市政橋梁樁基施工中反循環(huán)鉆成孔技術(shù)要點分析

姚冰峰

廣州機(jī)施建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510000

引言

反循環(huán)鉆成孔是現(xiàn)代市政橋梁工程的一項重要施工技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用有效解決了孔壁易坍塌、成孔速度緩慢等多項問題，對橋梁樁基施工質(zhì)量與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能的提升有重要的現(xiàn)實意義。與此同時，反循環(huán)鉆成孔技術(shù)在實際操作過程中還需進(jìn)一步完善，從而推動樁基施工質(zhì)量的全面提升，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

知識城信息南路橋梁工程位于廣州市黃埔區(qū)，橋梁跨徑為35m，跨越規(guī)劃塘面村河，左線橋兩岸橋臺均布置在迎水坡以外，右線橋東岸橋臺布置在迎水坡坡頂處、西岸橋臺布置在迎水坡以外。在本工程中，選擇設(shè)置雙排1m樁徑的鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)構(gòu)造形式，按摩擦樁來設(shè)計鉆孔樁，采取泥漿循環(huán)鉆孔施工方法。

2 反循環(huán)鉆成孔技術(shù)概述

2.1 成孔原理

反循環(huán)鉆成孔技術(shù)采取提前制備泥漿并放入井底，控制反循環(huán)鉆機(jī)帶動鉆桿鉆頭保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來切削地層，以此來強(qiáng)制破碎地層并按照泵吸反循環(huán)方式排除孔底沉渣與孔內(nèi)泥漿的成孔方式，成孔期間憑借所注入泥漿來減小鉆頭鉆進(jìn)摩阻力，在孔壁表面形成一層保護(hù)性泥皮。同時，當(dāng)采取反循環(huán)鉆成孔技術(shù)在卵石層等復(fù)雜地層中開展成孔作業(yè)時，會明顯加快鉆頭鉆齒磨損量，需要頻繁更換鉆頭或使用定制鉆頭，施工單位應(yīng)根據(jù)工程情況慎重選擇[1]。

2.2 成孔工序

反循環(huán)鉆成孔技術(shù)的成孔工序由鉆機(jī)對位、護(hù)筒埋設(shè)、鉆進(jìn)成孔、成孔清洗、安裝鋼筋籠、灌注混凝土等步驟組成，各項步驟的施工重點有所不同。其中，鉆機(jī)對位是把反循環(huán)鉆機(jī)安裝就位、保持鉆桿鉆頭垂直狀態(tài)和控制鉆機(jī)位置偏差。護(hù)筒埋設(shè)是在樁位土層中設(shè)置鋼護(hù)筒或其他材質(zhì)護(hù)筒，起到承擔(dān)外部土壓力、保證成孔作業(yè)得以順利開展的作用。鉆進(jìn)成孔是在導(dǎo)孔內(nèi)注入泥漿、啟動鉆機(jī)勻速開展鉆進(jìn)作業(yè)。成孔清洗是在樁孔成型后清理孔底沉渣，避免因沉渣量過多而在后續(xù)出現(xiàn)樁身夾泥等質(zhì)量通病。安裝鋼筋籠是在孔底中心部位固定放置鋼筋籠，也可選擇在孔內(nèi)下放適當(dāng)尺寸的鋼管柱，起到提高樁基結(jié)構(gòu)剛度、增強(qiáng)承載性的作用。灌注混凝土是在孔內(nèi)澆灌混凝土，待混凝土凝結(jié)硬化后成型樁基結(jié)構(gòu)。

3 反循環(huán)鉆成孔技術(shù)在市政橋梁樁基施工中的應(yīng)用要點

3.1 施工準(zhǔn)備

考慮到反循環(huán)鉆成孔技術(shù)工藝復(fù)雜，涉及諸多方面，為保證成孔作業(yè)順利開展，要提前做好各方面的施工準(zhǔn)備工作。例如，在材料制備方面，根據(jù)地層條件與成孔要求來制備泥漿，明確泥漿原料塑性指數(shù)、粒徑、粘粒含量、泥漿稠度與比重等性能指標(biāo)要求，在泥漿制備后檢查性能是否達(dá)標(biāo)，限期內(nèi)將泥漿投入使用，以及在工程現(xiàn)場修筑儲漿池和泥漿沉淀池，便于泥漿臨時存儲與循環(huán)使用。

3.2 護(hù)筒埋設(shè)

護(hù)筒埋設(shè)要提前使用鋼板制成鋼護(hù)筒，清理護(hù)筒表面灰塵污漬，檢查護(hù)筒厚度與規(guī)格尺寸，護(hù)筒直徑要略大于樁孔孔徑，并在護(hù)筒上部開設(shè)溢漿孔。隨后，施工人員在各處樁位中吊放鋼護(hù)筒，保持護(hù)筒與樁位二者中心點的對準(zhǔn)重合狀態(tài)，調(diào)節(jié)完畢后緩慢將護(hù)筒下落就位，重復(fù)檢查護(hù)筒位置與垂直度是否達(dá)標(biāo)，及時調(diào)節(jié)偏位的護(hù)筒。最后，根據(jù)地層條件來確定護(hù)筒埋設(shè)深度，當(dāng)護(hù)筒埋設(shè)在砂土層和黏土層時，分別把埋設(shè)深度控制在1.5m以上和1.0m以上，在護(hù)筒外側(cè)使用黏土分層回填、夯實。同時，當(dāng)橋梁樁基施工地點位于水下時，則需要根據(jù)水位情況來調(diào)整護(hù)筒頂部標(biāo)高和埋深值，要求護(hù)筒隔離外部水體，保持護(hù)筒內(nèi)部環(huán)境的干燥狀態(tài)。

3.3 鉆進(jìn)成孔

鉆進(jìn)成孔期間，需重點掌握泥漿護(hù)壁、鉆桿接長、鉆速調(diào)節(jié)三方面的技術(shù)要點。第一，在泥漿護(hù)壁方面，提前向護(hù)筒內(nèi)部注入泥漿，由泥漿來減小鉆頭鉆進(jìn)阻力，一段時間后在樁孔孔壁表面形成保護(hù)泥皮。確定泥漿注入量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，啟動鉆機(jī)開展鉆進(jìn)作業(yè)，并根據(jù)鉆進(jìn)情況來實時調(diào)節(jié)泥漿注入量和注漿壓力值。第二，鉆桿接長方面，待首節(jié)或上一節(jié)段鉆桿鉆進(jìn)完畢后，暫停成孔作業(yè)，施工人員清理孔內(nèi)沉渣，在上一節(jié)段鉆桿接頭部位使用橡皮圈和法蘭盤來密封連接下一節(jié)段鉆桿，檢查鉆桿接頭部位是否存在滲漏情況，確定無誤后即可繼續(xù)開展鉆進(jìn)成孔作業(yè)，重復(fù)上述操作，直至鉆頭抵達(dá)設(shè)計標(biāo)高、完成剩余鉆桿接長作業(yè)。第三，鉆速調(diào)節(jié)方面，需要根據(jù)鉆進(jìn)成孔期間鉆頭所穿越地層條件來實時調(diào)節(jié)鉆速，在鉆頭穿越成巖性較好的地層時適當(dāng)降低鉆速，在鉆頭穿越成巖性較差的地層時則增加鉆速，避免因鉆速不合理而出現(xiàn)卡鉆、鉆頭過度磨損等問題。而在成孔質(zhì)量檢查步驟，可選擇配備JJC-1D成孔檢測儀等設(shè)備，對樁孔位置、孔徑、孔深、孔壁傾斜度與完好性等多項指標(biāo)進(jìn)行逐項檢查，對照檢測結(jié)果與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定成孔質(zhì)量達(dá)標(biāo)后，方可填寫終孔檢驗合格證，進(jìn)入下道工序[3]。

3.4 清孔

在橋梁樁基施工期間，需要重復(fù)多次開展清孔作業(yè)。其中，首次清孔作業(yè)開展于成孔結(jié)束后，施工人員控制鉆頭向上抬升0.5m左右，向孔內(nèi)持續(xù)泵入泥漿，在泥漿循環(huán)過程中帶動孔內(nèi)沉渣向外排出，待樁孔內(nèi)外泥漿的比重和稠度基本一致后，表明孔內(nèi)沉渣得到有效清除，即可停止一次清孔作業(yè)，清除孔內(nèi)泥漿，檢查孔底沉渣層厚度是否小于5cm。第二次清孔作業(yè)開展于鋼筋籠安放完畢后，同樣采取泥漿循環(huán)清孔方式，向孔內(nèi)循環(huán)注入泥漿，通過泥漿來攜帶孔內(nèi)殘留泥渣、垃圾雜物進(jìn)入沉淀池內(nèi)，直至孔底沉渣層厚度達(dá)標(biāo)為止，也可選擇使用高壓空氣來清理孔內(nèi)殘渣。

3.5 安放鋼筋籠

在安放鋼筋籠環(huán)節(jié)，施工人員提前檢查鋼筋籠規(guī)格尺寸與樁孔清孔效果，對質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的鋼筋籠進(jìn)行綁扎調(diào)節(jié)，并清理鋼筋表面殘留銹跡，避免后續(xù)因內(nèi)部鋼筋銹蝕而影響到橋梁樁基結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)。確定無誤后，將鋼筋籠起吊至樁孔上方一定高度處，調(diào)節(jié)鋼筋籠位置與方位角度，緩慢將鋼筋籠下放至孔底中心點，下放期間保持鋼筋籠與孔壁安全間距，預(yù)防孔壁刮傷、保護(hù)泥皮剝落和鋼筋籠變形問題的出現(xiàn)。最后，待鋼筋籠就位后，重新調(diào)整鋼筋籠位置，將鋼筋籠固定在孔底，確保鋼筋籠不會在后續(xù)混凝土澆筑期間因沖刷力與浮力影響而出現(xiàn)偏位、上浮情況，并開展二次清孔作業(yè)。

3.6 混凝土灌注

在混凝土灌注環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場安裝導(dǎo)管與儲料斗等配套裝置，清理導(dǎo)管內(nèi)部殘留浮漿，檢查導(dǎo)管密閉性能，并在導(dǎo)管內(nèi)部通水潤濕，避免混凝土漿料粘黏在導(dǎo)管表面。隨后，將導(dǎo)管下放就位，保持導(dǎo)管下口以及孔底0.4m以上的間隔距離，通過噴嘴持續(xù)向周邊灌注混凝土，嚴(yán)格控制混凝土灌注速度，根據(jù)混凝土液面高度上升情況來同步上提導(dǎo)管，待混凝土液面高度超過樁基頂部設(shè)計標(biāo)高后，即可停止灌注作業(yè)、取出導(dǎo)管，盡可能一次性完成混凝土灌注作業(yè)。最后，清理孔口向外溢出的混凝土漿液，觀察一段時間混凝土液面狀態(tài)，在液面下陷時進(jìn)行補(bǔ)灌處理，在混凝土臨近初凝時對表面進(jìn)行抹壓處理，抹壓后開展保溫保濕養(yǎng)護(hù)作業(yè)，直至混凝土試塊強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，到達(dá)養(yǎng)護(hù)時間，即可完成反循環(huán)鉆成孔作業(yè)。

4 反循環(huán)鉆成孔技術(shù)常見的問題及解決措施

4.1 鉆頭脫落

鉆頭脫落是因鉆進(jìn)成孔期間錯誤設(shè)定鉆速，在穿越堅硬巖石層時承受過大負(fù)荷導(dǎo)致鉆頭從鉆桿上脫落。同時，在鉆頭自身質(zhì)量不佳、連接法蘭螺栓未擰緊以及鉆桿材質(zhì)質(zhì)量較差時，也可能出現(xiàn)鉆頭脫落問題。

針對這一問題，施工人員需要采取位置校正、鉆桿強(qiáng)化和優(yōu)選鉆頭品種三項措施。首先，位置校正是在鉆進(jìn)成孔期間定期對轉(zhuǎn)盤、固定鉆桿卡控、底座水平加以測量校正，將垂直度等參數(shù)的偏差值控制在允許范圍內(nèi)，避免因誤差超標(biāo)而引發(fā)鉆孔偏斜、鉆頭脫落等一系列問題出現(xiàn)。其次，鉆桿強(qiáng)化是使用高強(qiáng)度材料來制作鉆桿，必要時可選用鑄鐵加重鉆桿、在鉆桿上額外幫補(bǔ)高強(qiáng)鋼材，以及在鉆桿與鉆頭接觸面上使用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行固定。最后，優(yōu)選鉆頭品種是根據(jù)現(xiàn)場地層條件來確定鉆頭品種，如在現(xiàn)場分布卵石層或漂石層的情況下，可以選用三翼筒鉆復(fù)合式鉆頭，由鉆筒、擋板、一二級鉆刀等部分組成，鉆進(jìn)期間采取由點到面逐級破碎方法，既可以保持較高鉆進(jìn)速度，還可以預(yù)防鉆齒破損、鉆頭脫落和鉆桿跳躍等施工問題出現(xiàn)[4]。

4.2 孔壁坍塌

在反循環(huán)鉆成孔施工期間，孔壁坍塌問題的形成原因包括泥漿稠度偏小、泥漿密度過小、鉆進(jìn)速度過快、中途停鉆時間超標(biāo)、鉆頭上提與鋼筋籠下放操作不當(dāng)、混凝土灌注作業(yè)開展不及時等因素。在鉆進(jìn)速度過快時，無法為孔壁泥皮的形成提供足夠時間，導(dǎo)致孔壁受到水土壓力而出現(xiàn)變形破損情況，常見于現(xiàn)場分布松軟砂層的市政橋梁工程。而在中途停鉆時間過長時，隨著時間推移，孔內(nèi)水頭發(fā)生變化，最終降低水頭對孔壁壓力。

針對這一問題，施工人員需要圍繞孔壁坍塌問題成因，提前采取多項防治處理措施，如根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告來確定泥漿比重、泥漿黏度、鉆進(jìn)速度、泥漿稠度等工藝參數(shù)，將護(hù)筒振動沉入水中、要求護(hù)筒底部穿過透水層，盡可能連續(xù)性完成鉆進(jìn)成孔作業(yè)、嚴(yán)格控制中途停鉆時間，實時監(jiān)控調(diào)節(jié)鉆頭上提速度和校正鋼筋籠下放位置。同時，針對已出現(xiàn)的孔壁坍塌問題，根據(jù)坍塌程度來選擇處理方法。例如，在孔壁輕微坍塌情況下，施工人員增加泥漿比重與泥漿水頭壓力值，即可修補(bǔ)孔壁、遏制孔壁進(jìn)一步坍塌。在孔壁嚴(yán)重塌孔情況下，則需要在樁孔內(nèi)回填砂類土或是添加水泥砂漿的黏土，待樁孔回填完畢后，在原位或是其他位置重新開展鉆進(jìn)成孔作業(yè)[5]。

4.3 鉆孔偏斜

鉆孔偏斜形成原因包括鉆機(jī)垂直度偏差超標(biāo)、鉆孔期間鉆機(jī)傾斜不穩(wěn)、鉆進(jìn)路線中分布大體積孤石、鉆頭穿越地層交界面時受力不均、鉆頭擺動等。例如，在橋梁樁基施工現(xiàn)場地表土層松散情況下，如果直接開展鉆進(jìn)成孔作業(yè)，作業(yè)區(qū)域現(xiàn)場土層在施工擾動和鉆機(jī)自身重量等作用力影響下，會產(chǎn)生一定程度的沉降量，導(dǎo)致鉆機(jī)底座水平狀態(tài)受到影響，因鉆機(jī)垂直度偏差超標(biāo)致使鉆孔偏斜。

針對這一問題，施工人員需要采取提前硬化平整場地、鉆架中額外設(shè)置導(dǎo)向架、保持轉(zhuǎn)盤與底座水平及護(hù)筒中心在相同直線中、鉆頭穿越地層交界面時適當(dāng)降低鉆速、鉆進(jìn)期間持續(xù)測量鉆孔偏斜度并校正鉆桿等防治處理措施。如果鉆孔偏斜度超過1%，則在偏斜部位回填、夯實砂黏土，待鉆桿復(fù)位后繼續(xù)開展鉆進(jìn)成孔作業(yè)。

5 結(jié)束語

綜上所述，為確保反循環(huán)鉆成孔技術(shù)功能效用得到充分發(fā)揮，順利實現(xiàn)市政橋梁工程建設(shè)目標(biāo)。施工單位應(yīng)提高對反循環(huán)鉆成孔技術(shù)的重視程度，深入了解成孔原理與工序流程，全面掌握技術(shù)操作要點，嚴(yán)格把控各施工環(huán)節(jié)作業(yè)質(zhì)量，并采取相應(yīng)處理措施來預(yù)防鉆頭脫落、孔壁坍塌、鉆孔偏斜等常見工藝問題的出現(xiàn)，為我國橋梁事業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航。