回旋鉆機(jī)在沉井下沉取土施工中的應(yīng)用

林月妙 薛溫瑞

摘要：針對施工址位深層存在較厚硬塑性黏土的地質(zhì)條件下，大型沉井開挖下沉困難的技術(shù)難題，將鉆孔灌注樁施工中的回旋鉆機(jī)引入到沉井不排水開挖下沉施工中，通過在甌江北口大橋南錨碇沉井第三次下沉取土施工中的成功運(yùn)用，為以后此類工程地質(zhì)條件下的大型沉井施工提供了一種有效的施工手段與解決思路。

Abstract： Aiming at the technical difficulty of the excavation of large open caisson under the geological conditions of thick hard plastic clay in the deep layer of construction site， the drilling rig in the construction of bored pile is introduced into the undrained excavation construction of open caisson. Though the successful application of the third excavation construction of open caisson of southh anchorage of North Bridge of Oujiang， an effective construction method and solution idea are provided for the large open caisson construction under such engineering geological conditions.

關(guān)鍵詞：硬塑性黏土;沉井;回旋鉆機(jī)

Key words： hard plastic clay;open caisson;drilling rig

中圖分類號：TV554;TV53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0158-02

1? 工程背景

甌江北口大橋位于溫州甌江口，是甬臺溫高速復(fù)線和溫州市南金公路兩大項(xiàng)目跨越甌江口的控制性工程，橋跨布置為230+2×800+358m，主橋橋?qū)?3m，是國內(nèi)首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋。

南錨碇為重力式錨碇，基礎(chǔ)采用沉井結(jié)構(gòu)形式。沉井長寬高分別為70×63×67.5m，首節(jié)沉井為鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，其余節(jié)段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。沉井共設(shè)有30個10.84×10m隔艙，井壁厚2m，隔墻厚1.2m。根據(jù)地勘報告，下沉期間將穿越厚度為3.30～10.30m的硬塑性黏土層，其粘聚力強(qiáng)、透水性差，極限承載力可達(dá)500kPa，是該項(xiàng)目中沉井基礎(chǔ)施工的最大難點(diǎn)。目前針對該類地質(zhì)條件下的沉井下沉施工在國內(nèi)尚屬首次，缺乏有效的施工實(shí)踐可供參考，依托在建的甌江北口大橋南錨碇沉井基礎(chǔ)工程對硬塑性黏土地質(zhì)條件下的沉井下沉取土關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，具有重大的理論價值和實(shí)際意義。

2? 沉井基礎(chǔ)開挖下沉設(shè)備選擇

針對硬塑性黏土力學(xué)特性，傳統(tǒng)的空氣吸泥輔助高壓射水施工工藝已不再適用，考慮沉井施工作業(yè)環(huán)境，本項(xiàng)目采用絞吸機(jī)和回旋鉆機(jī)兩種施工方案。

2.1 絞吸機(jī)

絞吸機(jī)以潛水電機(jī)作為驅(qū)動裝置，帶動端部絞刀回轉(zhuǎn)將土體切削破碎形成泥漿，再通過潛水挖泥泵將泥漿吸入排泥管內(nèi)，潛水挖泥泵每小時流量可達(dá)400m3以上，適用于砂層、淤泥質(zhì)黏土等地質(zhì)。

限制該設(shè)備作業(yè)效率的主要問題在于設(shè)備可靠性，在甌江北口大橋南錨碇沉井第二次下沉施工中曾采用該設(shè)備取土助沉，在水深15～20m的條件下，電機(jī)、減速機(jī)進(jìn)水頻繁。第三次下沉水深達(dá)40m，該設(shè)備密封性能已不能滿足本項(xiàng)目要求。此外，絞吸機(jī)無法施加鉆進(jìn)壓力，當(dāng)切削具有一定強(qiáng)度的硬塑狀黏土，破土效果不理想。

2.2 回旋鉆機(jī)

回旋鉆機(jī)是鉆孔灌注樁的常用施工設(shè)備之一，可適用于硬塑性黏土及含有部分卵石、碎石的地層[3]。針對本項(xiàng)目中的硬塑性黏土，采用氣舉反回旋鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快、破土范圍大、取土效率高，采用反循環(huán)鉆機(jī)可直接將鉆桿上端與沉井頂面排泥管相連，施工布置簡單，具有較強(qiáng)的技術(shù)可行性，且成本較低。

但回旋鉆機(jī)一般用于單點(diǎn)持續(xù)鉆進(jìn)，將其應(yīng)用于沉井基礎(chǔ)開挖下沉施工時，為實(shí)現(xiàn)隔艙內(nèi)全覆蓋取土，需對鉆機(jī)進(jìn)行頻繁移位。此外，硬塑性黏土極易包覆鉆頭刀齒形成“糊鉆”現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆頭進(jìn)尺困難，需對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化以避免“糊鉆”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3? 回旋鉆機(jī)取土方案研究

根據(jù)方案分析，針對較厚硬塑性黏土層地質(zhì)條件下的沉井下沉取土施工，回旋鉆機(jī)具有較好的優(yōu)越性。但需對回旋鉆機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的改造，以解決鉆機(jī)移位和鉆頭糊鉆等問題。同時，需結(jié)合沉井下沉取土施工特點(diǎn)，設(shè)計合理的施工工藝，增大回旋鉆機(jī)有效作業(yè)時間，提高取土效率。

3.1 鉆機(jī)移位方式

為實(shí)現(xiàn)回旋鉆機(jī)的快速移位，設(shè)計“回旋鉆機(jī)+移動平臺”結(jié)構(gòu)形式，利用自行走移動平臺搭載回旋鉆機(jī)移位。移動平臺由下部行走機(jī)構(gòu)、箱型梁、P43鋼軌和鋼軌端檔等構(gòu)件組成，可沿沉井頂面鋪設(shè)的P50鋼軌進(jìn)行橫橋向移位;移動平臺的箱型梁上安裝有P43鋼軌，回旋鉆機(jī)以其作為順橋向的移位軌道，軌道兩端設(shè)有端檔限位。為減輕結(jié)構(gòu)重量，同時緩解鉆頭鉆進(jìn)造成的機(jī)體振動，增加鉆機(jī)的穩(wěn)定性，回旋鉆機(jī)底座使用槽鋼代替輪式行走機(jī)構(gòu)，并在接觸面設(shè)置減阻四氟滑板，通過手拉葫蘆克服摩擦力使設(shè)備沿平臺橫滑動。

3.2 鉆頭優(yōu)化形式

根據(jù)回旋鉆機(jī)在鉆孔灌注樁施工中的工程實(shí)踐，成孔過程中鉆頭“糊鉆”現(xiàn)象的產(chǎn)生原因主要有地質(zhì)條件、鉆頭結(jié)構(gòu)、泥漿性能和鉆頭轉(zhuǎn)速等，而對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的改造是解決糊鉆問題的關(guān)鍵所在[4]。針對硬塑性黏土地層，結(jié)合沉井下沉取土施工特點(diǎn)，對鉆頭結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)化內(nèi)容包括：

3.2.1 劍尖改造

回旋鉆頭鉆進(jìn)過程中，其劍尖結(jié)構(gòu)首先與泥面接觸，可起到導(dǎo)向定位作用。本工程中所需穿越的硬塑性黏土層土質(zhì)較硬，為減小劍尖旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中的摩擦阻力，提高鉆進(jìn)速度，需適當(dāng)調(diào)整劍尖中心角，減小摩擦阻力的同時也保證其導(dǎo)向定位效果不受影響。在沉井取土工況中，鉆機(jī)單次進(jìn)尺距離較短，相較于鉆孔灌注樁工況，對成孔的傾斜率要求較低，因此劍尖中心角可相對較小。經(jīng)過調(diào)整試驗(yàn)，本工程中劍尖中心角為80°時鉆頭鉆進(jìn)效果最佳。

劍尖的長短還決定了鉆頭吸泥口與泥面的相對位置。尖部過短則排渣間隙小排泥受阻，過長則鉆渣無法被迅速排出，兩者均會導(dǎo)致黏土包覆劍尖堵塞吸泥口。經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計，吸泥口與劍尖垂向間距為60cm時吸泥效果最佳。

3.2.2 刀齒改造

在進(jìn)尺過程中時，主要通過翼板上的合金刀齒對土體進(jìn)行切削破碎。本工程中所面對的硬塑性黏土地質(zhì)具有塑性較強(qiáng)的特點(diǎn)，在刀齒研磨刮削的作用下極易附著在刀齒齒隙間，難以被水流沖刷，逐漸積累最終包覆刀齒。因此需要加大刀齒排列間距，增大齒隙間的泥漿流量以沖刷附著在齒隙間的黏土。經(jīng)過不斷改進(jìn)，針對本工程中的硬塑性黏土地質(zhì)，3翼鉆頭的最佳刀齒間距為12cm，4翼鉆頭的最佳刀齒間距為16cm。

3.2.3 導(dǎo)向圈改造

為解決沉井刃腳處取土，鉆頭需具備擴(kuò)底功能。鉆頭擴(kuò)底的實(shí)現(xiàn)方式有被動加壓和主動加壓兩類。被動加壓是通過增加鉆壓的方式使擴(kuò)底翼逐漸張開，只能在鉆孔底部進(jìn)行擴(kuò)孔，用于沉井刃腳取土?xí)r，需精確控制鉆孔深度，否則存在擴(kuò)孔翼打壞井壁的風(fēng)險;主動加壓則是通過液壓油缸驅(qū)動擴(kuò)底翼，可在任意位置進(jìn)行擴(kuò)孔，但鉆頭改造困難，油路安裝不便。為減小鉆頭改進(jìn)量、減小擴(kuò)孔時對井壁的破壞，最終采用在鉆頭上集成鋼絲繩柔性刷的改造方案，在鉆頭導(dǎo)向環(huán)外沿以鉆桿為中心線環(huán)向均勻布置四根鋼絲繩，達(dá)到擴(kuò)大鉆頭掃掠范圍的目的。（圖1）

3.3 作業(yè)點(diǎn)位優(yōu)化

為提高回旋鉆機(jī)有效作業(yè)時間，提高沉井下沉速度，綜合以下三點(diǎn)對回旋鉆機(jī)的作業(yè)點(diǎn)位布置和單次進(jìn)尺深度進(jìn)行優(yōu)化：

①鉆頭直徑：鉆頭直徑對應(yīng)成孔直徑，決定一個取土作業(yè)點(diǎn)位的基本覆蓋范圍。

②單次進(jìn)尺深度：回旋鉆機(jī)鉆孔取土后，隔艙內(nèi)的泥面將形成蜂窩煤狀，孔壁土層缺乏有效支撐產(chǎn)生坍塌，從而加大成孔直徑，進(jìn)尺越多則坍塌越明顯;但單次進(jìn)尺過深則不宜于沉井泥面控制。

③設(shè)備功效：單艙內(nèi)布置的作業(yè)點(diǎn)位越多，鉆機(jī)的移位越頻繁，鉆桿安拆次數(shù)越多，導(dǎo)致非工作時間占比越大。

針對本工程中所選用的回旋鉆機(jī)型號及地質(zhì)條件，單艙取土3×3共計9個點(diǎn)位，單次進(jìn)尺9m，綜合取土功效最佳。

4? 結(jié)語

甌江北口大橋南錨碇沉井第三次下沉采用回旋鉆機(jī)作為開挖取土設(shè)備在一個月內(nèi)成功突破硬塑性黏土層。在穿越黏土層的過程中，平均取土速度1300方/天，日均下沉量15cm/天，有效解決了施工址位深層存在較厚硬塑性黏土?xí)r大型沉井基礎(chǔ)取土困難的難題，為我國大型沉井基礎(chǔ)施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過工程實(shí)踐，用于沉井施工時，回旋鉆機(jī)主要存在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢與不足：

①回旋鉆機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)位于沉井頂面，鉆孔深度不受水深限制。

②通過鉆頭加壓，回旋鉆機(jī)可適用于沉井基礎(chǔ)施工的任何地層，無需更換設(shè)備。

③由于鉆桿安拆較為頻繁，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)點(diǎn)和轉(zhuǎn)艙占總作業(yè)時間20%以上，是制約鉆機(jī)取土效率的主要因素。

④采用鋼絲繩柔性刷作為擴(kuò)底手段效果有限，無法解決卵石層等地質(zhì)下的刃腳取土問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]許溶豐，崔嵐嶺.絞吸機(jī)在大型沉井施工中的運(yùn)用[J].建筑機(jī)械，2017（10）.

[2]肖伯強(qiáng)，李送根，胡義新，等.老黏土地層吸泥裝置研究及應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2017，37（9）：50-53.

[3]樊敬亮，付連紅，顏春波，等.機(jī)械回旋鉆機(jī)穿越硬可塑黏性土層的關(guān)鍵施工工藝研究[J].河南科學(xué)，2017，35（9）：1483-1486.

[4]杜磊，林文.適用于黏土地層的回旋鉆鉆頭改造工藝[J].居舍，2017（31）.