旋挖鉆機(jī)在深厚卵礫石層超深大直徑樁的應(yīng)用

丁紅波， 王自強(qiáng)

(上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司，上海 200444)

1 工程概況

溫州市七都大橋北汊橋工程連接溫州七都島和永嘉縣，工程南接七都大橋南汊橋預(yù)留終點(diǎn)處，向北跨越甌江，終點(diǎn)位于104國(guó)道前，工程橋梁總長(zhǎng)1866 m。

七都大橋北汊橋主橋?yàn)殡p塔中央索面疊合梁斜拉橋，主橋總長(zhǎng)680 m，主跨360 m，跨徑布置為58+102+360+102+58 m，采用五跨連續(xù)半漂浮體系，空間密索型布置。主塔高118.6 m，主梁采用鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)，橋面寬37.6 m。

索塔承臺(tái)采用六邊形承臺(tái)，承臺(tái)外輪廓尺寸為43.4 m×26.8 m，厚度6 m，單個(gè)承臺(tái)下設(shè)置29根?2.5 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)98.1 m，孔底標(biāo)高-98.000 m，孔深約106 m，持力層為⑥4卵石層。

每個(gè)輔助墩承臺(tái)下設(shè)8根?2.5 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)69.5和67.5 m，孔底標(biāo)高-78.000 m，孔深約85.3 m，持力層為⑥4卵石層；每個(gè)過渡墩下設(shè)10根?2.2 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)67.5和65.5 m，孔底標(biāo)高-76.000 m，孔深約83.3 m，持力層為⑥4卵石層。永嘉側(cè)水中引橋(31～34號(hào)墩)每個(gè)承臺(tái)下設(shè)12根?2.2 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)49～52 m，孔深64～69 m，持力層為⑤4層卵石層。

本工程主橋全部樁基均在水上作業(yè)平臺(tái)施工。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

2.2 水文地質(zhì)條件

七都大橋北汊橋橫跨甌江，橋位處江面寬約950 m，最大水深13.2 m。

甌江口為陸海雙向強(qiáng)潮河口，屬規(guī)則半日潮，潮汐顯著，平均高潮位為2.56 m，最高潮位5.47 m，平均低潮位-1.37 m，最低潮位-2.4 m。平均潮差為3.93 m，最大潮差為6.00 m，最小潮差為0.73 m。

甌江水化學(xué)類型為Cl·SO4-Mg型，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)為弱-中腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋長(zhǎng)期浸水為微腐蝕，在干濕交替下具有中腐蝕性。

3 試樁鉆孔中存在的主要問題

工程樁正式施工前，在Z3墩進(jìn)行了試樁，試樁直徑為2.5 m，樁長(zhǎng)為86 m，鉆孔深度為105.72 m，施工時(shí)振沉?2.8 m、長(zhǎng)42.3 m的鋼護(hù)筒支護(hù)孔壁。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)大直徑樁基施工工藝調(diào)研，在類似工程中，通常采用工藝較為成熟的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，但回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝工效低、成本較高。而采用旋挖鉆機(jī)成孔效率較高，但市場(chǎng)上大型旋挖設(shè)備數(shù)量少，難以滿足本工程施工需要。綜合考慮，為了提高成孔效率，降低成本，故試樁選用“旋挖+回轉(zhuǎn)”的鉆孔施工工藝，即在孔深88 m以淺利用SH-36型旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔；孔深88～105.72 m利用ZSD-300型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)氣舉反循環(huán)清渣、滾刀鉆頭破碎卵礫石成孔[1-3]。

試樁施工中遇到的主要問題有：

(1)鉆進(jìn)效率低。旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)88 m用時(shí)63 h，而全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)鉆進(jìn)88～105.72 m用時(shí)長(zhǎng)達(dá)268 h，整個(gè)試樁成孔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)331 h。主要原因一是設(shè)備操作人員不熟悉地質(zhì)條件，操作謹(jǐn)慎，鉆進(jìn)速度慢；二是SH-36型旋挖鉆機(jī)提升能力和扭矩較小，回次進(jìn)尺??；三是回轉(zhuǎn)鉆機(jī)利用滾刀破碎卵石，鉆進(jìn)效率低；四是多次發(fā)生漂卵石堵塞鉆桿現(xiàn)象，提鉆疏通鉆桿導(dǎo)致輔助時(shí)間過長(zhǎng)。

(2)泥漿漏失處理難度大?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)過程發(fā)生泥漿漏失時(shí)，只能采取增大泥漿粘度、往泥漿中添加鋸末等堵漏材料的方法進(jìn)行處理，堵漏效果不佳，泥漿耗用量大，孔壁坍塌及埋鉆風(fēng)險(xiǎn)極高。

(3)滾刀磨損嚴(yán)重，施工成本高。根據(jù)滾刀鉆頭磨損情況預(yù)估，鉆進(jìn)卵石層僅滾刀費(fèi)用高達(dá)1020元/m，施工成本高昂。

4 工程樁鉆孔施工設(shè)備選型及工藝確定

針對(duì)試樁結(jié)果，工程樁施工時(shí)，新購買了鉆孔深度、提升能力和扭矩較大的SH-46型旋挖鉆機(jī)一次鉆進(jìn)成孔，優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁，針對(duì)泥漿漏失情況采取不同措施進(jìn)行堵漏，氣舉反循環(huán)兩次清孔(終孔后和灌注混凝土前)的成孔工藝[4-5]。

SH-46型旋挖鉆機(jī)的主要性能參數(shù)見表1。

5 主要施工工藝

5.1 泥漿循環(huán)系統(tǒng)布置

考慮到卵石層泥漿漏失較為嚴(yán)重，鉆孔施工時(shí)泥漿需要量大，故在江邊兩岸各設(shè)置一個(gè)容積1500 m3的泥漿池集中攪拌供應(yīng)泥漿。泥漿池分隔成2部分，一部分用于儲(chǔ)存新漿，另一部分儲(chǔ)存灌注混凝土?xí)r回收的舊泥漿。

鉆孔前先將攪拌好的膨潤(rùn)土泥漿在泥漿池中完全膨化，鉆孔時(shí)利用4PNL型泥漿泵泵送至孔內(nèi)。每臺(tái)旋挖鉆機(jī)配備2個(gè)渣土箱容納旋挖作業(yè)時(shí)挖出的渣土，并及時(shí)用自卸汽車將渣土外運(yùn)處理[6]。

表1 SH-46型旋挖鉆機(jī)主要性能參數(shù)

同時(shí)為了便于泥漿循環(huán)和沉淀，將每個(gè)墩臺(tái)相鄰3～4個(gè)護(hù)筒利用?400 mm鋼管連通，不同墩位處鋼護(hù)筒連通情況見圖1。

圖1 不同墩位護(hù)筒連通情況

氣舉反循環(huán)清孔時(shí)，在每墩作業(yè)平臺(tái)上由集渣筒、渣土箱、泥漿凈化裝置、空壓機(jī)、鋼護(hù)筒、循環(huán)管路形成泥漿循環(huán)系統(tǒng)，氣舉反循環(huán)時(shí)排出的泥漿通過集渣筒頂端設(shè)置的篩網(wǎng)，將大粒徑顆粒集中在渣土箱中，一部分泥漿從集渣筒中分流，經(jīng)過泥漿凈化裝置處理后補(bǔ)充至鋼護(hù)筒內(nèi)，另一部分泥漿直接從集渣筒中流入相鄰鋼護(hù)筒沉淀后再補(bǔ)充到鉆孔內(nèi)形成循環(huán)[7]。

5.2 泥漿配制

本項(xiàng)目自來水供應(yīng)量不足，無法利用自來水配制泥漿，因此泥漿配制只能就地取水。

甌江水化學(xué)類型為Cl·SO4-Mg型，經(jīng)選用多廠家、多類型的膨潤(rùn)土進(jìn)行泥漿試配，即使采用抗鹽膨潤(rùn)土，添加PAC等處理劑對(duì)泥漿進(jìn)行處理，但泥漿粘度和造漿率仍較低，穩(wěn)定性差，膠體率<80%，難以滿足卵石層護(hù)壁要求，且泥漿費(fèi)用高達(dá)90元/m3。

而抽取附近河水制備泥漿，選用湖南常德生產(chǎn)的鈉基膨潤(rùn)土，制備出的泥漿性能穩(wěn)定可靠，且泥漿的費(fèi)用降低約30%。利用河水造漿時(shí)泥漿配比和性能參數(shù)分別見表2和表3。

表2 河水配制泥漿的配合比

表3 新配制泥漿的性能參數(shù)

5.3 泥漿使用管理

(1)置換泥漿。為了防止護(hù)筒內(nèi)的江水摻入膨潤(rùn)土泥漿后降低泥漿的護(hù)壁性能，護(hù)筒振設(shè)到位后，將護(hù)筒內(nèi)的江水全部置換為膨潤(rùn)土泥漿。

(2)靜態(tài)泥漿護(hù)壁。旋挖鉆進(jìn)時(shí)利用靜態(tài)泥漿護(hù)壁，在鉆進(jìn)過程中利用4PNL型泵往孔內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充泥漿，并根據(jù)江水漲落情況調(diào)整泥漿液面高度，正常施工時(shí)控制泥漿液面高出江水面2.0～3.0 m。

(3)泥漿凈化處理。旋挖鉆進(jìn)時(shí)隨著鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)時(shí)間的增加，泥漿中含有的巖土屑逐漸增多，終孔后巖土屑沉淀形成沉渣。因此，旋挖鉆進(jìn)至終孔深度后，利用氣舉反循環(huán)采取兩次清孔工藝，并對(duì)于反循環(huán)排出的泥漿利用ZX-250型泥漿凈化裝置進(jìn)行渣土分離，使泥漿的含砂率降至<1%[8]。

灌注混凝土?xí)r，將混凝土置換出的泥漿利用3PNL型泥漿泵排至泥漿沉淀池中重復(fù)使用；對(duì)于被混凝土污染的泥漿則直接排至廢漿池中棄用。

5.4 卵石層鉆進(jìn)

5.4.1 鉆具的選擇

水中墩鉆孔樁卵石層平均厚度達(dá)到55 m，最大超過70 m，且卵石粒徑大，局部含有漂石，隨著孔深增加，卵石由松散逐漸變成密實(shí)，鉆進(jìn)難度較大，對(duì)鉆具要求較高。旋挖鉆進(jìn)施工時(shí)選用6層?630 mm摩阻鉆桿，鉆桿總長(zhǎng)為120 m；鉆頭選用雙層底截齒鉆斗，鉆斗外側(cè)利用耐磨焊條堆焊保徑條以降低鉆頭的磨損。

5.4.2 主要鉆進(jìn)工藝

卵石層鉆進(jìn)時(shí)采用少鉆勤提鉆進(jìn)方式，每回次進(jìn)尺控制在30 cm以內(nèi)；每回次鉆進(jìn)時(shí)宜控制鉆壓緩慢進(jìn)尺，不得強(qiáng)行給壓鉆進(jìn)。

升降鉆頭緩慢平穩(wěn)，防止鉆頭碰掛護(hù)筒或孔壁，鉆斗的升降速度控制在0.25～0.3 m/s。

鉆進(jìn)卵石層時(shí)派專人監(jiān)測(cè)孔內(nèi)泥漿液面，發(fā)現(xiàn)泥漿漏失時(shí)馬上停止鉆進(jìn)，針對(duì)漏失情況采取相應(yīng)措施處理[9]。

鉆進(jìn)過程發(fā)現(xiàn)截齒磨損或鉆斗外徑變小，及時(shí)更換截齒，并對(duì)鉆斗保徑條進(jìn)行補(bǔ)焊，防止卡鉆事故的發(fā)生。

嚴(yán)格控制鉆孔垂直度，通過儀表盤監(jiān)測(cè)鉆孔垂直度變化，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜時(shí)及時(shí)利用筒鉆掃孔糾偏。

5.5 卵石層漏漿的防治

卵石層漏漿是本工程鉆孔施工中遇到的普遍現(xiàn)象，最嚴(yán)重時(shí)泥漿漏失速度達(dá)到50 m3/min，單孔最大漏失量達(dá)1400 m3。為防止泥漿漏失導(dǎo)致孔壁坍塌，除了開孔前將護(hù)筒內(nèi)江水全部置換為膨潤(rùn)土泥漿、始終保持護(hù)筒內(nèi)泥漿液面高于江水位2～3 m等常規(guī)泥漿使用管理措施外，還采取了以下防治措施：

(1)配制膨潤(rùn)土泥漿時(shí)添加膨潤(rùn)土質(zhì)量約1%的鋸末，且新配制泥漿粘度≮22 s，每個(gè)鉆孔開孔前在岸邊泥漿池中至少儲(chǔ)備1000 m3泥漿備用[10]。

(2)護(hù)筒內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)，將旋挖鉆斗挖出的流塑狀淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土夾粉砂等松軟土體，傾倒在渣土箱內(nèi)利用挖機(jī)攪拌成糊狀后重新填入孔內(nèi)，并利用鉆斗在護(hù)筒內(nèi)攪拌均勻，使護(hù)角內(nèi)泥漿密度≥1.2 kg/L，粘度≥28 s，含砂率≥4%。

(3)卵石層泥漿漏失時(shí)，針對(duì)泥漿漏失速度和漏失程度采取相應(yīng)的處理措施：

①輕微漏失(護(hù)筒內(nèi)泥漿液面緩慢下降)時(shí)，采取分段、間歇鉆進(jìn)的方式，每鉆進(jìn)0.3～0.5 m即停止鉆進(jìn)，利用漏失泥漿中的固相顆粒和隋性材料堵塞卵石孔隙，待泥漿不再漏失時(shí)繼續(xù)向下鉆進(jìn)。

②中等漏失(護(hù)筒內(nèi)泥漿液面突然下降，孔內(nèi)連續(xù)補(bǔ)漿泥漿面上升)時(shí)，停止鉆進(jìn)，將鉆斗提出孔外，在渣土箱內(nèi)攪拌淤泥質(zhì)粘土成糊狀后，填入孔內(nèi)，待泥漿漏失不明顯后，下入鉆斗分段、間歇鉆進(jìn)成孔。

③嚴(yán)重漏失(護(hù)筒內(nèi)泥漿液面突然下降，孔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間補(bǔ)漿液面不上升)時(shí)，立即停止鉆進(jìn)，將鉆斗提出孔外，往孔內(nèi)補(bǔ)漿的同時(shí)，回填淤泥質(zhì)粘土直至護(hù)筒底口，靜置幾天后，利用鉆頭攪拌孔內(nèi)已回填淤泥，直至原鉆進(jìn)深度，如泥漿漏失減弱，則分段、間歇鉆進(jìn)成孔；否則應(yīng)再次回填[11]。

5.6 孔底沉渣厚度控制

5.6.1 嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量

開孔鉆進(jìn)階段泥漿密度≥1.2 kg/L、粘度≥28 s；正常施工時(shí)的泥漿密度為1.07～1.20 kg/L、粘度22～26 s；終孔時(shí)的泥漿密度為1.08～1.15 kg/L，粘度為20～26 s[12]。

5.6.2 兩次清孔

終孔后(安放鋼筋籠前)，在孔內(nèi)下入導(dǎo)管，氣舉反循環(huán)一次清孔，清孔的同時(shí)利用泥漿凈化裝置降低泥漿的含砂率，并置換孔內(nèi)泥漿，一次清孔應(yīng)在整個(gè)樁孔平面范圍內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)管，使清孔范圍涵蓋整個(gè)孔底。

灌注混凝土前，利用灌注導(dǎo)管二次清孔，將孔內(nèi)泥漿循環(huán)均勻，并將孔底沉渣清除干凈。

兩次清孔均采用氣舉反循環(huán)，空壓機(jī)氣量20 m3/min，最大壓力1.0 MPa。風(fēng)管為內(nèi)徑38 mm高壓膠管，導(dǎo)管內(nèi)安裝深度為50 m。兩次清孔均要求達(dá)到孔底沉渣厚度≯5 cm，泥漿粘度達(dá)到20～25 s，密度1.07～1.10 kg/L，含砂率<1%的要求[13]。

6 結(jié)語

溫州七都大橋北汊橋水中墩在地質(zhì)條件復(fù)雜、施工環(huán)境極為特殊的條件下，首次選用旋挖鉆機(jī)在深厚卵石層施工超深大直徑鉆孔，不僅主墩單樁成孔時(shí)間從331 h縮短至30～48 h，施工效率得到了大幅提高，降低了施工成本，而且全部水中墩樁基在施工過程中未發(fā)生鉆孔坍塌及其他質(zhì)量問題，全部樁基檢測(cè)合格，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。