旋挖鉆機在多瑙河水域砂性土成孔工藝研究

胡青??

摘要：為了解決多瑙河流域某橋梁基礎工程中存在的工期、施工效率和成本問題，結合當?shù)厥┕そ?jīng)驗和地質(zhì)條件創(chuàng)新性地制定了大長直徑樁旋挖鉆機的成孔工藝，確定了一套新的鉆孔方法以及泥漿的性能參數(shù)，并進行了泥漿循環(huán)系統(tǒng)和鉆渣處理系統(tǒng)的設計，來達到深水水域砂性土成孔目的。實踐證明，泥漿護壁配合旋挖成孔成樁質(zhì)量好，能夠取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益，此工藝成果可供在環(huán)保要求較高的深水水域橋梁工程施工技術人員參考。

關鍵詞：大直徑長樁；旋鉆機；泥漿護壁；泥漿循環(huán)系統(tǒng)

中圖分類號：U445.57 文獻標志碼：B

Abstract： According to the drilling operation platform of the foundation piles construction and the buried depth of the pile casing of the Zemun-Bolza Bridge in Danube water area， the drilling method and performance parameters of mud were designated. The mud recycling system and disposal system were designed， and the boring technology of piles on sandy soil in deep water area was introduced. The fine quality of piles with the combination of mud dado and rotary drilling rigs makes good economic and social benefits. This technology can serve as reference for technical staff in the case of deep-water bridge project with high environment requirements.

Key words： large-diameter long pile； rotary drilling rig； mud dado； mud recycling system

0 引 言

旋挖鉆機是一種適合在建筑基礎工程中進行成孔作業(yè)的施工機械。尤其在硬土地層中，由于傳統(tǒng)鉆機的自重有限，不可能給鉆頭施加更大的進給壓力，而旋挖鉆機由于采用動力頭裝置，動力頭的給進力加上鉆桿的重量，可保證其具有較強的鉆進能力，因此旋挖鉆機具有廣泛的適應性[1]。旋挖鉆機的工作原理是用短螺旋鉆頭或旋挖斗，通過強大的扭矩對土或砂礫等鉆渣進行旋轉挖掘，然后快速將鉆渣提出孔外，在不需要泥漿支護的情況下，實現(xiàn)干法施工；即使在特殊地層施工需要泥漿護壁時，泥漿也只起支護作用，鉆削中的泥漿含量相當?shù)汀＿@種施工工藝大大減少了污染源，改善了施工環(huán)境，進而降低了施工成本，且成孔效率高[2]。

1 工程概況

澤蒙—博爾察大橋修建在塞爾維亞多瑙河上，橋梁全長1 481.8 m，采用預應力混凝土變截面連續(xù)梁技術，雙向四車道高速公路標準，設計行車速度為80 km·h-1，橋梁寬度為29.38 m，其中主跨為95 m+172 m+95 m的預應力混凝土連續(xù)箱梁。

大橋所在地的地質(zhì)狀況復雜，施工條件差，環(huán)保要求高，且該區(qū)域無任何船機設備，加上該處冬季河面會結冰。使用當?shù)貍鹘y(tǒng)施工工藝無論工期還是成本均不能滿足本項目施工需要。在多次試驗研究的基礎上，施工方?jīng)Q定采用旋挖鉆機完成大直徑長樁施工。

2 施工工藝選擇

在多瑙河流域，傳統(tǒng)鉆孔樁施工采用全護筒施工，一般由船舶運送鉆機到樁位處進行鉆孔施工，成孔后再用船舶將鋼筋籠及混凝土運送至孔位進行灌注樁施工，整個鉆孔樁施工無需搭設平臺，鉆渣直接存放至駁船上隨后運送至指定位置處理。由于采用全護筒施工，鉆孔作業(yè)可以間斷進行，不存在塌孔、縮頸等問題。但該工藝的船機使用量大、功效低，而且全護筒鉆機成本高。項目部根據(jù)國內(nèi)外旋挖鉆施工的成功應用，結合橋址處地質(zhì)情況及項目特點進行科技攻關，制定了適合本項目的施工工藝：采用“釣魚法”搭設施工棧橋和鉆孔平臺，施工設備、材料均可通過棧橋到達現(xiàn)場，解決無船機設備，尤其是無水上起重設備的困擾；合理設計鉆孔平臺，通過履帶吊完成護筒沉放及鉆孔樁作業(yè)；完善鉆孔泥漿循環(huán)系統(tǒng)，節(jié)約成本的同時，滿足環(huán)境保護要求。

3 施工工藝控制

3.1 鉆孔平臺設計

由于筆者所在公司在當?shù)貨]有自有船舶，并考慮到多瑙河有洪水期和冰凍期，因此采用搭設水上鋼棧橋和工作平臺的方法進行鉆孔作業(yè)。鉆孔平臺設計為梁柱式結構，下部采用Φ720 mm鋼管樁，面板采用方鋼，安拆速度比較快。平臺平面布置及大型機具施工區(qū)域劃分見圖1。

設計平臺時還要充分考慮大型施工機具作業(yè)區(qū)域及孔位特點，合理布置樁基及梁系，以達到實用又經(jīng)濟的良好效果。依據(jù)履帶吊工作狀態(tài)及履帶寬度，在主墩兩側設置4.5 m寬的支棧橋，作為履帶吊作業(yè)區(qū)，可覆蓋整個施工區(qū)域。2個支棧橋與主棧橋正交，交匯處設置轉角梁系，以解決鉆機、挖機、吊車和運輸車交叉作業(yè)的空間問題。

根據(jù)樁基設計要求，選擇ZR250B型旋挖鉆機，其主要性能參數(shù)見表1。

3.2 護筒加工及沉放

3.3 鉆進施工

大橋橋位處的巖土層由淤泥、粉質(zhì)砂、粉砂、細砂、粉質(zhì)粘土、泥灰質(zhì)黏土和泥灰?guī)r組成。樁基范圍內(nèi)的地層主要為表層淤泥、粉質(zhì)砂、粉砂及細砂，密度從中密實到密實，易垮塌，鉆進過程需要重視護壁措施，防止塌孔。

選用摩擦鉆桿和雙底板撈砂鉆斗鉆進。將鉆筒中心對準設計樁位中心，先穩(wěn)定鉆頭垂吊，然后勻速下放至作業(yè)面，開始旋轉鉆進。鉆進按輕壓慢鉆的原則緩緩進行。鉆渣通過進渣口進入鉆筒，同時向孔內(nèi)注入泥漿，根據(jù)屏顯深度，待確定鉆筒內(nèi)鉆渣填滿后，反轉后即可關閉進渣口。提升鉆桿帶動鉆筒，同時繼續(xù)向孔內(nèi)注泥漿，確保孔內(nèi)水頭后，將鉆筒提出孔外，提鉆開始時要緩慢，提離孔底數(shù)米后，如未遇到阻力，方可加速至正常速度提升至井口，利用液壓系統(tǒng)，將筒門打開，排除鉆渣，如此反復，直至離設計標高剩余最后1鉆，即30～50 cm深時，等待5～10 min，待殘渣沉淀后開始最后1鉆，將殘渣一并帶出。

3.4 泥漿配制及循環(huán)系統(tǒng)設計

項目部經(jīng)過功效和成本分析，決定采用泥漿護壁配合旋挖鉆機的工藝進行鉆孔施工。項目部備選泥漿分別為國產(chǎn)奈普頓聚合物泥漿和斯洛文尼亞產(chǎn)復合膨潤土泥漿。對2種泥漿性能及成本進行比較，其結果見表3。

結果顯示2種泥漿均能滿足施工要求。奈普頓聚合物泥漿拌制簡單、出漿率高，但橋位處的地質(zhì)成分主要為粉砂和細砂，該泥漿滲透性差，護壁時間短，容易造成塌孔。斯洛文尼亞復合膨潤土泥漿為當?shù)貎?yōu)質(zhì)鉆井泥漿，適應當?shù)氐刭|(zhì)情況，護壁時間可達8～10 h，很少出現(xiàn)塌孔、縮頸等問題，最終選定斯洛文尼亞復合膨潤土泥漿為本項目施工泥漿。

澤蒙大橋設計樁徑相對較小，所以護筒內(nèi)外露容積小，在這種條件下如果采用國內(nèi)常規(guī)工藝在護筒內(nèi)拌制、循環(huán)泥漿，不僅施工組織困難，而且泥漿拌制、調(diào)整后性能得不到保證，將影響成孔。根據(jù)本項目特點，項目部決定在平臺上設置泥漿池，有效地解決了泥漿拌制和循環(huán)問題。泥漿在泥漿池內(nèi)拌制、調(diào)整，合格后采用泥漿泵泵送入鉆孔。灌注混凝土時，在護筒內(nèi)懸掛泥漿泵泵送泥漿至泥漿池存放。在送漿和出漿過程中，按照設定水頭差控制泥漿泵開關，實現(xiàn)泥漿無縫隙循環(huán)。泥漿循環(huán)示意圖如圖2所示。

泥漿回收至泥漿池后，靜態(tài)放置使懸浮物沉淀，之后用挖機清除池底沉渣以降低泥漿含砂率。下次鉆孔前根據(jù)泥漿實測結果，添加適量膨潤土及時調(diào)整泥漿各項指標，達到施工要求。如此循環(huán)，每池泥漿可重復利用4～6次，大大節(jié)省了施工成本。

3.5 鉆渣處理

塞爾維亞環(huán)保要求高，鉆渣不能直接排放到多瑙河中，需要外運。通過方案比選，最終采用在平臺設置存渣池，再由挖機轉裝到運渣車內(nèi)，通過棧橋外運的方案。鉆渣處理示意見圖3。

4 結 語

本工程從功效和成本的角度出發(fā)，未采用當?shù)貍鹘y(tǒng)全護筒進行鉆孔施工，通過施工技術研究，成功將深水鉆孔平臺、泥漿護壁配合旋挖成孔應用到多瑙河流域，完成大橋水上138根鉆孔樁施工。成孔成樁效果好，施工質(zhì)量驗收合格，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，可為中國企業(yè)在多瑙河流域的橋梁施工提供寶貴的施工經(jīng)驗。

參考文獻：

[1] 董 濤，程建新，張志偉，等.大直徑樁基旋挖鉆海上施工工藝及質(zhì)量控制[J].橋梁建設，2009（S）：39-42.

[2] 趙吉慶.考慮樁底沉渣的旋挖成孔灌注樁沉降特性研究及控制[D].重慶：重慶大學，2014.

[責任編輯：杜衛(wèi)華]