反循環(huán)配合旋挖鉆在樁基工程中的應(yīng)用

徐毅，韓鵬飛

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

1 引言

中山東路道路橋梁工程路線途經(jīng)汕頭市龍湖區(qū)新溪鎮(zhèn)、澄海區(qū)壩頭鎮(zhèn)和蓮下鎮(zhèn)，為2021年汕頭亞青會(huì)主場(chǎng)館與城市區(qū)的主干道，是一項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)工程，中砂大橋?yàn)樵擁?xiàng)目的控制性工程，橋梁樁基的順利施工顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)樁基成孔工藝、清孔工藝等方面已展開(kāi)了較多的探討。裴迎春[1]介紹了旋挖鉆的技術(shù)優(yōu)劣及注意事項(xiàng)，并與反循環(huán)工藝進(jìn)行對(duì)比分析。雷斌[2]分析了旋挖鉆孔工藝樁底沉渣過(guò)厚的原因，介紹了6種清孔工藝，并對(duì)比分析了各種工藝的特點(diǎn)，提出旋挖樁清孔工藝的優(yōu)化選擇方法。單慧川[3]對(duì)比分析了正循環(huán)沖擊鉆和反循環(huán)回旋鉆的鉆孔工藝及施工效果，就成孔質(zhì)量、成孔效率、成本消耗等方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

目前，對(duì)樁基鉆孔工藝及清孔工藝的研究較多，但對(duì)不同鉆機(jī)結(jié)合使用的研究較少，本文著重分析反循環(huán)配合旋挖鉆工藝的應(yīng)用，該工藝較常規(guī)施工工藝能有效提高施工效率，保證成樁質(zhì)量，為類(lèi)似工程施工提供參考。

2 工程概況

中砂大橋全長(zhǎng)1.325 km，主橋?yàn)?0m+180m+80 m跨徑布置的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，全橋樁基共212根，其中，φ1.2 m樁基28根，φ1.8 m樁基48根，φ2m樁基112根，φ2.5 m樁基24根（主墩樁基），基礎(chǔ)形式均為群樁，樁基類(lèi)型以嵌巖樁為主。

3 方案比選

樁基鉆進(jìn)方案主要有3種：沖擊鉆進(jìn)、旋挖鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)；清孔方案主要有4種：泥漿正循環(huán)、泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)、無(wú)泥漿循環(huán)。上述工藝優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 樁基鉆進(jìn)及清孔優(yōu)缺點(diǎn)一覽表

因旋挖鉆進(jìn)尺速度最快，反循環(huán)鉆機(jī)自帶有氣舉反循環(huán)清孔設(shè)備，經(jīng)綜合考慮工程的工期、造價(jià)要求，最終采用反循環(huán)配合旋挖鉆的施工工藝，由反循環(huán)鉆進(jìn)土層、旋挖鉆進(jìn)巖層、再由反循環(huán)清孔。

4 施工工藝

4.1 施工流程

樁基施工流程圖如圖1所示。

4.1.1 施工準(zhǔn)備

由于主墩樁基位于河道中，需在樁基施工前進(jìn)行鋼平臺(tái)搭設(shè)，鋼平臺(tái)鋼管樁采用釣魚(yú)法打設(shè)，鋼平臺(tái)為上承式結(jié)構(gòu)，從上至下依次為花紋鋼板面板、縱向分配梁、橫向分配梁、321型貝雷梁、主梁、鋼管樁基礎(chǔ)。

圖1 樁基施工流程圖

4.1.2 測(cè)量放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，用全站儀坐標(biāo)放樣法確定樁中心位置，為后續(xù)鋼護(hù)筒打設(shè)提供依據(jù)。

4.1.3 鋼護(hù)筒打設(shè)

主墩樁基直徑為2 500 mm，采用外徑2 800 mm、壁厚22mm、長(zhǎng)度30m的鋼護(hù)筒，通過(guò)打樁船進(jìn)行打設(shè)。

4.1.4 鉆機(jī)就位

受現(xiàn)場(chǎng)條件影響，鋼護(hù)筒定位時(shí)存在誤差，鉆機(jī)就位前需重新復(fù)核樁中心位置，及時(shí)做好標(biāo)記，保證鉆頭中心與樁中心重合。

4.1.5 泥漿制備

樁基施工采用輕質(zhì)環(huán)?；瘜W(xué)泥漿，泥漿制備采用原狀土，適量添加純堿及羧甲基纖維素鈉（CMC）以提高泥漿化學(xué)性能，不同土質(zhì)應(yīng)采用不同性能指標(biāo)的泥漿，泥漿比重、黏度應(yīng)隨土樣大顆粒的增多而增加。

4.1.6 反循環(huán)鉆進(jìn)

鉆機(jī)安裝就位后，調(diào)整底座并保持平穩(wěn)，鉆孔作業(yè)采用減壓鉆進(jìn)，根據(jù)不同土層選擇與之相適應(yīng)的進(jìn)尺和轉(zhuǎn)速，每鉆進(jìn)2m或地層變化時(shí)，在泥漿池中撈取鉆渣樣品，查明渣樣并記錄，以便與地質(zhì)剖面圖核對(duì)，鉆進(jìn)過(guò)程中需關(guān)注護(hù)筒內(nèi)水位的變化，隨時(shí)準(zhǔn)備泥漿泵進(jìn)行補(bǔ)漿，保持護(hù)筒內(nèi)水位高出自然水位的1～2m，以保持孔內(nèi)水壓，穩(wěn)定孔壁。

當(dāng)反循環(huán)鉆進(jìn)至強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)，進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)備的更換，采用旋挖鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，反循環(huán)設(shè)備進(jìn)行下一樁位的鉆進(jìn)。

4.1.7 旋挖鉆入巖

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知，對(duì)于中風(fēng)化巖層，同設(shè)備進(jìn)尺效率比約為：旋挖鉆∶反循環(huán)∶沖擊鉆=1∶0.33 ∶0.25 ；3種設(shè)備每米進(jìn)尺的單價(jià)比約為：旋挖鉆∶反循環(huán)∶沖擊鉆=1∶1.15 ∶0.39 ；反循環(huán)擴(kuò)孔系數(shù)最小，約為1.04 ；旋挖鉆次之，約為1.06 ；沖擊鉆最大，約為1.16 。

考慮工期的影響，優(yōu)先采用旋挖鉆鉆進(jìn)巖層。旋挖鉆采用牙輪或截齒筒鉆取芯鉆進(jìn)成孔，由于主墩樁徑為2.5 m，需采取分級(jí)擴(kuò)孔，擴(kuò)孔級(jí)數(shù)為2級(jí)，按φ1m、φ2m和φ2.5 m分級(jí)成孔。鉆進(jìn)過(guò)程中需保持鉆桿垂直，嚴(yán)格控制鉆頭在孔內(nèi)的升降速度，避免塌孔。

4.1.8 終孔、反循環(huán)清孔

經(jīng)實(shí)踐證明，相同條件下，正循環(huán)清孔時(shí)間約為反循環(huán)清孔時(shí)間的4倍。另由于旋挖鉆鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的顆粒，采用泥漿正循環(huán)清孔無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，因此，采用氣舉反循環(huán)進(jìn)行清孔。

當(dāng)孔深達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，旋挖鉆繼續(xù)進(jìn)行下一樁位鉆進(jìn)，更換反循環(huán)進(jìn)行清孔（見(jiàn)圖2），下放反循環(huán)鉆桿，同時(shí)，在反循環(huán)鉆頭上加設(shè)4根鋼絞線，以發(fā)揮掃渣的作用，保證清孔效果良好。當(dāng)沉渣厚度及泥漿指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求后，撤出反循環(huán)設(shè)備進(jìn)行鉆孔復(fù)測(cè)。

圖2 反循環(huán)清孔

4.1.9 孔徑、孔深、傾斜度復(fù)核

清孔完成后，需對(duì)孔深、孔徑、鉆孔傾斜度進(jìn)行再次復(fù)核（見(jiàn)圖3），采用專(zhuān)用勘探設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)無(wú)誤后進(jìn)行鋼筋籠下放。

圖3 樁基孔檢復(fù)核

4.1.10 鋼筋籠安裝

鋼筋籠采用長(zhǎng)線法加工制作，分節(jié)倒運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。鋼筋籠下放前需再次復(fù)核樁中心，并通過(guò)樁基中心坐標(biāo)反算樁頂鋼筋籠定位筋的長(zhǎng)度，確保鋼筋籠安裝時(shí)，鋼筋籠中心與樁中心重合。

4.1.11 安裝導(dǎo)管

導(dǎo)管安裝前，需進(jìn)行泌水性試驗(yàn)，保證導(dǎo)管止水性良好；為保證首灌混凝土的密實(shí)性，要求導(dǎo)管底至樁底間距約為0.4 m。安裝導(dǎo)管后進(jìn)行二次清孔，保證泥漿指標(biāo)及沉渣厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1.12 灌注水下混凝土

首批灌注混凝土的方量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“首灌方量”）應(yīng)能滿足首次埋深（≥1m）和填充導(dǎo)管底部的需要，所需方量可依據(jù)JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[3，4]中的首灌公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，V為灌注首批混凝土所需數(shù)量，m3；D為樁孔直徑，m；H1為樁孔底至導(dǎo)管底端間距，一般為0.4 m；H2為導(dǎo)管初次埋置深度，m；d為導(dǎo)管內(nèi)徑，m；h1為樁孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋置深度H2時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱平衡導(dǎo)管外（或泥漿）壓力所需的高度，m。經(jīng)計(jì)算，首灌方量約為8m3。

為保證首灌方量，首次灌注混凝土?xí)r，采用2輛罐車(chē)同時(shí)灌注，單罐車(chē)放料速度為4m3/min；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，當(dāng)灌注1m in時(shí)，料斗內(nèi)混凝土不再滿布料斗底，料斗尺寸為5m3。經(jīng)計(jì)算可知，采用兩罐車(chē)同時(shí)灌注時(shí)，當(dāng)料斗內(nèi)混凝土不再滿布料斗底時(shí)，所灌注方量總為5+4×2=13m3，滿足首灌方量要求。

首次灌注完成后，按照導(dǎo)管埋深2～6m的要求繼續(xù)灌注混凝土，需保證混凝土灌注的連續(xù)性，直至灌注超出樁頂標(biāo)高0.5 ～1m，此時(shí)完成樁基施工。

5 施工中的創(chuàng)新點(diǎn)

樁基礎(chǔ)系橋梁結(jié)構(gòu)的隱蔽性工程，且是橋梁的主要受力結(jié)構(gòu)，其高質(zhì)量對(duì)整個(gè)橋梁工程尤為重要，本橋梁主橋樁基通過(guò)優(yōu)化鉆孔、清孔工藝，保證了成樁質(zhì)量及工程進(jìn)度，改進(jìn)首灌方式，提高了灌注混凝土的靈活性：

1）對(duì)于中風(fēng)化巖層，旋挖進(jìn)尺效率為反循環(huán)的3倍，故采用反循環(huán)配合旋挖的鉆進(jìn)工藝，由反循環(huán)鉆進(jìn)樁基上部的軟弱土層，旋挖鉆進(jìn)以中風(fēng)化為代表的堅(jiān)硬巖層，保證進(jìn)尺效率，提供進(jìn)度保障。

2）旋挖終孔后，采用反循環(huán)鉆機(jī)并于鉆頭加鋼絞線的方式對(duì)樁底進(jìn)行掃孔清孔，以控制沉渣厚度，保證成樁質(zhì)量。

3）采用兩罐車(chē)同時(shí)放料的方式保證首灌方量，間接地減小了料斗的體積，提高了混凝土灌注的靈活性。

4）采用旋挖鉆進(jìn)中風(fēng)化，進(jìn)尺深度5m需要約27 h；采用反循環(huán)鉆機(jī)中風(fēng)化層，進(jìn)尺深度5m需要約76 h。對(duì)于主橋樁基，采用旋挖鉆替代反循環(huán)鉆進(jìn)中風(fēng)化層，可節(jié)約工期約25 d。

6 工藝實(shí)施效果

采用旋挖鉆配合反循環(huán)的施工工藝，提高了鉆進(jìn)速度，為工程進(jìn)度提供了保障。采用靈活的清孔方式及首灌方式，保證了樁基質(zhì)量。經(jīng)檢測(cè)，樁基合格率為100%，減少了鉆孔平臺(tái)等臨措的租賃時(shí)間，降低了成本，為后續(xù)分項(xiàng)的順利施工奠定了基礎(chǔ)。

7 效益評(píng)估

對(duì)于中風(fēng)化巖層，旋挖鉆進(jìn)尺速度約為反循環(huán)的3倍，采用旋挖鉆進(jìn)硬質(zhì)巖層，反循環(huán)鉆進(jìn)軟弱巖層，能極大地發(fā)揮鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約工期約25 d。

較快的鉆進(jìn)速度減少了鉆孔平臺(tái)的租賃時(shí)間，節(jié)約租賃費(fèi)用約10萬(wàn)元。

通過(guò)靈活的清孔方式及首灌方式能極大地保證了樁基質(zhì)量，為后續(xù)分項(xiàng)的順利施工提供了保障。

8 結(jié)語(yǔ)

樁基礎(chǔ)是橋梁工程的承重部位，其施工工藝的優(yōu)質(zhì)、高效十分重要。本工程通過(guò)采用反循環(huán)配合旋挖鉆的施工工藝，對(duì)樁基鉆進(jìn)及清孔進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)，改進(jìn)了首次灌注混凝土的方式，提高了混凝土灌注的靈活性，保證了工程進(jìn)度，提高了工程質(zhì)量，可為后續(xù)類(lèi)似工程施工提供參考。