旋挖鉆與回旋鉆組合施工工藝在大直徑超長(zhǎng)樁中的應(yīng)用*

胡 堯，劉 注

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210000； 2.中交路橋華東工程有限公司，上海 201210)

0 引言

隨著橋梁施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，大直徑超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)在大型橋梁中應(yīng)用越來(lái)越普遍。目前成熟的樁基成孔施工工藝有人工挖孔施工、沖擊鉆成孔施工、回旋鉆成孔施工和旋挖鉆成孔施工4種施工工藝，大直徑超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)一般采用回旋鉆成孔施工和旋挖鉆成孔施工。回旋鉆成孔施工費(fèi)用低、適用范圍廣、孔身垂直度高，但成孔效率低。旋挖鉆成孔施工效率高，成孔速度快，但在超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)中應(yīng)用較少，容易出現(xiàn)斜孔，成孔質(zhì)量不易保證[1]。如何充分發(fā)揮回旋鉆成孔和旋挖鉆成孔兩種不同施工工藝優(yōu)點(diǎn)，在保證成孔質(zhì)量的前提下提高成孔效率，對(duì)大直徑超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)施工具有重要意義。

本文以龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋北塔樁基礎(chǔ)施工為背景，對(duì)大直徑超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)分別采用回旋鉆成孔和“旋挖鉆引孔，回旋鉆接力鉆進(jìn)至成孔”兩種施工工藝進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定了“旋挖鉆引孔50m，回旋鉆接力鉆進(jìn)至成孔”的組合施工工藝，解決了大直徑超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)單一采用旋挖鉆成孔深度不足和成孔質(zhì)量控制難度大，以及單一采用回旋鉆成孔效率低的問(wèn)題，為類似工程的建設(shè)提供了參考。

1 工程概況

龍?zhí)哆^(guò)江通道工程線路起自儀征境內(nèi)江北長(zhǎng)江大堤，向南跨江，經(jīng)南京龍?zhí)叮褂谂c338省道交叉處，路線全長(zhǎng)約5km，跨江主橋采用主跨1 560m 單跨鋼箱梁懸索橋。

北塔設(shè)計(jì)采用摩擦樁基礎(chǔ)，以弱膠結(jié)含礫砂巖作為基礎(chǔ)持力層，行列布置52根φ2.8m樁基，樁長(zhǎng)92m，屬典型大直徑超長(zhǎng)樁，如圖1所示。

圖1 北塔基礎(chǔ)構(gòu)造(單位：cm)

本工程橋址位于長(zhǎng)江灘涂區(qū)，地面以下130m范圍內(nèi)均以中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為主，夾雜粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、疏松砂巖、中風(fēng)化砂巖、弱膠結(jié)含礫砂巖等，樁端持力層(標(biāo)高-92.000m處)均為弱膠結(jié)含礫砂巖。北塔樁基頂面高程為±0.000， 地質(zhì)柱狀如圖2所示。

圖2 北塔基礎(chǔ)地質(zhì)柱狀示意

2 成孔方案比選

2.1 回旋鉆成孔

根據(jù)設(shè)備最大鉆進(jìn)深度和孔徑，選擇投入5臺(tái)ZJD4000-350型全液壓氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)進(jìn)行成孔，回旋鉆采用刮刀鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。首輪5根樁基最短成孔時(shí)間300h，最長(zhǎng)成孔時(shí)間345h，具體成孔時(shí)間及成孔質(zhì)量如表1所示。

表1 首輪樁基成孔時(shí)間及成孔質(zhì)量

從首輪5根樁基成孔時(shí)間和成孔質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況可知，回旋鉆成孔質(zhì)量可靠，孔身垂直度偏差遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的1%。但回旋鉆成孔效率低，最短成孔時(shí)間也需300h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了10d灌注1根樁的計(jì)劃要求，故采用單一回旋鉆成孔方案不可取。

2.2 旋挖鉆與回旋鉆組合成孔

為提高樁基成孔效率，根據(jù)成孔直徑選擇投入一臺(tái)SWDM550旋挖鉆機(jī)進(jìn)行引孔作業(yè)，引孔深度70m。旋挖鉆機(jī)引孔完成后，由回旋鉆接力鉆進(jìn)至成孔。36號(hào)樁基采用組合成孔施工工藝后，旋挖鉆引孔時(shí)間27h，回旋鉆接力鉆進(jìn)時(shí)間108h，合計(jì)成孔時(shí)間僅需135h，成孔垂直度偏差1.2%。

由首根36號(hào)樁基采用組合成孔施工工藝情況可知，組合成孔施工工藝能顯著縮短樁基成孔時(shí)間。但受旋挖鉆自身性能影響，在地面以下50m范圍孔身垂直度明顯下降，垂直度偏差超過(guò)了規(guī)范1%的要求，需要進(jìn)行掃孔處理。掃孔大大延長(zhǎng)了樁基施工時(shí)間，且?guī)?lái)較大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。為了兼顧成孔質(zhì)量和成孔效率，項(xiàng)目最終采用了旋挖鉆引孔50m，回旋鉆接力鉆進(jìn)至成孔的組合施工工藝。

3 組合成孔施工工藝流程及注意事項(xiàng)

組合成孔施工工藝重點(diǎn)在于成孔的連續(xù)性，旋挖鉆引孔后等待時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則極易引起塌孔事故發(fā)生[2]。因此需合理安排旋挖鉆引孔時(shí)間，盡量在引孔完成2d內(nèi)進(jìn)行回旋鉆接力鉆進(jìn)。

3.1 旋挖鉆引孔施工

1)旋挖鉆引孔前準(zhǔn)備工作 ①準(zhǔn)備成孔施工相關(guān)工具，如泥漿三件套、pH試紙、渣樣盒、鋼絲測(cè)繩等；②儲(chǔ)備造漿、調(diào)漿材料，如膨潤(rùn)土(造漿)、CMC(增黏劑)、純堿(調(diào)節(jié)酸堿度)等；③對(duì)鋼護(hù)筒垂直度進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)收，鋼護(hù)筒垂直度需≤1%；④旋挖鉆機(jī)就位，鉆機(jī)定位要準(zhǔn)確、穩(wěn)固，鉆機(jī)鉆桿中心線、回旋盤中心線、護(hù)筒中心線應(yīng)保持在同一直線；⑤旋挖鉆機(jī)就位后，利用自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)整其垂直度。鉆機(jī)安放定位時(shí)，機(jī)座要平整，機(jī)塔要垂直，轉(zhuǎn)盤(鉆頭)中心與護(hù)筒十字線中心對(duì)正，就緒后注入合格的優(yōu)質(zhì)泥漿，開(kāi)始鉆孔。

2)旋挖鉆引孔施工 ①旋挖鉆機(jī)配直徑2.8，2.0m鉆頭各一個(gè)，鉆頭高度1.0m，引孔作業(yè)首先采用直徑2.0m鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度50m，然后更換2.8m鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)；②鉆進(jìn)過(guò)程中采用孔外造漿對(duì)孔內(nèi)泥漿漿液進(jìn)行補(bǔ)充，確保水頭壓力；③旋挖鉆機(jī)工作時(shí)在原地作整體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鉆進(jìn)約3～5min提鉆一次傾倒鉆渣，施工平臺(tái)設(shè)置型鋼渣箱，渣箱裝滿后及時(shí)將鉆渣轉(zhuǎn)運(yùn)至棄渣場(chǎng)。

3.2 回旋鉆接力鉆進(jìn)施工

1)回旋鉆接力鉆進(jìn)前準(zhǔn)備工作 ①測(cè)量鉆頭直徑、鉆頭長(zhǎng)度、鉆尖長(zhǎng)度、鉆桿直徑、鉆機(jī)高度，并做好詳細(xì)記錄；②測(cè)量鉆孔平臺(tái)標(biāo)高，作為測(cè)量孔深基準(zhǔn)面；③回旋鉆機(jī)平面限位焊接，防止鉆進(jìn)至堅(jiān)硬巖層時(shí)，機(jī)身移動(dòng)導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)；④對(duì)鉆機(jī)和配套設(shè)備等進(jìn)行全面檢查，確保設(shè)備平面位置、垂直度及設(shè)備性能等滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范及使用要求后方可鉆進(jìn)作業(yè)。

2)回旋鉆接力鉆進(jìn)施工 ①采用ZJD4000型回旋鉆機(jī)配2.8m刮刀鉆頭接力鉆進(jìn)，鉆進(jìn)前緩慢掃孔至引孔標(biāo)高，防止直接接力鉆進(jìn)導(dǎo)致接頭錯(cuò)臺(tái)；②鉆進(jìn)過(guò)程中每6h檢測(cè)一次泥漿指標(biāo)，若泥漿指標(biāo)檢測(cè)不合格應(yīng)停止鉆進(jìn)，待泥調(diào)整合格后方可繼續(xù)鉆進(jìn)；③鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)照地質(zhì)圖，每隔3m以及地層變化處進(jìn)行巖樣取樣；④終孔后采用鉆機(jī)氣舉法換漿清孔，第1次清孔泥漿指標(biāo)滿足要求后，提鉆進(jìn)行超聲波檢孔。第1次清孔后泥漿性能指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范[3]要求，如表2所示。

表2 泥漿性能控制指標(biāo)

3.3 組合成孔施工注意事項(xiàng)

1)旋挖鉆鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的反力較大，須確保鉆孔平臺(tái)承載能力滿足要求。

2)開(kāi)鉆前提前計(jì)劃樁基施工順序，相鄰2根樁不得同時(shí)開(kāi)鉆，以免擾動(dòng)孔壁，發(fā)生串孔事故。

3)開(kāi)鉆前需儲(chǔ)備足夠數(shù)量的優(yōu)質(zhì)泥漿，如發(fā)生漏漿情況，及時(shí)補(bǔ)充泥漿，確保孔內(nèi)水頭高度始終高于孔外水頭高度，防止坍塌事故。

4)砂巖地層鉆進(jìn)時(shí)，需減壓鉆進(jìn)，放慢鉆進(jìn)速度，從而減小鉆機(jī)抖動(dòng)，避免孔徑變大，防止混凝土灌注過(guò)多。

5)在地質(zhì)變化處減速鉆進(jìn)，反復(fù)進(jìn)行掃孔，防止產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。

6)旋挖鉆引孔完成后，采用超聲波檢孔儀進(jìn)行孔身垂直度檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)孔壁傾斜，回旋鉆接力時(shí)，需從傾斜處開(kāi)始掃孔，糾正孔身垂直度，避免回旋鉆順著傾斜孔壁鉆進(jìn)，導(dǎo)致傾斜度偏差超過(guò)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求[4]。

7)旋挖鉆引孔須離已成孔樁基10m以上，防止旋挖鉆鉆進(jìn)擾動(dòng)地層，導(dǎo)致已成孔樁基發(fā)生塌孔，造成嚴(yán)重質(zhì)量事故。

4 組合成孔施工工藝應(yīng)用效果

采用回旋鉆成孔時(shí)，單根樁基施工時(shí)間需要15d，計(jì)劃需要130d才能完成全部樁基施工。采用旋挖鉆引孔50m、回旋鉆接力鉆進(jìn)至成孔組合施工工藝后，單根樁基施工時(shí)間僅需8d，累計(jì)84d完成了全部樁基施工，較計(jì)劃工期提前46d完成了全部樁基施工，施工效率大大提高。

9號(hào)樁基采用了組合成孔施工工藝，孔身垂直度偏差為0.45%，滿足規(guī)范要求，成孔質(zhì)量可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

大直徑超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)在大型橋梁中扮演著重要的角色，其施工方法多樣，但無(wú)論是采用旋挖鉆成孔，還是采用回旋鉆成孔，均有其不足之處。龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋北塔樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中通過(guò)對(duì)不同成孔工藝進(jìn)行比較，取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)行工藝組合，彌補(bǔ)了兩種成孔工藝的不足，充分發(fā)揮了旋挖鉆鉆進(jìn)速率快、回旋鉆鉆進(jìn)深度大和成孔質(zhì)量高的特點(diǎn)，在保證超長(zhǎng)大直徑樁成孔效率的同時(shí)保證了成孔質(zhì)量，為今后類似大直徑超長(zhǎng)樁施工提供了借鑒。