全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)組合在薄覆蓋層硬質(zhì)河床引孔中的應(yīng)用*

賀紅星，鄧運(yùn)生，董 義，張晉華，田 浩，謝 衛(wèi)，沈博聞

(1.中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

0 引言

在施工水中承臺時，因應(yīng)用條件廣泛、強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性好、工效高、止水效果好等特點(diǎn)，鎖扣鋼管樁圍堰被廣泛應(yīng)用。然而普通的鎖扣鋼管樁圍堰施工仍具有一定局限性，其施工一般作用在砂類土、半干性黏土、較軟的全風(fēng)化巖層。對于覆蓋層薄或較硬的強(qiáng)、中風(fēng)化巖層及大粒徑卵石層地層，鎖扣鋼管樁無法打入，如利用大功率振動錘強(qiáng)行打設(shè)，會造成鋼管樁底部變形，進(jìn)而影響圍堰止水效果。因此，須先采用引孔施工工藝在薄覆蓋層硬質(zhì)河床上進(jìn)行引孔，孔深至中風(fēng)化巖，然后再沿孔位逐個打入鎖扣鋼管樁，才能保證圍堰的止水效果及穩(wěn)定性要求。

贛州市蟠龍大橋17，18號主墩為水中墩，18號主墩處河床覆蓋層更薄，圍堰要求進(jìn)入中風(fēng)化巖層更深，為最不利工況。因此，以贛州市蟠龍大橋水中18號主墩鎖扣鋼管樁圍堰引孔施工為研究對象，在傳統(tǒng)水中鋼圍堰引孔施工技術(shù)中，通常采用槽鋼焊接在作業(yè)鋼平臺上作為導(dǎo)向架，然后在導(dǎo)向架內(nèi)放入鋼套管，采用沖擊鉆機(jī)進(jìn)行引孔。在此施工過程中導(dǎo)向架需不斷拆改，費(fèi)時費(fèi)工，而且增加了空中吊裝及水上焊接工作，作業(yè)安全性差；鋼套管的接長施工也涉及水上焊接，進(jìn)一步增加了施工安全隱患；而且水中沖擊鉆引孔過程中需設(shè)置泥漿池，對環(huán)境存在不利影響，同時沖擊鉆施工效率低、工期長；無論是沖擊鉆成孔還是振動下沉鋼套管的過程中，導(dǎo)向架都會造成擾動，影響施工精度，導(dǎo)致引孔質(zhì)量差。采用傳統(tǒng)水中圍堰引孔技術(shù)無法滿足蟠龍大橋工程施工要求。

贛州市蟠龍大橋工程18號墩鎖扣鋼板樁圍堰引孔，采取旋挖鉆機(jī)與全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)聯(lián)合，是一種降本增效、安全性好、綠色環(huán)保、引孔精度高、成孔質(zhì)量好的水中圍堰引孔施工方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

贛州市蟠龍大橋工程由北向南跨越章江，北接經(jīng)開區(qū)工業(yè)一路，南接蓉江新區(qū)蓉江一路。本文研究對象為水中18號墩圍堰引孔作業(yè)。18號墩圍堰設(shè)計頂標(biāo)高為104.750m，設(shè)計底標(biāo)高為88.750m，底部進(jìn)入中風(fēng)化層。其中，18號主墩圍堰引孔情況如下：引孔直徑1.2m，引孔深度6.55m，入強(qiáng)風(fēng)化巖層3.94m，入中風(fēng)化巖層1.69m，合計75個孔。

1.2 工程環(huán)境條件

18號墩實(shí)測水深6.8m，河床以下地層分別為⑥1淤泥質(zhì)粉砂(1.0m)、⑦圓礫(0.5m)、⑨強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(3.1m)、⑩中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。承臺底位于⑨強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。18號墩處工程地質(zhì)概況如圖1所示。各土層相關(guān)參數(shù)設(shè)計值如表1所示。此處河床特點(diǎn)為薄覆蓋層硬質(zhì)河床，采用常規(guī)手段插打鋼管樁會造成鋼管樁因地質(zhì)較硬無法插打進(jìn)入且鋼板樁變形較大，影響施工質(zhì)量。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計建議值

圖1 18號主墩處工程地質(zhì)概況(單位：cm)

同時，施工點(diǎn)靠近贛州市取水點(diǎn)，環(huán)保要求高；贛州汛期為“桃花汛”(3月底至4月底)，相較于常規(guī)“夏汛”(6月底至9月底)，汛期更早。圍堰引孔工期壓力大。

2 水中圍堰引孔作業(yè)方案比選

通過以上數(shù)據(jù)及圖表，在選擇最合適的水中圍堰引孔方案時應(yīng)重點(diǎn)分析如下5點(diǎn)因素。

1)水中鋼圍堰引孔施工需穿過粒徑較大、成分復(fù)雜的多重土層，引孔施工過程中在無護(hù)壁的情況下，孔槽極易塌陷，成孔效率低下。保證引孔的成功率直接決定圍堰的成功。

2)水中鋼圍堰引孔施工精度要求高，因此引孔導(dǎo)向需較高精度，若因?qū)蚓葐栴}導(dǎo)致引孔孔位偏差，鎖扣鋼管樁將無法下放到位，影響圍堰止水效果和穩(wěn)定性。

3)因蟠龍大橋橋位靠近贛州市自來水廠取水點(diǎn)，環(huán)保要求高，因此在此過程中需盡量避免環(huán)境污染和隱患。

4)在現(xiàn)狀條件下，水上鋼圍堰引孔施工屬于危險性較大工程，特別是水上吊裝及水上焊接施工，存在較大安全隱患，應(yīng)在保障精度及成功率的前提下，盡量通過優(yōu)化工藝更好地組合施工機(jī)械和設(shè)備。盡量減少水上吊裝及水上焊接等危險性較大施工工序。

5)贛州汛期較早，工期要求緊，對施工工藝提出更高要求，必須考慮水中鋼圍堰引孔施工速度。

水中鎖扣鋼管樁圍堰引孔方案比選分析如表2所示。綜合考慮以上5個因素，正式施工前便采用3種引孔施工方案展開試引孔。

表2 引孔工藝比選

3 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)組合應(yīng)用研究

3.1 水上作業(yè)鋼平臺

18號墩圍堰作業(yè)處于水中，無現(xiàn)成作業(yè)面，因此需先施工鋼棧橋打設(shè)引孔作業(yè)平臺。該作業(yè)鋼平臺主要為解決旋挖鉆機(jī)、全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)及履帶式起重機(jī)配合施工問題，保證水上作業(yè)鋼平臺能同時承受旋挖鉆機(jī)、全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)及履帶式起重機(jī)等重型機(jī)械及各類材料堆放的作用力。本工程制作水上施工鋼平臺，該水上作業(yè)鋼平臺從下到上分別由φ630×10鋼管樁、雙拼I45a、321貝雷架、I25(間距0.3m)、10mm厚鋼板、1.2m高護(hù)欄組成，同時在相鄰鋼管樁通過φ200×6平聯(lián)、[20剪刀撐及連接板聯(lián)系，使鋼平臺構(gòu)成整體，有力保證作業(yè)平臺的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。施工鋼平臺設(shè)計如圖2所示，水上施工鋼平臺引孔槽實(shí)景如圖3所示。

圖2 水上施工鋼平臺設(shè)計

圖3 水上施工鋼平臺引孔槽實(shí)景

3.2 定位箱板引孔導(dǎo)向

目前在鋼平臺上焊接導(dǎo)向架是水中圍堰引孔施工的一種常用導(dǎo)向方式，但在引孔施工過程中，不僅每個孔位都需焊接導(dǎo)向架，在咬合孔位引孔前，還需將之前孔位的導(dǎo)向架全部拆除，再重新拼裝焊接固定導(dǎo)向架在咬合孔位上，拼裝及焊接費(fèi)工費(fèi)時，吊裝及轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備多，頻繁的高空及水上吊裝、焊接作業(yè)安全性差、施工費(fèi)用高。尤其對于工期緊、施工難度大、精度要求高的水中鋼圍堰引孔施工，這些問題更加凸顯。

本工程設(shè)計了一種定位箱板，定位箱板直接放置于水上作業(yè)鋼平臺并固定后，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)沿定位導(dǎo)向孔下放鋼套管進(jìn)行引孔。定位箱板上導(dǎo)向孔位施工完成，直接將定位箱板平移1個孔位直徑，即可為下一孔序進(jìn)行精確導(dǎo)向，施工快速簡便，省時省工。定位箱板實(shí)景如圖4所示。

圖4 定位箱板實(shí)景

定位箱板的應(yīng)用能有效降低作業(yè)難度、加快作業(yè)進(jìn)度、減少機(jī)械設(shè)備、保證施工安全、節(jié)約作業(yè)成本。

3.3 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)及旋挖鉆機(jī)組合施工

全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)定位安置于定位箱板上，通過鉆機(jī)夾具夾住鋼護(hù)筒定位下放，將套管緩慢壓入砂石層，采用旋挖鉆機(jī)在套管內(nèi)出土。鋼護(hù)筒再繼續(xù)鉆進(jìn)，當(dāng)鋼護(hù)筒無法鉆進(jìn)或出現(xiàn)傾斜時，用旋挖鉆機(jī)超前取土，取土后再放入旋挖鉆機(jī)鉆頭至孔底，利用鉆頭超前與土體間的扶正作導(dǎo)向，使鋼護(hù)筒順著鉆頭的外邊緣下壓，旋挖鉆機(jī)鉆頭鉆進(jìn)與鋼護(hù)筒下壓間的銜接以≤1m為區(qū)間下壓1次，直至到達(dá)樁底。取土完成后，采用水泵在套管內(nèi)抽水。抽完水后，護(hù)筒內(nèi)回填黏土，每回填1m高后用旋挖鉆機(jī)鉆頭壓實(shí)?；靥铕ね林梁哟裁嬉陨?00mm并拔出鋼護(hù)筒，回填高程控制采用測繩，在此過程中要多次控制測量，完成水中鋼圍堰孔位引孔。全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)組合施工實(shí)景如圖5所示。

圖5 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)組合施工實(shí)景

3.4 工程應(yīng)用效果分析

本工程18號水中墩處為薄覆蓋層硬質(zhì)河床，在施工此處水中圍堰時，采用旋挖鉆機(jī)同全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)組合施工工藝，相較于傳統(tǒng)水中圍堰引孔施工工藝，既發(fā)揮了全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)大扭矩切割和下套管的優(yōu)勢，又利用了旋挖鉆機(jī)快速取土的功能，施工工效高，每個孔位成孔時間減少3h，工效提升約50%，可滿足工程快速施工要求。

該施工點(diǎn)靠近居民區(qū)和水廠取水點(diǎn)，噪聲及環(huán)保要求高，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)聯(lián)合施工現(xiàn)場最大聲音強(qiáng)度≤60dB，相較于傳統(tǒng)沖擊鉆引孔施工中的85dB，聲音強(qiáng)度值降低約40%，能滿足施工噪聲要求。同時，該施工工藝不用設(shè)置泥漿池，也可滿足綠色環(huán)保的施工要求。

4 結(jié)語

本工程采取全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)同旋挖鉆機(jī)在薄覆蓋層硬質(zhì)河床主墩鋼圍堰引孔施工中的組合作業(yè)，不僅展現(xiàn)了全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)扭矩大及套管下放的特點(diǎn)，而且發(fā)揮了旋挖鉆機(jī)高效出土的作用；同時，不用設(shè)置泥漿池，滿足了施工區(qū)域環(huán)保要求；通過水中作業(yè)鋼平臺的應(yīng)用，解決了大噸位施工機(jī)械共同作業(yè)承載力的問題；通過定位箱板的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)引孔導(dǎo)向架施工復(fù)雜、安全性差、費(fèi)用高的問題。

綜上所述，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)在薄覆蓋層硬質(zhì)河床主墩鋼圍堰引孔施工中的應(yīng)用，充分利用了各機(jī)械性能優(yōu)點(diǎn)，可有效減小作業(yè)難度、推動作業(yè)進(jìn)度、保障作業(yè)安全、降低作業(yè)成本及避免環(huán)境污染。

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的跨越式發(fā)展，大跨度水上橋的大力建設(shè)，水中圍堰引孔需求的進(jìn)一步提高，同時隨著國家對環(huán)境保護(hù)的愈發(fā)重視，相信該工法在將來水中引孔作業(yè)中會被大力推廣。