在復雜地質(zhì)條件下大直徑超長樁中的施工應用文庫.doc

多機成孔工藝在復雜地質(zhì)條件下大直徑超長樁中的施工應用馬重剛 謝小飛 李建勇 敬翔 粟周毅（中建三局建設工程股份有限公司 湖北 武漢 430070）摘要：武漢江漢六橋工程主橋為雙塔雙索面自錨式懸索橋，主墩樁基為大直徑超長樁，最大成孔深度高達120m，穿越地層復雜，施工難度大，工期緊，若采用單一的成孔工藝很難保證進度及成樁質(zhì)量，為此結(jié)合本工程特點選用“多機成孔工藝”，即覆蓋層采用旋挖鉆，巖層采用氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機“接力施工”，不僅提高了施工效率，且保證了成樁質(zhì)量，為今后其他工程提供了可借鑒之處。Abstract：The main bridge of the sixthhanjiang bridge in Wuhan is a self-anchored suspension bridge with double pylons and double cable planes. The main pylon pile foundation with large diameters is extremely long.The maximum drilling depth is 120 m. The crossing formation is complex and the construction is very difficult and the construction periodis very short. The construction quality and time planning cannot be guaranteed if the single drilling technology was used in this project. So, based on the engineering characteristics of this project, we use the muti-machine drilling technology. That is the auger drilling overburden and airlifting reverse circulation rotary drilling strata. The muti-machine drilling technology not only can increase construction efficiency, but also can guanatee quality.It offers reference for dealing with similar problems in future.關(guān)鍵詞：多機成孔工藝；大直徑超長樁；旋挖鉆；氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆；Key words：Muti-machine drilling technology; extremely long and large diameter piles; auger drill; airlifting reverse circulation rotary drilling.1 概述隨著國內(nèi)橋梁、鐵路事業(yè)的發(fā)展，鉆孔灌注樁的應用越來越廣泛，樁基施工工藝也日臻成熟。尤其近年來出現(xiàn)的旋挖鉆機以其成孔效率高、成孔質(zhì)量好、孔壁泥皮?。妆诔事菪€狀，利于摩擦樁側(cè)摩阻力）、可實現(xiàn)垂直度的自動調(diào)節(jié)和鉆孔深度的精確計量、塵土泥漿污染少、地層適應性強等技術(shù)優(yōu)勢，逐漸取代了其他鉆機，成為鉆孔灌注樁施工首先考慮的機型。但對于大直徑超長樁的施工，由于對鉆桿強度的要求較高，國內(nèi)在成孔深度90m以上的鉆孔灌注樁一般不采用旋挖鉆施工工藝。對于施工工期緊、施工難度大的大直徑超長樁，采用單一的施工工藝已不能滿足當前的施工要求，“多機成孔工藝”概念的提出應運而生?！岸鄼C成孔工藝”是指根據(jù)不同地層在同一孔段內(nèi)選用兩種或者兩種以上的施工工藝而有效成樁的工藝。目前，“多機成孔工藝”在少數(shù)工程中已得到應用，多選用旋挖鉆與沖擊鉆的“接力鉆進”施工工藝，效果明顯，但對于其他鉆機的組合應用工藝仍處于摸索與探討的階段，技術(shù)尚不成熟，本文結(jié)合武漢江漢六橋主塔樁基施工實際情況，針對旋挖鉆與氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機的“接力鉆進”在大直徑超長樁中的施工應用作分析研究。2 工程概況及地質(zhì)條件武漢江漢六橋工程主橋為鋼混結(jié)合梁雙塔雙索面自錨式懸索橋，全長682m，橋跨布置為110+452+110m，兩側(cè)增設48+57m壓重跨。主塔基礎(chǔ)采用分離式承臺，承臺尺寸16.9m16.9m5.5m，單幅承臺行列式布置9根2.5m的鉆孔灌注樁，樁長110m，設計為摩擦端承樁。橋址臨近河道微彎處，北岸為淤積岸，南岸為沖刷岸，地質(zhì)條件復雜，地層分布不均勻，表層2.7m范圍內(nèi)以素填土、雜填土為主；2.7m13.9m以粉質(zhì)黏土為主，局部夾粉土、粉砂；13.9m28m以粉砂層為主；28m31.5m以細砂層為主；31.5m54.1m以中粗砂為主；54.1m62m以細砂層為主，局部夾雜粉質(zhì)黏土；62m66.5m以卵石層為主；66.5m100m以粉質(zhì)黏土為主，局部夾雜強風化泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖；100m120m以石英砂巖為主，局部地層覆蓋中風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化碳質(zhì)頁巖、強風化泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r等。圖2.1.1 武漢江漢六橋主橋正面圖3 多機成孔工藝確定主橋3#、4#墩基礎(chǔ)采用筑島施工，枯水期結(jié)束前施工必須完成，樁基工期要求75天，施工工期緊，樁基直徑大，成孔深度深，穿越土層復雜，嵌巖深度大、且?guī)r石軸心抗壓強度高達100MPa，成樁質(zhì)量要求高，成孔難度大。結(jié)合橋位處地質(zhì)條件，覆蓋層鉆進施工選用旋挖鉆施工，其具有施工工效快，自動化程度高，可自動檢測鉆孔深度及垂直度的特點?？紤]到旋挖鉆受功率及鉆桿的限制，在深度超過90m的巖層上鉆進施工，其成孔效率及成孔質(zhì)量，特別是垂直度無法得到保證，因此巖層鉆進施工不考慮旋挖鉆。常規(guī)的巖層成孔可采用沖擊鉆反循環(huán)、氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機、泵吸反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機這三種工藝，我們對這三種工藝在巖層中施工功效進行比較分析，具體見表3-1所示：表3-1 三種鉆機在巖層中施工工藝對比分析序號工藝工藝分析比較1沖擊反循環(huán)（1）工藝設備簡單，操作方便，成本投入少，但巖層進尺難度大，平均進尺在0.1m/d0.2m/d，成孔周期長，耗電量大、鋼絲繩磨損大。（2）沖擊反循環(huán)行程無法達到施工要求，成孔深度無法滿足要求。2泵吸反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機（1）管路容易漏氣、鉆頭鉆桿容易堵塞，冬季施工真空管路容易凍結(jié)、真空表接頭堵塞或真空表易損壞等，影響施工。（2）泵吸反循環(huán)在孔深超過80m后，效率大幅降低。（3）在巖層平均進尺0.3m/d0.5m/d，進尺效率不高，工期壓力大。3氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機（1）鉆桿內(nèi)水流上升速度與鉆桿內(nèi)外液柱壓力差有關(guān)，只需相應地增加和供氣壓力就可保持理想的上升速度。（2）氣舉反循環(huán)在孔深超過50m后，鉆進效率高而穩(wěn)定。（3）在巖層中平均進尺在1m/d1.2m/d，可滿足工期要求。通過以上分析，若成孔采用氣舉反循環(huán)進行施工，那么在覆蓋層鉆進施工工期較長，若采用旋挖鉆施工，那么成孔深度超過90m后效率低，且旋挖鉆在巖層中成孔難度較大，功效較低，垂直度無法保證。因此本工程結(jié)合兩種工藝的優(yōu)勢，樁基采用大功率旋挖鉆+氣舉反循環(huán)“接力鉆進”工藝。圖4-1 多機成孔工藝施工流程4 多機成孔工藝施工流程采用旋挖鉆+氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆多機成孔工藝，即先采用旋挖鉆施工覆蓋層，旋挖鉆施工至接近巖層處時，換機為氣舉反循環(huán)鉆機繼續(xù)施工，直至達到設計孔底標高。其施工流程如圖4-1所示。5 多機成孔工藝關(guān)鍵技術(shù)5.1 多機成孔工藝泥漿配置本工程對泥漿指標主要依據(jù)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范規(guī)范（JTJ041-2000）中提到的泥漿性能指標選擇進行取值。結(jié)合旋挖鉆施工泥漿屬于靜態(tài)泥漿護壁及減少泥漿配置次數(shù)，泥漿配置以氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機施工為主，參考規(guī)范（JTJ041-2000）中對反循環(huán)施工泥漿性能指標，本工程樁基施工泥漿性能如下表所示。泥漿原材料組成：自來水、膨潤土（鈣質(zhì)）、碳酸鈉。泥漿配合比由試驗室配置，通過試驗室的試驗結(jié)果，本工程樁基泥漿膨潤土摻入量為水的11%12%，碳酸鈉摻入量為膨潤土的10%40%，能夠滿足施工要求。表5.1-1 江漢六橋主墩樁基采用多機成孔工藝泥漿性能一覽表鉆孔方法比重含砂率（%）粘度（Pas）膠體率（%）失水率（ml/30min）泥皮厚(mm/30min)PH旋挖鉆+氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機1.081.1541825952038105.2 多機成孔工藝二次對中問題根據(jù)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTG/T F50-2011）對鉆孔灌注樁成孔質(zhì)量標準的規(guī)定：孔的中心位置偏差不大于10cm，傾斜度1%。在實際施工操作時，鉆頭中心與樁孔中心的偏差一般控制在5cm內(nèi)。采用多機成孔工藝對鉆孔中心存在二次定位，必然會引起二次偏差。覆蓋層90m深度采用旋挖鉆，偏差按1%考慮，則旋挖鉆成孔到90m深度后，孔底平面中心與原樁中心偏差。換用氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機繼續(xù)鉆進時，須重新對孔位對中。因氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機對中還不能實現(xiàn)如旋挖鉆自動調(diào)節(jié)鉆桿垂直度、鎖定孔中位置。在實際施工操作中，考慮鉆頭制作偏差、鉆頭磨損偏差、人為因素、鉆機平整度、鉆桿垂直度等，鉆桿與樁孔重新對位時誤差在5cm左右，若按此施工，最終成孔后孔底中心位置與樁中心的偏差為。 圖5.2-1 未采取任何措施前的二次對中前后孔中心偏差在上述計算中因旋挖鉆可實現(xiàn)自動對中，所以并未計入其誤差，若按此施工最終成孔垂直度仍不能滿足規(guī)范要求，大于規(guī)范規(guī)定1%的要求。根據(jù)上述分析，須采取相應措施予以解決，具體如下：（1）因旋挖鉆的對中可實現(xiàn)自動化控制，因此在施工時嚴格要求旋挖鉆機操作人員作業(yè)時務必確保鉆桿垂直度與對中，在地層變化處須減壓、慢速鉆進，保證孔壁的垂直度在1/200內(nèi)，在換機操作時孔底中心偏差與樁中心偏差控制在45cm內(nèi)；（2）在進行鉆孔施工前，對施工場地進行平整夯實，并做適當?shù)募庸烫幚?，以保證旋挖鉆施工完畢后，氣舉反循環(huán)鉆機的鉆機機平整度確保在1%內(nèi)，以減小因鉆機底座不平造成鉆孔中心偏位及孔傾斜過大問題。（3）采取以下兩種措施以保證二次對中鉆頭中心與樁中心的偏差控制在2cm內(nèi)：旋挖鉆進施工前，在場地平整過后，對控制點和水準點的精度進行復核，樁位放樣時必須使用在木樁打釘?shù)姆绞竭M行確認，以此保證放樣的精確。樁位確定后應立即采用水泥砂漿對其進行保護，使得二次對中時直接利用首次放樣樁位，避免人為誤差。在氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機底座上進行放樣，調(diào)整鉆機位置，使鉆頭對準樁中心，并準確調(diào)平，使鉆錐起吊滑輪緣、鉆錐中心和樁孔三者中心在同一垂線上，以保證鉆頭中心與首次鉆進的樁中心的偏差控制在2cm內(nèi)。（4）氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機在巖層中施工作業(yè)時，利用滾刀鉆頭大氣量、低壓慢轉(zhuǎn)鉆進，適當控制鉆壓及鉆具轉(zhuǎn)速，控制進尺速度，確保成孔垂直度，使得垂直度控制在1/200內(nèi)。圖5.2-2 樁位偏差曲線表5.3 鉆機交接施工段的確定鉆機交接施工段的確定是采用“多機成孔工藝”施工的關(guān)鍵控制點。施工時若采用旋挖鉆鉆到到巖層，因巖層分布并不均勻，采用氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機直接施工，會產(chǎn)生孔斜的施工隱患。因此為避免此類施工事故的發(fā)生，我們結(jié)合TR400旋挖鉆成孔深度等特點，旋挖鉆鉆至90m深的覆蓋層后，距離巖層以上10m改用氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機施工，保持減壓鉆進，利用10m深的覆蓋層作為回轉(zhuǎn)鉆機鉆頭的導向及糾偏措施，使得鉆頭平穩(wěn)的從覆蓋層進入至巖層，保證兩種鉆機“接力鉆進”之間過渡平順，確?？妆诘拇怪倍饶軌驖M足設計及規(guī)范要求。5.4 超長鋼筋籠吊裝鉆孔灌注樁成孔后，安裝鋼筋籠時易造成孔壁坍塌，應盡量減少吊裝鋼筋籠的時間。對于本工程的超長樁，鋼筋籠總長為111.6m，若采取常規(guī)每節(jié)9m的鋼筋籠進行吊裝，需吊裝13節(jié)，并安裝12個鋼筋籠接頭，吊裝時間過長，因此為縮短鋼筋籠吊裝時間，采取每節(jié)27m的鋼筋籠進行吊裝，吊裝時間減少三分之二。同時為了避免鋼筋籠對孔壁的損傷，在鋼筋籠螺旋筋上安裝滾輪型混凝土墊塊，使鋼筋籠能通過滾輪墊塊順利下放。 圖5.4-1 鋼筋籠吊裝示意圖5.5 水下混凝土配置對于超長大直徑樁，單根樁基混凝土方量大，對水下混凝土的初凝時間及流動性要求較高，采用配置的超緩凝大流態(tài)的水下混凝土，其初凝時間達到30小時，混凝土坍落度為2022cm。混凝土配合比設計情況如下表所示：表5.5-1 混凝土配合比水水泥砂石粉煤灰外加劑15632076710609075.6 多機成孔工藝施工質(zhì)量控制要點（1）嚴密控制鉆進過程中的孔內(nèi)泥漿比重、粘度，保證能夠滿足要求，防止出現(xiàn)塌孔、縮頸等質(zhì)量事故；（2）精確定位樁中心位置，嚴格控制氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機二次對中，使得鉆頭與樁中心的偏差在2cm內(nèi)；（3）旋挖鉆施工必須在距離巖層以上10m處停止鉆進，由氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進進行接力施工，防止出現(xiàn)斜孔事故。6 結(jié)語多機成孔工藝即克服了旋挖鉆遇深孔下部堅硬地層效率低、鉆頭磨損嚴重的缺點，又解決了氣舉反循環(huán)在覆蓋層，特別是黏土層進尺效率不高的弊端，結(jié)合二者的優(yōu)點，大幅度的提高了施工功效。經(jīng)過對武漢江漢六橋主墩鉆孔灌注樁采用旋挖鉆與氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機“多機成孔工藝”的摸索、總結(jié)和提高，工期得到了保證。通過該工程實踐，證明了在大直徑超長樁采用“多機成孔工藝”具有明顯的優(yōu)越性，使得施工效率得到大幅的提升，同時很