高速鐵路大直徑深水鉆孔灌注樁施工工藝探討

王剛

(上海天佑工程咨詢有限公司，上海 200092）

1 引言

截至2020 年年底，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程為3.8×104km，居世界第一。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)為橋梁主要基礎(chǔ)之一，樁基施工質(zhì)量直接影響橋梁安全以及高鐵運(yùn)營(yíng)速度。本文以某高鐵東江特大橋76 m+160 m+76 m 連續(xù)梁拱橋水中墩樁基施工為例，探討沖擊鉆成孔、旋挖成孔和反循環(huán)成孔工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，為大直徑超深水中樁基施工提供技術(shù)借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

某高速鐵路東江特大橋跨東江設(shè)計(jì)，主橋?yàn)椋?4 m+64 m）T 構(gòu)+（76 m+160 m+76 m）連續(xù)梁拱橋+（64 m+64 m）T 構(gòu)，河面寬462 m，測(cè)時(shí)水位27.26 m，平均水深約15 m，樁基原地面以下地質(zhì)情況主要為砂卵石、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖為主。76 m+160 m+76 m 連續(xù)梁拱橋主墩樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)各16 根，樁徑2.5 m，孔深超過70 m。主墩每根樁基設(shè)置4 根聲測(cè)管用于超聲波檢測(cè)樁身完整性。

3 鉆孔灌注樁施工工藝

3.1 棧橋平臺(tái)施工

根據(jù)工程施工需求，施工平臺(tái)采用鋼棧橋，基礎(chǔ)采用529 mm×10 mm 鋼管打入巖層摩擦樁基礎(chǔ)。單排柱頂部設(shè)置雙支I40 工字鋼橫向分配梁，上面架設(shè)單層貝雷梁，跨度不大于12 m，貝雷梁上直接鋪設(shè)鋼筋混凝土預(yù)制面板（厚×寬×長(zhǎng)為18 cm×200 cm×800 cm）。棧橋由兩岸向江心采用釣魚法搭設(shè)，預(yù)留通航通道120 m，上下游設(shè)置防護(hù)樁。

3.2 護(hù)筒埋設(shè)

水中墩護(hù)筒施工流程：在鉆孔平臺(tái)上拼裝鋼護(hù)筒導(dǎo)向架，測(cè)量放線定樁位→對(duì)接鋼護(hù)筒→整體起吊鋼護(hù)筒入水→調(diào)整護(hù)筒傾斜度及位置緩慢入床至穩(wěn)定→安裝振動(dòng)打樁錘振動(dòng)下沉→安裝鉆機(jī)開始水中鉆孔樁施工。鋼護(hù)筒頂面高出鉆機(jī)作業(yè)平臺(tái)至少0.5 m，并進(jìn)入穩(wěn)定巖層0.5～1.0 m。施工過程中嚴(yán)格控制護(hù)筒入巖深度，避免由于入巖深度不足出現(xiàn)漏漿。

3.3 泥漿制備

不同鉆機(jī)、不同巖層對(duì)泥漿性能有不同的要求，尤其是泥漿相對(duì)密度，參照高速鐵路橋涵施工技術(shù)規(guī)程要求，旋挖鉆成孔泥漿相對(duì)密度宜為1.1～1.3；沖擊鉆成孔泥漿相對(duì)密度不宜大于：黏土、粉土1.3；大漂石、卵石層1.4；巖石1.2；反循環(huán)成孔泥漿相對(duì)密度宜為1.05～1.15[1]。施工過工程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及相應(yīng)的成樁工藝調(diào)整泥漿比重等參數(shù)。

3.4 鉆機(jī)工藝對(duì)比

76 m+160 m+76 m 連續(xù)梁主墩直徑為2.5 m，孔深平均72 m，實(shí)際巖層57 m，水深15 m。樁基施工面臨孔深、大直徑、工作面狹窄等不利因素，采用何種工藝施工很難抉擇。樁基施工過程中，該橋主墩樁基施工過程中嘗試3 種不同工藝分別進(jìn)行施工，對(duì)各種工藝分別進(jìn)行改進(jìn)，最后確定一種合適工藝。

3.4.1 沖擊鉆施工工藝

連續(xù)梁主墩樁基施工首先采用3 臺(tái)沖擊鉆施工，但是由于施工進(jìn)度滯后，平均成孔需要18 d，清孔需要4～5 d 才能滿足灌樁要求。另外，施工過程中極易斜孔，一臺(tái)鉆機(jī)正常情況下23 d（包括清孔）才能施工1 根樁，其中一臺(tái)鉆機(jī)施工過程中由于斜孔回填，該樁基施工長(zhǎng)達(dá)3 個(gè)月，嚴(yán)重影響進(jìn)度同時(shí)保證不了樁基質(zhì)量，沖擊鉆陸續(xù)退場(chǎng)。

沖擊鉆工藝最大優(yōu)點(diǎn)為適用各種地質(zhì)條件，各種場(chǎng)地，成本低。鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)后對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，將成本再次壓縮。傳統(tǒng)的沖擊鉆需要人工操作，一臺(tái)鉆機(jī)需要3 人24 h 輪班，改進(jìn)后的鉆機(jī)利用現(xiàn)代化智能操作系統(tǒng)及裝備，1 個(gè)人可同時(shí)盯控3 臺(tái)鉆機(jī)，大大節(jié)省人力成本。沖擊鉆工藝缺點(diǎn)為成孔速度慢。另外，成孔后清孔時(shí)間長(zhǎng)，通過現(xiàn)場(chǎng)清孔并實(shí)測(cè)需要4～5 d 方能達(dá)到規(guī)范要求，嚴(yán)重制約沖擊成孔工藝的工效。

3.4.2 旋挖鉆成孔工藝

旋挖鉆成孔工藝采用山河智能SWDM550 旋挖鉆機(jī)，鉆機(jī)參數(shù)見表1。旋挖鉆機(jī)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率均優(yōu)于反循環(huán)鉆機(jī)。通過對(duì)比旋挖鉆機(jī)與反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)速度，反循環(huán)鉆機(jī)明顯快于旋挖鉆機(jī)。分析原因：一是樁基直徑為2.5 m 接近旋挖鉆機(jī)最大鉆孔直徑；二是孔深達(dá)70 m，鉆桿取土?xí)r間明占比鉆頭鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)；三是隨著孔深增加，鉆桿逐漸變長(zhǎng)鉆頭處扭矩在不斷減弱。綜合各方面原因，旋挖鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度不如反循環(huán)鉆機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)直接采用2.5 m 鉆頭鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)2 次斷桿現(xiàn)象。

表1 鉆機(jī)工藝參數(shù)對(duì)比

為提高旋挖鉆機(jī)工效，對(duì)旋挖鉆機(jī)成孔工藝進(jìn)行改進(jìn)，卵石層采用反循環(huán)鉆機(jī)開挖，卵石層地質(zhì)條件差，不適合旋挖鉆，采用反循環(huán)鉆機(jī)護(hù)壁效果好，同時(shí)鉆進(jìn)速度快。卵石層反循環(huán)鉆進(jìn)一般需要1 d 即可，卵石層鉆進(jìn)結(jié)束后采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)，旋挖鉆機(jī)依次采用1.5 m→2 m→2.5 m 鉆頭分別鉆進(jìn)，其工效明顯加快，改進(jìn)后的工藝與反循環(huán)成孔工藝工效不相上下。但是旋挖成孔容易出現(xiàn)漏漿問題，旋挖成孔工藝其泥漿護(hù)壁效果差，遠(yuǎn)不如反循環(huán)，不適合地質(zhì)條件差或者是水中樁基施工。施工過程中為解決漏漿問題，鉆進(jìn)過程中需要利用振動(dòng)錘下沉護(hù)筒，直至漏漿問題解決。在漏漿問題上曾采用改進(jìn)泥漿比重、護(hù)筒外側(cè)灌注水下混凝土等各種措施，均未解決漏漿問題，最終采取邊鉆進(jìn)邊下沉護(hù)桶方法直至不漏漿為止。雖然通過改進(jìn)優(yōu)化工藝明顯加快了鉆進(jìn)速度，但是旋挖鉆機(jī)在施工水中大直徑、超深樁基過程中依然存在上文提到的問題。

3.4.3 反循環(huán)成孔工藝

反循環(huán)成孔工藝采用田野FXZ-500 型2 動(dòng)力反循環(huán)鉆機(jī)，鉆機(jī)參數(shù)見表1。通過3 種工藝的對(duì)比（見圖1 和表2），反循環(huán)成孔工藝優(yōu)勢(shì)比較明顯，不論從經(jīng)濟(jì)還是工效方面，均占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。但也不排除采用更大功率和扭矩旋挖鉆機(jī)其工效可能會(huì)優(yōu)于反循環(huán)，但是其成本必然增加很多，因此，綜合各方面因素，經(jīng)濟(jì)、工效等均適合采用反循環(huán)鉆機(jī)。但是在反循環(huán)鉆機(jī)施工過程中，面臨的一個(gè)問題就是泥漿循環(huán)系統(tǒng)如何設(shè)置。該樁基施工利用棧橋平臺(tái)作為作業(yè)平臺(tái)，空間有限，不能像陸地上挖坑設(shè)置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，通過工藝改進(jìn)，在棧橋施工平臺(tái)焊制鉆渣沉淀過濾箱，該裝置便于移動(dòng)，并降低循環(huán)泥漿的含砂率，減短清孔時(shí)間，從鉆孔中排出的泥漿能夠及時(shí)補(bǔ)回，提高工作效率，同時(shí)保證施工現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到環(huán)保要求。

圖1 3 種工藝對(duì)比

表2 3 種鉆孔工藝鉆進(jìn)速度及耗時(shí)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某高鐵東江特大橋76 m+160 m+76 m 連續(xù)梁拱橋水中墩大直徑鉆孔灌注樁施工為例，探討沖擊鉆成孔、旋挖鉆成孔和反循環(huán)成孔3 種不同工藝各自優(yōu)缺點(diǎn)。通過對(duì)比3 種工藝，沖擊鉆成孔成本低，但耗時(shí)長(zhǎng)，而且容易出現(xiàn)斜孔等問題，不適合對(duì)工期要求高的鉆孔樁施工，旋挖鉆機(jī)成孔通過工藝改進(jìn)與反循環(huán)工效不相上下，但是其泥漿護(hù)壁效果差，容易出現(xiàn)漏漿，處理起來也比較麻煩，同時(shí)其成本相對(duì)反循環(huán)和沖擊鉆成孔工藝要高得多，反循環(huán)成孔工藝不論從經(jīng)濟(jì)還是工效方面都適合于水中大直徑超深樁基成孔，通過工藝改進(jìn)避免了高棧橋施工平臺(tái)場(chǎng)地狹窄、泥漿反循環(huán)系統(tǒng)不宜設(shè)置等問題，充分發(fā)揮其工效。