旋挖鉆在跨河道橋梁工程卵石地層中的成功應用

張佳

（中鐵十五局集團第四工程有限公司，河南鄭州450000）

0 引言

為提高跨河道橋梁工程施工效率和成樁質量，可采用旋挖鉆施工技術，其間需科學選擇鉆機、鉆桿、鉆頭，合理配制泥漿材料，這樣才可以順利穿越卵石土地層，提高鉆孔效率。在河南省新鄭市郊跨河道西關橋工程中，采用旋挖鉆鉆孔施工方式穿越卵石土層，大大提高了鉆孔效率，且成樁質量好，環境污染小，該工程得到業主肯定。

1 工程及地層條件

新鄭市西關橋是市郊跨越河道的一座重要橋梁，處于承東啟西重要交通節點，河道寬度約120m。因建設年代久遠，該橋梁已不能滿足防洪和城市發展需要，需在原址實施新建橋梁工程。樁基為摩擦樁，采用鉆孔灌注樁施工技術，最大樁徑1.8m，樁長60m。

橋梁場地處于第四紀晚更新世沖積形成地層，主要為粉細砂、粉土、粉質黏土層，中間夾有一定厚度的卵石土地層，且粒徑較大，卵石最大粒徑達15cm。由于受河道地下水的不斷滲透，卵石土地層比較松軟，鉆進施工過程中沖擊荷載過大，容易導致卵石土層塌方，這為樁基成孔帶來了很大難度。

2 鉆機、鉆桿、鉆頭選擇

2.1 鉆機

根據西關橋所處位置的地質條件，可以選用沖擊鉆和旋挖鉆。因該橋處于承東啟西的重要交通節點，故政府高度重視，對環保要求較高，工期緊，任務重。為盡早打通交通咽喉西關橋，滿足業主要求，需選擇設備性能先進、自動化程度高、勞動強度低、鉆進效率高、成樁質量好、環境污染小的鉆孔設備。

旋挖鉆機雖受地層地質情況的制約較大，面對硬巖層，較致密的卵礫石、孤石層，鉆孔施工比較困難，但可以針對硬巖層、粒徑超過100mm的卵石層、直徑大于200mm的漂石地層，配備筒式取芯鉆頭、沖抓錐鉆頭及螺旋鉆頭，克服施工困難。

2.2 鉆桿

根據不同的鉆進加壓方式，鉆桿分為兩種類型，即摩擦加壓式鉆桿和機鎖加壓式鉆桿。

摩擦加壓式鉆桿一般用于較軟地層的鉆孔施工，這類鉆桿可鉆進淤泥層、泥土、（泥）砂層、卵（漂）石層；機鎖加壓式鉆桿可鉆進淤泥層、泥土、（泥）砂層、卵（漂）石層和強風化巖層。

2.3 鉆頭

常見的鉆頭有旋挖斗筒式取芯鉆頭、螺旋鉆頭、沖擊鉆頭、擴底鉆頭、沖抓錐鉆頭等。接下來主要介紹適用于該項目的旋挖斗筒式取芯鉆頭和螺旋鉆頭。

2.3.1 旋挖鉆斗

按開門數量旋挖鉆斗可分為雙開門斗和單開門斗。雙門鉆斗適用地層范圍較大，單門鉆斗只適用于大直徑的卵石及硬膠泥。

2.3.2 螺旋鉆頭

直螺旋鉆頭：雙頭雙螺，適用于砂土，膠結差的小直徑礫石層；雙頭單螺，適用于砂土層；單頭單螺，適用于膠結差的大直徑卵石，黏性土及硬膠泥。

錐形：雙頭雙螺，適用于堅硬基巖；雙頭單螺,適用于風化基巖、卵石含冰凍土等。

2.4 選擇

根據現場實際情況，選擇使用三一重工生產的SYR-200型旋挖鉆機，動力頭最大扭矩200kN·m，轉速8～27r/min，不帶鉆桿時整機重量60t，最大鉆孔深度65m，最大鉆孔直徑2m。采用機鎖式鉆桿，同時由于該地層較為致密，且卵石粒徑較大，采用雙門平底單層底鉆斗、單門平底雙底板旋挖鉆斗和短螺旋鉆斗配合使用。

3 鉆孔灌注樁施工技術分析

3.1 護筒埋設、鉆機就位

護筒能對樁位進行固定，可對鉆頭進行引導，同時能夠引導地面水體進入孔內部，防止孔內部水位超出標準范疇，從而避免孔壁發生坍塌等問題，可保證成孔質量。要確保護筒具有較強的剛度，且護筒的內徑要超過樁徑200～400mm。埋設護筒時要將接頭位置密封好，以免發生漏水問題，埋設深度要控制在2～4m，豎向傾斜度≤1%，以保證護筒中心線和樁中心重合。埋設后要用黏土對護筒周邊進行回填，并設置好坡度，防止護筒受到水的浸泡[1]。

鉆機就位時底架要足夠水平且穩定，避免發生位移及沉陷等問題，以確保鉆桿的豎直性，鉆頭中心和孔中心偏差需≤2cm。鉆機就位后要對其實施試轉，確保其可正常使用才能進行鉆進。

3.2 泥漿制備

制漿時要利用鉆機旋轉攪動優質黏土，并按照鉆進區域具體地質情況調整泥漿比重。同時，在鉆進過程中要對多次循環使用的泥漿關鍵指標（比重、黏度、含砂率、膠體率等）進行定期檢查，并對其進行完整記錄。此外，應定期打撈泥漿池內沉渣，并將其運輸到指定區域進行堆放。

3.3 鉆孔及垂直度控制

采用智能化旋挖鉆機，鉆機上有車載電腦系統，可以自動顯示和調節旋挖鉆機的鉆孔深度、垂直度。為保證鉆孔施工的質量和效率，鉆孔施工前要充分考量施工區域實際的地質情況，進而確定最合適的鉆孔施工方式，施工過程中要將鉆孔機固定到灌注樁一端。如果鉆孔過程遭遇大阻力影響，需要將黏土表層墊平后進行鉆孔。鉆孔時要對整個過程進行完整的觀察、記錄，確定好土層變化情況。為保證鉆孔灌注樁施工質量，一定要嚴格控制鉆孔施工流程[2]。

為了保證鉆孔垂直度達到要求，鉆孔時一定要保證鉆機的穩定性，盡量確保按照垂直90°的方向施工。在鉆孔時還要定期利用測量鋼絲對鉆孔深度、角度等指標進行動態測量，從而確保鉆孔垂直度滿足標準。除此之外，鉆孔時要明確泥漿位置并及時灌漿，從而確保表層平穩。

可根據地層情況為旋挖鉆機配置不同的鉆頭，在黏性土層可使用長鉆筒，以加快鉆進速度；在砂卵石含量較大的地層，可使用短鉆筒，輔以泥漿護壁，控制鉆速；在含孤石、漂石及較硬巖石的地層可換用長、短螺旋鉆頭進行處理，土壤松動后再換上鉆筒繼續鉆進。此外，要注意提高泥漿濃度，除采用膨脹土泥漿外，還應儲備一定量的黃泥，必要時將之加入泥漿內，以提高泥漿黏度，增大泥漿池體積，增加泥漿儲備。

3.4 清孔、檢孔、成孔驗收

清孔：實際施工時灌注樁的質量常常會受到承載力、孔底地基、沉渣等方面因素的影響，所以完成鉆孔之后需要對孔底進行清理。清孔過程中，因泥漿流動會產生一定的沖擊力，故可以充分借助此沖擊力攪動孔內底部沉渣，使其形成懸浮狀，此種情況下，向孔內注入泥漿就能利用其吸附性能將沉渣清除到孔外。由于清孔的最終效果對鉆孔灌注樁基礎施工質量有非常大的影響，因此要嚴控泥漿的性能。可以結合具體的施工情況進行泥漿制備，一般情況下，泥漿的黏度測定17～20min為宜，泥漿的含砂量≤6%，泥漿的膠體率≥90%。

檢孔：要利用籠式檢孔器[外徑≥設計樁徑、長度=（4m～6m）外徑]檢查孔徑、孔深、孔垂直度等指標，檢孔時要將測繩零點系在檢孔器頂部，同時確保“三中心”（檢孔器中心、孔中心和吊鋼絲繩中心）一致，緩慢地將檢孔器下放到孔中，通過“測繩刻度+檢孔器長度”來判定下放位置。若是檢孔器可以順利到達孔底，說明成孔質量合格，若是此過程中發生阻礙則表明存在縮徑或者孔偏斜的問題，需要重新下鉆頭進行處理[3]。利用檢孔器對鉆孔傾斜度進行檢測時，在孔頂將檢孔器對準護筒中心下放之后，要在護筒頂部觀察吊繩相對豎直垂線的偏移情況，以此計算成孔之后發傾斜度。

將檢孔器下放到設定位置后，在吊點位置系上垂球，之后利用毫米尺在吊繩上標定出距離垂球系點1m左右的位置，垂球靜止之后，利用毫米尺對垂球吊繩到檢孔器吊繩距離（E）進行測量。另外，可以利用公式（i=E×100%/1000）對檢孔器位置樁孔傾斜度進行計算，檢驗成孔是否滿足設計標準。

3.5 鋼筋籠制作及吊裝

鋼筋下料之前要對其端部進行檢查，確認其是否存在彎曲的情況，若存在彎曲，需要在下料時利用砂輪機進行切平處理，不能以熱加工或氣割方式進行處理[4]。對鋼筋進行處理之后，要通過專用鋼筋絲頭保護帽或者連接套筒對其加以保護，避免螺紋受到損壞，同時防止絲頭表層發生銹蝕或破損。一般要按照如下流程對絲頭進行加工處理：對鋼筋端部進行切平處理—螺紋加工—檢查絲頭情況—對其進行保護及存儲。

利用定型鋼筋籠加工設備制作樁鋼筋籠骨架，此環節要根據工程的具體情況分段制作，保證接頭位置錯開布置，同時需保證同一截面上主筋接頭數量不超過50%。為確保鋼筋籠安裝的準確性，要在其外部對應加強筋周圍設置定位鋼筋，在設置有螺旋筋的區域，每一根加強筋周圍設置4根定位鋼筋，非螺旋筋區域，每一根加強筋周圍設置3根定位鋼筋，保證樁基鋼筋籠保護層厚度符合設計標準。

利用吊車（二點起吊方式）對鋼筋籠進行吊裝，將首吊點設置在鋼筋籠頂端加勁箍位置，次吊點設置在骨架長度的中間偏下位置。起吊過程中，先對首吊點進行起吊，骨架有所提升之后進行次吊點起吊。確保整個骨架全部懸空到一定高度后才可以停止次吊點起吊，同時持續保持首吊點的提升，提升到合適高度之后將次吊點放松，確保骨架和地面呈90°角后暫停起吊。接下來，通過人工的方式將鋼筋籠扶正、對準孔位，而后逐步將之放入孔內，并解除次吊點。其間若遇到阻礙要及時調整起吊位置、高度等，以免骨架與孔壁碰撞引發塌孔等事故。將骨架下放到鋼筋籠頂端加勁箍區域后，將型鋼穿過加勁箍的下端，確保骨架可以牢固支撐在孔口臨時平臺區域，之后利用同樣的方式進行第二節鋼筋籠吊裝，保證其與首節鋼筋籠軸線對準后，進行鋼筋接頭連接。同時要順著軸圍相隔120°設置D57×1.8的鋼管作為聲測管，利用管卡將各個接頭連接好，保證連接位置的光滑性，并且要確保套管上下端和聲測管連接緊密。另外，為避免發生滲水情況，需要在上端加上蓋子，并將聲測管和通長主筋綁扎在一起，以保證聲測管的穩定性。

在對骨架進行定位時一定要通過測定孔口標高計算吊筋的長度，對其進行多次核準之后進行焊接定位，同時要將兩個工字鋼插入定位筋的頂吊圈之內，并將工字鋼設置在孔口位置的墊木之上。在鋼筋籠下放過程中，為了防止出現塌孔等問題，需要對孔內水位變化情況進行動態監控，發生異常時要馬上暫停下放。鋼筋籠入孔之后要牢固定位，確保鋼筋籠底部處于懸吊狀態，進行水下混凝土灌注，避免混凝土灌注時發生鋼筋籠下落或被混凝土頂托上升的情況。

3.6 水下混凝土灌注

混凝土灌注施工是十分重要的環節，其間需要做好施工記錄。采用φ300鋼管作為導管，根據不同的部位設置不同的長度，其中底部導管長4m，中間每節長2～3m。正式應用前要對導管進行必要的試驗（水密試驗、承壓試驗、接頭抗拉試驗等）。要對每一節導管都進行仔細檢查，包括是否存在孔洞、導管密封圈是否完好等。在適宜的場地對導管進行平整對接，并按照順序對各管進行編號。

混凝土灌注之前，要計算好漏斗的容量，即混凝土的儲存量，保證首次混凝土灌注后，導管埋入混凝土的深度不小于1m。灌注混凝土時，導管下端距孔底30～40cm。之后要核對鋼筋籠標高，同時要明確孔壁是否存在坍塌問題，也要確定好孔深、孔底尺寸等指標，若是不滿足標準要及時進行處理，確保其符合要求后才可進行灌注。

將混凝土拌和物運輸到施工區域后，要對其均勻性、坍落度指標進行檢查，若不滿足標準嚴禁使用。開始灌注后要確保灌注過程勻速、連續，避免發生泥漿沉淀及塌孔等情況。灌注時要將導管埋設深度控制在2～6m，灌注過程中需要關注孔內混凝土面的高度，一般根據混凝土灌注量進行計算，同時按照計算數據及時調整導管埋深，埋管深度超過6m就要進行提管，從而確保導管埋深和導管內混凝土下落深度相匹配。在導管拆除過程中，要利用吊車緩慢提升漏斗及導管，待其達到適宜位置，通過卡環卡住不拆除導管的接頭位置，用扳手擰松接頭，拆除導管后，重新擰緊，并墊好密封墊，確保導管接頭處無滲漏水現象。

為避免鋼筋籠受到混凝土作用而上浮，混凝土灌注面距離鋼筋籠底1m左右時就要嚴控混凝土灌注速度，為保證混凝土灌注順利開展，混凝土灌注面升高到骨架底口4m以上時，要及時提升導管，使導管底口高于骨架底部2m以上，之后可按正常速度進行混凝土灌注。若是灌注速度過快，會造成漏水現象，灌注速度過慢則會導致導管埋入過深，容易因提管困難而引發斷樁問題。要確保灌注樁的樁頂高出設計標高1m，這樣便于清除樁頭浮漿，進而保證鉆孔樁質量。

混凝土灌注快完成時，導管內部混凝土高度下降、壓力減小，但導管外部的泥漿密度較大，容易出現混凝土頂升阻礙。此時可以緩慢上下提動導管，從而保證混凝土灌注的通暢性。為避免樁頂泥漿進入導管內部形成泥心，在拔出最后一段長導管時，要放慢拔管速度。

4 結語

旋挖鉆孔灌注樁施工技術能有效克服卵石土地層的鉆進困難問題，以新鄭市郊跨越河道橋梁工程為例，闡述了該施工技術的大體流程和施工關鍵點，以期為同類工程提供一定的參考，同時促進我國橋梁工程質量不斷提高。