大直徑超長樁大功率旋挖鉆施工技術(shù)應(yīng)用研究

熊 杰

武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430200

1 概述

1.1 工程概況

新建安九鐵路鳊魚洲長江大橋主橋?yàn)橹骺?72m的雙塔雙索面鋼箱混合梁斜拉橋，全長1320m。其中5#墩為橋塔墩，橋塔為“H”形混凝土結(jié)構(gòu)，高度為242.0m[1]。橋塔基礎(chǔ)采用整體式承臺、群樁基礎(chǔ)，共45根φ3.0m鉆孔樁，樁頂標(biāo)高-1.50m，樁底標(biāo)高-40.0～-56.5m，樁長38.5～55.0m。樁基呈行列式布置，縱向5排，橫向9排，縱、橫向樁間距為7.7m和6.2m。

1.2 地質(zhì)

5 #墩墩位處河床面高程約為-4.m～+6m，覆蓋層厚約26.5～35.7m，其上部為松散、稍密～中密狀細(xì)砂，層厚約12.6～16.0m；中部為稍密～中密狀細(xì)圓礫土，層厚約8.8～11.2m；下部為硬塑～堅(jiān)硬黏土夾薄層密實(shí)細(xì)圓礫土，層厚5.15～8.5m；下伏基巖為角礫狀灰?guī)r、灰?guī)r。5號墩位巖溶較為發(fā)育，巖面起伏跌宕、巖體內(nèi)存在溶溝、溶槽及溶洞等不良地質(zhì)體,見洞率達(dá)90%以上[2]。鉆探揭示巖溶溶洞由黏性土和風(fēng)化灰?guī)r碎塊全充填或半充填，巖溶空洞洞高在0.3～0.8m間，巖溶發(fā)育深度大多在高程-50.0m以上。5號主墩孔深64.05～79.05m，最大入巖深度約22.44m，巖層最大飽和抗壓強(qiáng)度90.5MPa，平均60.5MPa。

2 總體施工方案

2.1 鉆孔方案選擇

5 號墩鉆孔樁原施工擬采用“旋轉(zhuǎn)鉆”施工方案。該方案共需布置8臺旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，分6個(gè)循環(huán)完成鉆孔施工，單樁施工周期為25天，考慮鉆孔工期，完成45根樁施工6～7個(gè)月，不能滿足全橋工期需要。對5#墩實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行分析，并結(jié)合國內(nèi)類似地質(zhì)大型旋挖鉆成孔經(jīng)驗(yàn)，確定采用“旋挖鉆”鉆孔施工方案進(jìn)行施工，配置2臺寶峨BG46型和2臺XR550D型旋挖鉆施工。

2.2 鉆孔施工方案

搭設(shè)水上鉆孔平臺，將水上施工轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮献鳂I(yè)。平臺搭設(shè)完成后，采用200t浮吊輔以兩臺APE400液壓振動(dòng)錘并聯(lián)振動(dòng)插打鋼護(hù)筒。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，提前對巖溶進(jìn)行預(yù)注漿處理。配置4臺大功率旋挖鉆鉆進(jìn)，采用氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行清孔。

3 鉆孔樁施工

3.1 鉆孔平臺搭設(shè)

鉆孔平臺頂面高程為+24.05m，采用“鋼管樁+貝雷梁”結(jié)構(gòu)（如圖1），并安裝一臺100t門式吊機(jī)輔助現(xiàn)場施工[3]。平臺平面平臺鋼管樁采用打樁船從岸側(cè)往江中方向呈“Z字型”進(jìn)行施工。利用200t浮吊安裝貝雷梁及鋼橋面板。雙向平臺連接通道為岸上施工，采用履帶吊+振動(dòng)錘“釣魚法”施工。

圖1 5#主塔墩鉆孔平臺平面布置圖（單位mm）

3.2 鋼護(hù)筒插打

鋼護(hù)筒內(nèi)徑3.35m，壁厚24.0mm，長度約44.0m，單根重約88t。鋼護(hù)筒底口穿過易塌砂層，進(jìn)入穩(wěn)定細(xì)圓礫土層。鋼護(hù)筒采用整根插打方式。鋼護(hù)筒采用200t浮吊輔以兩臺APE400液壓振動(dòng)錘并聯(lián)振動(dòng)插打，并采用可調(diào)式導(dǎo)向?qū)︿撟o(hù)筒進(jìn)行定位及垂直度調(diào)節(jié)。

3.3 巖溶預(yù)注漿處理

根據(jù)逐樁鉆孔地質(zhì)勘察資料確定的溶腔情況，在鉆孔樁施工前，對溶洞填充物性不好或半填充、空洞的狀態(tài)樁基周側(cè)進(jìn)行預(yù)注漿處理。注漿范圍為溶腔底至頂1～3m，漿液為P·O42.5水泥配制的純水泥漿，水灰比0.8～1.0。注漿孔布置于護(hù)筒外側(cè)20cm，當(dāng)溶腔為空洞時(shí)，樁周均勻布設(shè)4個(gè)注漿孔，當(dāng)溶腔為填充狀態(tài)，但填充物性狀不良或?yàn)榘胩畛鋾r(shí)，樁周均勻布設(shè)8個(gè)注漿孔，以保證漿液均勻填充。

3.4 旋挖鉆鉆進(jìn)

3.4.1 泥漿制備

泥漿原材料選用不分散、低固相、高粘度的PHP優(yōu)質(zhì)膨潤土化學(xué)泥漿。泥漿由優(yōu)質(zhì)膨潤土、堿（Na2CO3）、羧甲基纖維素（CMC）和聚丙烯酰胺（PHP）等原料組成。

泥漿配合比為：水1000kg，優(yōu)質(zhì)粘土170kg，碳酸鈉3.6kg，纖維素0.08kg，聚丙烯酰胺0.04kg。

3.4.2 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

泥漿從孔口經(jīng)由出漿管進(jìn)入泥漿平臺進(jìn)行泥漿分離凈化后，進(jìn)入泥漿船，再由泥漿泵將泥漿經(jīng)由進(jìn)漿管送回孔口。主要鉆渣混合物由鉆機(jī)鉆頭攜帶至孔口儲(chǔ)渣斗內(nèi)，施工過程中采用挖掘機(jī)將鉆渣運(yùn)至指定棄渣場。泥漿循環(huán)系統(tǒng)由泥漿船、泥漿分離器、空壓機(jī)、泥漿泵等形成循環(huán)。

3.4.3 覆蓋層鉆進(jìn)

覆蓋層鉆孔深度26.5～35.7m，鉆孔施工采用德國寶峨BG46型和徐工XR550D旋挖鉆機(jī)，配Φ3.0m雙底雙開截齒鉆頭全斷面鉆進(jìn)。旋挖鉆機(jī)性能參數(shù)如下表1所示，可滿足施工需求。

表1 旋挖鉆機(jī)性能參數(shù)表

細(xì)砂層鉆進(jìn)時(shí)，采用低壓、低轉(zhuǎn)數(shù)鉆進(jìn)，并適當(dāng)增加泥漿比重和黏度。在鉆出護(hù)筒底口前后2.0m范圍，采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)數(shù)鉆進(jìn)，同時(shí)控制進(jìn)尺，以確保護(hù)筒底口部位地層的穩(wěn)定。在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，保持孔內(nèi)泥漿面高于長江水位1.5～2.0m，一直鉆至基巖頂面。旋挖鉆鉆進(jìn)參數(shù)參考表2選取，5#墩覆蓋層厚，旋挖鉆功效非常高，平均鉆進(jìn)效率為41.49m/d(折合1.73m/h)。

表2 旋挖鉆鉆進(jìn)施工參數(shù)表

3.4.4 基巖鉆進(jìn)

采用Φ1.5m、Φ2.0m、Φ3.0m直徑鉆頭分級擴(kuò)孔，碾壓破碎方式鉆進(jìn)。巖層第一級Φ1.5m鉆孔。采用牙輪巖石環(huán)切鉆頭將巖石環(huán)切，破壞巖石的完整性，截齒撈渣斗清渣，直至孔底。巖層擴(kuò)孔鉆進(jìn)。利用Φ2m和Φ3.0m破碎鉆擴(kuò)孔，采用雙底雙開撈渣鉆頭進(jìn)行鉆渣清理。巖層鉆進(jìn)過程中，泥漿比重維持不變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，5#墩基巖平均鉆進(jìn)效率為5.63m/d(折合0.234m/h)。

施工過程中通過鉆機(jī)本身的三向垂直控制系統(tǒng)反復(fù)檢查成孔的垂直度，確保成孔質(zhì)量。

5號墩樁基穿過巖溶層，巖溶由黏性土和風(fēng)化灰?guī)r碎塊全充填或半充填，雖然進(jìn)行了預(yù)注漿處理，難以保證所有溶腔得以填充及固化，為防止漏漿、塌孔，墩位處需備足泥漿、黏土、片石及泥漿泵等，以便在發(fā)生漏漿時(shí)能夠及時(shí)補(bǔ)漿。

鉆進(jìn)時(shí)，通過地勘資料、鉆壓及鉆渣判斷是否進(jìn)入巖溶層，進(jìn)入巖溶層后鉆壓會(huì)明顯下降。在巖溶頂及巖溶層鉆進(jìn)時(shí)，需減壓慢速鉆進(jìn)，并適時(shí)反轉(zhuǎn)，加固孔壁；同時(shí)，密切觀察孔內(nèi)泥漿面變化，發(fā)生漏漿時(shí)應(yīng)及時(shí)提鉆補(bǔ)泥漿，拋填碎石；待泥漿面不再下降后，再減壓慢速鉆進(jìn)，通過反轉(zhuǎn)加固孔壁。

3.5 成孔、鋼筋籠及混凝土施工

成孔、鋼筋籠及混凝土施工和一般樁基施工基本相同，鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對巖樣核對，進(jìn)行地質(zhì)及孔深確認(rèn)終孔。終孔完成后進(jìn)行檢孔，孔深和孔底沉渣采用標(biāo)準(zhǔn)錘檢測，孔徑、孔形采用超聲波測量。鋼筋籠采用胎架長線法制作。鋼筋籠通過平板車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，然后用100t門吊吊裝筋籠進(jìn)行下放。采用垂直導(dǎo)管法樁基水下混凝土灌注。采用拔球+隔水栓方式進(jìn)行樁基首批混凝土灌注。

4 結(jié)束語

新建安九鐵路鳊魚洲長江大橋5號主墩采用大型旋挖鉆施工，順利完成了所有鉆孔樁施工，工期提前45天，單樁成樁周期為12～15天，遠(yuǎn)高于其它成孔方式。相比其他鉆進(jìn)方式，大功率旋挖鉆有以下特點(diǎn)：

1.覆蓋層鉆進(jìn)效率高，適合厚覆蓋層地質(zhì)。5#墩覆蓋層厚26.5～35.7m，使用大功率旋挖鉆不到1d可鉆透覆蓋層，平均鉆進(jìn)效率為41.49m/d。

2.大功率旋挖鉆克服一般旋挖鉆扭矩傳遞較差，鉆巖能力較弱的缺點(diǎn)，在基巖鉆進(jìn)中，功效顯著。5#基巖為灰?guī)r，平均飽和強(qiáng)度達(dá)到60MPa，最大飽和抗壓強(qiáng)度90.5MPa，大功率旋挖鉆充分發(fā)揮自身扭矩大，功率大的優(yōu)勢，基巖平均鉆進(jìn)效率為5.63m/d，高于傳統(tǒng)沖擊鉆、回旋鉆工效。

3.大功率旋挖鉆自行移位迅速、配合設(shè)備少。旋挖鉆移動(dòng)方便，除了清除鉆渣，基本不需要其它配合設(shè)備。

4.大功率旋挖鉆施工，成本較大，基巖鉆進(jìn)，容易磨損鉆頭，更換費(fèi)用高。

5.號墩鉆孔樁施工后，經(jīng)超聲檢測，全部為Ⅰ類樁，可為同類工程樁基施工提供借鑒。