全套管全回轉鉆機與旋挖鉆機組合在薄覆蓋層硬質河床引孔中的應用*

賀紅星，鄧運生，董 義，張晉華，田 浩，謝 衛，沈博聞

(1.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430071)

0 引言

在施工水中承臺時，因應用條件廣泛、強度剛度穩定性好、工效高、止水效果好等特點，鎖扣鋼管樁圍堰被廣泛應用。然而普通的鎖扣鋼管樁圍堰施工仍具有一定局限性，其施工一般作用在砂類土、半干性黏土、較軟的全風化巖層。對于覆蓋層薄或較硬的強、中風化巖層及大粒徑卵石層地層，鎖扣鋼管樁無法打入，如利用大功率振動錘強行打設，會造成鋼管樁底部變形，進而影響圍堰止水效果。因此，須先采用引孔施工工藝在薄覆蓋層硬質河床上進行引孔，孔深至中風化巖，然后再沿孔位逐個打入鎖扣鋼管樁，才能保證圍堰的止水效果及穩定性要求。

贛州市蟠龍大橋17，18號主墩為水中墩，18號主墩處河床覆蓋層更薄，圍堰要求進入中風化巖層更深，為最不利工況。因此，以贛州市蟠龍大橋水中18號主墩鎖扣鋼管樁圍堰引孔施工為研究對象，在傳統水中鋼圍堰引孔施工技術中，通常采用槽鋼焊接在作業鋼平臺上作為導向架，然后在導向架內放入鋼套管，采用沖擊鉆機進行引孔。在此施工過程中導向架需不斷拆改，費時費工，而且增加了空中吊裝及水上焊接工作，作業安全性差；鋼套管的接長施工也涉及水上焊接，進一步增加了施工安全隱患；而且水中沖擊鉆引孔過程中需設置泥漿池，對環境存在不利影響，同時沖擊鉆施工效率低、工期長；無論是沖擊鉆成孔還是振動下沉鋼套管的過程中，導向架都會造成擾動，影響施工精度，導致引孔質量差。采用傳統水中圍堰引孔技術無法滿足蟠龍大橋工程施工要求。

贛州市蟠龍大橋工程18號墩鎖扣鋼板樁圍堰引孔，采取旋挖鉆機與全套管全回轉鉆機聯合，是一種降本增效、安全性好、綠色環保、引孔精度高、成孔質量好的水中圍堰引孔施工方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

贛州市蟠龍大橋工程由北向南跨越章江，北接經開區工業一路，南接蓉江新區蓉江一路。本文研究對象為水中18號墩圍堰引孔作業。18號墩圍堰設計頂標高為104.750m，設計底標高為88.750m，底部進入中風化層。其中，18號主墩圍堰引孔情況如下：引孔直徑1.2m，引孔深度6.55m，入強風化巖層3.94m，入中風化巖層1.69m，合計75個孔。

1.2 工程環境條件

18號墩實測水深6.8m，河床以下地層分別為⑥1淤泥質粉砂(1.0m)、⑦圓礫(0.5m)、⑨強風化泥質粉砂巖(3.1m)、⑩中風化泥質粉砂巖。承臺底位于⑨強風化泥質粉砂巖層。18號墩處工程地質概況如圖1所示。各土層相關參數設計值如表1所示。此處河床特點為薄覆蓋層硬質河床，采用常規手段插打鋼管樁會造成鋼管樁因地質較硬無法插打進入且鋼板樁變形較大，影響施工質量。

表1 各巖土層物理力學參數設計建議值

圖1 18號主墩處工程地質概況(單位：cm)

同時，施工點靠近贛州市取水點，環保要求高；贛州汛期為“桃花汛”(3月底至4月底)，相較于常規“夏汛”(6月底至9月底)，汛期更早。圍堰引孔工期壓力大。

2 水中圍堰引孔作業方案比選

通過以上數據及圖表，在選擇最合適的水中圍堰引孔方案時應重點分析如下5點因素。

1)水中鋼圍堰引孔施工需穿過粒徑較大、成分復雜的多重土層，引孔施工過程中在無護壁的情況下，孔槽極易塌陷，成孔效率低下。保證引孔的成功率直接決定圍堰的成功。

2)水中鋼圍堰引孔施工精度要求高，因此引孔導向需較高精度，若因導向精度問題導致引孔孔位偏差，鎖扣鋼管樁將無法下放到位，影響圍堰止水效果和穩定性。

3)因蟠龍大橋橋位靠近贛州市自來水廠取水點，環保要求高，因此在此過程中需盡量避免環境污染和隱患。

4)在現狀條件下，水上鋼圍堰引孔施工屬于危險性較大工程，特別是水上吊裝及水上焊接施工，存在較大安全隱患，應在保障精度及成功率的前提下，盡量通過優化工藝更好地組合施工機械和設備。盡量減少水上吊裝及水上焊接等危險性較大施工工序。

5)贛州汛期較早，工期要求緊，對施工工藝提出更高要求，必須考慮水中鋼圍堰引孔施工速度。

水中鎖扣鋼管樁圍堰引孔方案比選分析如表2所示。綜合考慮以上5個因素，正式施工前便采用3種引孔施工方案展開試引孔。

表2 引孔工藝比選

3 全套管全回轉鉆機與旋挖鉆機組合應用研究

3.1 水上作業鋼平臺

18號墩圍堰作業處于水中，無現成作業面，因此需先施工鋼棧橋打設引孔作業平臺。該作業鋼平臺主要為解決旋挖鉆機、全套管全回轉鉆機及履帶式起重機配合施工問題，保證水上作業鋼平臺能同時承受旋挖鉆機、全套管全回轉鉆機及履帶式起重機等重型機械及各類材料堆放的作用力。本工程制作水上施工鋼平臺，該水上作業鋼平臺從下到上分別由φ630×10鋼管樁、雙拼I45a、321貝雷架、I25(間距0.3m)、10mm厚鋼板、1.2m高護欄組成，同時在相鄰鋼管樁通過φ200×6平聯、[20剪刀撐及連接板聯系，使鋼平臺構成整體，有力保證作業平臺的強度、剛度及穩定性。施工鋼平臺設計如圖2所示，水上施工鋼平臺引孔槽實景如圖3所示。

圖2 水上施工鋼平臺設計

圖3 水上施工鋼平臺引孔槽實景

3.2 定位箱板引孔導向

目前在鋼平臺上焊接導向架是水中圍堰引孔施工的一種常用導向方式，但在引孔施工過程中，不僅每個孔位都需焊接導向架，在咬合孔位引孔前，還需將之前孔位的導向架全部拆除，再重新拼裝焊接固定導向架在咬合孔位上，拼裝及焊接費工費時，吊裝及轉運設備多，頻繁的高空及水上吊裝、焊接作業安全性差、施工費用高。尤其對于工期緊、施工難度大、精度要求高的水中鋼圍堰引孔施工，這些問題更加凸顯。

本工程設計了一種定位箱板，定位箱板直接放置于水上作業鋼平臺并固定后，全回轉鉆機沿定位導向孔下放鋼套管進行引孔。定位箱板上導向孔位施工完成，直接將定位箱板平移1個孔位直徑，即可為下一孔序進行精確導向，施工快速簡便，省時省工。定位箱板實景如圖4所示。

圖4 定位箱板實景

定位箱板的應用能有效降低作業難度、加快作業進度、減少機械設備、保證施工安全、節約作業成本。

3.3 全套管全回轉鉆機及旋挖鉆機組合施工

全回轉鉆機定位安置于定位箱板上，通過鉆機夾具夾住鋼護筒定位下放，將套管緩慢壓入砂石層，采用旋挖鉆機在套管內出土。鋼護筒再繼續鉆進，當鋼護筒無法鉆進或出現傾斜時，用旋挖鉆機超前取土，取土后再放入旋挖鉆機鉆頭至孔底，利用鉆頭超前與土體間的扶正作導向，使鋼護筒順著鉆頭的外邊緣下壓，旋挖鉆機鉆頭鉆進與鋼護筒下壓間的銜接以≤1m為區間下壓1次，直至到達樁底。取土完成后，采用水泵在套管內抽水。抽完水后，護筒內回填黏土，每回填1m高后用旋挖鉆機鉆頭壓實?；靥铕ね林梁哟裁嬉陨?00mm并拔出鋼護筒，回填高程控制采用測繩，在此過程中要多次控制測量，完成水中鋼圍堰孔位引孔。全套管全回轉鉆機與旋挖鉆機組合施工實景如圖5所示。

圖5 全套管全回轉鉆機與旋挖鉆機組合施工實景

3.4 工程應用效果分析

本工程18號水中墩處為薄覆蓋層硬質河床，在施工此處水中圍堰時，采用旋挖鉆機同全套管全回轉鉆機組合施工工藝，相較于傳統水中圍堰引孔施工工藝，既發揮了全套管全回轉鉆機大扭矩切割和下套管的優勢，又利用了旋挖鉆機快速取土的功能，施工工效高，每個孔位成孔時間減少3h，工效提升約50%，可滿足工程快速施工要求。

該施工點靠近居民區和水廠取水點，噪聲及環保要求高，經過現場實測，全套管全回轉鉆機與旋挖鉆機聯合施工現場最大聲音強度≤60dB，相較于傳統沖擊鉆引孔施工中的85dB，聲音強度值降低約40%，能滿足施工噪聲要求。同時，該施工工藝不用設置泥漿池，也可滿足綠色環保的施工要求。

4 結語

本工程采取全套管全回轉鉆機同旋挖鉆機在薄覆蓋層硬質河床主墩鋼圍堰引孔施工中的組合作業，不僅展現了全套管全回轉鉆機扭矩大及套管下放的特點，而且發揮了旋挖鉆機高效出土的作用；同時，不用設置泥漿池，滿足了施工區域環保要求；通過水中作業鋼平臺的應用，解決了大噸位施工機械共同作業承載力的問題；通過定位箱板的應用，解決了傳統引孔導向架施工復雜、安全性差、費用高的問題。

綜上所述，全套管全回轉鉆機與旋挖鉆機在薄覆蓋層硬質河床主墩鋼圍堰引孔施工中的應用，充分利用了各機械性能優點，可有效減小作業難度、推動作業進度、保障作業安全、降低作業成本及避免環境污染。

隨著國內基礎設施的跨越式發展，大跨度水上橋的大力建設，水中圍堰引孔需求的進一步提高，同時隨著國家對環境保護的愈發重視，相信該工法在將來水中引孔作業中會被大力推廣。