旋挖鉆機(jī)在多年凍土區(qū)橋梁樁基施工中的應(yīng)用

張杰

(天津建華工程咨詢管理公司，天津 300000)

0 引言

青藏高原地區(qū)施工，面臨三大難題“高寒、高原缺氧、多年凍土”，其中“多年凍土”是橋梁樁基施工中最大的難題?，F(xiàn)結(jié)合青藏鐵路橋梁施工實(shí)際，對(duì)多年凍土區(qū)使用旋挖鉆機(jī)的設(shè)備選擇及其特點(diǎn)和施工技術(shù)進(jìn)行研究和探討，為類似多年凍土地區(qū)鐵路、公路等工程的橋梁樁基使用旋挖鉆機(jī)施工提供了參考。

1 工程概況

青藏鐵路第十八標(biāo)段長(zhǎng)32.1 km，位于唐古拉山埡口南，線路經(jīng)過(guò)標(biāo)段海海拔高程4 900 m～5 072 m，是全線海拔最高的標(biāo)段，屬多年凍土區(qū)，年凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月(每年9月～次年5月)，其中高含冰凍土地段長(zhǎng)15.5 km，占線路全長(zhǎng)的47%，天然凍土上限在2 m～2.5 m范圍。6月～8月地表水流豐富，沼澤遍布，在此路段的設(shè)計(jì)多以橋代替路基，由于工期縮短，要求以最快速度完成施工任務(wù)。青藏鐵路建設(shè)另一項(xiàng)注意事項(xiàng)是環(huán)境，保護(hù)脆弱的生態(tài)環(huán)境也就成了施工的前提條件。

2 鉆孔設(shè)備的選擇

基于青藏高原的多年凍土特殊特點(diǎn)，橋梁樁基施工選擇鉆孔設(shè)備要對(duì)地質(zhì)特點(diǎn)、工期要求等方面進(jìn)行綜合考慮。

1)青藏高原的特點(diǎn)，有效作業(yè)時(shí)間短，此標(biāo)段每年有效施工期只有5個(gè)月，而工期要求緊，必須選擇挖孔作業(yè)效率高，可以進(jìn)行連續(xù)施工的設(shè)備。

2)環(huán)境保護(hù)方面要求高。青藏高原的生態(tài)環(huán)境特別脆弱，一旦被破壞恢復(fù)期將很長(zhǎng)，有些將無(wú)法進(jìn)行恢復(fù)，特別是凍土區(qū)，要考慮對(duì)凍土區(qū)的保護(hù)。

3)與其他鉆機(jī)及常規(guī)施工方法相比，旋挖鉆機(jī)能夠適應(yīng)青藏鐵路多年凍土區(qū)的各種地質(zhì)情況，具有行走方便，鉆進(jìn)速度快、環(huán)境污染小且可把對(duì)凍土熱平衡的影響降低到最低限度等特點(diǎn)。旋挖鉆機(jī)配有旋挖筒式鉆頭和螺旋勘巖鉆頭。螺旋勘巖鉆頭用于一般地層中鉆進(jìn)，尤其適用于冰層及巖層中鉆進(jìn)，筒式鉆頭用于地下水豐富的地質(zhì)中鉆進(jìn)，二者皆可出渣、清孔，在鉆進(jìn)過(guò)程中不需要泥漿護(hù)壁，也不需要另配出渣工具。

4)基于青藏高原的多年凍土區(qū)特點(diǎn)、環(huán)境保護(hù)要求及旋挖鉆機(jī)特點(diǎn)等綜合考慮，青藏鐵路第十八標(biāo)段選用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行橋梁樁基施工，選用的旋挖鉆機(jī)型號(hào)為德國(guó)寶蛾BG-18和BG-25兩種型號(hào)的旋挖鉆機(jī)，每臺(tái)鉆機(jī)每個(gè)臺(tái)班安排5人。

3 旋挖鉆機(jī)的特點(diǎn)

3.1 可連續(xù)施工，效率高

旋挖鉆機(jī)正常工作時(shí)只需一名主機(jī)駕駛操作人員，幾名輔助操作人員即可完成鉆孔作業(yè)。旋挖鉆機(jī)采用大功率動(dòng)力設(shè)備和高性能的鉆頭，在場(chǎng)地允許可以進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。鉆機(jī)可自行安設(shè)護(hù)筒，在無(wú)吊車時(shí)能自行完成吊裝鋼筋籠、導(dǎo)管等工作。有吊車時(shí)，則可連續(xù)鉆孔，施工進(jìn)度快，孔位成型好。

3.2 技術(shù)先進(jìn)，定位準(zhǔn)確

旋挖鉆機(jī)采用全液壓操作系統(tǒng)，操作靈活，同時(shí)配有自動(dòng)定位及保持水平、垂直系統(tǒng)，可以方便保證鉆頭定位準(zhǔn)確，鉆桿豎直;鉆頭定位后，設(shè)備自動(dòng)鎖定樁基位置，在作業(yè)過(guò)程若有偏位及時(shí)顯示，這樣操作人員根據(jù)顯示偏差進(jìn)行調(diào)整，保證了鉆機(jī)定位的高精度。

3.3 作業(yè)安全，拆運(yùn)方便

旋挖鉆機(jī)自帶的卷?yè)P(yáng)機(jī)提升結(jié)構(gòu)帶有自動(dòng)鎖緊裝置，能保證吊裝作業(yè)安全。鉆機(jī)重心低，自重大，穩(wěn)定性好，在鉆較深、較大孔樁時(shí)能保證旋挖鉆機(jī)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性。旋挖鉆機(jī)配履帶式走行裝置，在一般樁基施工區(qū)域，鉆機(jī)能夠自行移位。在轉(zhuǎn)運(yùn)工地時(shí)，鉆桿、鉆桿加壓系統(tǒng)、鉆桿走行臂、鉆機(jī)平衡重等在吊車配合下組裝與拆運(yùn)方便。

4 樁基施工工藝

4.1 旋挖鉆機(jī)樁基施工工藝

旋挖鉆機(jī)樁基施工工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 旋挖鉆機(jī)樁基施工工藝流程圖

4.2 場(chǎng)地平整布置

在平地或低洼地段，一般以填代挖，填筑做成一個(gè)10 m的工作臺(tái)，墩臺(tái)之間修筑一條寬度6 m、坡度小于10°的施工便道。場(chǎng)地位于河中時(shí)，若條件允許，則采用改移河道法施工，若條件不允許則采用筑島法施工，島頂至少高出水面1.0 m。

4.3 地基加固處理

由于機(jī)身重，動(dòng)力大，盡管鉆機(jī)配有70 cm及90 cm兩種寬度的履帶以適應(yīng)不同地層，但為保證施工過(guò)程中鉆機(jī)的穩(wěn)定性及水平度，在鉆機(jī)就位前對(duì)軟弱地層必須做好地基加固處理，一般采用順?shù)佌砟净驋佁钇瘮D淤的加固方法，以增強(qiáng)地基承載力，保持機(jī)械的正常作業(yè)。

4.4 鉆機(jī)就位

安裝鉆機(jī)時(shí)，底座應(yīng)墊平，保持穩(wěn)定，不得產(chǎn)生位移和沉陷。在鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱部分預(yù)先鋪設(shè)隔熱板，一般采用聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板，在鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量不會(huì)影響其下的凍土層。鉆頭或鉆桿中心與孔位中心的偏差不得大于30 mm。

4.5 護(hù)筒設(shè)置

1)在青藏多年凍土地區(qū)橋梁樁基通常采用鋼制雙護(hù)筒，在陸地及水中均可使用，鋼制內(nèi)護(hù)筒用厚4 mm～6 mm鋼板制成，鋼護(hù)筒采用焊接，上、下節(jié)鋼護(hù)筒連接時(shí)應(yīng)保持垂直，同時(shí)鋼護(hù)筒滿足一定的強(qiáng)度、剛度和抗?jié)B等指標(biāo)。每節(jié)護(hù)筒頂部焊有供吊裝用Φ12鋼筋吊環(huán)，底節(jié)護(hù)筒下端設(shè)刃腳，內(nèi)徑比樁徑大20 cm以上。因青藏鐵路第十八標(biāo)段天然凍土上限在2 m～5.5 m范圍，按設(shè)計(jì)施工要求一般護(hù)筒長(zhǎng)度為5.5 m。

2)一般采用雙護(hù)筒施工時(shí)，先做一個(gè)厚度在10 mm～15 mm的護(hù)筒(比樁徑大50 cm～60 cm)，采用旋挖鉆機(jī)的護(hù)筒驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)壓入，外護(hù)筒起穩(wěn)定孔口的作用?？卓诨痉€(wěn)定后再安放內(nèi)護(hù)筒。內(nèi)護(hù)筒一般安裝至凍土上限以下大于0.5 m處，安裝前在內(nèi)護(hù)筒外側(cè)涂渣油減少凍脹力對(duì)樁基的不良影響。成樁后內(nèi)護(hù)筒留在地下，以減小凍土對(duì)樁基的上拔力。若孔口地質(zhì)條件穩(wěn)定，外護(hù)筒可及時(shí)拔出循環(huán)使用。若孔口地質(zhì)不太穩(wěn)定，樁基施工完畢后混凝土達(dá)到一定標(biāo)號(hào)后再拔除外護(hù)筒。內(nèi)護(hù)筒中心與樁中心對(duì)準(zhǔn)，其誤差不大于50 mm，內(nèi)護(hù)筒上下要豎直，其誤差不大于1%的內(nèi)護(hù)筒長(zhǎng)度。

3)在地質(zhì)條件較差或地表水較大時(shí)，在兩個(gè)護(hù)筒之間填塞膨脹水泥，控制滲水，可有效防止塌孔。水中筑島施工樁基，護(hù)筒宜埋入河底以下1.0 m左右，護(hù)筒頂宜高出施工水位并高出施工地面0.5 m。內(nèi)護(hù)筒安裝完畢，需測(cè)量護(hù)筒頂標(biāo)高，進(jìn)而計(jì)算出鉆孔深度。

4.6 鉆孔作業(yè)

1)鉆孔作業(yè)先準(zhǔn)確安裝護(hù)筒進(jìn)行護(hù)壁。將鉆頭中心與樁位中心準(zhǔn)確定位后，將鉆桿走行臂位置進(jìn)行鎖定。運(yùn)作鉆機(jī)將鉆頭鉆進(jìn)一定深度，而后將擴(kuò)孔器接入鉆斗頂部的限位孔內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔深度根據(jù)凍土上限深度及護(hù)筒長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行確定;擴(kuò)孔完畢后即用旋挖鉆機(jī)的起重裝置將鋼制護(hù)筒吊至樁位處，準(zhǔn)確定位后利用鉆機(jī)的加壓裝置將護(hù)筒平整壓入預(yù)定位置，檢查護(hù)筒準(zhǔn)確定位后即可進(jìn)行正常鉆孔作業(yè)。

2)在沒(méi)有硬巖的情況下，鉆進(jìn)是相當(dāng)快的。鉆孔深度則始終在鉆機(jī)操作人員的控制中，因在其操作室內(nèi)有鉆孔深度計(jì)數(shù)器，精度為0.1 m;旋挖鉆機(jī)另一顯著特點(diǎn)是每次鉆斗裝滿鉆渣后都是提離樁孔后卸于地表的，由此可以根據(jù)鉆渣進(jìn)行觀察鉆孔樁的地質(zhì)情況，必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行詳盡、完善而準(zhǔn)確的記錄，并及時(shí)進(jìn)行分析，這樣將有助于旋挖鉆機(jī)操作人員調(diào)整旋挖鉆機(jī)各項(xiàng)操作參數(shù)，以便使旋挖鉆機(jī)更加安全、有效作業(yè)，同時(shí)可以對(duì)后續(xù)各項(xiàng)工作進(jìn)行提前合理安排。進(jìn)行鉆孔時(shí)，司機(jī)要操作設(shè)備保持鉆桿豎直并及時(shí)掌握鉆進(jìn)深度，同時(shí)根據(jù)反向扭矩及地質(zhì)變化情況調(diào)整鉆進(jìn)速度。

5 幾點(diǎn)體會(huì)

1)旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)的速度相當(dāng)快，對(duì)地質(zhì)適應(yīng)面廣。

在鉆進(jìn)施工過(guò)程中，樁基周圍的凍土一般不發(fā)生大量融化，可以實(shí)現(xiàn)所謂的“旋挖干取土法”，不需要泥漿進(jìn)行護(hù)壁。在鉆進(jìn)施工中，基底有少量積水一般也不會(huì)影響樁基洞壁坍塌。為了防止在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到不良的地質(zhì)情況，施工現(xiàn)場(chǎng)要配制一定體積的泥漿，一旦遇到不良地質(zhì)樁基洞壁失穩(wěn)的情況，要及時(shí)補(bǔ)充泥漿進(jìn)行護(hù)壁。

2)為了降低成本，采用人工挖孔與旋挖鉆機(jī)相互配合使用的辦法。

由于氣候惡劣、高原缺氧、凍土等原因人工挖孔的方法不被大量采用，但單價(jià)較低。地表至凍土上限部分土質(zhì)較為松軟人工挖孔可以施工。凍土上限至樁底部分，土質(zhì)較硬凍土上限水和地下水發(fā)育采用旋挖鉆機(jī)施工。嚴(yán)格控制旋挖鉆機(jī)成孔質(zhì)量，對(duì)成孔施工中出現(xiàn)的擴(kuò)孔、超深等造成下步混凝土施工不合理超灌的混凝土要有明確的記錄，分析原因，非地質(zhì)等原因是由于操作不當(dāng)造成的成本費(fèi)用由旋挖鉆機(jī)組進(jìn)行承擔(dān)，扣減相應(yīng)的費(fèi)用，以提高操作工人責(zé)任心，節(jié)省成本。

3)做好施工準(zhǔn)備合理安排施工順序，做到流水施工，并且連續(xù)施工。

在樁基施工中，樁基成孔是前提和關(guān)鍵，旋挖鉆機(jī)的機(jī)械臺(tái)班成本較高，所以使鉆機(jī)連續(xù)不間斷施工是很重要的?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的旋挖鉆機(jī)多種多樣、良莠不齊，各種鉆機(jī)的成孔質(zhì)量也有不同，旋挖鉆機(jī)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斜孔、擴(kuò)孔、超深的現(xiàn)象，造成樁基的混凝土浪費(fèi)，因此選擇好旋挖鉆機(jī)的型號(hào)配制熟練的操作工人是非常重要的，同時(shí)做好施工準(zhǔn)備及施工方案，統(tǒng)籌安排好各道工序。

4)青藏高原的生態(tài)環(huán)境特別脆弱，在施工中要做好環(huán)境保護(hù)工作。

在使用旋挖鉆機(jī)施工中，各道工序要注意對(duì)原有凍土層的保護(hù)，盡量不要去破壞原有的動(dòng)土結(jié)構(gòu)。旋挖鉆機(jī)振動(dòng)小，噪聲低，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)“旋挖干取土法”施工，減少了配制大量泥漿，實(shí)現(xiàn)對(duì)青藏高原的原有的生態(tài)環(huán)境擾動(dòng)減少到最低程度。

［1］ 章新安，譚向軍.多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁干法成樁施工技術(shù)［J］.山西建筑，2006，32(7)：76-77.

［2］ 熊勇軍.旋挖鉆機(jī)在青藏鐵路的應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械，2003 (9)：88-89.