旋挖鉆快速施工技術(shù)在水中墩大直徑鉆孔樁施工中的應(yīng)用

紀(jì)常永

（中鐵三局集團第二工程有限公司，河北 石家莊 050000）

1 工程概況與施工流程

新建黃岡至黃梅高速鐵路（以下簡稱“黃黃鐵路”）是《國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“八縱八橫”之一的武杭高鐵、京九高鐵段的重要組成部分[1]。HHZQ-2標(biāo)起訖里程為DK32+009.85—DK64+762.06，位于湖北省黃岡市浠水縣、蘄春縣境內(nèi)，線路全長31.083 km。管段內(nèi)蘄河特大橋為全線重點控制性工程，該橋位于蘄春縣境內(nèi)，起訖里程為DK55+701.50—DK61+802.75，全長6 101.25 m。橋梁在95#—98#墩設(shè)計以1－（100+196+100）m連續(xù)梁拱跨越蘄河，其中96#、97#主墩設(shè)計20根樁徑2.5 m、樁長68 m、75 m鉆孔樁基礎(chǔ)。設(shè)計為摩擦樁，樁尖進(jìn)入持力層52 m，持力層承載力400 kPa，鉆孔樁設(shè)計主力[P]=31 228.6～31 416.2 kN，Pmax=29 148.4～29 334.2 kN。工程所在地的地質(zhì)顯示為第四系人工填土及沖積覆蓋層，由上往下0～1 m為淤泥質(zhì)黏土，軟塑，σ0=60 kPa，Ⅱ類等級；1～10 m為粗砂，松散，σ0=150 kPa，Ⅰ類等級；10～14 m為細(xì)圓礫土，稍密，σ0=200 kPa，Ⅱ類等級；14～17 m為泥巖夾砂質(zhì)泥巖，強風(fēng)化，σ0=300 kPa，Ⅳ類等級；17～75 m為泥巖夾砂質(zhì)泥巖，弱風(fēng)化，σ0=400 kPa，Ⅳ類等級。蘄河特大橋深水樁基礎(chǔ)施工難度大，安全風(fēng)險高，針對水中墩大直徑鉆孔樁，運用旋挖鉆快速施工技術(shù)。

2 技術(shù)應(yīng)用要點

2.1 棧橋作業(yè)平臺搭設(shè)及施工準(zhǔn)備

水上施工道路采用棧橋，棧橋橋面凈寬8 m，橋面凈寬8.76 m。鉆孔作業(yè)平臺長36 m（橫橋向）、寬29.3 m（縱橋向），平臺兩側(cè)與支棧橋連接，平臺支撐利用鋼管樁，樁長26 m，縱橋向設(shè)置10根，橫橋向設(shè)置6排，共計60根。鋼管頂設(shè)置柱帽。在鋼管樁頂安裝2Ⅰ40a工字鋼，然后縱向架設(shè)貝雷梁，貝雷梁上按25 cm間距橫向鋪Ⅰ22a工字鋼，再滿鋪8 mm厚鋼板作為平臺面板。棧橋及作業(yè)平臺施工設(shè)計荷載需滿足150 t履帶吊和作業(yè)通行要求，滿足450和420旋挖鉆同時作業(yè)要求，橋面高程滿足設(shè)計施工水位要求。

2.2 樁位放樣

采用全站儀，準(zhǔn)確確定放樣樁基位置，作業(yè)平臺按照樁基準(zhǔn)確位置開3 m直徑孔，以便鋼護(hù)筒及鉆孔作業(yè)，同時在樁位四周焊接豎向鋼筋作為護(hù)樁。護(hù)筒標(biāo)注與護(hù)樁設(shè)置示意如圖1所示。

圖1 護(hù)筒標(biāo)注及護(hù)樁設(shè)置

2.3 埋設(shè)護(hù)筒

鋼護(hù)筒制作。本工程樁基直徑2.5 m，護(hù)筒內(nèi)徑大于鉆頭直徑20 cm，采用12 mm鋼板卷制Φ2.9 m鋼護(hù)筒，長度18 m，以保證護(hù)筒的底部埋置在地下水位或河床以下1.5 m。

鋼護(hù)筒插打。護(hù)筒插打采用70 t振動錘錘擊插入，長度18 m，直徑2.9 m，砂層較厚，無法整體穿越砂層，護(hù)筒偏差不大于50 mm，垂直度不大于1%。一次將一個墩位20個鋼護(hù)筒均打設(shè)到位。

鋼護(hù)筒串聯(lián)。為解決泥漿循環(huán)，將20個鋼護(hù)筒采用Φ40 cm鋼管串聯(lián)，形成泥漿循環(huán)系統(tǒng)，減少泥漿排放。

2.4 鉆機就位及鉆進(jìn)施工

2.4.1 鉆頭優(yōu)化

考慮地質(zhì)條件，鉆頭穿越砂層厚度10 m，下部穿越泥巖夾砂質(zhì)泥巖（含有石英砂），按照傳統(tǒng)的旋挖鉆鉆頭，易磨損，故對鉆頭進(jìn)行改進(jìn)。鉆頭改進(jìn)前后對比如圖2所示。

圖2 鉆頭改進(jìn)前后對比示意圖

其一，鉆頭底座子彈頭基座改進(jìn)。改進(jìn)前鉆頭子彈頭基座間有一定間距，改進(jìn)后子彈頭基座增加1倍，幾乎不留空隙，在同樣的鉆進(jìn)速度下，鉆頭與鉆進(jìn)接觸面達(dá)到最大，使得鉆孔效率增加。

其二，子彈頭與鉆頭底座角度改進(jìn)。改進(jìn)前，子彈頭與鉆頭底座角度接近呈80°接近直角，在砂層中鉆進(jìn)，吃土深度過大，進(jìn)尺較大，容易造成塌孔現(xiàn)象；改進(jìn)后，子彈頭與鉆頭底座角度放緩，吃土深度較小，從機械角度上，降低了塌孔現(xiàn)象的概率。

通過對子彈頭數(shù)量和角度上的優(yōu)化，在本工程實際應(yīng)用中，采用改進(jìn)后鉆頭較改進(jìn)前常規(guī)鉆頭在穿越砂層的鉆孔樁基礎(chǔ)施工中，鉆孔效率提高了2.3倍，塌孔概率也大大降低。

2.4.2 泥漿調(diào)制優(yōu)化

在穿越流沙層的鉆孔施工過程中，根據(jù)地層反復(fù)調(diào)整泥漿配合比是關(guān)鍵，并且要根據(jù)鉆孔過程中渣樣分析及時調(diào)整，在本工程實際應(yīng)用中，要點如下。

其一，泥漿配合比。在對泥漿配合比進(jìn)行設(shè)計與計算之時，必須從嚴(yán)格意義上做到滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)規(guī)范等所提要求。通過綜合分析，本工程對膨潤土泥漿加以選用，具體的配合比（質(zhì)量比）滿足比例等式：膨潤土∶CMC∶純堿∶水=100∶0.28∶3.3∶700。在施工作業(yè)開展過程中，需要結(jié)合實際情況作出適當(dāng)調(diào)整，通過膨潤土與CMC的添加分別達(dá)到增大泥漿相對密度、黏度的目的。

泥漿相對密度：穿越厚砂層時，孔底泥漿相對密度不宜小于1.2。

黏度：松散易坍地層19～28 s。

含砂率：新制泥漿不大于4%。

膠體率：不低于95%。

pH值：大于6.5。

在遇到塌孔現(xiàn)象時，將泥漿相對密度調(diào)至1.3左右，并加入適量白水泥（加固塌孔處孔壁），在孔壁形成堅實泥皮的同時，使孔壁與鉆頭間更加順滑。

其二，泥漿制作流程。先對泥漿進(jìn)行拌制，調(diào)整槽內(nèi)泥漿含量比較少時，將黏土或膨潤土送至黏土溶解槽中，通過攪拌裝置的運用達(dá)到充分?jǐn)嚢璧哪康?，進(jìn)一步送入調(diào)整槽；泥水槽中殘留下來的黏稠泥漿和清水槽中的水相互混合，在完成攪拌任務(wù)以后，將其送入調(diào)整槽（拌制泥漿的配比必須根據(jù)工程師所提供的巖層及地質(zhì)變化做適時調(diào)整）。

2.4.3 鉆機就位

按照鉆孔作業(yè)平臺規(guī)劃鉆機作業(yè)行走路線和作業(yè)位置就位，調(diào)試設(shè)備。采用2臺旋挖鉆（450旋挖鉆、420旋挖鉆），按照規(guī)劃鉆孔順序，2臺旋挖鉆就位。

2.4.4 鉆進(jìn)作業(yè)

傳統(tǒng)采用1臺旋挖鉆鉆進(jìn)，優(yōu)化后采用2臺，1臺450旋挖鉆，1臺420旋挖鉆。首先采用420旋挖鉆1.5 m鉆頭鉆進(jìn)，再用450旋挖鉆2.5 m鉆頭鉆進(jìn)，優(yōu)化工作面，進(jìn)行流水作業(yè)，提高效率。

2.5 鋼筋籠施工

首先進(jìn)行鋼筋籠的加工。鋼筋籠在加工場內(nèi)集中整節(jié)加工制作。鋼筋籠的主筋接頭用墩粗滾壓直螺紋套筒進(jìn)行連接，在每一個截面上，都需要對接頭的數(shù)量進(jìn)行控制，不可以多于鋼筋總數(shù)的50%，全部采用滿焊方式加強箍筋和主筋之間的連接[2]。樁基樁頭鋼筋采用EPE保護(hù)套管措施，其主要優(yōu)勢在于保證樁頭主筋保持平行，不彎折，并減少樁頭鋼筋與混凝土間的握裹力，有效避免樁頭處理過程中對鋼筋的損傷。該措施的效果體現(xiàn)在作業(yè)簡單，施工效率高，能夠降低成本，環(huán)保，減少噪聲、灰塵的影響[3]。

然后進(jìn)行鋼筋籠的吊裝。由于樁徑較大，且質(zhì)量較大，鋼筋籠的吊裝采用80 t履帶吊進(jìn)行吊裝作業(yè)，并配備特制的吊具進(jìn)行吊裝作業(yè)，如圖3所示。為了確保骨架在起吊的過程中不發(fā)生變形的問題，在執(zhí)行起吊任務(wù)之前，需要在骨架的內(nèi)部進(jìn)行杉木桿的臨時綁扎，綁扎數(shù)量為2，達(dá)到加強剛度的目的。在起吊的過程中，注意稍微將骨架提起來，在此基礎(chǔ)上再和第二吊一起起吊。當(dāng)骨架離開地面以后，停止起吊第一吊點。在第二吊點持續(xù)上升的過程中，慢慢將第一吊點放松，一直到骨架和地面保持垂直為止。

圖3 鋼筋籠的吊裝

最后進(jìn)行焊接定位作業(yè)，主要是在定位鋼筋骨架頂端位置的頂?shù)跞ο旅鎸?根相互平行的槽鋼插入其中，并在護(hù)筒的兩側(cè)位置放置2根相互平行的枕木。然后在鋼筋籠上拉上十字線，找出鋼筋籠的中心位置，最后參照護(hù)樁明確樁位的中心，執(zhí)行對鋼筋籠的定位任務(wù)，實現(xiàn)鋼筋籠的中心和樁位中心的重合。

2.6 清孔

采用換漿法進(jìn)行清孔，注入凈化泥漿（手摸無2～3 mm顆粒，相對密度不大于1.1，黏度17～20 s，含砂率小于等于2%），對孔內(nèi)含有碴的泥漿進(jìn)行置換，在執(zhí)行清孔任務(wù)之時，需要對孔內(nèi)的水位進(jìn)行控制，保證在地下水位1.5 m以上。

清孔作業(yè)的開展過程中需要安排專門的人員進(jìn)行補漿，保證孔內(nèi)必要的水頭高度。供水管不能采用直接的方式插入到鉆孔內(nèi)部，而是要借助于水槽，在水速減慢以后讓其流入到鉆中，這樣能夠達(dá)到保護(hù)孔壁的目的，使其免受水的沖刷。

2.7 灌注混凝土

在執(zhí)行混凝土灌注作業(yè)之前以及灌注過程中，現(xiàn)場試驗人員需要在規(guī)定的時間內(nèi)對混凝土的坍落度、入模溫度以及含氣量等指標(biāo)進(jìn)行檢測，并做好記錄工作。明確所有檢測指標(biāo)均與設(shè)計和規(guī)范要求相符后，執(zhí)行對水下混凝土的灌注任務(wù)。針對不符合要求的混凝土，不得使用?；炷翙z測控制指標(biāo)：塌落度為18～22 cm，含氣量為2%～4%，入模溫度為5～30℃。

在灌注作業(yè)開展過程中，需要做好對灌注高度的探測工作，及時對導(dǎo)管的埋深進(jìn)行調(diào)整，通常在1～3 m之間。在將導(dǎo)管拆除之時，需要對砼下降以及孔內(nèi)水位的實際升降情況進(jìn)行觀察，做好對孔內(nèi)砼面高度的測量工作，導(dǎo)管拆除的過程中需要保證安全性。

為了避免混凝土灌注過程中出現(xiàn)鋼筋籠上浮的現(xiàn)象，需要采取相應(yīng)措施。在灌注作業(yè)開始之前，需要在護(hù)筒上進(jìn)行鋼筋籠的固定；灌注過程中，還要做好對砼澆筑高度以及導(dǎo)管埋深的實時觀察工作，在砼上升至鋼筋籠的底口位置時，要將澆筑速度減慢；在砼埋過鋼筋籠底部位置的2～3 m時，要上提導(dǎo)管，避免發(fā)生鋼筋籠被頂托而上浮的問題。

3 質(zhì)量控制

3.1 鋼筋籠施工質(zhì)量控制

鋼筋籠施工質(zhì)量控制內(nèi)容包括：①保證鋼筋骨架的連接質(zhì)量，連接要牢固，位置要準(zhǔn)確，并特別注意保護(hù)層厚度；②為保證鋼筋的施工質(zhì)量，所有鋼筋籠及鋼筋半成品一律在鋼筋加工場集中加工，懸掛好標(biāo)示牌；③鋼筋籠在現(xiàn)場臨時存放時，注意上蓋下墊，防止鋼筋污染銹蝕。

3.2 原材料質(zhì)量控制

原材料質(zhì)量控制內(nèi)容包括：①所有原材料在使用前均進(jìn)行試驗檢測，堅決做到不合格材料不驗收、不使用，使用指定的水泥品種和指定生產(chǎn)廠家的合格水泥，對砂、石料等地材進(jìn)行性質(zhì)、強度試驗，并嚴(yán)格控制其粒徑及含泥量，不能超過規(guī)范要求。②堅持施工過程中的試驗制度。在混凝土澆筑現(xiàn)場對每批混凝土皆進(jìn)行坍落度試驗，并做好記錄，控制在標(biāo)準(zhǔn)坍落度的范圍內(nèi)，保證混凝土強度試驗的頻數(shù)、試件組數(shù)達(dá)到規(guī)定要求。③混凝土拌和通過自動計量拌和站集中拌制，保證混凝土質(zhì)量。④水下混凝土的塌落度以18～22 cm為宜，每根樁的灌注時間不宜太長，且必須連續(xù)灌注，任何原因中斷混凝土灌注的時間不得超過水下混凝土初凝時間。

4 結(jié)語

為了很好地完成連續(xù)梁-柔性拱主墩大直徑樁基施工任務(wù)，本文研究了水中大直徑鉆孔樁穿越砂層施工工法。通過對常規(guī)鉆頭的改進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率的同時降低了塌孔風(fēng)險，同時也降低了子彈頭的損耗，平均每根樁節(jié)省6.33萬元左右的成本。并且通過優(yōu)化在流沙層中的泥漿配比，大大提高了鉆孔效率與成樁質(zhì)量，由5.4 d一根樁縮短至2.3 d一根樁，由此對比，節(jié)約了機械燃油、人工費等資源，整體的綜合經(jīng)濟效益明顯。從社會效益來說，將常規(guī)鉆頭與泥漿配比進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化了在穿越流沙層深水基礎(chǔ)大直徑鉆孔樁施工工藝[4]。該施工技術(shù)和工藝在黃黃鐵路、汕汕鐵路中的應(yīng)用，取得了一手的施工技術(shù)參數(shù)和施工經(jīng)驗，為鐵路行業(yè)類似工程提供了借鑒作用，同時為設(shè)計院提供了相關(guān)施工參數(shù)，樹立了企業(yè)良好形象，培養(yǎng)了一線深水基礎(chǔ)大直徑鉆孔樁穿越流沙層的施工技術(shù)人才，得到建設(shè)單位的高度認(rèn)可，創(chuàng)造了良好的社會效益。