紅蓮大橋雙斜塔主橋全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工分析

沈 浩

(中鐵十八局集團(tuán) 第二工程有限公司,河北 唐山 130200)

360度全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)在日本已經(jīng)有幾十年的歷史,但在中國,只是最近四五年才被逐漸認(rèn)識(shí)和應(yīng)用,成為近年來發(fā)展最快的一種新型樁孔及溶洞處理、障礙物清除最有效且最安全的施工工具。全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)采用鉆桿和鉆頭的組合,鉆頭在鉆桿的帶動(dòng)下,通過回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式進(jìn)行鉆孔。360度全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)清障技術(shù)被譽(yù)為“綠色、安全施工工藝” ,其特點(diǎn)是施工質(zhì)量好,對周邊環(huán)境影響小及不出泥漿等。全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工作為目前橋梁工程施工中相對新穎的一種樁基礎(chǔ)施工技術(shù),相比于傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工技術(shù),其可在復(fù)雜地質(zhì)條件下,保證鉆孔施工的安全性。其優(yōu)點(diǎn)是施工速度快、精度高、質(zhì)量好、安全可靠;缺點(diǎn)是施工成本高、難度大,對施工環(huán)境要求高。全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工技術(shù)適用于一些特殊的地質(zhì)條件下,如淤泥質(zhì)土、黏土、砂土、卵石層等地層。這就要求在具體施工中,結(jié)合橋梁工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件,嚴(yán)格把控好每道工序的質(zhì)量,方可保證樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量,為橋梁上部結(jié)構(gòu)施工提供良好的基礎(chǔ)條件。

1 工程概述

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

表1 主墩樁基概況表

1.2 地形地貌

紅蓮跨海工程所處地貌單元總體為珠江三角洲沖積平原區(qū),其間夾有珠江河床。地面高程為-4.29～8.27 m,基巖風(fēng)化層較薄。區(qū)域水網(wǎng)密布,湖塘眾多,總體地勢普遍較低。項(xiàng)目所在地均為填海造地形成的陸地,場地高程大約在5 m,區(qū)域內(nèi)大部分為圍墾填地。地表多數(shù)為果園、道路、荒地、魚塘。勘察路段附近有市郊村、鎮(zhèn)大道或村鎮(zhèn)間的便道通過,珠江可通行船只,交通比較便利。

本工程不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)為工區(qū)內(nèi)淤泥地質(zhì)軟土,其含水量高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小等。這些特點(diǎn)導(dǎo)致了其特有的工程性質(zhì),如固結(jié)時(shí)間長、變形大、固結(jié)系數(shù)小等。若不進(jìn)行有效的加固處理,解決淤泥地質(zhì)軟土流塑狀態(tài),以及強(qiáng)度低、工程特性差等問題,樁基區(qū)域易產(chǎn)生過大、不均勻沉降。工程位于蕉門延伸段上段,陸域兩側(cè)為雞抱沙及萬頃沙圍墾區(qū)。工程附近水域是伶仃洋的重要組成部分,其上游口門為蕉門,下游有洪奇門和橫門。

2 施工重點(diǎn)與難點(diǎn)

就案例工程而言,基層風(fēng)化巖比較薄,且區(qū)域水網(wǎng)密布,施工范圍內(nèi)分布了大量湖塘,總體地勢比較低。雖然采用全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工技術(shù)能夠有效保證施工的安全性,但在具體施工中,依然存在很多重難點(diǎn),主要包括以下幾個(gè)方面:

1) 受到本工程樁基所在區(qū)域地質(zhì)、水文條件的影響,施工中套管壓入以及接長難度比較大,如何有效防止鉆頭和輔助夾盤相互碰撞,以及保證鋼套管接長的效果,是本工程全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工的主要難點(diǎn)之一。

2) 鉆孔施工是全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工的主要工序,本工程樁基深度大,地質(zhì)條件復(fù)雜,如何有效保證鉆孔的孔徑、垂直度、深度等指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求,也是本工程施工的主要難點(diǎn)。

3) 鋼筋籠加工和安裝質(zhì)量,直接關(guān)系到后期混凝土灌注的連續(xù)性,以及最終成樁的總體質(zhì)量。因此,如何確保鋼筋籠加工精度達(dá)標(biāo),以及將鋼筋籠順利吊裝到鉆孔中也是施工的難點(diǎn)。

4) 混凝土灌注是全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工的最后一步,也是非常重要的一步。如何保證混凝土灌注施工中首批混凝土灌注量滿足導(dǎo)管埋深、沖開球閥等,是本工程全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工的重點(diǎn)。

3 全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 鋼套管鉆進(jìn)

針對本工程全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工中鋼套管鉆進(jìn)施工的難點(diǎn),當(dāng)首節(jié)鋼套管機(jī)放入到主機(jī)之后,需要立即夾緊鋼套管。在夾緊鋼套管施工中,需要通過起重機(jī)將套管吊起懸空后再抓緊,并通過吊線墜的靠尺,或?qū)膳_(tái)經(jīng)緯儀呈90°方位以套管底外壁作為基準(zhǔn),觀測套管上部外壁的垂直度,外壁垂直度須控制在1/500范圍內(nèi)。此外,將套筒的前部插入到輔助卡盤之前,一定要用主卡盤將套筒牢牢地扣住。然后將推力油缸放入套筒中,以免出現(xiàn)鉆頭與輔助卡盤互相撞擊的情況。全回轉(zhuǎn)套筒鉆進(jìn)施工現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 全回轉(zhuǎn)套筒鉆進(jìn)施工現(xiàn)場

在進(jìn)行套管接長施工中,要高度重視接頭的緊密性,尤其是在進(jìn)行軟土層以及透水砂層施工中,套管的接頭需要進(jìn)行密封處理,以免砂土、水漬等進(jìn)入套管中,影響全回轉(zhuǎn)套筒鉆進(jìn)效果。在對砂土以及含少量礫石的碎石土層進(jìn)行施工時(shí),要降低鉆進(jìn)速度,采用低速或者中速鉆進(jìn),嚴(yán)格把控好進(jìn)尺深度以及抓土的進(jìn)度[1],應(yīng)連續(xù)補(bǔ)充水量,套管內(nèi)水頭維持在合理高度,以免發(fā)生管外土、砂向管內(nèi)涌進(jìn)問題,引起地基沉陷等安全事故。

3.2 鉆孔施工

針對本工程全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工中存在鉆孔孔徑、傾斜度、深度控制難度比較大的問題,可采用以下方法進(jìn)行解決:

1) 當(dāng)套筒鉆進(jìn)施工到中風(fēng)化層頂面以下約2 m后,要及時(shí)停止套筒鉆進(jìn),并采用高頻頭SWDM55D型旋挖鉆機(jī),在套筒內(nèi)進(jìn)行鉆孔取土。套筒內(nèi)鉆孔施工現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 套筒內(nèi)鉆孔施工現(xiàn)場

2) 在套筒內(nèi)鉆孔施工前,應(yīng)由專業(yè)的測量人員通過全站儀定位中心樁位,通過現(xiàn)場監(jiān)理工程師確認(rèn)最終的測量結(jié)果后,再安裝鉆機(jī)。在鉆機(jī)就位前,需要對其進(jìn)行全面檢查,保證各機(jī)械設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài),嚴(yán)禁存在“帶病”作業(yè)現(xiàn)象,且基座與頂部必須保持平整,不得有偏移、下陷等現(xiàn)象[2]。同時(shí),應(yīng)精準(zhǔn)定位鉆機(jī),確保鉆機(jī)底盤中心與護(hù)筒中心的偏差不大于2 cm。

3) 在鉆進(jìn)的同時(shí),要密切注意鉆進(jìn)平臺(tái)和支架的變化,一旦出現(xiàn)下陷,要立即停止鉆進(jìn)施工。如果停機(jī)時(shí)間較長,須將套筒上的保險(xiǎn)鉤固定好。在鉆進(jìn)時(shí),要針對不同的地質(zhì)情況選擇合適的鉆頭,必須確保鉆進(jìn)過程中泥漿面不能低于最高潮水位1.5 m,并且要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速率,以免因進(jìn)尺太快而導(dǎo)致塌陷。鉆機(jī)的起升速度應(yīng)為0.75～0.8 m/s,在有粉砂或亞砂的地層,上升的速率要緩慢[3]。第一次注漿時(shí),要以豎直的方向注漿到樁孔中央。鉆孔位置要精確,并保證初始鉆孔壁垂直、光滑、堅(jiān)固。打孔時(shí),起鉆和下鉆的速率要一致,不要突然加快或突然改變轉(zhuǎn)速。最終的成孔質(zhì)量要滿足表2中的要求,

表2 成孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3.3 鋼筋籠制作安裝

表3 鋼筋絲頭質(zhì)量檢驗(yàn)的方法及要求

制作好的鋼筋籠運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后,通過雙鉤吊裝法,吊入到鉆孔中。由于本工程鋼筋籠的規(guī)格較高,重量較大,要避免在吊裝入孔時(shí)發(fā)生鋼筋籠變形。此問題需要通過履帶吊緩慢將鋼筋籠吊起,以保證鋼筋籠由水平方向轉(zhuǎn)變成垂直狀態(tài)。通過履帶吊,將鋼筋籠緩慢送到鉆孔樁孔口位置[6]。具體的鋼筋籠吊裝施工過程如圖3所示。

圖3 鋼筋籠吊裝過程

3.4 水下混凝土灌注

該項(xiàng)目中,鉆孔樁使用的是C45高性能的水下海工混凝土,其強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。混凝土在攪拌站進(jìn)行集中攪拌,然后用罐車將混凝土運(yùn)送到施工現(xiàn)場。在將混凝土運(yùn)至施工現(xiàn)場之后,要讓現(xiàn)場試驗(yàn)人員對在場的每車混凝土展開坍落度(180～220 mm)、含氣量、擴(kuò)展度檢測。在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)之后,方可澆筑,不符合要求的混凝土要果斷去除[7]。水中混凝土的坍落度通常為180～220 mm,膨脹率初期為560 mm,0.5 h后為530 mm,含氣率3.0%～5.0%。在進(jìn)行水下灌漿前,先用噴嘴對孔底噴射3～5 min,使孔底部的沉積物翻起漂浮起來。噴嘴的壓力大于孔底的壓力0.05 MPa,使沉積物的厚度降到最低。灌注水下混凝土施工過程如圖4所示。

圖4 灌注水下混凝土施工過程

在進(jìn)行混凝土灌入之前,應(yīng)該首先在灌斗中灌入0.1～0.2 m3的1.0∶1.5水泥砂漿,之后再灌入混凝土。等初灌混凝土數(shù)量達(dá)標(biāo)之后,使埋入混凝土的導(dǎo)管深度不低于1 m,并且導(dǎo)管中的混凝土柱和管外的泥漿樁的壓力要達(dá)到平衡。下面是混凝土初灌量的計(jì)算公式[8]。

導(dǎo)管內(nèi)混凝土與孔內(nèi)混凝土的高差為

H=h1rw/rc,

(1)

則有H=(72.812-1.5)×11/24=32.68 m。

混凝土初灌量為

V≥πh1d2/4+πD2h2/4,

(2)

則有V=3.14×32.68×0.35×0.35/4+3.14×3.1×1.5/4=14.54 m3。

式(1)—式(2)中:h為鉆孔深度,m,取最深樁基54.5+8.812+9.5=72.812 m;h1=(h-h2);h1表示導(dǎo)管內(nèi)部混凝土的高度,m;h2導(dǎo)管外部混凝土高度,取值為1.5 m;rw為泥漿密度,取值為11 kN/m3;rc為混凝土密度,取值為24 kN/m3;d為導(dǎo)管內(nèi)徑,m,取值為0.35 m;D為樁孔直徑,m。

在澆注時(shí),導(dǎo)管必須一直埋入到混凝土內(nèi),并且不能從混凝土表面伸出。埋入混凝土面的導(dǎo)管深度以2 ～6 m為宜,埋入深度不能小于2 m,管道應(yīng)該勤提勤拆,每次提留拆管深度不能大于6 m。

3.5 樁基檢測效果

為驗(yàn)證全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工效果,當(dāng)水下混凝土灌注完成,強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后,利用超聲波探測器對樁基進(jìn)行100%無損檢測。最終檢測結(jié)果表明,本工程采用全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁技術(shù),每根樁基的強(qiáng)度、完整性全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求,取得了良好的施工效果。

4 結(jié) 語

本研究結(jié)合紅蓮大橋主橋工程實(shí)例,分析了全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工技術(shù)。結(jié)果表明,案例工程在復(fù)雜地質(zhì)條件下,采用全套筒全回轉(zhuǎn)鉆孔樁施工技術(shù),通過雙壁鋼套管(其壁厚為50～60 mm)的支撐,能承受較大管壁沙層等阻力,并將扭矩傳遞至下部切削刃用來切削堅(jiān)硬的巖石,起到全程護(hù)壁作用,無須注入特制穩(wěn)定液和護(hù)壁泥漿就能防止塌孔等事故發(fā)生。由于鋼套管對孔壁的支撐,對周邊的構(gòu)筑物影響極小,且該工法可根據(jù)工程樁大小來調(diào)整雙壁鋼套管大小,以此滿足不同大小樁徑的需求。全套管機(jī)施工垂直精度更高,相比振動(dòng)錘下鋼護(hù)筒垂直度精度高出3～5倍。施工速度快,質(zhì)量高,環(huán)保節(jié)能,能有效提升橋梁樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量,可為特殊地質(zhì)樁基施工提供參考和指導(dǎo)。