旋挖潛孔錘技術(shù)在鐵路橋梁工程施工中的應(yīng)用研究

吳仲斌

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

與傳統(tǒng)樁工機(jī)械相比，旋挖鉆機(jī)在各類巖土層施工中都具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是，當(dāng)巖石強(qiáng)度超過(guò)60MPa以后，旋挖鉆機(jī)將面臨施工工效低、鉆具磨損快、鉆桿易損壞、主機(jī)壽命縮短等問(wèn)題，因此，急需一種適合硬巖鉆進(jìn)的旋挖施工工藝。鐵路工程橋梁施工過(guò)程中，旋挖潛孔錘技術(shù)具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其是將大直徑潛孔錘與旋挖鉆機(jī)相結(jié)合的一種樁基礎(chǔ)施工工藝，主要目的就是解決旋挖鉆機(jī)在極硬層鉆進(jìn)緩慢的問(wèn)題。旋挖潛孔錘技術(shù)以旋挖鉆機(jī)為主機(jī)，懸掛潛孔錘鉆具；以大功率空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，提供高壓空氣；以氣動(dòng)潛孔錘為鉆具，沖擊鉆進(jìn)；以高壓空氣作為循環(huán)介質(zhì)，提供動(dòng)力、冷卻鉆頭、清孔排渣：能夠大幅度提升鐵路橋梁工程施工的質(zhì)量和效率。

1 工程概況

第一，該橋起訖里程為DK96+500.198～DK96+847.596，橋全長(zhǎng)為347.398m，孔跨布置為1×24+2×32+1×24+6×32+1×24m。第二，該橋3墩采用明挖基礎(chǔ)，其他墩采用樁基礎(chǔ)。除0臺(tái)、1墩樁基按照摩擦樁設(shè)計(jì)外，其余均為柱樁，柱樁除樁底標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)保證最小嵌入二長(zhǎng)花崗巖弱風(fēng)化層不小于1.0m。第三，墩身為雙線圓端形實(shí)體墩，墩高為3.5～12.5m，橋臺(tái)為矩形空心橋臺(tái)。第四，該橋5、10墩需要進(jìn)行補(bǔ)勘。應(yīng)提前規(guī)劃，優(yōu)先進(jìn)行此墩的征拆工作，早日進(jìn)行補(bǔ)勘。

橋梁主要工程內(nèi)容和數(shù)量如表1所示。

表1 主要工程內(nèi)容和數(shù)量

2 旋挖潛孔錘技術(shù)在鐵路橋梁工程施工中的應(yīng)用

2.1 施工技術(shù)選取

潛孔錘主要依靠沖擊荷載破碎巖石，應(yīng)力較為集中，且接觸瞬間就達(dá)到很高的值，容易產(chǎn)生裂紋，破碎巖層結(jié)構(gòu)，最終形成有效的體積破碎，適合鉆進(jìn)硬脆性的巖石；旋挖截齒鉆具則是依靠較大的加壓力和扭矩，擠壓切入地層而實(shí)現(xiàn)剪切破碎，隨著巖石硬度的增大，截齒的切入能力迅速降低。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件結(jié)合兩種技術(shù)的破碎機(jī)理比較發(fā)現(xiàn)，潛孔錘鉆進(jìn)工藝更適合鉆進(jìn)堅(jiān)硬的巖石地層。

2.2 旋挖潛孔錘技術(shù)工藝流程及配套設(shè)備

旋挖潛孔錘技術(shù)工藝打破常規(guī)旋挖施工鉆進(jìn)無(wú)法在硬巖地層、復(fù)雜地層施工的局限，可廣泛應(yīng)用于各類高層建筑、高鐵路橋、港口碼頭、地鐵建設(shè)等嵌巖樁孔的施工。具有靈活性好，主機(jī)自行走、上車360 度回轉(zhuǎn)；鉆進(jìn)速度快；成孔質(zhì)量好；適合中等直徑的嵌巖樁孔施工；工藝適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性好；綠色施工，環(huán)境污染小等方面的優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 旋挖潛孔錘技術(shù)工藝流程

旋挖潛孔錘技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 旋挖潛孔錘技術(shù)工藝流程

2.2.2 旋挖潛孔錘技術(shù)配套設(shè)備

（1）主機(jī)

采用XR180DIV 旋挖鉆機(jī)，主機(jī)功率為194kW，動(dòng)力頭行程為15m，最大扭矩為180kN·m，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速7～15r/min，卷?yè)P(yáng)機(jī)提升力520kN。

（2）潛孔錘鉆具

潛孔錘由沖擊器和鉆頭兩部分組成。沖擊器在高壓氣體的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的沖擊力通過(guò)鉆頭直接作用于巖石，產(chǎn)生沖擊破碎力。沖擊器可以將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為沖擊能量，該能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程主要依靠活塞運(yùn)動(dòng)。以壓縮空氣推動(dòng)活塞，以配氣機(jī)構(gòu)不斷改變空氣方向，從而實(shí)現(xiàn)活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鉆頭沖擊破碎巖石。潛孔錘鉆頭由高質(zhì)量的合金鋼和優(yōu)質(zhì)的碳化鎢原子制成。鉆桿為特制分段鉆桿（Φ600，外徑尺寸為18″），采用六方結(jié)構(gòu)連接、銷軸固定，接頭具有一定的密封性能，可以有效地傳遞扭矩、壓力并保證氣密性，鉆桿外部帶桿衣，有效減少了鉆桿與孔壁的環(huán)形空間面積，從而提高空氣的上返速度，有利于施工過(guò)程中的鉆孔清渣。

（3）空壓機(jī)供氣系統(tǒng)

以空壓機(jī)風(fēng)量為單臺(tái)29.8m/min，工作壓力為25bar（柴油移動(dòng)式螺桿式）提供充足的高壓空氣，是保證潛孔錘有效工作的前提；大直徑潛孔錘工作耗氣量大，需要通過(guò)儲(chǔ)氣罐（容積為6m，工作壓力為25bar）連接多臺(tái)空壓機(jī)集中供氣，并且有穩(wěn)定的空氣壓力的作用；潛孔錘工作時(shí)，活塞在缸體內(nèi)快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為使其得到充分的潤(rùn)滑，需要在高壓供氣管路上連接油霧器，輸送潤(rùn)滑油。

2.2.3 設(shè)備對(duì)比

潛孔錘、旋挖鉆、沖擊鉆三種設(shè)備的對(duì)比詳情如表2所示。

表2 設(shè)備對(duì)比

2.3 旋挖潛孔錘技術(shù)具體施工過(guò)程

2.3.1 施工方案設(shè)計(jì)

第一，在進(jìn)行施工準(zhǔn)備工作之前首先要充分了解工程信息，根據(jù)工程地質(zhì)情況制定合理的成孔工藝。若地層整體穩(wěn)定性好，且無(wú)地下水，則可以直接使用潛孔錘鉆進(jìn)，一次性成孔，無(wú)需其他輔助措施；若巖石地層上部存在不穩(wěn)定地層，則可以使用長(zhǎng)護(hù)筒護(hù)壁或全套管施工。

第二，根據(jù)樁孔設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇相應(yīng)的設(shè)備規(guī)格。例如根據(jù)不同的孔徑選擇不同潛孔錘規(guī)格、確定合理的空壓機(jī)規(guī)格數(shù)量及施工參數(shù)。

第三，鉆機(jī)安裝就位、組裝。測(cè)量放點(diǎn)、平整場(chǎng)地滿足鉆機(jī)安裝就位需求，按照空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、油霧器、高壓風(fēng)管、旋挖鉆主機(jī)、鉆桿系統(tǒng)依次組裝。

第四，由專業(yè)人員進(jìn)行吊裝，吊裝時(shí)保證平穩(wěn)，采用液壓系統(tǒng)調(diào)平，保證裝機(jī)水平，測(cè)量方式采用水平尺校正，將潛孔錘對(duì)準(zhǔn)樁機(jī)，保持中心位置一致，裝機(jī)完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，運(yùn)行前需要進(jìn)行調(diào)試。

2.3.2 鉆進(jìn)成孔

旋挖潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿接長(zhǎng)下放，單節(jié)鉆桿為12m。首先將吊裝鉆桿與孔口鉆桿連接，然后將鉆桿與動(dòng)力頭連接（見(jiàn)圖2）。

圖2 鉆機(jī)組裝示意圖

2.3.3 下放鋼筋籠

鉆進(jìn)到要求深度后，采用吊車拆卸鉆桿；鉆桿拆卸完后，下工字鋼，在工字鋼兩側(cè)注漿，邊注漿邊拆卸護(hù)筒。根據(jù)樁基礎(chǔ)功能不同，下放的加筋材料可分為工字鋼、鋼筋籠或者其他材料，但下放作業(yè)基本相同，都需要先加工制作，再分段下放。

2.3.4 灌注混凝土

灌樁方法與常規(guī)灌注樁施工方法一致。

2.3.5 配合施工

該工藝設(shè)備可配合全套管施工，氣動(dòng)潛孔錘配合全套管施工時(shí)，套管可跟隨潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)一同下放，配套擴(kuò)孔鉆頭，無(wú)需其他設(shè)備，套管與鉆桿同步下放。待套管跟進(jìn)到穩(wěn)定巖層后，可更換使用常規(guī)鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。

2.3.6 設(shè)備投入

設(shè)備投入詳情如表3所示。

表3 設(shè)備投入明細(xì)

3 旋挖潛孔錘技術(shù)在鐵路橋梁工程施工中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 鉆進(jìn)的注意事項(xiàng)

旋挖潛孔錘鉆孔灌注樁在鉆進(jìn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)如下。

第一，不管施工場(chǎng)地地質(zhì)水文情況如何，都要埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒頂?shù)母叨戎辽俑叱鲋車孛?0cm。

第二，護(hù)筒埋設(shè)到預(yù)定深度以前，均需使用鉆頭的鉸刀。

第三，為了避免鉆斗提升時(shí)，鉆斗內(nèi)的泥砂掉落到孔內(nèi)，而使泥漿性能指標(biāo)改變不符合要求或沉到孔底，鉆斗的活動(dòng)底門(mén)在提鉆過(guò)程中應(yīng)保持閉合的狀態(tài)。

第四，必須始終保持潛孔錘鉆斗在樁基孔內(nèi)升降速度合理。因?yàn)檩^高速度移動(dòng)鉆斗，泥漿會(huì)被迫快速地從鉆斗外側(cè)和孔壁之間的孔隙中流出，導(dǎo)致泥漿對(duì)孔壁產(chǎn)生沖刷，快速提升鉆斗還會(huì)在下方產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致孔壁不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致坍塌，所以必須依照孔徑的大小及土質(zhì)的具體情況來(lái)確定鉆斗的升降速度。

3.2 施工中的質(zhì)量控制

3.2.1 鉆桿垂直度

測(cè)放樁位要做到準(zhǔn)確無(wú)誤（允許誤差在5cm 以內(nèi)），放線定位應(yīng)從測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量放點(diǎn)，并用基站法放點(diǎn)，不宜用后方交會(huì)放點(diǎn)，放點(diǎn)之后要做好標(biāo)記并注意做好保護(hù)樁位的措施。如果發(fā)現(xiàn)有較大誤差，應(yīng)查明原因，重新放點(diǎn)，并采用其他方法復(fù)測(cè)。如若在放點(diǎn)之后很久才開(kāi)始鉆進(jìn)，則必須復(fù)測(cè)樁位?？咨钜钥卓谧o(hù)筒頂?shù)母叱套鳛楦叱炭刂泣c(diǎn)，并以專用的測(cè)繩加測(cè)錘進(jìn)行測(cè)量，測(cè)錘重約1kg，上系測(cè)繩，徐徐放到孔底，可以憑感覺(jué)測(cè)定孔深，確定孔底高程。

3.2.2 地基處理

施工場(chǎng)地應(yīng)平整，機(jī)械下的地基不得有沉陷現(xiàn)象。機(jī)械在開(kāi)鉆之前，應(yīng)檢查機(jī)械的質(zhì)量，并調(diào)整好運(yùn)行參數(shù)。在鉆進(jìn)施工的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件控制鉆進(jìn)的速度；如果發(fā)現(xiàn)樁基孔傾斜，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，在采取有效措施之后，才可以繼續(xù)鉆進(jìn)施工。

3.2.3 泥漿制備與處理

泥漿護(hù)壁成孔過(guò)程中，泥漿所起的作用最大，它不僅能起到保護(hù)孔壁的作用，還能起到冷卻設(shè)備、潤(rùn)滑及攜渣的作用。由于泥漿本身有一定的密度，如果地下水位之上存在孔內(nèi)泥漿液面高出現(xiàn)象，就會(huì)產(chǎn)生靜水壓，起到液體支撐作用，進(jìn)而很好地保護(hù)孔壁，防止孔壁坍塌。因此，在鉆孔過(guò)程中，各土層孔隙容易引發(fā)孔壁剝落問(wèn)題，泥漿可對(duì)孔隙進(jìn)行密實(shí)填充，形成一層致密泥皮，而泥皮透水性較差，可防止水滲透，保證了成孔內(nèi)水壓穩(wěn)定性，從而維持了孔壁的穩(wěn)定性。除此之外，鉆孔產(chǎn)生的泥渣懸浮于泥漿之上，并隨泥漿一同排出，不僅進(jìn)一步達(dá)到良好的護(hù)壁效果，還方便了孔內(nèi)渣土的排除?；谀酀{如此多的重要作用，因此一定要嚴(yán)格控制泥漿配比，如果在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)泥漿密度降低現(xiàn)象，可適當(dāng)添加膨潤(rùn)土，保障其密度滿足工藝要求。需要注意的是，在施工過(guò)程中一定要結(jié)合環(huán)保要求對(duì)泥漿、泥渣進(jìn)行環(huán)保處理。

3.3 施工之后的質(zhì)量控制

完工后需要做好施工現(xiàn)場(chǎng)的排水管理，設(shè)置好排水設(shè)施，做好施工現(xiàn)場(chǎng)材料和設(shè)備的防水措施。施工所產(chǎn)生的廢棄物垃圾等應(yīng)及時(shí)清理，并盡量減少對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境造成的污染和破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在鐵路橋梁工程施工中應(yīng)用旋挖潛孔錘技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)。在鉆進(jìn)、施工中及施工后全過(guò)程中要注意做好護(hù)筒埋設(shè)、鉆斗提升、鉆斗升降速度、鉆桿垂直度、地基處理、泥漿制備、排水設(shè)施及環(huán)保措施的質(zhì)量控制，以提升旋挖潛孔錘技術(shù)的應(yīng)用效果。