旋挖鉆機(jī)在多瑙河水域砂性土成孔工藝研究

胡青??

摘要：為了解決多瑙河流域某橋梁基礎(chǔ)工程中存在的工期、施工效率和成本問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)和地質(zhì)條件創(chuàng)新性地制定了大長(zhǎng)直徑樁旋挖鉆機(jī)的成孔工藝，確定了一套新的鉆孔方法以及泥漿的性能參數(shù)，并進(jìn)行了泥漿循環(huán)系統(tǒng)和鉆渣處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到深水水域砂性土成孔目的。實(shí)踐證明，泥漿護(hù)壁配合旋挖成孔成樁質(zhì)量好，能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，此工藝成果可供在環(huán)保要求較高的深水水域橋梁工程施工技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：大直徑長(zhǎng)樁；旋鉆機(jī)；泥漿護(hù)壁；泥漿循環(huán)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U445.57 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： According to the drilling operation platform of the foundation piles construction and the buried depth of the pile casing of the Zemun-Bolza Bridge in Danube water area， the drilling method and performance parameters of mud were designated. The mud recycling system and disposal system were designed， and the boring technology of piles on sandy soil in deep water area was introduced. The fine quality of piles with the combination of mud dado and rotary drilling rigs makes good economic and social benefits. This technology can serve as reference for technical staff in the case of deep-water bridge project with high environment requirements.

Key words： large-diameter long pile； rotary drilling rig； mud dado； mud recycling system

0 引 言

旋挖鉆機(jī)是一種適合在建筑基礎(chǔ)工程中進(jìn)行成孔作業(yè)的施工機(jī)械。尤其在硬土地層中，由于傳統(tǒng)鉆機(jī)的自重有限，不可能給鉆頭施加更大的進(jìn)給壓力，而旋挖鉆機(jī)由于采用動(dòng)力頭裝置，動(dòng)力頭的給進(jìn)力加上鉆桿的重量，可保證其具有較強(qiáng)的鉆進(jìn)能力，因此旋挖鉆機(jī)具有廣泛的適應(yīng)性[1]。旋挖鉆機(jī)的工作原理是用短螺旋鉆頭或旋挖斗，通過(guò)強(qiáng)大的扭矩對(duì)土或砂礫等鉆渣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)挖掘，然后快速將鉆渣提出孔外，在不需要泥漿支護(hù)的情況下，實(shí)現(xiàn)干法施工；即使在特殊地層施工需要泥漿護(hù)壁時(shí)，泥漿也只起支護(hù)作用，鉆削中的泥漿含量相當(dāng)?shù)?。這種施工工藝大大減少了污染源，改善了施工環(huán)境，進(jìn)而降低了施工成本，且成孔效率高[2]。

1 工程概況

澤蒙—博爾察大橋修建在塞爾維亞多瑙河上，橋梁全長(zhǎng)1 481.8 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁技術(shù)，雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)行車速度為80 km·h-1，橋梁寬度為29.38 m，其中主跨為95 m+172 m+95 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。

大橋所在地的地質(zhì)狀況復(fù)雜，施工條件差，環(huán)保要求高，且該區(qū)域無(wú)任何船機(jī)設(shè)備，加上該處冬季河面會(huì)結(jié)冰。使用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施工工藝無(wú)論工期還是成本均不能滿足本項(xiàng)目施工需要。在多次試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，施工方?jīng)Q定采用旋挖鉆機(jī)完成大直徑長(zhǎng)樁施工。

2 施工工藝選擇

在多瑙河流域，傳統(tǒng)鉆孔樁施工采用全護(hù)筒施工，一般由船舶運(yùn)送鉆機(jī)到樁位處進(jìn)行鉆孔施工，成孔后再用船舶將鋼筋籠及混凝土運(yùn)送至孔位進(jìn)行灌注樁施工，整個(gè)鉆孔樁施工無(wú)需搭設(shè)平臺(tái)，鉆渣直接存放至駁船上隨后運(yùn)送至指定位置處理。由于采用全護(hù)筒施工，鉆孔作業(yè)可以間斷進(jìn)行，不存在塌孔、縮頸等問(wèn)題。但該工藝的船機(jī)使用量大、功效低，而且全護(hù)筒鉆機(jī)成本高。項(xiàng)目部根據(jù)國(guó)內(nèi)外旋挖鉆施工的成功應(yīng)用，結(jié)合橋址處地質(zhì)情況及項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行科技攻關(guān)，制定了適合本項(xiàng)目的施工工藝：采用“釣魚法”搭設(shè)施工棧橋和鉆孔平臺(tái)，施工設(shè)備、材料均可通過(guò)棧橋到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，解決無(wú)船機(jī)設(shè)備，尤其是無(wú)水上起重設(shè)備的困擾；合理設(shè)計(jì)鉆孔平臺(tái)，通過(guò)履帶吊完成護(hù)筒沉放及鉆孔樁作業(yè)；完善鉆孔泥漿循環(huán)系統(tǒng)，節(jié)約成本的同時(shí)，滿足環(huán)境保護(hù)要求。

3 施工工藝控制

3.1 鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于筆者所在公司在當(dāng)?shù)貨](méi)有自有船舶，并考慮到多瑙河有洪水期和冰凍期，因此采用搭設(shè)水上鋼棧橋和工作平臺(tái)的方法進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)為梁柱式結(jié)構(gòu)，下部采用Φ720 mm鋼管樁，面板采用方鋼，安拆速度比較快。平臺(tái)平面布置及大型機(jī)具施工區(qū)域劃分見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)還要充分考慮大型施工機(jī)具作業(yè)區(qū)域及孔位特點(diǎn)，合理布置樁基及梁系，以達(dá)到實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的良好效果。依據(jù)履帶吊工作狀態(tài)及履帶寬度，在主墩兩側(cè)設(shè)置4.5 m寬的支棧橋，作為履帶吊作業(yè)區(qū)，可覆蓋整個(gè)施工區(qū)域。2個(gè)支棧橋與主棧橋正交，交匯處設(shè)置轉(zhuǎn)角梁系，以解決鉆機(jī)、挖機(jī)、吊車和運(yùn)輸車交叉作業(yè)的空間問(wèn)題。

根據(jù)樁基設(shè)計(jì)要求，選擇ZR250B型旋挖鉆機(jī)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 護(hù)筒加工及沉放

3.3 鉆進(jìn)施工

大橋橋位處的巖土層由淤泥、粉質(zhì)砂、粉砂、細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、泥灰質(zhì)黏土和泥灰?guī)r組成。樁基范圍內(nèi)的地層主要為表層淤泥、粉質(zhì)砂、粉砂及細(xì)砂，密度從中密實(shí)到密實(shí)，易垮塌，鉆進(jìn)過(guò)程需要重視護(hù)壁措施，防止塌孔。

選用摩擦鉆桿和雙底板撈砂鉆斗鉆進(jìn)。將鉆筒中心對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)樁位中心，先穩(wěn)定鉆頭垂吊，然后勻速下放至作業(yè)面，開始旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)按輕壓慢鉆的原則緩緩進(jìn)行。鉆渣通過(guò)進(jìn)渣口進(jìn)入鉆筒，同時(shí)向孔內(nèi)注入泥漿，根據(jù)屏顯深度，待確定鉆筒內(nèi)鉆渣填滿后，反轉(zhuǎn)后即可關(guān)閉進(jìn)渣口。提升鉆桿帶動(dòng)鉆筒，同時(shí)繼續(xù)向孔內(nèi)注泥漿，確?？變?nèi)水頭后，將鉆筒提出孔外，提鉆開始時(shí)要緩慢，提離孔底數(shù)米后，如未遇到阻力，方可加速至正常速度提升至井口，利用液壓系統(tǒng)，將筒門打開，排除鉆渣，如此反復(fù)，直至離設(shè)計(jì)標(biāo)高剩余最后1鉆，即30～50 cm深時(shí)，等待5～10 min，待殘?jiān)恋砗箝_始最后1鉆，將殘?jiān)徊С觥?

3.4 泥漿配制及循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目部經(jīng)過(guò)功效和成本分析，決定采用泥漿護(hù)壁配合旋挖鉆機(jī)的工藝進(jìn)行鉆孔施工。項(xiàng)目部備選泥漿分別為國(guó)產(chǎn)奈普頓聚合物泥漿和斯洛文尼亞產(chǎn)復(fù)合膨潤(rùn)土泥漿。對(duì)2種泥漿性能及成本進(jìn)行比較，其結(jié)果見(jiàn)表3。

結(jié)果顯示2種泥漿均能滿足施工要求。奈普頓聚合物泥漿拌制簡(jiǎn)單、出漿率高，但橋位處的地質(zhì)成分主要為粉砂和細(xì)砂，該泥漿滲透性差，護(hù)壁時(shí)間短，容易造成塌孔。斯洛文尼亞復(fù)合膨潤(rùn)土泥漿為當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)鉆井泥漿，適應(yīng)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，護(hù)壁時(shí)間可達(dá)8～10 h，很少出現(xiàn)塌孔、縮頸等問(wèn)題，最終選定斯洛文尼亞復(fù)合膨潤(rùn)土泥漿為本項(xiàng)目施工泥漿。

澤蒙大橋設(shè)計(jì)樁徑相對(duì)較小，所以護(hù)筒內(nèi)外露容積小，在這種條件下如果采用國(guó)內(nèi)常規(guī)工藝在護(hù)筒內(nèi)拌制、循環(huán)泥漿，不僅施工組織困難，而且泥漿拌制、調(diào)整后性能得不到保證，將影響成孔。根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，項(xiàng)目部決定在平臺(tái)上設(shè)置泥漿池，有效地解決了泥漿拌制和循環(huán)問(wèn)題。泥漿在泥漿池內(nèi)拌制、調(diào)整，合格后采用泥漿泵泵送入鉆孔。灌注混凝土?xí)r，在護(hù)筒內(nèi)懸掛泥漿泵泵送泥漿至泥漿池存放。在送漿和出漿過(guò)程中，按照設(shè)定水頭差控制泥漿泵開關(guān)，實(shí)現(xiàn)泥漿無(wú)縫隙循環(huán)。泥漿循環(huán)示意圖如圖2所示。

泥漿回收至泥漿池后，靜態(tài)放置使懸浮物沉淀，之后用挖機(jī)清除池底沉渣以降低泥漿含砂率。下次鉆孔前根據(jù)泥漿實(shí)測(cè)結(jié)果，添加適量膨潤(rùn)土及時(shí)調(diào)整泥漿各項(xiàng)指標(biāo)，達(dá)到施工要求。如此循環(huán)，每池泥漿可重復(fù)利用4～6次，大大節(jié)省了施工成本。

3.5 鉆渣處理

塞爾維亞環(huán)保要求高，鉆渣不能直接排放到多瑙河中，需要外運(yùn)。通過(guò)方案比選，最終采用在平臺(tái)設(shè)置存渣池，再由挖機(jī)轉(zhuǎn)裝到運(yùn)渣車內(nèi)，通過(guò)棧橋外運(yùn)的方案。鉆渣處理示意見(jiàn)圖3。

4 結(jié) 語(yǔ)

本工程從功效和成本的角度出發(fā)，未采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)全護(hù)筒進(jìn)行鉆孔施工，通過(guò)施工技術(shù)研究，成功將深水鉆孔平臺(tái)、泥漿護(hù)壁配合旋挖成孔應(yīng)用到多瑙河流域，完成大橋水上138根鉆孔樁施工。成孔成樁效果好，施工質(zhì)量驗(yàn)收合格，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可為中國(guó)企業(yè)在多瑙河流域的橋梁施工提供寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董 濤，程建新，張志偉，等.大直徑樁基旋挖鉆海上施工工藝及質(zhì)量控制[J].橋梁建設(shè)，2009（S）：39-42.

[2] 趙吉慶.考慮樁底沉渣的旋挖成孔灌注樁沉降特性研究及控制[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]