沈 浩

(中鐵十八局集團 第二工程有限公司,河北 唐山 130200)

360度全回轉套管鉆機在日本已經(jīng)有幾十年的歷史,但在中國,只是最近四五年才被逐漸認識和應用,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。全套筒全回轉鉆機采用鉆桿和鉆頭的組合,鉆頭在鉆桿的帶動下,通過回轉鉆進的方式進行鉆孔。360度全回轉套管鉆機清障技術被譽為“綠色、安全施工工藝” ,其特點是施工質量好,對周邊環(huán)境影響小及不出泥漿等。全套筒全回轉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施工技術,相比于傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工技術,其可在復雜地質條件下,保證鉆孔施工的安全性。其優(yōu)點是施工速度快、精度高、質量好、安全可靠;缺點是施工成本高、難度大,對施工環(huán)境要求高。全套筒全回轉鉆孔樁施工技術適用于一些特殊的地質條件下,如淤泥質土、黏土、砂土、卵石層等地層。這就要求在具體施工中,結合橋梁工程所在區(qū)域的地質條件,嚴格把控好每道工序的質量,方可保證樁基礎施工質量,為橋梁上部結構施工提供良好的基礎條件。

1 工程概述

1.1 橋梁結構

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。

本工程不良地質和特殊地質為工區(qū)內淤泥地質軟土,其含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小等。這些特點導致了其特有的工程性質,如固結時間長、變形大、固結系數(shù)小等。若不進行有效的加固處理,解決淤泥地質軟土流塑狀態(tài),以及強度低、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 施工重點與難點

就案例工程而言,基層風化巖比較薄,且區(qū)域水網(wǎng)密布,施工范圍內分布了大量湖塘,總體地勢比較低。雖然采用全套筒全回轉鉆孔樁施工技術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,主要包括以下幾個方面:

1) 受到本工程樁基所在區(qū)域地質、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鉆孔樁施工的主要難點之一。

2) 鉆孔施工是全套筒全回轉鉆孔樁施工的主要工序,本工程樁基深度大,地質條件復雜,如何有效保證鉆孔的孔徑、垂直度、深度等指標全部達到設計要求,也是本工程施工的主要難點。

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

4) 混凝土灌注是全套筒全回轉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管埋深、沖開球閥等,是本工程全套筒全回轉鉆孔樁施工的重點。

3 全套筒全回轉鉆孔樁施工技術的應用要點

3.1 鋼套管鉆進

針對本工程全套筒全回轉鉆孔樁施工中鋼套管鉆進施工的難點,當首節(jié)鋼套管機放入到主機之后,需要立即夾緊鋼套管。在夾緊鋼套管施工中,需要通過起重機將套管吊起懸空后再抓緊,并通過吊線墜的靠尺,或將兩臺經(jīng)緯儀呈90°方位以套管底外壁作為基準,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。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。全回轉套筒鉆進施工現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 全回轉套筒鉆進施工現(xiàn)場

在進行套管接長施工中,要高度重視接頭的緊密性,尤其是在進行軟土層以及透水砂層施工中,套管的接頭需要進行密封處理,以免砂土、水漬等進入套管中,影響全回轉套筒鉆進效果。在對砂土以及含少量礫石的碎石土層進行施工時,要降低鉆進速度,采用低速或者中速鉆進,嚴格把控好進尺深度以及抓土的進度[1],應連續(xù)補充水量,套管內水頭維持在合理高度,以免發(fā)生管外土、砂向管內涌進問題,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,可采用以下方法進行解決:

1) 當套筒鉆進施工到中風化層頂面以下約2 m后,要及時停止套筒鉆進,并采用高頻頭SWDM55D型旋挖鉆機,在套筒內進行鉆孔取土。套筒內鉆孔施工現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 套筒內鉆孔施工現(xiàn)場

2) 在套筒內鉆孔施工前,應由專業(yè)的測量人員通過全站儀定位中心樁位,通過現(xiàn)場監(jiān)理工程師確認最終的測量結果后,再安裝鉆機。在鉆機就位前,需要對其進行全面檢查,保證各機械設備處于良好的運行狀態(tài),嚴禁存在“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,應精準定位鉆機,確保鉆機底盤中心與護筒中心的偏差不大于2 cm。

3) 在鉆進的同時,要密切注意鉆進平臺和支架的變化,一旦出現(xiàn)下陷,要立即停止鉆進施工。如果停機時間較長,須將套筒上的保險鉤固定好。在鉆進時,要針對不同的地質情況選擇合適的鉆頭,必須確保鉆進過程中泥漿面不能低于最高潮水位1.5 m,并且要嚴格控制鉆進速率,以免因進尺太快而導致塌陷。鉆機的起升速度應為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,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、堅固。打孔時,起鉆和下鉆的速率要一致,不要突然加快或突然改變轉速。最終的成孔質量要滿足表2中的要求,

表2 成孔質量標準

3.3 鋼筋籠制作安裝

表3 鋼筋絲頭質量檢驗的方法及要求

制作好的鋼筋籠運輸?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

該項目中,鉆孔樁使用的是C45高性能的水下海工混凝土,其強度達到了設計要求?；炷猎跀嚢枵具M行集中攪拌,然后用罐車將混凝土運送到施工現(xiàn)場。在將混凝土運至施工現(xiàn)場之后,要讓現(xiàn)場試驗人員對在場的每車混凝土展開坍落度(180～220 mm)、含氣量、擴展度檢測。在達到標準之后,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

在進行混凝土灌入之前,應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)量達標之后,使埋入混凝土的導管深度不低于1 m,并且導管中的混凝土柱和管外的泥漿樁的壓力要達到平衡。下面是混凝土初灌量的計算公式[8]。

導管內混凝土與孔內混凝土的高差為

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表示導管內部混凝土的高度,m;h2導管外部混凝土高度,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為導管內徑,m,取值為0.35 m;D為樁孔直徑,m。

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

3.5 樁基檢測效果

為驗證全套筒全回轉鉆孔樁施工效果,當水下混凝土灌注完成,強度達標后,利用超聲波探測器對樁基進行100%無損檢測。最終檢測結果表明,本工程采用全套筒全回轉鉆孔樁技術,每根樁基的強度、完整性全部達到設計要求,取得了良好的施工效果。

4 結 語

本研究結合紅蓮大橋主橋工程實例,分析了全套筒全回轉鉆孔樁施工技術。結果表明,案例工程在復雜地質條件下,采用全套筒全回轉鉆孔樁施工技術,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硬的巖石,起到全程護壁作用,無須注入特制穩(wěn)定液和護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,對周邊的構筑物影響極小,且該工法可根據(jù)工程樁大小來調整雙壁鋼套管大小,以此滿足不同大小樁徑的需求。全套管機施工垂直精度更高,相比振動錘下鋼護筒垂直度精度高出3～5倍。施工速度快,質量高,環(huán)保節(jié)能,能有效提升橋梁樁基礎施工質量,可為特殊地質樁基施工提供參考和指導。