大跨越基礎(chǔ)復(fù)雜地質(zhì)鉆孔灌注樁成孔機(jī)械選用及質(zhì)量控制

鐘文 萬(wàn)華翔 湯小兵 單長(zhǎng)孝

摘 要：【目的】對(duì)±800 kV白浙線長(zhǎng)江大跨越工程復(fù)雜地質(zhì)下的樁基施工難題進(jìn)行分析，并提出解決方案，為今后同類型工程施工提供建議?！痉椒ā勘狙芯繌膬?yōu)化施工機(jī)械選用、細(xì)化施工方法、合理運(yùn)用長(zhǎng)護(hù)筒、采用新型制漿材料等方面入手，充分發(fā)揮旋挖鉆機(jī)對(duì)包含流沙的復(fù)雜地質(zhì)適應(yīng)性好、對(duì)深層巖石掘進(jìn)效率高等顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)輔以北斗導(dǎo)航樁基信息化系統(tǒng)及超聲波成孔檢測(cè)裝置等技術(shù)手段?！窘Y(jié)果】在采取有效措施優(yōu)化施工方案后，大跨越樁基施工效率及成孔質(zhì)量均得到顯著提高?！窘Y(jié)論】經(jīng)工程實(shí)際驗(yàn)證，優(yōu)化施工方法后的旋挖鉆機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)樁基施工中全部實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī)；鉆孔灌注樁；復(fù)雜地質(zhì)；大跨越工程；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU753.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）08-0045-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.009

Selection and Quality Control of Drilling Machine for Large Span

Foundation Complex Geological Bored Pile

ZHONG Wen WAN Huaxiang TANG Xiaobing? SHAN Changxiao

（Anhui Electric Power Transmission and Transformation Co.， Ltd.， Hefei 230022， China）

Abstract： [Purposes] To analyze the difficulties and solutions of pile foundation construction under complicated geology of ±800 kV Baizhe Line Yangtze River span project， and to provide suggestions for the construction of similar projects in the future. [Methods] Starting from optimizing the selection of construction machinery， refining construction methods， rational use of long guard drum， adopting new pulping materials， etc.， the rotary drilling rig has the significant advantages of better adaptability to complex geology including quicksand and higher efficiency for deep rock excavation compared with traditional circulating drilling rig. At the same time， Beidou navigation pile foundation information system and ultrasonic hole detection device and other technical means are adopted. [Findings] After taking effective measures to optimize the construction scheme， the construction efficiency and pore-forming quality of large-span pile foundation are significantly improved. [Conclusions] Through the actual engineering verification， the rotary drilling rig with optimized construction method has achieved all the expected objectives in complex geological pile foundation construction.

Keywords： rotary drilling rig; bored pile; complex geology; large span; Beidou Navigation System

0 引言

在電網(wǎng)建設(shè)中，特高壓直流輸電技術(shù)在長(zhǎng)距離和大容量輸電、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，極大地提高我國(guó)大規(guī)模優(yōu)化配置資源的能力，將助力達(dá)成“碳達(dá)峰、碳中和”的環(huán)境保護(hù)和能源結(jié)構(gòu)升級(jí)目標(biāo)早日達(dá)成［1-3］。

白鶴灘-浙江±800 kV特高壓直流輸電工程池州段長(zhǎng)江大跨越基礎(chǔ)采用“鉆孔灌注樁+承臺(tái)”的形式。按照原定方案使用反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行樁基施工時(shí)，在中風(fēng)化粉砂巖的鉆進(jìn)效率較低，繼續(xù)施工會(huì)對(duì)工程總體進(jìn)度造成較大影響。經(jīng)勘查研究，決定改用ZR360C-3型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工。使用前，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜地質(zhì)給出有效措施，在提升施工效率的同時(shí)，確保成孔質(zhì)量。

1 工程概況

該長(zhǎng)江大跨越線路基本走向?yàn)槟媳弊呦?。跨越處長(zhǎng)江江面寬約為1 913 m、兩岸大堤堤距約為2 090 m?？缭剿蜑閆KT-280、呼高為280 m、全高為345 m?？缭剿A(chǔ)采用“鉆孔灌注樁+承臺(tái)”的結(jié)構(gòu)形式，并附帶連梁。包括主樁、井架樁、連梁支撐樁在內(nèi)，北跨越塔共計(jì)158根樁，最深者達(dá)50 m，單基灌注樁總方量達(dá)5 700余 m3。北跨越塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)立面如圖1所示。

大跨越工程北跨越塔位于銅陵市樅陽(yáng)縣 山鎮(zhèn)，地貌單元為長(zhǎng)江沖積平原（河漫灘），地勢(shì)平坦，目前為秸稈收儲(chǔ)站廠區(qū)。地基巖土主要由上部的第四系全新統(tǒng)沖積、湖積形成的黏性土、淤泥質(zhì)土、粉砂、細(xì)砂、碎石土和下伏白堊系基巖組成。地質(zhì)勘探成果表明，16.3 m以淺以粉土、粉砂、細(xì)砂及粉質(zhì)黏土為主，16.3～40.5 m以粉砂、粉土、中粗砂為主，40.5 m以下則為卵石層及粉砂巖層。

2 成孔機(jī)械選擇

在以往大跨越樁基施工中，常選用成本更低的循環(huán)鉆機(jī)。在初版技術(shù)方案中，原定采用反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行施工，其工作示意如圖2所示。反循環(huán)鉆機(jī)是由其旋轉(zhuǎn)盤通過分節(jié)加長(zhǎng)的空心鉆桿來(lái)帶動(dòng)鉆頭切削成孔，預(yù)先配置好的泥漿從泥漿池泵入，通過鉆桿與孔壁間的縫隙中流入孔底，在冷卻鉆頭的同時(shí)，裹挾切削下來(lái)的巖土鉆渣，從鉆桿內(nèi)部返回地面沉淀池。與此同時(shí)，新的泥漿又送入孔內(nèi)形成循環(huán)。由于鉆桿內(nèi)徑比井孔直徑小，鉆桿內(nèi)水頭上升速度較正循環(huán)模式更快，鉆渣隨之帶到鉆桿頂端，并進(jìn)入泥漿沉淀池，凈化后的泥漿可循環(huán)使用。

受循環(huán)鉆機(jī)工作原理的限制，其對(duì)巖石層的鉆進(jìn)效率差強(qiáng)人意。位置較深的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，決定改用切削巖層更快、自動(dòng)化程度更高的旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工。

在施工前，預(yù)先埋設(shè)鋼護(hù)筒以防止塌孔，同時(shí)保持護(hù)壁泥漿水頭的高度。旋挖鉆機(jī)工作原理如圖3所示。伸縮桿驅(qū)動(dòng)頂端焊有切削刀具的鉆斗，通過旋轉(zhuǎn)切削的方式來(lái)挖掘孔內(nèi)巖土，形成的土渣會(huì)進(jìn)入到旋挖鉆斗內(nèi)，待其裝滿后會(huì)提出至孔外，并進(jìn)行卸土，如此反復(fù)循環(huán)成孔。工程上采用膨潤(rùn)土等造漿護(hù)壁，利用泥漿泵向護(hù)筒內(nèi)注入泥漿。在鉆至設(shè)計(jì)孔深，并經(jīng)驗(yàn)收無(wú)誤后，旋挖鉆頭要空轉(zhuǎn)清孔，以去除孔底沉渣。

相較于傳統(tǒng)鉆機(jī)，旋挖鉆機(jī)有以下優(yōu)勢(shì)。①面對(duì)巖層時(shí)鉆孔速度快，有利于加快施工進(jìn)度、保證工期。②旋挖鉆機(jī)鉆頭在工作時(shí)能有效減少孔底成渣、提高樁基承載力［4］。③施工時(shí)正值當(dāng)?shù)赜昙?，?chǎng)地泥濘，旋挖鉆機(jī)在場(chǎng)地內(nèi)移動(dòng)較方便，且工作不受不良天氣的影響，泥漿處理也相對(duì)容易，對(duì)環(huán)境影響較小，滿足工程環(huán)水保要求，便于現(xiàn)場(chǎng)組織安全文明施工。④旋挖鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化程度較高，便于加強(qiáng)對(duì)樁位的控制，配備相應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可顯示入孔深度、垂直度等信息，可避免出現(xiàn)縮徑、塌孔等現(xiàn)象。

3 流沙復(fù)雜地質(zhì)旋挖鉆機(jī)施工關(guān)鍵技術(shù)

該工程大跨越塔基礎(chǔ)所處位置的表層屬流沙地層，在此地質(zhì)利用旋挖鉆機(jī)成孔難度較大［5］。這是因?yàn)樾阢@頭對(duì)孔壁施加荷載后會(huì)造成土層失穩(wěn)，而流沙層黏性不足，穩(wěn)定性較低，很容易因自身重力而形成塌孔現(xiàn)象。加之旋挖鉆機(jī)與傳統(tǒng)鉆機(jī)（循環(huán)鉆、沖擊鉆等）在掘進(jìn)方式上有著根本性不同，需要從以下三個(gè)方面優(yōu)化旋挖鉆孔灌注樁施工方案。

3.1 高護(hù)筒埋設(shè)

護(hù)筒埋設(shè)能增強(qiáng)孔壁穩(wěn)定性，有效防止塌孔，也是保證樁基垂直度偏差符合要求的措施之一。針對(duì)流沙層等特殊地質(zhì)條件，應(yīng)適當(dāng)加大護(hù)筒尺寸及埋深，確保其能穿過不穩(wěn)定地層，防止地層坍塌失穩(wěn)［6］。

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，訂制8 m長(zhǎng)的鋼護(hù)筒，選用加厚鋼板卷制，為保證其在鉆頭沖擊下不易變形，在護(hù)筒端口、接縫處通過補(bǔ)焊進(jìn)行加強(qiáng)。根據(jù)前期定樁位來(lái)確定位置，護(hù)筒挖設(shè)直徑比護(hù)筒外徑大100 mm左右，挖設(shè)深度應(yīng)低于護(hù)筒高度，確保其頂端高出地表。埋設(shè)護(hù)筒應(yīng)保證護(hù)筒中心與灌注樁中心同心度。護(hù)筒設(shè)置時(shí)應(yīng)對(duì)好水口方向，埋設(shè)應(yīng)穩(wěn)定、牢靠，采用黏土或素混凝土均勻填補(bǔ)護(hù)筒與坑口縫隙。

護(hù)筒埋設(shè)需注意以下控制要點(diǎn)。①護(hù)筒堅(jiān)實(shí)、不漏水，以保持水頭高度。②護(hù)筒埋設(shè)深度需穿過流沙層進(jìn)入穩(wěn)定土層［7-8］。③護(hù)筒內(nèi)徑要大于鉆頭直徑約200 mm。④護(hù)筒埋設(shè)位置要準(zhǔn)確，露高、平面位置誤差、垂直度誤差等要滿足設(shè)計(jì)要求。⑤護(hù)筒埋設(shè)高度要保證孔內(nèi)水頭高度。

護(hù)筒埋設(shè)好后，應(yīng)及時(shí)將樁中心用十字軸線標(biāo)識(shí)在護(hù)筒內(nèi)側(cè)。護(hù)筒固定并經(jīng)驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行鉆機(jī)就位。旋挖鉆機(jī)底盤為伸縮式自動(dòng)整平裝置，操作室內(nèi)有儀表用于準(zhǔn)確顯示各項(xiàng)參數(shù)，就位時(shí)鉆頭中心對(duì)準(zhǔn)護(hù)筒中心，保證誤差不大于20 mm。

3.2 新型制漿材料及泥漿配比

旋挖鉆機(jī)在工作時(shí)，孔內(nèi)泥漿會(huì)在孔壁上產(chǎn)生一層泥皮，這對(duì)提升孔壁的穩(wěn)定性、預(yù)防塌孔起到一定作用［9］。合理配比并使用好泥漿是保證復(fù)雜地質(zhì)樁基工程質(zhì)量的重要因素。優(yōu)質(zhì)泥漿可確?？妆诜€(wěn)定，且具有良好的攜帶巖粉能力，比重、年度、失水量過大的泥漿必然會(huì)降低鉆進(jìn)速度，導(dǎo)致泥皮過厚，直接影響鉆進(jìn)阻力。

鑒于樁基施工現(xiàn)場(chǎng)的地層造漿能力相對(duì)較弱，因此采用人工膨潤(rùn)土造漿法，并加入適量分散劑，每立方米加入不超過1 kg纖維素助漿劑，從而保證泥漿性能，泥漿配比及性能指標(biāo)見表1。地層含有粉砂層，通過循環(huán)、攜帶巖粉，泥漿中的含砂率會(huì)迅速增加，泥漿的比重增加、黏度降低、性能下降。因此，要及時(shí)補(bǔ)充膨潤(rùn)土等化學(xué)液調(diào)制泥漿，降低泥漿失水率。

現(xiàn)場(chǎng)泥漿配置及使用需注意以下控制要點(diǎn)。①泥漿性能必須滿足規(guī)范要求，保證在鉆機(jī)工作、清孔時(shí)的孔壁穩(wěn)定。②應(yīng)經(jīng)常測(cè)定，并保證泥漿池中泥漿性能。在開始鉆孔前、鉆孔過程中和清孔后至少各測(cè)一次泥漿性能。③應(yīng)經(jīng)常清理泥漿池沉淀物，定期檢查清洗泥漿泵。④在泥漿池周圍應(yīng)挖設(shè)排水溝，以防施工污水、雨水污染泥漿，澆注時(shí)應(yīng)注意防止混凝土灑落泥漿池內(nèi)。⑤旋挖鉆機(jī)就位后，利用泥漿泵向護(hù)筒內(nèi)注入泥漿，直到旋挖不外溢為止。在旋挖過程中每挖一斗向孔內(nèi)注一次泥漿，使孔內(nèi)始終保持一定水頭。注入泥漿和旋挖要相互配合，以保證成孔質(zhì)量。

3.3 二次清孔

考慮工程的實(shí)際情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)，決定采用二次清孔法，即在達(dá)到設(shè)計(jì)深度后靜置，利用鉆斗進(jìn)行第一次清孔，在下入鋼筋籠、澆筑導(dǎo)管后進(jìn)行第二次清孔，以清除吊放鋼筋籠期間掉落的雜質(zhì)［10］。二次清孔后的泥漿性能及孔底沉渣要滿足設(shè)計(jì)要求，否則將繼續(xù)清孔，直至達(dá)到要求。

當(dāng)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員用測(cè)具準(zhǔn)確測(cè)量孔深、孔徑等，確認(rèn)各項(xiàng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后，可開始第一次清孔。旋挖鉆機(jī)靜置30～60 min，讓孔內(nèi)雜質(zhì)充分沉降至孔底，再空轉(zhuǎn)清渣，將堆積的沉渣雜物清理干凈。在清孔排渣時(shí)，要嚴(yán)格控制鉆桿姿態(tài)，不可隨意加深鉆進(jìn)，同時(shí)保持孔內(nèi)水頭，以防止坍孔。第二次清孔是利用混凝土導(dǎo)管進(jìn)行的。二次清孔質(zhì)量的好壞將直接影響沉渣厚度和孔壁質(zhì)量，進(jìn)而影響樁體的承載力［11］。清孔時(shí)要勤動(dòng)導(dǎo)管，但不得猛拔猛插，防止破壞孔底結(jié)構(gòu)。清孔后孔內(nèi)應(yīng)保持一定的水頭高度，應(yīng)在半小時(shí)內(nèi)澆筑。若超過時(shí)間，則重新測(cè)定沉渣厚度。

清孔作業(yè)時(shí)需注意以下控制要點(diǎn)。①清孔前孔深要滿足設(shè)計(jì)要求。②清孔后沉渣要滿足設(shè)計(jì)要求，孔內(nèi)泥漿性能良好，便于后續(xù)水下混凝土澆筑作業(yè)。

4 成孔質(zhì)量控制

為保證大跨越工程鉆孔灌注樁施工質(zhì)量，要注重鉆機(jī)工作過程控制及成孔后監(jiān)測(cè)兩方面工作。

在過程控制方面，采用樁基綜合信息化系統(tǒng)，旨在從過程中提高鉆孔灌注樁的成孔質(zhì)量，主要從以下三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。①樁基北斗系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整與位置監(jiān)測(cè)，對(duì)樁位及成孔垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)修正。②傾角傳感器。可對(duì)施工過程中鉆孔深度、樁身垂直度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整，在孔深不足、垂直度異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提示。③電流傳感器。旋挖鉆機(jī)在不同地層工作時(shí)，要采取不同的鉆進(jìn)模式。電流傳感器可對(duì)鉆進(jìn)的地層地質(zhì)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷是否入巖及入巖深度。特別是在進(jìn)入新的地層時(shí)，要自動(dòng)放慢鉆進(jìn)速度，對(duì)巖層先磨后壓，平穩(wěn)過渡不同地層，以免出現(xiàn)偏孔。

在成孔檢測(cè)方面，除常規(guī)水文測(cè)繩及驗(yàn)孔器（孔規(guī)）檢測(cè)外，可采用聲波檢測(cè)法來(lái)嚴(yán)控樁基成孔質(zhì)量。通過在孔口設(shè)置超聲波成孔檢測(cè)儀，利用其下放的超聲探頭可快速在移動(dòng)終端形成波形，從而準(zhǔn)確判定是否有塌孔、縮徑、錯(cuò)孔等情況出現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

將旋挖鉆機(jī)應(yīng)用于包含流沙層復(fù)雜地質(zhì)下的特高壓大跨越工程基礎(chǔ)灌注樁施工中，通過應(yīng)用高護(hù)筒及新型制漿材料，對(duì)不同地層選擇對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)方法，并運(yùn)用高科技手段來(lái)保證成孔質(zhì)量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，施工效率大幅提高，樁基質(zhì)量符合要求，全部達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。事實(shí)證明，運(yùn)用旋挖鉆機(jī)有助于提高基礎(chǔ)施工的自動(dòng)化程度，在加強(qiáng)成孔控制的同時(shí)，降低對(duì)環(huán)境的污染。白浙線長(zhǎng)江大跨越樁基施工的順利完成，有效保障了總施工進(jìn)度，為以后同類型樁基施工方法的改良提供參考經(jīng)驗(yàn)，研究成果有助于其他類似工程建設(shè)和施工設(shè)計(jì)等方面的工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］張福軒，鄒強(qiáng)，趙森林，等.特高壓直流雙極線路間互感影響及控制策略改進(jìn)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2017（11）：154-159.

［2］張?zhí)?，龔雁?特高壓交直流電網(wǎng)輸電技術(shù)及運(yùn)行特性綜述［J］.智慧電力，2018（2）：87-92.

［3］周遠(yuǎn)翔，陳健寧，張靈，等.“雙碳”與“新基建”背景下特高壓輸電技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇［J］.高電壓技術(shù)，2021（7）：2396-2408.

［4］徐志浩，鄭云峰，馬佳彪，等.旋挖鉆機(jī)在山區(qū)復(fù)雜回填地層樁基工程實(shí)例［J］.中國(guó)建材科技，2022（3）：145-146，87.

［5］李志武，張浩，鞠軍令.流沙地質(zhì)旋挖鉆孔灌注樁施工技術(shù)［J］.科技風(fēng)，2020（33）：104-105.

［6］李正義，李俊龍，甘超，等.旋挖鉆孔灌注樁在建筑樁基工程施工中的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2022（13）：153-155.

［7］李永杰，姜杰松.旋挖機(jī)配套長(zhǎng)護(hù)筒成孔技術(shù)在軟土地層的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022（28）：177-180.

［8］楊曉菲.旋挖鉆孔灌注樁施工常見問題及控制方法［J］.中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2022（8）：98-100.

［9］何光槐.不良地質(zhì)條件下旋挖成孔灌注樁質(zhì)量問題及防范措施［J］.工程技術(shù)研究，2022（2）：38-41.

［10］潘春地.旋挖機(jī)械成孔灌注樁施工要點(diǎn)探析［J］.科技視界，2022（21）：63-64.

［11］余呈水.軟土地區(qū)旋挖鉆孔灌注樁質(zhì)量問題分析及預(yù)防處理措施［J］.福建建材，2022（10）：69-71.

收稿日期：2022-12-05

作者簡(jiǎn)介：鐘文（1998—），男，本科，工程師，研究方向：輸電線路施工技術(shù)管理；萬(wàn)華翔（1992—），男，本科，工程師，研究方向：輸電線路施工技術(shù)管理；湯小兵（1992—），男，本科，工程師，研究方向：輸電線路施工技術(shù)管理；單長(zhǎng)孝（1979—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：輸電線路施工技術(shù)管理。