復(fù)雜地層中旋挖鉆施工技術(shù)的研究與應(yīng)用

寧宏坤

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 襄陽 441104)

1 概述

鉆孔灌注樁是橋梁工程中最常使用的基礎(chǔ)形式，通常在粉砂土、黏土等土質(zhì)地層中采用旋挖鉆成孔較多[1-2]。然而如果在上述土質(zhì)地層中含有較大粒徑的卵石或漂石，使用旋挖鉆成孔則可能遇到鉆進(jìn)困難、漏漿嚴(yán)重、易塌孔等問題。此時一般采用沖擊鉆來進(jìn)行成孔施工，但采用沖擊鉆也存在泥漿護(hù)壁厚度大，以及鉆進(jìn)速度下降、工效低等問題。

山西中南部鐵路通道ZNTJ-7標(biāo)段位于山西省臨汾市境內(nèi)，起訖里程DK310+800—DK359+834，全長49.034 km。起點(diǎn)為南呂梁山隧道，終點(diǎn)為洪洞北車站。汾河特大橋位于本標(biāo)段的中間區(qū)段。

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘探資料及試樁所得地質(zhì)資料，自地表以下存在多層粉質(zhì)黏土、多層圓礫土，層厚普遍較大，最大層厚達(dá)21 m，單孔累計(jì)厚度最大達(dá)48 m。粉質(zhì)黏土硬塑，圓礫土密實(shí)飽和，穩(wěn)定性較差，且其中夾雜較多粒徑超過20 cm的卵石或漂石。

本工程不但地質(zhì)條件復(fù)雜，而且工期非常緊張。施工初期采用傳統(tǒng)的沖擊鉆和回旋鉆的成孔方式，效率低，工期可能嚴(yán)重滯后，甚至無法正常完工。旋挖鉆成孔具有速度快、效率高、施工精度高、護(hù)筒埋設(shè)方便、清孔質(zhì)量好、安裝鋼筋籠方便且經(jīng)濟(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)。筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，提出了一系列措施，著力解決在含有大粒徑卵石或漂石土中鉆進(jìn)困難、易塌孔、漏漿等問題，并通過測試單樁承載力的方法對改進(jìn)措施的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 成孔施工難點(diǎn)及解決方案

旋挖鉆機(jī)進(jìn)行樁基成孔施工，施工步驟為場地平整→鉆機(jī)就位→埋設(shè)護(hù)筒→泥漿制備→旋挖成孔→清孔[3-4]。這里對一般性工藝不再贅述，僅就如何解決鉆進(jìn)困難、易塌孔、漏漿等問題進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 成孔施工難點(diǎn)

旋挖鉆機(jī)對土層的適應(yīng)性較差，在含有較多粒徑超過0.2 m的卵石或漂石的土層中成孔困難，主要問題有：

1)砂卵石或漂石對鉆頭的磨損較為嚴(yán)重。

2)大粒徑漂石對旋挖鉆施工影響很大?，F(xiàn)場實(shí)踐表明：當(dāng)樁徑為1.2 m時，漂石粒徑如>0.25 m，則成孔施工將極為困難。如漂石粒徑>0.30 m，通常須將石塊破碎后方可鉆進(jìn)。

3)成孔施工時，遇砂卵石地層漏漿現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且易塌孔。

2.2 解決方案

2.2.1 螺旋鉆頭和普通鉆頭配合使用

針對上述旋挖鉆成孔的難點(diǎn)，采用雙鉆頭配合使用的方法，即在遇到粒徑較大卵石或漂石時將普通鉆頭更換為螺旋鉆頭，破碎后再用普通鉆頭取出；當(dāng)漂石粒徑大于撈沙斗開口口徑而無法正常鉆進(jìn)時，可以使用筒鉆將大漂石去除再配合撈沙斗鉆進(jìn)。在遇到孤石時，如果孤石恰好全部位于孔內(nèi)，可以使用筒鉆直接取出，如果孤石大部分埋在樁孔周圍地層形成探頭石，可采用回填C20混凝土待強(qiáng)度達(dá)到要求后采用筒鉆慢慢磨碎鉆進(jìn)。

另外，應(yīng)適當(dāng)增加鉆頭儲備，以確保工程進(jìn)度。

2.2.2 泥漿制備方法

采用優(yōu)質(zhì)膨潤土拌制泥漿，適當(dāng)增加泥漿儲備量及其濃度。普通造漿方法及工藝要求不贅述，奈普頓化學(xué)泥漿的配比對泥漿的性能影響很大，一般情況下按照0.01%～0.10%配制，針對卵礫石層可選取0.7%～1.1%進(jìn)行控制，黏度35～45 s。在配堿過程中，一定要先把氫氧化鈉配置成20%水溶液，嚴(yán)禁把固體氫氧化鈉直接加入到泥漿池中。按標(biāo)準(zhǔn)制備的泥漿黏度滿足要求，黏土顆粒懸浮均勻、沉淀少、性能穩(wěn)定，直徑較大的鉆渣都可直接上浮，護(hù)壁效果良好，完全滿足鉆孔需要。

2.2.3 護(hù)筒的使用

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件相同時，如采用回旋鉆機(jī)，護(hù)筒埋深通常在1.5 m左右，采用旋挖鉆時則應(yīng)適當(dāng)增加埋深，本工程中護(hù)筒埋深設(shè)置為4 m。

另外，如遇特別易塌孔的土層，還可采用雙層護(hù)筒進(jìn)行鉆進(jìn)，并注意成孔后保證后續(xù)工序的快速銜接。

3 樁基承載力測試

3.1 試驗(yàn)情況

為確保樁基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)場采用自平衡試樁法[5-6]進(jìn)行了單樁承載力試驗(yàn)。在汾河?xùn)|岸設(shè)置了3根試樁，樁徑均為1.2 m，試樁編號為E3-1#，E3-2#，E3-3#，樁長40 m。試樁荷載箱及鋼筋計(jì)埋設(shè)位置示意如圖1。為避免試樁對工程樁施工的影響，試樁避開現(xiàn)有墩位。試樁設(shè)計(jì)極限承載力 11 365 kN。

圖1 試樁荷載箱及鋼筋計(jì)埋設(shè)位置示意(單位：mm;標(biāo)高：m)

3.2 試驗(yàn)方案

本次測試使用基樁靜載測試系統(tǒng)ST2000，見圖2。試樁荷載箱最大加載能力按設(shè)計(jì)承載力的1.3倍考慮并留有一定富余量。加、卸載分級進(jìn)行，分級荷載根據(jù)設(shè)計(jì)最大加載量設(shè)置，為最大加載量的1/10。試驗(yàn)加載和卸載分級情況見表1。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

測試初期荷載箱向上、向下的位移均穩(wěn)定增長。加載至第5級時向上位移14.29 mm，向下位移5.44 mm，加載至第9級時向下位移7.88 mm，向上位移80.76 mm。此時停止加載，轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d。測試位移相關(guān)數(shù)據(jù)見表2，分段Q-S曲線見圖3。

3.4 試樁極限承載力確定

3.4.1 規(guī)范法

按規(guī)范[7]中的相關(guān)公式確定試樁極限承載力，即

圖2 自平衡測試系統(tǒng)

表1 試驗(yàn)加載和卸載分級情況

表2 試樁加載和卸載分級及相應(yīng)位移

圖3 試樁自平衡測試分段Q-S曲線

式中：Pui為試樁的單樁豎向抗壓極限承載力，kN;Quui為試樁上段樁的加載極限值,kN;Qlui為試樁下段樁的加載極限值,kN;Wi為試樁荷載箱上段樁樁身自重，kN；γ為試樁的修正系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土的類型確定。

由自平衡測試分段Q-S曲線可知：上段樁加載極限值為 4 432 kN，下段樁加載極限值>6 649 kN。取修正系數(shù)0.8，按上式可得該樁的極限承載力大于設(shè)計(jì)值 11 479 kN。

3.4.2 精確轉(zhuǎn)換法

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的有關(guān)數(shù)據(jù)，使用精確轉(zhuǎn)換法[8]計(jì)算，將自平衡加載方式下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為樁頂加載方式下的荷載-位移關(guān)系，得到樁頂荷載-位移數(shù)據(jù)及關(guān)系曲線，分別見表3和圖4。根據(jù)圖4，可以得到樁頂位移為40 mm時，對應(yīng)的樁頂荷載為 12 862 kN。

通過對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得到試樁樁頂加載方式下的荷載-位移數(shù)據(jù)，以精確轉(zhuǎn)換法的結(jié)果為準(zhǔn)，取樁頂加載方式下樁頂位移40 mm時對應(yīng)的荷載作為試樁的實(shí)測極限承載力，則該試樁的極限承載力推薦值為 12 860 kN，大于設(shè)計(jì)極限承載力 11 479 kN。

表3 試樁自平衡加載轉(zhuǎn)換及外延擬合數(shù)據(jù)

圖4 試樁樁頂荷載-位移關(guān)系曲線

4 旋挖鉆施工技術(shù)特征及效益分析

4.1 技術(shù)特征分析

旋挖鉆是利用鉆機(jī)設(shè)備自身的壓力實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)成孔，對樁基地層產(chǎn)生沖擊影響較小，且施工應(yīng)用靈活性較強(qiáng)，能夠結(jié)合施工環(huán)境通過更換鉆頭提高鉆孔效率。這種將鉆孔、挖土、提土、卸土等多項(xiàng)工作同時實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，在很大程度上減輕了工程施工人員的工作量，大幅度提升樁基施工工作效率。另外，鉆孔過程中能對孔洞中的雜物及時有效清除，清孔質(zhì)量也好，有效保證了成樁質(zhì)量。

旋挖鉆機(jī)還可在吊裝鋼筋籠時用作吊具，不但省去了使用吊車的工序，加快了進(jìn)度，還可進(jìn)一步節(jié)省施工費(fèi)用。

此外，旋挖鉆孔成樁技術(shù)還具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠適用于淤泥層、黏土層、砂卵石土層等不同地質(zhì)條件、不同施工環(huán)境的多種樁基工程，應(yīng)用范圍十分廣泛。

4.2 效益分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件下，當(dāng)孔深在25～35 m時，每臺旋挖鉆機(jī)每24 h平均成孔數(shù)量為4孔，而同等情況下每臺回旋鉆機(jī)每48 h僅能成1孔，工效與旋挖鉆機(jī)相差8倍之多。

回旋鉆機(jī)采用泥漿循環(huán)方式出渣，鉆渣與泥漿同時被帶到地面，即使經(jīng)一段時間的沉淀，鉆渣中仍會混有一定量的泥漿，即造成泥漿的損失，故鉆進(jìn)過程中需要不斷補(bǔ)充泥漿，致使鉆孔成本增加很多。旋挖鉆機(jī)則是利用鉆桿的扭轉(zhuǎn)將鉆渣直接提出孔外，地質(zhì)條件好時無需泥漿支護(hù)，可采用干法施工，地質(zhì)條件較差需要泥漿護(hù)壁時，泥漿也只起支護(hù)作用，鉆渣中的泥漿含量相當(dāng)?shù)停瑥亩档土耸┕こ杀尽?/p>

另外，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測對比，樁長和樁徑均相同時，采用旋挖鉆成孔樁的沉降量僅為回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔樁沉降量的1/4左右，充分說明旋挖鉆良好的成孔效果。

綜上所述，雖然旋挖鉆機(jī)的購置成本較高，但考慮到泥漿的費(fèi)用、環(huán)保問題、成樁效果以及工效的巨大優(yōu)勢，采用旋挖鉆機(jī)的總體效益還是非常顯著的。

5 結(jié)語

本工程初期投入了少量回旋鉆和沖擊鉆進(jìn)行樁基施工，但因工效低，工期壓力大，而全部改為旋挖鉆施工。結(jié)果表明：由于采取了適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，有效解決了前述問題，不僅大大提高了施工效率，而且提前完成了樁基施工。根據(jù)樁基檢測結(jié)果，所有樁基均為Ⅰ類樁，承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

盡管旋挖鉆機(jī)的購機(jī)成本較高，但本工程的實(shí)踐表明，旋挖鉆機(jī)成孔施工的優(yōu)點(diǎn)眾多，綜合效益顯著，是一種能有效適應(yīng)上述復(fù)雜地質(zhì)條件的理想施工方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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