旋挖鉆機(jī)“環(huán)接法”護(hù)壁工藝探析

文

自20世紀(jì)60年代以來，鉆孔灌注樁的成孔技術(shù)在工程實踐中不斷完善，目前，針對黏土層、淤泥層、沙礫及風(fēng)化巖層等常見地層的成孔工藝已經(jīng)較為成熟，但將旋挖鉆機(jī)應(yīng)用于松散、虛碴地質(zhì)卻少有可以參考的案例。因此，研究適用于虛碴地層的旋挖法護(hù)壁工藝就成了工程建設(shè)亟待解決的問題。

本文主要依托下茅大橋1#～3#墩鉆孔灌注樁樁基施工工藝，通過調(diào)查研究工區(qū)虛碴覆蓋層的特性，分析樁基塌孔的破壞機(jī)理，有針對性地提出了旋挖“環(huán)接法”混凝土護(hù)壁施工工藝。

工程概況

下茅大橋1#～3#墩地處山谷，地層參數(shù)如下：0.0m～10.0m為松散、虛碴的地質(zhì)層，10.0m～12.0m為耕植土層，12.0m～18.0m強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖層，18.0m～25.0m為中風(fēng)化變質(zhì)砂巖層，25.0m以下為微風(fēng)化變質(zhì)砂巖層。下茅大橋1#～3#墩樁基上方覆蓋約10m的隧道棄渣，棄渣面積較大，方量約30000m3，因地形限制，清表轉(zhuǎn)運難度大，而且會影響工期，增加造價。為節(jié)省工期，完成既定生產(chǎn)目標(biāo)，施工方?jīng)Q定按設(shè)計采用旋挖鉆鉆孔輔以混凝土護(hù)壁的形式完成樁基施工。

樁基施工方案選定

為有效處理虛碴地層樁基塌孔問題，現(xiàn)場擬采用表1所示的三種方式進(jìn)行鉆孔施工。

現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，采用1、2種施工方案時，鋼護(hù)筒的位置及垂直度很難控制，而且由于虛碴層主要為變質(zhì)砂巖，巖塊抗壓強(qiáng)度較大，護(hù)筒腳在振攝過程中極易發(fā)生變形與偏位，同時對周邊虛碴造成很大擾動，導(dǎo)致虛碴層大面積變形。

序號 方案類型 現(xiàn)場情況 優(yōu)缺點 備注1 沖擊鉆+振攝鋼護(hù)筒需鋼護(hù)筒穿越虛碴層，形成泥漿循環(huán)，方可進(jìn)行鉆進(jìn)施工，護(hù)筒振攝難度較大，無法實施；沖力大、護(hù)壁良好，不易塌孔，成孔效率低下，但在次工況下無法實施；2 回旋鉆+振攝鋼護(hù)筒旋轉(zhuǎn)扭矩小，僅能1檔回旋鉆機(jī)，遇較大石塊扭矩不足時有停機(jī)現(xiàn)象，同時在第二次焊接后振攝時出現(xiàn)較大偏位，無法實施；成孔效率高，樁孔垂直度不易保證，在該工況下也較難實施；3 旋挖鉆機(jī)+混凝土護(hù)壁扭矩大，使用旋挖鉆斗確保順暢鉆進(jìn)，雖然可以進(jìn)行部分成孔，但是進(jìn)尺較深時，也出現(xiàn)了較大塌方，需要對護(hù)壁工藝進(jìn)行改進(jìn)，增大護(hù)壁強(qiáng)度方能確保不出現(xiàn)二次塌方。成孔效率高，樁孔垂直度容易保證，加以護(hù)壁原理可實施。

經(jīng)討論最終采用混凝土護(hù)壁取代振壓鋼護(hù)筒對樁孔進(jìn)行臨時支護(hù)?，F(xiàn)場試驗時，可以正常成孔，但進(jìn)尺較深時局部形成了二次塌孔。據(jù)此，施工方?jīng)Q定通過有限元模型模擬現(xiàn)場工況，確定混凝土護(hù)壁的合理厚度。

“環(huán)接法”護(hù)壁合理厚度選取及計算

環(huán)接護(hù)壁有限元模型建立

采用MIDAS CIVIL 建立環(huán)接護(hù)壁整體模型，根據(jù)現(xiàn)場實際工況添加荷載與邊界條件，模型屬性為空間板單元，整體模型如圖1～圖3所示。

圖1

圖2

圖3

有限元模型單元建立情況說明

采用殼模型建立樁基環(huán)接護(hù)壁，護(hù)壁單元為板單元，根據(jù)設(shè)計樁徑確定上部圓形護(hù)壁內(nèi)徑為2.0m，護(hù)壁厚度為0.1m（該厚度是通過多次試算選取，為現(xiàn)場合理厚度），下部圓形護(hù)壁內(nèi)徑為1.5m，護(hù)壁厚度為0.1m，護(hù)壁總高度為6.0m。護(hù)壁材料為C50混凝土，混凝土的抗壓強(qiáng)度取50MPa，抗折強(qiáng)度取4.0MPa。

外荷載說明

樁基環(huán)接護(hù)壁受兩種荷載作用，護(hù)壁自重荷載及虛碴層對護(hù)壁的側(cè)向壓力，護(hù)壁自重荷載為恒荷載，容重取25kN/m3，側(cè)向壓力荷載選用流體壓力，容重取15kN/m3，選用gLCAB3的荷載組合形式，即1.1自重+1.3流體壓力。

邊界條件說明

環(huán)接護(hù)壁頂部的混凝土對環(huán)接的變形有一定的約束作用， 護(hù) 頂部的邊界條件設(shè)為一般支撐，其中D-all（開），R-all（開）。

計算模型分析圖

圖4 樁基環(huán)接護(hù)壁受力圖

圖5 樁基環(huán)接護(hù)壁受力圖

圖6 樁基環(huán)接護(hù)壁受力等值線圖

圖7 樁基環(huán)接護(hù)壁變形示意圖

圖8 樁基環(huán)接護(hù)壁變形數(shù)值示意圖

圖9 樁基環(huán)接護(hù)壁屈曲2節(jié)模態(tài)示意圖

計算模型結(jié)果分析

表2 樁基環(huán)接護(hù)壁應(yīng)力分析結(jié)果匯總一覽表

荷載工況 變形最大值mm允許值mm 差值 是否滿足施工要求 備注荷載組合1.1自重+1.3流體壓力 7.52×10-2 3.75 -3.75 是 安全儲備系數(shù)較大

表4 樁基環(huán)接護(hù)壁屈曲分析結(jié)果匯總一覽

分析表2～表4的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)接護(hù)壁混凝土厚度取10cm，混凝土標(biāo)號為C50時，樁基混凝土護(hù)壁的位移、應(yīng)力及屈曲系數(shù)均滿足工程要求，所以環(huán)接護(hù)壁采用厚度0.1m、標(biāo)號C50混凝土可滿足施工需求。

旋挖鉆“環(huán)接法”施工技術(shù)

施工流程

本文所提出的環(huán)接法是針對虛碴覆蓋層中鉆孔灌注樁樁基成孔的方案，采用混凝土護(hù)壁防止塌孔，根據(jù)現(xiàn)場實際情況每2m～3m為一節(jié)護(hù)壁，亦即“一環(huán)”，環(huán)接法就是一環(huán)一環(huán)相接，采用大環(huán)套小環(huán)的方式對樁基孔進(jìn)行防護(hù)，如圖10所示。

下茅大橋1#～3#墩設(shè)計樁徑為1.5m，通常施工所采用的旋挖鉆的鉆斗直徑為1.5m，為了保證護(hù)壁混凝土厚度，現(xiàn)場采用了2m、1.8m、1.6m、1.5m四種直徑的旋挖鉆鉆斗。具體施工方案如下：

首先進(jìn)行單幅墩鎖口混凝土平臺施工，如圖11所示，在樁頂澆筑了10m（長）×10m（寬）×1m（高）的C30混凝土平臺，為防止雨水滲入，方便現(xiàn)場人員機(jī)械施工，平臺需高出地面30cm，同時在鎖口平臺中設(shè)置兩層鋼筋網(wǎng)，以確保平臺剛度。

圖10 “環(huán)接法”鉆孔混凝土護(hù)壁立面圖

圖11 間隔跳鉆施工順序示意圖

其次，采用直徑2m的鉆斗鉆孔，進(jìn)入虛碴層約2m～3m時停止鉆進(jìn)，清孔，回填C50混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的15%左右時，進(jìn)行二次旋挖鉆進(jìn)。為保證混凝土護(hù)壁厚度達(dá)到10cm，二次鉆進(jìn)時鉆斗直徑需更換為1.8m，在第一環(huán)護(hù)壁混凝土形成后，繼續(xù)向下鉆進(jìn)2m～3m，清孔，回填C50混凝土至超出第一環(huán)護(hù)壁底標(biāo)高1m左右，用以增大下部混凝土的流體壓力，增加混凝土與混凝土之間以及混凝土與虛碴層之間的黏結(jié)強(qiáng)度。待混凝凝土強(qiáng)度達(dá)到計強(qiáng)度的15%左右時，將鉆斗換為1.6m尺寸后進(jìn)行三次鉆進(jìn)，重復(fù)上述步驟。

然后，第四次鉆進(jìn)時采用直徑1.5m的鉆斗，如此形成的第三環(huán)混凝土護(hù)壁的最小厚度只有5cm，考慮到下茅大橋1#～3#墩虛碴層底部因長期受壓沉降密實，已有一定的自穩(wěn)能力，經(jīng)現(xiàn)場試驗，底部0～4m范圍內(nèi)在無混凝土護(hù)壁的情況下基本不會出現(xiàn)塌孔情況，故采用四種直徑的鉆斗即可解決下茅大橋1#～3#墩鉆孔灌注樁樁基成孔問題。

下茅大橋樁基施工如期完成，證明了旋挖鉆機(jī)環(huán)接法施工工藝的可行性，施工過程中沒有不利塌方發(fā)生，“環(huán)接法”護(hù)壁方案順利實現(xiàn)。

可能出現(xiàn)的問題及解決措施

問題一：松散虛碴層質(zhì)地疏松，鉆進(jìn)時可能會形成大范圍塌孔，從而導(dǎo)致樁基移位。故施工時應(yīng)盡量增大鎖口混凝土平臺的尺寸，首次鉆進(jìn)時遵循慢進(jìn)慢出的原則，盡量減少對周邊地層的擾動，鉆進(jìn)深度根據(jù)現(xiàn)場實際情況控制在2m～3m。

問題二：混凝土護(hù)壁環(huán)與環(huán)之間的連接不夠緊密，護(hù)壁與虛碴層摩擦力不足，從而導(dǎo)致護(hù)壁松動，沒有形成有效的支護(hù)體系。故回填混凝土坍落度應(yīng)盡量大，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下減少粗骨料的用量，同時回填混凝土應(yīng)超出上節(jié)護(hù)壁底部標(biāo)高1m左右，增大混凝土的側(cè)向壓力與側(cè)向摩阻力，確?；炷翝B入周邊虛碴層中，并且與上節(jié)護(hù)壁混凝土形成有效連接。

問題三：側(cè)向土壓力過大，護(hù)壁混凝土不足以抵抗虛碴層側(cè)向壓力，產(chǎn)生裂縫甚至脫落?？赏ㄟ^改變鉆斗直徑的方式，保證混凝土護(hù)壁厚度，同時采用C40以上標(biāo)號的高強(qiáng)度混凝土，確?；炷劣凶銐虻膹?qiáng)度和剛度抵抗側(cè)向壓力。

問題四：其他外界條件對虛碴層造成擾動，形成塌孔。為防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，在成孔后應(yīng)及時進(jìn)行混凝土護(hù)壁施工，在此期間嚴(yán)禁重型機(jī)械在樁基周邊區(qū)域作業(yè)，同時加強(qiáng)對樁基周邊位置的監(jiān)控量測，出現(xiàn)較大變形時及時進(jìn)行處理。

結(jié)語

本文對下茅大橋鉆孔灌注樁樁基施工方案進(jìn)行概括總結(jié)，通過有限元模型模擬了實際工況，提出并優(yōu)化了旋挖環(huán)接法護(hù)壁工藝，對護(hù)壁混凝土參數(shù)、單次鉆進(jìn)深度、鉆機(jī)鉆斗參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，通過了理論與實踐的檢驗，形成了破碎硬巖地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁樁基成孔的工藝工法，成功解決了松散硬巖地層中樁基塌孔的難題。旋挖鉆機(jī)環(huán)接法護(hù)壁工藝將旋挖鉆成孔工藝與人工挖孔樁的護(hù)壁工藝有機(jī)地結(jié)合，為松散、虛碴地質(zhì)條件下旋挖施工工法提供了可參考的案例，進(jìn)一步完善了鉆孔灌注樁的成樁工藝。