉆機(jī) 砂層 成孔工藝 泥漿相對體積質(zhì)量 含砂率 清孔驗(yàn)收指標(biāo)

與傳統(tǒng)的正反循環(huán)鉆機(jī)相比，旋挖鉆機(jī)成孔速度快，因在成孔過程中孔壁一直都受鉆斗的刮擦，孔壁不易產(chǎn)生泥皮且在孔壁上形成較明顯的螺旋線。這有助于增加樁的摩阻力，提高樁的質(zhì)量。但由于不易形成護(hù)壁泥皮，護(hù)壁性相對較差，容易縮徑和塌孔。

旋挖鉆機(jī)在我國的應(yīng)用時(shí)間仍然較短，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限。在鐵路規(guī)范、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指南中，針對旋挖鉆機(jī)施工的條文很少，多數(shù)是參考正反循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工的相關(guān)技術(shù)要求。由于兩者之間成孔工藝區(qū)別很大，這種參考針對性不強(qiáng)。目前旋挖鉆機(jī)已在樁基礎(chǔ)施工中普遍使用，迫切需要制定專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范旋挖鉆施工的各個(gè)環(huán)節(jié)。這要求積累大量工程數(shù)據(jù)作為支撐，也需要較長時(shí)間的論證，在客觀上造成了施工規(guī)范滯后的現(xiàn)象。本文總結(jié)阿爾濱跨登沙河特大橋樁基施工過程中遇到的問題及應(yīng)對措施、探討砂層中旋挖鉆機(jī)成孔工藝。

1 工程概況

丹大鐵路阿爾濱跨登沙河特大橋位于大連市金州區(qū)。該橋起止樁號 DK62+508.43—DK66+274.21，全長3 765.78 m。設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.00，1.25和1.50 m。橋址區(qū)表面覆蓋第四系全新統(tǒng)沖積層、第四系上更新統(tǒng)沖積層，下伏第三系始、漸新統(tǒng)砂巖，泥巖及礫巖，局部上覆人工堆積層。由上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、細(xì)圓礫土，下伏太古界片麻巖。阿爾濱跨登沙河特大橋地下水水位埋深一般在0～4.2 m，大氣降水及地表河流是地下水的主要補(bǔ)給來源。

根據(jù)橋址地質(zhì)情況，選擇以旋挖鉆機(jī)成孔為主的施工方法。橋址地層中部分地段夾有砂層，埋深1～15 m，厚度4～10 m，多為透水性較強(qiáng)的中粗砂層，宜塌孔。在施工初期遇到一些問題，主要是因?yàn)槿狈π阢@機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)，對旋挖鉆機(jī)成孔工藝的優(yōu)缺點(diǎn)認(rèn)識不足，制定的施工工藝針對性不強(qiáng)。

1)沉渣厚度超標(biāo)

登沙河主河道段樁基施工終孔驗(yàn)收合格，安裝鋼筋籠和導(dǎo)管后(此過程不超過1 h)，檢測的沉渣厚度超標(biāo)。出現(xiàn)這種情況的原因是泥漿性能差，相對體積質(zhì)量均＜1.1。施工人員認(rèn)為旋挖斗將鉆渣全部提出，不像旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)或沖擊鉆機(jī)依靠泥漿排渣，所以泥漿中含渣量小，在保證孔壁穩(wěn)定的情況下泥漿相對體積質(zhì)量可調(diào)得小一些，這樣也容易滿足清孔驗(yàn)收的要求。但是在穿越砂層時(shí)，還是有相當(dāng)數(shù)量的沙子混入泥漿中，其含量超過泥漿本身的浮渣能力。在終孔后安裝鋼筋籠和導(dǎo)管過程中，泥漿處于靜止?fàn)顟B(tài)，渣子迅速沉淀，導(dǎo)致沉渣厚度超標(biāo)。解決措施:①鉆孔時(shí)適當(dāng)增大泥漿相對體積質(zhì)量，增強(qiáng)泥漿的浮渣能力;②終孔時(shí)孔底預(yù)留30 cm厚暫時(shí)不挖，待孔靜置2～3 h，渣子沉淀后隨同底部預(yù)留的部分一同挖出，達(dá)到第一次清孔的目的;③采用導(dǎo)管或旋挖鉆機(jī)二次清孔。

2)持續(xù)塌孔

終孔后持續(xù)塌孔，甚至塌至地表，造成成孔徹底失敗，不得不回填。這是由于砂層厚達(dá)4～8 m，且是粗砂，透水性強(qiáng)，旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快，筒形鉆頭的活塞作用使孔壁不能形成護(hù)壁泥皮。護(hù)壁泥漿相對體積質(zhì)量小，與砂層中水的壓力差不足以維持孔壁的穩(wěn)定。解決措施:①增大泥漿相對體積質(zhì)量，可參考《客運(yùn)專線橋涵施工技術(shù)指南》(以下簡稱《指南》)第3.2.2條，取指標(biāo)上限。②在砂層鉆進(jìn)時(shí)，放慢鉆進(jìn)速度，提放鉆頭時(shí)放慢速度。

3)局部塌孔

有些孔在導(dǎo)管二次清孔時(shí)，在砂層或砂礫層部位出現(xiàn)塌孔。原因?yàn)?①終孔后，未能及時(shí)灌注混凝土，靜置時(shí)間長(一般超過24 h)，砂層位置孔壁變松散;②清孔時(shí)降低泥漿相對體積質(zhì)量至1.05～1.10不足以維持砂層處孔壁的穩(wěn)定，且泥漿循環(huán)沖刷孔壁。解決措施:①優(yōu)化現(xiàn)場管理，各工序之間盡量連續(xù)施工;②若砂層較厚鉆進(jìn)時(shí)選用較大的泥漿相對體積質(zhì)量，清孔時(shí)泥漿相對體積質(zhì)量不宜低于1.15～1.20;③減少導(dǎo)管清孔時(shí)間，將孔底沉渣翻動懸浮后，快速灌注封底混凝土。如孔底沉渣厚度滿足要求，可直接灌注混凝土。

2 砂層中旋挖鉆機(jī)成孔工藝流程(圖1)

圖1 砂層中旋挖鉆機(jī)成孔工藝流程

工藝說明如下:

①護(hù)壁泥漿調(diào)制的性能指標(biāo)應(yīng)以保證孔內(nèi)易塌地層孔壁穩(wěn)定為準(zhǔn)，可取《指南》第3.2.2條規(guī)定的高限。②鉆孔過程中應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充泥漿，使之始終對孔壁保持較高的正壓力，以保持孔壁穩(wěn)定，但補(bǔ)充泥漿時(shí)嚴(yán)禁直接沖擊孔壁，避免孔壁坍塌。③鉆進(jìn)至距設(shè)計(jì)標(biāo)高30 cm時(shí)，停止鉆進(jìn)，目的是讓泥漿中的砂子沉淀至孔底，當(dāng)泥漿中的含砂率達(dá)到一定值時(shí)(此值與泥漿相對體積質(zhì)量有關(guān))，砂子就會懸浮在泥漿中，不再下沉。靜置2～3 h后。將沉淀的砂子和鉆渣隨同剩余的30 cm孔深一同鉆起，這樣同時(shí)達(dá)到了第一次清孔的目的。④鋼筋籠和導(dǎo)管安裝完成后進(jìn)行清孔驗(yàn)收，如果沉渣厚度超標(biāo)就需要再次清孔。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況可選用導(dǎo)管循環(huán)泥漿清孔或提出導(dǎo)管和鋼筋籠，用旋挖鉆機(jī)清孔。沉渣厚度符合要求可直接灌注水下混凝土。

以上工藝在阿爾濱跨登沙河特大橋樁基施工中推廣應(yīng)用，有效地減少了塌孔的發(fā)生，保證了成樁質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度。這種工藝突出了旋挖鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，有效克服了其護(hù)壁性差的缺點(diǎn)。

3 清孔驗(yàn)收指標(biāo)分析

目前鐵路客運(yùn)專線施工中除設(shè)計(jì)有特殊要求外，樁基水下混凝土灌注前清孔標(biāo)準(zhǔn)均執(zhí)行《指南》3.2.2條第4款:孔內(nèi)排出或抽出的泥漿手摸無2～3 mm顆粒，泥漿相對體積質(zhì)量不大于1.1，含砂率＜2%，黏度17～20 s;澆筑水下混凝土前孔底沉渣厚度柱樁不大于5 cm，摩擦樁不大于20 cm。嚴(yán)禁采用加深鉆孔深度方法代替清孔。上述條款并不能適用于所有情況，用于砂層旋挖鉆機(jī)成孔驗(yàn)收時(shí)存在一定的局限性，因?yàn)槟酀{相對體積質(zhì)量降至1.1時(shí)，很容易造成塌孔。

4 建議

結(jié)合阿爾濱跨登沙河特大橋樁基礎(chǔ)施工實(shí)踐，建議將泥漿相對體積質(zhì)量和含砂率存在一定相對關(guān)系的概念引入清孔驗(yàn)收指標(biāo)中?！惰F路橋涵施工規(guī)范》條文說明第5.2.3條規(guī)定:泥漿相對體積質(zhì)量和含砂率有一定相對關(guān)系，當(dāng)泥漿相對體積質(zhì)量為1.3時(shí)，含砂率穩(wěn)定在20%左右，當(dāng)泥漿相對體積質(zhì)量在1.2時(shí)，含砂率穩(wěn)定在10%左右，此時(shí)即使放置較長時(shí)間，也不會再繼續(xù)沉淀。建議砂層中旋挖鉆成孔清孔驗(yàn)收以孔底沉渣厚度為主控指標(biāo)，泥漿相對體積質(zhì)量必須保證砂層孔壁的穩(wěn)定(宜為1.2～1.3，但不宜超過1.3)，根據(jù)上述泥漿相對體積質(zhì)量與含砂率的相對關(guān)系，含砂率不應(yīng)超過穩(wěn)定值。這樣既保證了孔壁的穩(wěn)定，又使鉆渣及砂子處于懸浮狀態(tài)，在安裝鋼筋籠及導(dǎo)管過程中不會產(chǎn)生較多的沉淀，減少二次清孔時(shí)間甚至不需二次清孔。

［1］中華人民共和國鐵道部．TZ 213—2005 客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10203—2002 鐵路橋涵施工規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2002．

［3］北京市三一重機(jī)有限公司，中國地質(zhì)大學(xué)．旋挖鉆機(jī)施工工法通用規(guī)程［S］．北京:北京市三一重機(jī)有限公司，2007．

U443.15

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．09

1003-1995(2015)07-0029-02

2015-03-12;

2015-05-23

馮廣維(1964— )，男，河北新城人，高級工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)