深水大直徑超深鉆孔灌注樁施工技術(shù)
——以商合杭鐵路淮河特大橋?yàn)槔?/h1>
2021-06-30 08:32:22鄭策
工程技術(shù)研究 2021年10期
鄭 策
中鐵八局集團(tuán)第一工程有限公司，重慶 400050
目前，國(guó)內(nèi)鉆孔灌注樁采用鉆孔設(shè)備主要包括旋挖鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)、回旋鉆機(jī)、反循環(huán)鉆機(jī)等；但深水大直徑超深鉆孔灌注樁超過(guò)一定深度后，一般鉆機(jī)和鉆孔工藝無(wú)法滿(mǎn)足鉆孔深度需求；超過(guò)一定深度均采用氣舉反循環(huán)鉆機(jī)成孔，但其成孔速度極慢，長(zhǎng)時(shí)間鉆孔，塌孔風(fēng)險(xiǎn)概率倍增，施工周期長(zhǎng)，導(dǎo)致施工進(jìn)度滯后，對(duì)水下基礎(chǔ)施工安全度汛造成威脅。
1 工程概況
淮河特大橋跨淮河（112+228+112）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)拱橋?yàn)槟壳巴?lèi)型無(wú)砟軌道橋梁世界最大跨度，其294#、295#主墩位于淮河深水區(qū)域，常水位水深約為17m，承臺(tái)埋置于一般沖刷線以下，基礎(chǔ)采用20根直徑為2.5m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)96m，孔深約121m，樁基呈行列式布置，順橋向4排，橫橋向5排，樁中心距6.6m。
主墩水下基礎(chǔ)采用先樁后堰的施工方案，即先搭設(shè)鉆孔平臺(tái)施工樁基，如圖1所示，再在原位拼裝下沉圍堰。
圖1 樁基平面布置圖
地層表層為第四系沉積的水陸混合相沉積，主要為灰白色、黃色、灰色、灰黑色流塑狀淤泥土，中部夾有粉細(xì)砂、圓礫土，大部分地段厚30～50m，最厚大于80m。下伏基巖為細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，地層及地質(zhì)情況如表1所示。
表1 地質(zhì)資料參數(shù)表
2 施工工藝流程
施工工藝流程如下：鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、龍門(mén)吊安裝→鋼護(hù)筒定位下沉→泥漿循環(huán)系統(tǒng)安裝及泥漿制備→鉆孔→清孔→鋼筋籠下放→二次清孔→水下混凝土灌注。
2.1 鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、龍門(mén)吊安裝
鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足130t旋挖鉆機(jī)、2臺(tái)100t履帶吊機(jī)正吊側(cè)吊、60t龍門(mén)吊機(jī)滿(mǎn)荷載工作、5臺(tái)自重50t氣舉反循環(huán)鉆機(jī)交叉作業(yè)以及其他施工荷載的組合荷載工況要求，采用“釣魚(yú)法”施工；鉆孔平臺(tái)上安裝一臺(tái)60t龍門(mén)吊，用于鉆機(jī)移位、混凝土灌注及后續(xù)其他工序吊裝要求。圍堰刃腳擾動(dòng)如圖2所示，一字型兩翼擾動(dòng)鉆頭如圖3所示。
圖2 圍堰刃腳擾動(dòng)（單位：m）
圖3 一字型兩翼擾動(dòng)鉆頭
2.2 鋼護(hù)筒定位下沉
護(hù)筒根據(jù)樁基直徑選擇直徑2.8m、壁厚16mm的鋼護(hù)筒，護(hù)筒刃腳及每節(jié)護(hù)筒頂部采用10mm厚鋼板進(jìn)行加勁，避免插打過(guò)程中卷刃，標(biāo)準(zhǔn)護(hù)筒節(jié)長(zhǎng)8m，護(hù)筒長(zhǎng)40m；運(yùn)輸過(guò)程中采用米字撐支撐，避免護(hù)筒變形；鋼護(hù)筒采用加工定位導(dǎo)向架進(jìn)行定位導(dǎo)向插打，采用永安YZ300一字型單夾具液壓振動(dòng)錘震動(dòng)下沉，下沉困難時(shí)，采用旋挖鉆機(jī)擴(kuò)孔輔助下沉，如圖4、圖5所示。
圖4 鋼護(hù)筒“米”字撐加固運(yùn)輸
圖5 鋼護(hù)筒定位插打下沉
2.3 泥漿循環(huán)系統(tǒng)安裝及泥漿制備
泥漿采用PHP泥漿循環(huán)系統(tǒng)，每臺(tái)鉆機(jī)采用一套獨(dú)立的泥漿循環(huán)系統(tǒng)。泥漿循環(huán)系統(tǒng)由鉆機(jī)、連通管串聯(lián)鋼護(hù)筒、泥漿連接管、過(guò)濾泥漿罐、泥沙分離振動(dòng)篩組成，如圖6、圖7所示。根據(jù)不同鉆進(jìn)底層，泥漿濃度指標(biāo)應(yīng)即時(shí)調(diào)整；旋挖鉆機(jī)入孔泥漿比重控制在1.05～1.15；反循環(huán)鉆機(jī)入孔泥漿比重砂黏土層控制在1.15～1.3；巖石層控制在1.2左右。泥漿循環(huán)系統(tǒng)如圖8所示。
圖6 護(hù)筒間連通管
圖7 磚渣分離泥漿罐
圖8 泥漿循環(huán)系統(tǒng)圖
2.4 鉆孔及清孔
鉆孔采用1臺(tái)TR400型旋挖鉆機(jī)+5臺(tái)氣舉反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)施工，分4個(gè)作業(yè)循環(huán)完成20根樁基鉆進(jìn)。
首先采用TR400D大型旋挖鉆機(jī)配備直徑1.0m、1.5m、1.8m、2.5m鉆頭分級(jí)擴(kuò)孔鉆機(jī)鉆進(jìn)，通過(guò)分級(jí)擴(kuò)孔，解決旋挖鉆機(jī)隨著孔深深度加深，鉆機(jī)扭矩?zé)o法滿(mǎn)足要求的瓶頸，加深旋挖鉆機(jī)鉆孔深度至100m左右孔深，利用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快的優(yōu)點(diǎn)，2～3d內(nèi)鉆進(jìn)100m左右孔深，再采用全液壓氣舉反循環(huán)鉆機(jī)接力鉆進(jìn)，7d左右鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，并利用氣舉反循環(huán)鉆機(jī)反循環(huán)系統(tǒng)清孔；實(shí)際單孔成孔時(shí)間優(yōu)化至10d左右，單孔成孔時(shí)間縮短了15d，極大地提高了鉆孔效率，如圖9、圖10所示。
圖9 旋挖鉆機(jī)
圖10 氣舉反循環(huán)鉆機(jī)
2.5 鋼筋籠下放及二次清孔
鋼筋籠采用工廠化集中加工生產(chǎn)，長(zhǎng)線法制作，分節(jié)段運(yùn)輸，龍門(mén)吊分節(jié)接長(zhǎng)下放。二次清孔采用氣舉反循環(huán)清孔工藝，并輔以泥砂分離振動(dòng)篩，降低泥漿砂率，避免灌注工程中泥沙沉淀超標(biāo)，如圖11、圖12所示。
圖11 氣舉反循環(huán)二次清孔
圖12 泥沙分離振動(dòng)篩
2.6 水下混凝土灌注
根據(jù)計(jì)算首批混凝土方量制作首批料斗，采用龍門(mén)吊機(jī)吊裝首批料料斗，汽車(chē)吊撥球灌注，同時(shí)，兩臺(tái)天泵不斷泵送混凝土至大料斗，首批料封底成功后，拆除大料斗，采用小料斗汽車(chē)自流快速灌注，如圖13、圖14所示。
圖13 首批料撥球
圖14 小料斗自流灌注
3 施工注意事項(xiàng)
（1）無(wú)浮吊地段施工，應(yīng)考慮足夠的鉆孔平臺(tái)吊裝能力，可有效提高施工效率，化零為整。
（2）鋼筋籠應(yīng)采用長(zhǎng)線法加工，并在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采取加固措施，避免起吊、運(yùn)輸、存放過(guò)程中鋼筋籠變形，導(dǎo)致孔口對(duì)位接長(zhǎng)困難。
（3）水下混凝土灌注時(shí)，必須在料斗內(nèi)或?qū)Ч茼敳吭O(shè)置排氣孔抑或排氣管，否則，強(qiáng)大的內(nèi)外氣壓差將導(dǎo)致混凝土灌注困難，疑是堵管。
（4）水下混凝土灌注前，必須進(jìn)行導(dǎo)管水密性試驗(yàn)，確保在巨大的水壓差下，導(dǎo)管不滲水。
（5）水下混凝土灌注結(jié)束前，應(yīng)采用工裝或檢測(cè)設(shè)備控制混凝土灌注樁頂標(biāo)高，避免過(guò)高或過(guò)低，造成嚴(yán)重后果。
4 結(jié)束語(yǔ)
淮河特大橋跨淮河（112+228+112）m連續(xù)剛構(gòu)拱橋294#、295#主墩樁基施工中，采用了旋挖鉆機(jī)分級(jí)擴(kuò)孔+氣舉反循環(huán)鉆機(jī)接力鉆進(jìn)工藝，保證了成孔質(zhì)量的同時(shí)，極大地提高了施工效率，較原計(jì)劃施工時(shí)間提前了60d完成樁基施工，為水下基礎(chǔ)安全度汛打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在同類(lèi)型地質(zhì)條件下大直徑超深鉆孔灌注樁施工中具備一定的指導(dǎo)性意義。
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1 工程概況
淮河特大橋跨淮河（112+228+112）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)拱橋?yàn)槟壳巴?lèi)型無(wú)砟軌道橋梁世界最大跨度，其294#、295#主墩位于淮河深水區(qū)域，常水位水深約為17m，承臺(tái)埋置于一般沖刷線以下，基礎(chǔ)采用20根直徑為2.5m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)96m，孔深約121m，樁基呈行列式布置，順橋向4排，橫橋向5排，樁中心距6.6m。
主墩水下基礎(chǔ)采用先樁后堰的施工方案，即先搭設(shè)鉆孔平臺(tái)施工樁基，如圖1所示，再在原位拼裝下沉圍堰。
圖1 樁基平面布置圖
地層表層為第四系沉積的水陸混合相沉積，主要為灰白色、黃色、灰色、灰黑色流塑狀淤泥土，中部夾有粉細(xì)砂、圓礫土，大部分地段厚30～50m，最厚大于80m。下伏基巖為細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，地層及地質(zhì)情況如表1所示。
表1 地質(zhì)資料參數(shù)表
2 施工工藝流程
施工工藝流程如下：鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、龍門(mén)吊安裝→鋼護(hù)筒定位下沉→泥漿循環(huán)系統(tǒng)安裝及泥漿制備→鉆孔→清孔→鋼筋籠下放→二次清孔→水下混凝土灌注。
2.1 鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、龍門(mén)吊安裝
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圖2 圍堰刃腳擾動(dòng)（單位：m）
圖3 一字型兩翼擾動(dòng)鉆頭
2.2 鋼護(hù)筒定位下沉
護(hù)筒根據(jù)樁基直徑選擇直徑2.8m、壁厚16mm的鋼護(hù)筒，護(hù)筒刃腳及每節(jié)護(hù)筒頂部采用10mm厚鋼板進(jìn)行加勁，避免插打過(guò)程中卷刃，標(biāo)準(zhǔn)護(hù)筒節(jié)長(zhǎng)8m，護(hù)筒長(zhǎng)40m；運(yùn)輸過(guò)程中采用米字撐支撐，避免護(hù)筒變形；鋼護(hù)筒采用加工定位導(dǎo)向架進(jìn)行定位導(dǎo)向插打，采用永安YZ300一字型單夾具液壓振動(dòng)錘震動(dòng)下沉，下沉困難時(shí)，采用旋挖鉆機(jī)擴(kuò)孔輔助下沉，如圖4、圖5所示。
圖4 鋼護(hù)筒“米”字撐加固運(yùn)輸
圖5 鋼護(hù)筒定位插打下沉
2.3 泥漿循環(huán)系統(tǒng)安裝及泥漿制備
泥漿采用PHP泥漿循環(huán)系統(tǒng)，每臺(tái)鉆機(jī)采用一套獨(dú)立的泥漿循環(huán)系統(tǒng)。泥漿循環(huán)系統(tǒng)由鉆機(jī)、連通管串聯(lián)鋼護(hù)筒、泥漿連接管、過(guò)濾泥漿罐、泥沙分離振動(dòng)篩組成，如圖6、圖7所示。根據(jù)不同鉆進(jìn)底層，泥漿濃度指標(biāo)應(yīng)即時(shí)調(diào)整；旋挖鉆機(jī)入孔泥漿比重控制在1.05～1.15；反循環(huán)鉆機(jī)入孔泥漿比重砂黏土層控制在1.15～1.3；巖石層控制在1.2左右。泥漿循環(huán)系統(tǒng)如圖8所示。
圖6 護(hù)筒間連通管
圖7 磚渣分離泥漿罐
圖8 泥漿循環(huán)系統(tǒng)圖
2.4 鉆孔及清孔
鉆孔采用1臺(tái)TR400型旋挖鉆機(jī)+5臺(tái)氣舉反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)施工，分4個(gè)作業(yè)循環(huán)完成20根樁基鉆進(jìn)。
首先采用TR400D大型旋挖鉆機(jī)配備直徑1.0m、1.5m、1.8m、2.5m鉆頭分級(jí)擴(kuò)孔鉆機(jī)鉆進(jìn)，通過(guò)分級(jí)擴(kuò)孔，解決旋挖鉆機(jī)隨著孔深深度加深，鉆機(jī)扭矩?zé)o法滿(mǎn)足要求的瓶頸，加深旋挖鉆機(jī)鉆孔深度至100m左右孔深，利用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快的優(yōu)點(diǎn)，2～3d內(nèi)鉆進(jìn)100m左右孔深，再采用全液壓氣舉反循環(huán)鉆機(jī)接力鉆進(jìn)，7d左右鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，并利用氣舉反循環(huán)鉆機(jī)反循環(huán)系統(tǒng)清孔；實(shí)際單孔成孔時(shí)間優(yōu)化至10d左右，單孔成孔時(shí)間縮短了15d，極大地提高了鉆孔效率，如圖9、圖10所示。
圖9 旋挖鉆機(jī)
圖10 氣舉反循環(huán)鉆機(jī)
2.5 鋼筋籠下放及二次清孔
鋼筋籠采用工廠化集中加工生產(chǎn)，長(zhǎng)線法制作，分節(jié)段運(yùn)輸，龍門(mén)吊分節(jié)接長(zhǎng)下放。二次清孔采用氣舉反循環(huán)清孔工藝，并輔以泥砂分離振動(dòng)篩，降低泥漿砂率，避免灌注工程中泥沙沉淀超標(biāo)，如圖11、圖12所示。
圖11 氣舉反循環(huán)二次清孔
圖12 泥沙分離振動(dòng)篩
2.6 水下混凝土灌注
根據(jù)計(jì)算首批混凝土方量制作首批料斗，采用龍門(mén)吊機(jī)吊裝首批料料斗，汽車(chē)吊撥球灌注，同時(shí)，兩臺(tái)天泵不斷泵送混凝土至大料斗，首批料封底成功后，拆除大料斗，采用小料斗汽車(chē)自流快速灌注，如圖13、圖14所示。
圖13 首批料撥球
圖14 小料斗自流灌注
3 施工注意事項(xiàng)
（1）無(wú)浮吊地段施工，應(yīng)考慮足夠的鉆孔平臺(tái)吊裝能力，可有效提高施工效率，化零為整。
（2）鋼筋籠應(yīng)采用長(zhǎng)線法加工，并在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采取加固措施，避免起吊、運(yùn)輸、存放過(guò)程中鋼筋籠變形，導(dǎo)致孔口對(duì)位接長(zhǎng)困難。
（3）水下混凝土灌注時(shí)，必須在料斗內(nèi)或?qū)Ч茼敳吭O(shè)置排氣孔抑或排氣管，否則，強(qiáng)大的內(nèi)外氣壓差將導(dǎo)致混凝土灌注困難，疑是堵管。
（4）水下混凝土灌注前，必須進(jìn)行導(dǎo)管水密性試驗(yàn)，確保在巨大的水壓差下，導(dǎo)管不滲水。
（5）水下混凝土灌注結(jié)束前，應(yīng)采用工裝或檢測(cè)設(shè)備控制混凝土灌注樁頂標(biāo)高，避免過(guò)高或過(guò)低，造成嚴(yán)重后果。
4 結(jié)束語(yǔ)
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