橋梁硬質(zhì)巖層新型旋挖鉆成孔施工技術(shù)研究與應(yīng)用

張繼勇

（山西路橋集團(tuán)忻州國(guó)道項(xiàng)目建設(shè)管理有限公司,山西 忻州 034104 ）

0 引言

一般地區(qū)的橋梁河道中硬巖樁基施工技術(shù)通常都是根據(jù)巖層的具體情況采用沖擊鉆等施工技術(shù)，樁基施工中斜斷面硬質(zhì)巖層常用的方法為人工挖孔樁和沖擊鉆法。人工挖孔樁施工周期長(zhǎng)，技術(shù)落后，且需爆破作業(yè)，危險(xiǎn)隱患大，逐漸被淘汰。采用傳統(tǒng)樁基施工工藝已無(wú)法滿(mǎn)足施工需求。該工程中對(duì)樁基范圍內(nèi)不同位置巖層多次取樣檢測(cè)，得出120 MPa 單軸巖層抗壓強(qiáng)度，屬于硬質(zhì)巖層。

1 傳統(tǒng)的旋挖鉆成孔施工技術(shù)的缺點(diǎn)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外硬巖樁基工程施工普遍采用沖擊鉆施工技術(shù)或床常規(guī)旋挖鉆成孔施工技術(shù)，然而沖擊鉆技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：

（1）需要造漿以及泥漿處理，在環(huán)保要求較高的河道等地點(diǎn)施工難度大。

（2）成孔過(guò)程震動(dòng)以及噪聲大，對(duì)周邊影響較大，在居民居住區(qū)施工較為受限。

（3）成孔速度慢，樁基偏位嚴(yán)重，混凝土消耗高。樁基質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)保效益均較差。

2 新型旋挖鉆成孔施工技術(shù)原理分析

旋挖鉆成孔施工技術(shù)就是依靠小鉆頭先行掘進(jìn)，小筒鉆取芯破壞巖層的初始應(yīng)力狀態(tài)，大筒鉆進(jìn)行擴(kuò)孔后鉆進(jìn)成孔。采用大鉆頭以慢速鉆進(jìn)方式直接進(jìn)行鉆孔作業(yè)，先鉆進(jìn)砂礫層、軟巖層等覆蓋層，旋挖鉆鉆至硬巖層時(shí)，很難控制樁基垂直度以及樁位，所以采用小鉆取芯后將孔中間硬巖層應(yīng)力狀態(tài)破壞后再用大鉆擴(kuò)孔進(jìn)尺，確保進(jìn)尺速度、垂直入巖。小筒鉆與大筒鉆每0.7～1 m循環(huán)進(jìn)尺，交替鉆進(jìn)，最大化地減少樁基偏位嚴(yán)重、成孔速度慢、穩(wěn)定性較差等問(wèn)題的出現(xiàn)，且在鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)需造漿，從而使樁基在滿(mǎn)足安全、環(huán)保條件下實(shí)施鉆進(jìn)，并保證樁基質(zhì)量與進(jìn)度滿(mǎn)足施工需求[1]。

3 技術(shù)先進(jìn)性分析

（1）采用小鉆換大鉆“取芯法”施工，以“1.0 m 小筒鉆”取芯然后換“1.5 m 大筒鉆”擴(kuò)孔鉆進(jìn)的方法進(jìn)行成孔，小筒鉆先行鉆進(jìn)破壞巖層的初始應(yīng)力狀態(tài)，降低大筒鉆鉆進(jìn)難度，極大地提升了旋挖成孔的速度[2]。

（2）“取芯法”旋挖鉆成孔施工技術(shù)施工中小鉆頭鉆進(jìn)時(shí)因小鉆頭直徑遠(yuǎn)小于樁徑，因此小鉆頭有較大的樁位允許偏差值，大鉆頭鉆進(jìn)時(shí)因巖層已被小鉆頭破壞而更容易鉆進(jìn)，因此更能夠準(zhǔn)確地保持樁位，整體有效地確保了樁基樁位的準(zhǔn)確性[3]。

（3）“取芯法”施工技術(shù)施工速度快，投入機(jī)械少，避免在河道內(nèi)大面積開(kāi)挖、長(zhǎng)時(shí)間施工，邊取渣邊轉(zhuǎn)運(yùn)，有效地避免了河道污染的情況發(fā)生，環(huán)保效益顯著，相比于沖擊鉆噪聲小，無(wú)震動(dòng)，對(duì)周邊居民生活以及居民住所影響小。

（4）針對(duì)跨河段橋梁樁基工期緊的問(wèn)題，此技術(shù)可縮短樁基施工工期，減少了人員和機(jī)械的投入，極大地降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 技術(shù)應(yīng)用分析

某高速公路項(xiàng)目路線(xiàn)起點(diǎn)位于長(zhǎng)治市沁源縣尚義村，終點(diǎn)位于沁源縣李元鎮(zhèn)馬森村。2021—2023 年分3 個(gè)工區(qū)進(jìn)行建設(shè)施工，工程內(nèi)容詳見(jiàn)表1。具體施工工法為使用1.0 m 小鉆頭先行掘進(jìn)，小鉆頭破壞巖層的初始應(yīng)力狀態(tài)后，1.5 m 大鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)成孔，然后使用1.6 m撈砂斗清渣。首先，采用1.5 m 大鉆頭以慢速鉆進(jìn)方式直接進(jìn)行鉆孔作業(yè)，先鉆進(jìn)砂礫層、破碎巖層等覆蓋層，當(dāng)旋挖鉆鉆至硬質(zhì)巖層時(shí)，更換為1.0 m 小鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度1~1.5 m 后，再更換1.5 m 大鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，1.0 m 小鉆頭與1.5 m 大鉆頭每1~1.5 m 循環(huán)進(jìn)尺，交替鉆進(jìn)，1.6 m 撈砂斗清渣，最大化地減小樁基偏位嚴(yán)重、成孔速度慢、穩(wěn)定性較差等問(wèn)題。

表1 主要工程內(nèi)容統(tǒng)計(jì)表

4.1 作業(yè)平臺(tái)準(zhǔn)備

因橋梁跨河施工，需填筑跨河便道并埋設(shè)兩排直徑1 m 水泥管涵，便道寬6 m，設(shè)計(jì)車(chē)速10 km/h。便道軸線(xiàn)與橋梁軸線(xiàn)平行，距離8 m，便道水泥管涵的設(shè)置根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)的水中樁基情況而設(shè)置。因旋挖鉆機(jī)施工時(shí)，占地面積較大，且成孔后需要25T 汽車(chē)吊安裝鋼筋籠及灌注混凝土，作業(yè)平臺(tái)寬度不小于12 m，且要將河床頂部孤石清理?yè)Q填黏土方便護(hù)筒埋設(shè)。

4.2 淺層旋挖鉆進(jìn)

護(hù)筒埋設(shè)完成后旋挖鉆使用符合樁基直徑的鉆頭進(jìn)行鉆孔，對(duì)淺層砂礫、軟巖進(jìn)行鉆進(jìn)，邊鉆孔邊清渣，并及時(shí)完成轉(zhuǎn)運(yùn)以免產(chǎn)生污染，鉆進(jìn)成孔的過(guò)程中始終注意觀(guān)察，通過(guò)觀(guān)察鉆渣以及鉆進(jìn)速度確定鉆頭鉆進(jìn)的地層。

4.3 小鉆頭取芯

當(dāng)通過(guò)觀(guān)察鉆渣以及鉆進(jìn)速度得出鉆頭已處于硬質(zhì)巖層時(shí)，將大鉆頭換為小鉆頭，使用小鉆頭繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)，使用小鉆頭鉆進(jìn)成孔時(shí)，依舊邊鉆孔邊清渣，并及時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)圖

4.4 大鉆頭成孔

在小鉆頭鉆進(jìn)0.7~1 m 時(shí)，將小鉆頭更換為大鉆頭，使用大鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)成孔，此時(shí)巖層經(jīng)小鉆頭取芯后，巖層初始應(yīng)力狀態(tài)已被破壞，鉆進(jìn)難度大大降低。

4.5 循環(huán)鉆進(jìn)

小鉆頭與大鉆頭以進(jìn)尺0.7~1 m 為循環(huán)進(jìn)行交替鉆進(jìn)。

5 應(yīng)用效果分析

（1）通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、實(shí)際操作以及經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)的總結(jié)和研究，針對(duì)橋梁地處山谷居民密集區(qū)硬質(zhì)巖層樁基施工中，有效解決了樁基偏位嚴(yán)重等質(zhì)量問(wèn)題；針對(duì)跨河段橋梁樁基工期緊的問(wèn)題，通過(guò)該技術(shù)縮短樁基施工工期，減少了人員和機(jī)械的投入，極大地降低了成本。樁基棄渣土根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)選址共確定棄土場(chǎng)5 處，見(jiàn)表2。

表2 樁基旋挖棄渣場(chǎng)統(tǒng)計(jì)表

（2）通過(guò)在樁孔鉆進(jìn)時(shí)先使用小鉆頭鉆進(jìn)破壞巖層應(yīng)力狀態(tài)使之變?yōu)闊o(wú)側(cè)限狀態(tài)，降低大筒鉆鉆進(jìn)難度之后使用大筒鉆進(jìn)行擴(kuò)孔，直至樁孔成型，該施工技術(shù)的應(yīng)用解決了硬巖地質(zhì)條件下樁基工程成孔難度大、速度慢、樁基偏位嚴(yán)重以及施工成本投入大等一系列難題，采用取芯法施工成孔過(guò)程中樁位準(zhǔn)確，擴(kuò)孔系數(shù)小，節(jié)約混凝土，成孔速度快，機(jī)械以及人工投入少，經(jīng)濟(jì)效益顯著，降本提質(zhì)效果顯著，同時(shí)，高效、輕便、快捷的施工方式有效節(jié)省了樁基成孔施工時(shí)間，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了社會(huì)勞動(dòng)力資源，施工段落劃分及施工力量安排見(jiàn)表3。

表3 橋梁樁基施工段落劃分及施工力量安排

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，得出以下結(jié)論：

（1）針對(duì)硬質(zhì)巖層使用“小換大”取芯法旋挖鉆成孔施工技術(shù)，首先使用直徑1.0 m 小鉆頭取芯，再使用直徑1.5 m 大鉆頭擴(kuò)孔，最后以直徑1.6 m 撈砂斗清渣，完成成孔施工。

（2）采用1.0 m 小鉆頭與1.5 m 大鉆頭以1~1.5 m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺鉆進(jìn)，降低鉆進(jìn)難度，提高鉆進(jìn)速度。

（3）采用“小換大”取芯法鉆進(jìn)，先采用1.0 m 小鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，因鉆頭直徑遠(yuǎn)小于樁徑，因此有較大的樁基偏位允許值，1.5 m 大鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，因初始應(yīng)力被破壞，鉆進(jìn)難度降低，易保持樁基中心鉆進(jìn)，因此解決了硬巖條件下常規(guī)樁基施工中樁基偏位嚴(yán)重的情況。

（4）采用“小換大”取芯法旋挖鉆成孔施工技術(shù)，相比于沖擊鉆施工，無(wú)需造漿及泥漿處理，環(huán)保效益顯著。