淺談復(fù)雜地質(zhì)下旋挖鉆全護(hù)筒成孔技術(shù)的應(yīng)用

于海洋

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司北京國(guó)際建設(shè)工程分公司, 四川成都 611130)

旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)成孔工藝是利用旋挖鉆機(jī)在全護(hù)筒跟進(jìn)的情況下進(jìn)行各類樁基礎(chǔ)成孔施工的技術(shù)。旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)成孔工藝主要適用于幾種地質(zhì)：一是地下水豐富、堆積地質(zhì)、流沙等不良地質(zhì)情況下的樁基礎(chǔ)工程；二是安全環(huán)保要求高，成樁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高，傳統(tǒng)沖擊鉆泥漿護(hù)壁成孔施工成樁難、施工場(chǎng)地周邊有正在運(yùn)營(yíng)的道路等條件下的樁基礎(chǔ)工程[1]。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

南北走廊公路項(xiàng)目位于格魯吉亞北部山區(qū)，是該國(guó)南北方向連接俄羅斯與阿塞拜疆的唯一交通通道。項(xiàng)目B2橋臨近既有運(yùn)營(yíng)公路，全長(zhǎng)435.2 m，縱坡4.0%，橫坡5.5%，橋面寬度18.2 m，曲線半徑400 m，其跨徑布置為(53.1+70.2+93.3+135.4+83.2) m，是一座小半徑曲線大跨度懸臂澆筑連續(xù)梁橋，該橋共有樁基90根，合計(jì)2 111 m，最大樁長(zhǎng)28 m。其中，P2墩樁基14根，單根樁長(zhǎng)26 m。

1.2 地質(zhì)水文及周邊環(huán)境情況

B2橋所在位置地質(zhì)條件復(fù)雜，主要為修筑既有公路時(shí)路基開挖的廢棄土石方堆積而成，地質(zhì)松軟、地下水豐富、地下土石分布不均勻且間隙大、滲透性強(qiáng)，且該橋位置緊鄰既有運(yùn)營(yíng)公路，該公路為格魯吉亞國(guó)家級(jí)南北方向主干道，車流量大且大多為重載貨車，現(xiàn)場(chǎng)施工不能中斷交通，嚴(yán)重影響樁基礎(chǔ)的正常施工。

1.3 前期沖擊鉆成孔施工情況

前期樁基施工選擇沖擊鉆成孔泥漿循環(huán)護(hù)壁施工方案，由于對(duì)地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不足，沖擊成孔施工方案推進(jìn)艱難，主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：

(1)地下涌水、泥漿流失嚴(yán)重。采用沖擊鉆工藝成孔時(shí)，在沖孔至11 m左右時(shí)發(fā)生孔內(nèi)涌水現(xiàn)象，涌水迅速稀釋泥漿，致使泥漿不能有效護(hù)壁，部分泥漿漏失無法形成正常循環(huán)，樁基沖孔不能正常組織作業(yè)[2]。

(2)成孔時(shí)間長(zhǎng)、安全風(fēng)險(xiǎn)大。一般26 m左右的樁基正常情況下10天左右即可完成沖孔，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上需要18天才能終孔，因不良地質(zhì)原因，孔內(nèi)出現(xiàn)掉鉆、卡鉆、空洞等事故常有發(fā)生，事故處理時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用大，這也進(jìn)一步導(dǎo)致成孔時(shí)間長(zhǎng)，反反復(fù)復(fù)，惡性循環(huán)。

(3)混凝土材料超耗嚴(yán)重、綜合成本高。地下孤石多、空隙大，混凝土灌注過程中泥漿無法有效護(hù)壁導(dǎo)致混凝土超耗嚴(yán)重，成本費(fèi)用高。

(4)施工質(zhì)量難以控制。沖擊成孔過程中因采用泥漿護(hù)壁的工藝，孔底碎渣沉積、清孔效果不佳，可能影響樁身質(zhì)量。

1.4 施工方案的優(yōu)化

通過前期施工揭示，沖擊鉆成孔施工工藝很難保證成樁效果，結(jié)合工程地質(zhì)條件復(fù)雜、境外項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)的苛刻要求，考慮到施工工期、施工質(zhì)量、施工投入以及境外項(xiàng)目市場(chǎng)資源有限等因素，經(jīng)綜合比選采用旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)成孔工藝，該工藝具有工效高、投入少、環(huán)保好等特點(diǎn)，能有效克服泥漿護(hù)壁面臨的塌孔、涌水、流砂等不利地質(zhì)條件下的成孔難問題[3]。

1.5 旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)成孔技術(shù)

1.5.1 工藝原理

旋挖鉆的工作原理是鉆機(jī)動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鉆桿帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，并施加壓力破碎和鉆取地層，鉆頭容器取滿土后提取鉆桿和鉆頭至地面卸土，連接鋼護(hù)筒，然后再下鉆頭鉆取地層，不斷循環(huán)作業(yè)直至成孔[4]。

1.5.2 工藝流程

主要工藝流程為：施工準(zhǔn)備—測(cè)量放樣—埋設(shè)鋼護(hù)筒—鉆機(jī)移位—循環(huán)鉆進(jìn)—安裝護(hù)筒系統(tǒng)—清孔處理—吊裝鋼筋籠—二次清孔—安放導(dǎo)管—灌注水下混凝土—拔出導(dǎo)管及護(hù)筒—清理場(chǎng)地。

(1)施工準(zhǔn)備。技術(shù)方面，完成施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、施工方案選擇及施工班組技術(shù)交底；現(xiàn)場(chǎng)方面，施工所需勞務(wù)、設(shè)備及材料就位、施工場(chǎng)地?zé)o干擾。

(2)測(cè)量放樣。使用TS09全站儀確定樁基位置，并在樁位中心做好標(biāo)記。

(3)埋設(shè)鋼護(hù)筒。護(hù)筒材料選用外徑1 500 mm，壁厚30 mm的鋼制護(hù)筒，單節(jié)長(zhǎng)度1.5～5.0 m不等，護(hù)筒偏差控制在50 mm以內(nèi)。

(4)鉆機(jī)移位。護(hù)筒埋設(shè)后，現(xiàn)場(chǎng)人員移動(dòng)鉆機(jī)到達(dá)鉆孔作業(yè)平臺(tái)，當(dāng)鉆桿在相對(duì)零位前后5°范圍內(nèi)時(shí)，通常手動(dòng)調(diào)整，保證鉆桿中軸線、護(hù)筒中心點(diǎn)、樁基中心點(diǎn)“三點(diǎn)一線”，確保鉆孔的垂直度[5]。

(5)循環(huán)鉆進(jìn)。鉆孔過程中，施工人員首先把鉆斗著地，將鉆頭的原始位置記錄下來，根據(jù)地質(zhì)情況選用不同的鉆頭，并根據(jù)地質(zhì)的變化，及時(shí)調(diào)整鉆斗的升降速度。鉆進(jìn)取土后，主卷揚(yáng)機(jī)不斷提升，到達(dá)地面后打開底門，倒出渣土，再次把鉆頭放入孔內(nèi)鉆進(jìn)，不斷重復(fù)上述操作。

(6)安裝護(hù)筒系統(tǒng)。首節(jié)護(hù)筒底部裝有呈環(huán)狀排列的切割齒可使鋼制護(hù)筒快速旋轉(zhuǎn)進(jìn)入地下土體，連接第二節(jié)護(hù)筒，每節(jié)護(hù)筒連接前使用水準(zhǔn)儀驗(yàn)證護(hù)筒的垂直度，確保符合設(shè)計(jì)要求[6]。

(7)清孔處理。在達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求樁底標(biāo)高后，對(duì)樁孔進(jìn)行深度檢測(cè)，在滿足設(shè)計(jì)要求深度條件下，用旋挖鉆機(jī)自帶清孔鉆進(jìn)行清孔，主要清除鉆進(jìn)過程中回落、沉淀在孔底的廢渣。

(8)吊裝鋼筋籠。采用25 t起重機(jī)起吊鋼筋籠入孔，吊點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在頂部加強(qiáng)筋位置，下放過程中應(yīng)保證鋼筋籠的穩(wěn)定性，避免與孔壁發(fā)生碰撞。

(9)安放導(dǎo)管。每節(jié)導(dǎo)管進(jìn)行編號(hào)，導(dǎo)管下放時(shí)記錄好下放順序以及每根導(dǎo)管長(zhǎng)度，以便施工人員更好地控制混凝土灌注過程中的埋管深度。下置導(dǎo)管時(shí)應(yīng)防止碰撞鋼筋籠，待導(dǎo)管連接完畢后將漏斗與導(dǎo)管連接密實(shí)且需進(jìn)行水密性試驗(yàn)。

(10)灌注水下混凝土。按照規(guī)范要求拌制水下混凝土，塌落度為180～220 mm，灌注過程中及時(shí)拆卸導(dǎo)管，保持導(dǎo)管埋置深度在2～4 m范圍內(nèi)，且不得超出6 m。首批灌注混凝土方量應(yīng)滿足埋深(不小于1 m)和填充導(dǎo)管底部的需要，所需混凝土方量依據(jù)JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[7-8]中首灌公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

V=πD2(H1+H2)/4+πd2h1/4

(1)

式中:H1為樁孔底部至導(dǎo)管底部之間的距離；H2為導(dǎo)管首次埋置深度，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)混凝土平衡外部壓力所需的高度，m；D為樁孔直徑，m；d為導(dǎo)管內(nèi)徑，m；V為灌注首批混凝土數(shù)量，m3。混凝土的灌注采用傳統(tǒng)的導(dǎo)管提拔法進(jìn)行，灌注過程中應(yīng)經(jīng)常上下提動(dòng)料斗和導(dǎo)管，以便管內(nèi)混凝土順利入孔。同時(shí)，縮短灌注時(shí)長(zhǎng)，在混凝土初凝時(shí)間前全部完成。

(11)拔出導(dǎo)管及護(hù)筒。灌注完成后及時(shí)拆除護(hù)筒系統(tǒng)。為方便護(hù)筒的拆卸，操作人員對(duì)拔出的護(hù)筒外表面進(jìn)行清洗。

1.5.3 主要設(shè)備參數(shù)

樁長(zhǎng)26 m，直徑φ1.5 m，需全護(hù)筒跟進(jìn)施工(鋼護(hù)筒連接后最大重量為38 t)，這在格魯吉亞市場(chǎng)中對(duì)旋挖鉆施工是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。經(jīng)多方市場(chǎng)調(diào)研，在格魯吉亞市場(chǎng)樁基礎(chǔ)全護(hù)筒跟進(jìn)施工并不常見且能達(dá)到施工條件的設(shè)備僅有2臺(tái)，為德國(guó)寶峨BG40旋挖鉆，該設(shè)備整體性能好、運(yùn)行功率高、液壓系統(tǒng)可靠度高、機(jī)械性能好[9]。該設(shè)備與格魯吉亞市場(chǎng)現(xiàn)有的一般旋挖鉆主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 主要設(shè)備參數(shù)對(duì)比

2 2種施工效果對(duì)比分析

2.1 費(fèi)用對(duì)比

B2橋P2墩樁基為直徑1.5 m的鉆孔樁，根據(jù)項(xiàng)目所在地市場(chǎng)情況測(cè)算，沖擊鉆成孔綜合施工成本為1 567元/m(含沖擊鉆設(shè)備采購(gòu)及運(yùn)輸至境外項(xiàng)目費(fèi)用)，旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)成孔綜合施工成本為915元/m。旋挖鉆成孔每1 m可節(jié)約成本652元。B2橋共有2 111m樁基，初步測(cè)算可節(jié)約成本138萬元；全項(xiàng)目共有7 546 m樁基，據(jù)此測(cè)算，可節(jié)約成本492萬元。

2.2 進(jìn)度對(duì)比

就開始鉆進(jìn)到灌樁結(jié)束所用時(shí)間而言，以B2橋P2墩樁基為例，單根樁長(zhǎng)26 m，采用旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)施工工藝從開鉆至灌樁結(jié)束共計(jì)需要1.5天，沖擊鉆施工從開鉆至灌樁結(jié)束共計(jì)需要18天。上述比較可以看出，旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)施工工藝可大幅降低鉆孔灌注樁的施工時(shí)間，可以更加高效地完成復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)的樁基施工。

2.3 質(zhì)量對(duì)比

旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)成孔施工過程中，樁身在全護(hù)筒的保護(hù)下樁位偏差及垂直度均能較好地滿足規(guī)范要求，從而有效地保證了樁身質(zhì)量，避免了軟弱及地下水豐富地質(zhì)下的傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁無效的現(xiàn)象，后續(xù)樁檢合格率得到了有效保障。

3 結(jié)束語

旋挖鉆全護(hù)筒跟進(jìn)工藝在作業(yè)方面具有成孔速度快、成孔質(zhì)量高、作業(yè)時(shí)間短、投入成本低等優(yōu)勢(shì)，在格魯吉亞南北走廊公路項(xiàng)目B2橋樁基施工中的應(yīng)用有效地避免了復(fù)雜地質(zhì)水文條件帶來的困擾，如：塌孔、混凝土材料超耗、泥漿無法有效護(hù)壁等，加快了施工進(jìn)度，提高了成孔效率。對(duì)其他同類復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁基成孔施工具有一定的借鑒意義。