水磨鉆在洋門互通樁基施工中的應(yīng)用

廖明雄

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司）

水磨鉆在洋門互通樁基施工中的應(yīng)用

廖明雄

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司）

交通事業(yè)的快速推進(jìn)也帶動(dòng)了橋梁建設(shè)的突飛猛進(jìn)，國內(nèi)大量出現(xiàn)了大量的橋梁等樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物，它兼顧了樁基礎(chǔ)的受力大和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在不追求交通便利，工程建設(shè)項(xiàng)目不斷密集，后期工程項(xiàng)目建設(shè)受制于前期已建結(jié)構(gòu)物影響，受干擾越來越多。減少對(duì)現(xiàn)有構(gòu)造物的影響，采用水磨鉆樁基施工減少對(duì)環(huán)境敏感區(qū)域的施工干擾是一個(gè)行之有效的應(yīng)用。

水磨鉆；樁基；環(huán)境敏感區(qū)域

在福建地區(qū)，結(jié)構(gòu)物的樁基礎(chǔ)多是砍巖樁，甚至有些基巖裸露或較淺。有些樁基礎(chǔ)緊挨著施工環(huán)境敏感區(qū)（居民區(qū)、學(xué)校、對(duì)受振動(dòng)爆破等較敏感的高速公路通車區(qū)域）。遇到巖層時(shí)采用傳統(tǒng)的爆破或沖擊鉆，對(duì)周邊的震動(dòng)造成較大的影響。為了保證周邊和諧的施工環(huán)境，減少對(duì)四周的振動(dòng)、聲音和環(huán)境的污染和安全的影響。

1　工程概況

福州繞城公路東南段A1標(biāo)，洋門互通H匝道2#橋跨越現(xiàn)有通車的高速公路，為確保過往車輛的行車安全，避免樁基震動(dòng)施工干擾高速公路行車，且樁基礎(chǔ)基巖埋置較淺，對(duì)2#橋0#～5#墩位均采用水磨鉆方法施工。遇到巖層時(shí)采用傳統(tǒng)的爆破或沖擊鉆，對(duì)周邊的震動(dòng)造成較大的影響。采用工程水磨鉆機(jī)施工可以很好地解決此類問題。該技術(shù)通過實(shí)際工程的應(yīng)用實(shí)踐，取得了良好質(zhì)量效果和社會(huì)效益。

2　施工特點(diǎn)

2.1水磨鉆施工樁基有其材料優(yōu)勢(shì)

水磨鉆施工由于不需要油料、火工品、大型設(shè)備等，以及擴(kuò)孔系數(shù)小，節(jié)省混凝土，且其人工與鉆爆法持平，隨著油料、材料成本的上漲，其受材料影響小，簡單快捷，可迅速組織施工。目前水磨鉆純施工成本相對(duì)較高，在工程施工中只是局部采用。

2.2水磨鉆場(chǎng)地適應(yīng)性高

由于使用的機(jī)械設(shè)備小，對(duì)施工通道受限、作業(yè)面小、人群密集程度高更適用，不需要為鉆機(jī)平整場(chǎng)地，不需要泥漿循環(huán)。相對(duì)于旋挖鉆，對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性更好。以及對(duì)噪聲、震動(dòng)干擾較敏感的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)有更好的適應(yīng)性和更高的使用價(jià)值。

2.3水磨鉆施工較環(huán)保

不破壞巖體，不對(duì)地基形成沖擊，對(duì)環(huán)境影響?。ㄖ饕肝鬯湍酀{），周邊建筑物震動(dòng)影響微小，更適合環(huán)保要求高的作業(yè)環(huán)境；噪聲小、震動(dòng)和擾動(dòng)小，不受火工品供應(yīng)限制等優(yōu)點(diǎn)。

2.4水磨鉆進(jìn)度穩(wěn)定、安全性好

由于水磨鉆方法對(duì)地層擾動(dòng)低，可在同一區(qū)域布置更多的作業(yè)面。由于不需要爆破，施工可以24h循環(huán)，同時(shí)不受天氣和材料供應(yīng)限制，易于組織施工，更適合大規(guī)模施工，對(duì)工期和成本進(jìn)一步優(yōu)化。

3　施工原理

3.1水磨鉆方法利用巖層的特性

水磨鉆是一種新型的施工工藝，與石質(zhì)基巖常用的爆破開挖、沖擊鉆施工等樁基施工不同，水磨鉆方法主要是采用電鉆取芯成孔。巖石有三大特征：①抗壓能力強(qiáng)，而抗拉和抗剪切能力很低；②巖石在大于其極限抗力能力的作用下會(huì)發(fā)生拉裂破壞；③巖石在大于其極限抗剪切力的作用下會(huì)發(fā)生剪切破壞。水鉆法施工挖孔樁充分的利用了巖石的這三大力學(xué)特性。詳見圖1～2施工機(jī)具及成孔圖。

圖1　水磨鉆鉆機(jī)圖

圖2　水磨鉆成孔圖

3.2該主要工藝原理為

水磨鉆法主要是通過水磨鉆機(jī)沿樁徑內(nèi)鉆若干個(gè)孔，孔孔相連，鉆孔后取芯，待所有水磨鉆鉆孔連成一個(gè)環(huán)后，樁芯就和樁壁分離了，形成了樁芯的臨空面，然后對(duì)剩余的樁基巖芯部分進(jìn)行分塊，沿圓半徑取芯分塊形成內(nèi)部臨空面。在分塊的巖石上鉆上一排小孔，然后在小孔內(nèi)錐入鋼楔子，捶擊鋼楔擠壓巖石，使巖石同時(shí)受到鉛錘面上的拉力和水平面上的剪切力作用，當(dāng)擠壓力大于極限抗拉力和極限抗剪切力之和時(shí)，巖石沿鉛錘面被拉裂并從底部發(fā)生剪切破裂，分解成若干小塊，利用卷揚(yáng)機(jī)吊出孔外，取出分裂的巖塊。依次按照分層取芯、破裂、取巖塊的循環(huán)工序作用，最終達(dá)到成孔的目的。隨后進(jìn)行鋼筋籠安裝和混凝土澆筑。

4　施工工序技術(shù)

水磨鉆鉆孔樁工藝流程見圖3。

圖3　水磨鉆鉆孔樁工藝流程圖

水磨鉆鉆孔取芯工藝流程見圖4。

4.1施工準(zhǔn)備

4.1.1準(zhǔn)備工作

在正式施工前，把水源、電源布置到位，將施工所用的材料、小型機(jī)具運(yùn)輸?shù)轿?，技術(shù)人員熟悉圖紙，清楚地質(zhì)情況、樁徑、深度等相關(guān)參數(shù)，并對(duì)操作人員進(jìn)行技術(shù)交底和安全交底，達(dá)到開工的條件。

圖4　水磨鉆鉆孔取芯工藝圖

4.1.2測(cè)量放線

使用全站儀進(jìn)行測(cè)量定位，并根據(jù)圖紙放出樁心位置，標(biāo)識(shí)出樁孔的圓周線，經(jīng)監(jiān)理復(fù)核正確后可以開始施工?？紤]到施工過程的誤差以及開孔之間的殘余巖石，一般鉆孔樁徑大于設(shè)計(jì)樁徑10cm左右。

4.1.3搭設(shè)支架

正式開鉆施工前，需要搭設(shè)施工支架，施工支架采用普通鋼管腳手架搭設(shè)而成。施工支架高4～6m，作為施工過程中的卷揚(yáng)機(jī)支撐，支架四角落在樁口外圍，支架頂部用防雨布覆蓋，保證雨天氣可正常施工及雨水貫入孔內(nèi)。支架如圖5所示。

圖5　支架實(shí)際圖

支架搭設(shè)完成后，在支架上固定卷揚(yáng)機(jī)和滑輪，接通電源，調(diào)試到正常工作狀態(tài)。

4.1.4鎖口澆筑

開始鉆孔前，首先沿樁孔四周開挖并澆筑鋼筋混凝土鎖口，鎖口高出原地面30cm，作為樁孔的防護(hù)結(jié)構(gòu)，防止鉆孔過程中雜物或明水進(jìn)入樁孔。在進(jìn)入巖層之前可以利用鐵鍬等工具人工挖除土層，并及時(shí)澆筑混凝土護(hù)壁，控制開挖進(jìn)尺以保證安全。詳見圖6支架實(shí)際照片圖。

圖6　孔口鎖口澆筑圖

4.2水磨鉆施工

4.2.1水磨鉆開孔取芯

測(cè)量放樣后鉆機(jī)就位，固定鉆機(jī)位置，保證套筒向孔樁側(cè)壁外傾一定角度，這樣在下循環(huán)才可以保證鉆機(jī)就位后套筒起鉆點(diǎn)能位于設(shè)計(jì)孔樁邊線面不致造成縮孔，此措施將使樁孔呈節(jié)段倒合體，保證成孔截面尺寸。

擴(kuò)底傾斜角度計(jì)算：水磨鉆機(jī)高1500mm，鉆筒外徑為160mm；電機(jī)或支架超出鉆芯前端80mm，正常鉆孔時(shí)鉆機(jī)傾斜角度即為（80+160/2）/1500=0.107，傾斜角度≥tan（0.107）-1= 6.107°，才能保證不縮孔。向外擴(kuò)底時(shí)，鉆機(jī)傾斜角度≥10°就不易固定鉆機(jī)位置，tan10°=0.176，向外擴(kuò)底寬度0.176×1500-（80+ 160/2）=104mm，即每500mm可向外擴(kuò)100mm寬。

準(zhǔn)備工作全部完成后，開始水磨鉆鉆孔取芯。水磨鉆開孔沿樁孔四周進(jìn)行，鉆孔直徑16cm，孔深50～60cm。預(yù)留出鉆具的尺寸。保證循環(huán)施工時(shí)樁徑不變。沿樁基孔壁布臵取芯點(diǎn)，取芯圓與鎖口內(nèi)壁相切。依次鉆取外周的巖芯，取出的巖芯高約500mm，將外周巖芯取完后樁芯體巖外圍便形成一個(gè)環(huán)形臨空面。水磨鉆鉆孔施工詳見圖7。

圖7　水磨鉆鉆孔施工圖

4.2.2孔芯外運(yùn)

水磨鉆施工一邊進(jìn)行，一邊對(duì)取出的鉆芯組織外運(yùn)。鉆芯外運(yùn)采用吊斗，卷揚(yáng)機(jī)吊裝吊斗運(yùn)出。

圖8　鉆芯外運(yùn)圖

4.2.3樁芯打孔破碎

全部鉆孔及取芯施工完成后，對(duì)剩余的樁芯進(jìn)行破碎。沿樁半徑鉆取巖芯，直徑為125cm的樁基將樁芯巖體等分成三等份，每份占樁芯巖體的1/3，以便于巖體破裂。直徑為150cm的樁基可將樁芯巖體等分成四等份。

4.2.4手電鉆打孔

用手電鉆在樁芯巖體上鉆眼，再將樁芯巖石分成六等份或八等份。

4.2.5插入鋼楔、擊打鋼楔分裂巖石

在沿樁基徑向手電鉆鉆出的孔內(nèi)打入鋼楔，用大錘錘擊鋼楔使巖體獲得一個(gè)水平的沖擊力，在水平?jīng)_擊力作用下巖石沿鉛錘面被拉裂，底部會(huì)發(fā)生水平剪切破裂。依次分裂巖體，直至該層樁芯巖體全部被破裂（如圖9）。

圖9　鐵錘及鋼楔圖

4.2.6石塊外運(yùn)

破碎的石塊用電錘或風(fēng)鎬進(jìn)行破碎，保證直徑在20cm以下，使用卷揚(yáng)機(jī)、吊斗外運(yùn)。石塊清運(yùn)干凈后繼續(xù)下一輪的鉆孔取芯，破碎外運(yùn)施工。

為保證井孔內(nèi)人員的安全，石塊外運(yùn)過程中在操作面上方搭設(shè)防砸棚，防砸棚面積小于樁孔面積的一半，既能夠使石塊順利外運(yùn)，又要保證操作人員安全。

鉆孔過程中如果有水滲漏，使用水泵排水，確保人員能夠正常作業(yè)。夜間停工時(shí)，操作工具吊起至水面以上，防止工具泡水。如出現(xiàn)破碎巖層或裂隙，按照設(shè)計(jì)方案施工混凝土護(hù)壁即可。

圖10　石塊外運(yùn)圖

4.2.7樁孔修正及下一循環(huán)的施工

由于水磨鉆鉆芯后樁基孔壁成鋸齒狀，為保證有效樁徑與設(shè)計(jì)樁徑一致，要敲掉侵占樁基空間的巖石鋸齒。通過鎖口護(hù)樁在樁孔內(nèi)標(biāo)出設(shè)計(jì)樁中心，檢查樁基底部偏位情況并及時(shí)糾偏，同時(shí)標(biāo)出下一個(gè)循環(huán)外周水磨鉆鉆孔取芯位臵，進(jìn)入下一循環(huán)的鉆孔樁施工。

圖11　樁基成孔效果圖

4.2.8鋼筋籠下放與混凝土澆筑

鋼筋籠下放和混凝土澆筑同常規(guī)挖孔樁施工，如果樁孔內(nèi)滲水較多，可采用混凝土水下灌注的方式。

4.3施工設(shè)備投入

水磨鉆主要由水磨鉆機(jī)、水磨鉆筒和專用水泵三部分組成。一般一個(gè)水磨鉆機(jī)配備3～5個(gè)水磨鉆筒，一個(gè)水磨鉆筒上有7個(gè)刀頭。水磨鉆筒外徑為16cm，內(nèi)徑為14cm，壁厚度為1cm，高度為60cm，一個(gè)循環(huán)可鉆50～60cm。專用水泵外徑為12cm，高度為40cm。非常適合樁基孔底入巖施工。

表1　水磨鉆機(jī)配套設(shè)備表

5　總結(jié)

本項(xiàng)目采用了水磨鉆施工高速公路邊樁基礎(chǔ)，很好的控制了施工質(zhì)量，并保證了工期，有效降低了對(duì)高速公路環(huán)境的影響，建設(shè)環(huán)保文明的施工環(huán)境，減少高速公路行車的干擾，取得了良好的效果。有其材料優(yōu)勢(shì)，水磨鉆施工由于不需要油料、火工品，以及擴(kuò)孔系數(shù)小，節(jié)省混凝土，且其人工與鉆爆法持平，隨著油料、材料成本的上漲，其材料優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

綜上所述，采用水磨鉆樁基礎(chǔ)施工簡易安全、質(zhì)量高、工期有保障，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著，符合國家環(huán)保節(jié)能的建設(shè)理念。在樁基施工周邊環(huán)境受到限制時(shí)值得推廣應(yīng)用。

U443.15

A

1673-0038（2015）26-0287-03

2015-6-10