旋挖鉆快速施工技術在水中墩大直徑鉆孔樁施工中的應用

紀常永

（中鐵三局集團第二工程有限公司，河北 石家莊 050000）

1 工程概況與施工流程

新建黃岡至黃梅高速鐵路（以下簡稱“黃黃鐵路”）是《國家中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”之一的武杭高鐵、京九高鐵段的重要組成部分[1]。HHZQ-2標起訖里程為DK32+009.85—DK64+762.06，位于湖北省黃岡市浠水縣、蘄春縣境內，線路全長31.083 km。管段內蘄河特大橋為全線重點控制性工程，該橋位于蘄春縣境內，起訖里程為DK55+701.50—DK61+802.75，全長6 101.25 m。橋梁在95#—98#墩設計以1－（100+196+100）m連續梁拱跨越蘄河，其中96#、97#主墩設計20根樁徑2.5 m、樁長68 m、75 m鉆孔樁基礎。設計為摩擦樁，樁尖進入持力層52 m，持力層承載力400 kPa，鉆孔樁設計主力[P]=31 228.6～31 416.2 kN，Pmax=29 148.4～29 334.2 kN。工程所在地的地質顯示為第四系人工填土及沖積覆蓋層，由上往下0～1 m為淤泥質黏土，軟塑，σ0=60 kPa，Ⅱ類等級；1～10 m為粗砂，松散，σ0=150 kPa，Ⅰ類等級；10～14 m為細圓礫土，稍密，σ0=200 kPa，Ⅱ類等級；14～17 m為泥巖夾砂質泥巖，強風化，σ0=300 kPa，Ⅳ類等級；17～75 m為泥巖夾砂質泥巖，弱風化，σ0=400 kPa，Ⅳ類等級。蘄河特大橋深水樁基礎施工難度大，安全風險高，針對水中墩大直徑鉆孔樁，運用旋挖鉆快速施工技術。

2 技術應用要點

2.1 棧橋作業平臺搭設及施工準備

水上施工道路采用棧橋，棧橋橋面凈寬8 m，橋面凈寬8.76 m。鉆孔作業平臺長36 m（橫橋向）、寬29.3 m（縱橋向），平臺兩側與支棧橋連接，平臺支撐利用鋼管樁，樁長26 m，縱橋向設置10根，橫橋向設置6排，共計60根。鋼管頂設置柱帽。在鋼管樁頂安裝2Ⅰ40a工字鋼，然后縱向架設貝雷梁，貝雷梁上按25 cm間距橫向鋪Ⅰ22a工字鋼，再滿鋪8 mm厚鋼板作為平臺面板。棧橋及作業平臺施工設計荷載需滿足150 t履帶吊和作業通行要求，滿足450和420旋挖鉆同時作業要求，橋面高程滿足設計施工水位要求。

2.2 樁位放樣

采用全站儀，準確確定放樣樁基位置，作業平臺按照樁基準確位置開3 m直徑孔，以便鋼護筒及鉆孔作業，同時在樁位四周焊接豎向鋼筋作為護樁。護筒標注與護樁設置示意如圖1所示。

圖1 護筒標注及護樁設置

2.3 埋設護筒

鋼護筒制作。本工程樁基直徑2.5 m，護筒內徑大于鉆頭直徑20 cm，采用12 mm鋼板卷制Φ2.9 m鋼護筒，長度18 m，以保證護筒的底部埋置在地下水位或河床以下1.5 m。

鋼護筒插打。護筒插打采用70 t振動錘錘擊插入，長度18 m，直徑2.9 m，砂層較厚，無法整體穿越砂層，護筒偏差不大于50 mm，垂直度不大于1%。一次將一個墩位20個鋼護筒均打設到位。

鋼護筒串聯。為解決泥漿循環，將20個鋼護筒采用Φ40 cm鋼管串聯，形成泥漿循環系統，減少泥漿排放。

2.4 鉆機就位及鉆進施工

2.4.1 鉆頭優化

考慮地質條件，鉆頭穿越砂層厚度10 m，下部穿越泥巖夾砂質泥巖（含有石英砂），按照傳統的旋挖鉆鉆頭，易磨損，故對鉆頭進行改進。鉆頭改進前后對比如圖2所示。

圖2 鉆頭改進前后對比示意圖

其一，鉆頭底座子彈頭基座改進。改進前鉆頭子彈頭基座間有一定間距，改進后子彈頭基座增加1倍，幾乎不留空隙，在同樣的鉆進速度下，鉆頭與鉆進接觸面達到最大，使得鉆孔效率增加。

其二，子彈頭與鉆頭底座角度改進。改進前，子彈頭與鉆頭底座角度接近呈80°接近直角，在砂層中鉆進，吃土深度過大，進尺較大，容易造成塌孔現象；改進后，子彈頭與鉆頭底座角度放緩，吃土深度較小，從機械角度上，降低了塌孔現象的概率。

通過對子彈頭數量和角度上的優化，在本工程實際應用中，采用改進后鉆頭較改進前常規鉆頭在穿越砂層的鉆孔樁基礎施工中，鉆孔效率提高了2.3倍，塌孔概率也大大降低。

2.4.2 泥漿調制優化

在穿越流沙層的鉆孔施工過程中，根據地層反復調整泥漿配合比是關鍵，并且要根據鉆孔過程中渣樣分析及時調整，在本工程實際應用中，要點如下。

其一，泥漿配合比。在對泥漿配合比進行設計與計算之時，必須從嚴格意義上做到滿足相關標準以及技術規范等所提要求。通過綜合分析，本工程對膨潤土泥漿加以選用，具體的配合比（質量比）滿足比例等式：膨潤土∶CMC∶純堿∶水=100∶0.28∶3.3∶700。在施工作業開展過程中，需要結合實際情況作出適當調整，通過膨潤土與CMC的添加分別達到增大泥漿相對密度、黏度的目的。

泥漿相對密度：穿越厚砂層時，孔底泥漿相對密度不宜小于1.2。

黏度：松散易坍地層19～28 s。

含砂率：新制泥漿不大于4%。

膠體率：不低于95%。

pH值：大于6.5。

在遇到塌孔現象時，將泥漿相對密度調至1.3左右，并加入適量白水泥（加固塌孔處孔壁），在孔壁形成堅實泥皮的同時，使孔壁與鉆頭間更加順滑。

其二，泥漿制作流程。先對泥漿進行拌制，調整槽內泥漿含量比較少時，將黏土或膨潤土送至黏土溶解槽中，通過攪拌裝置的運用達到充分攪拌的目的，進一步送入調整槽；泥水槽中殘留下來的黏稠泥漿和清水槽中的水相互混合，在完成攪拌任務以后，將其送入調整槽（拌制泥漿的配比必須根據工程師所提供的巖層及地質變化做適時調整）。

2.4.3 鉆機就位

按照鉆孔作業平臺規劃鉆機作業行走路線和作業位置就位，調試設備。采用2臺旋挖鉆（450旋挖鉆、420旋挖鉆），按照規劃鉆孔順序，2臺旋挖鉆就位。

2.4.4 鉆進作業

傳統采用1臺旋挖鉆鉆進，優化后采用2臺，1臺450旋挖鉆，1臺420旋挖鉆。首先采用420旋挖鉆1.5 m鉆頭鉆進，再用450旋挖鉆2.5 m鉆頭鉆進，優化工作面，進行流水作業，提高效率。

2.5 鋼筋籠施工

首先進行鋼筋籠的加工。鋼筋籠在加工場內集中整節加工制作。鋼筋籠的主筋接頭用墩粗滾壓直螺紋套筒進行連接，在每一個截面上，都需要對接頭的數量進行控制，不可以多于鋼筋總數的50%，全部采用滿焊方式加強箍筋和主筋之間的連接[2]。樁基樁頭鋼筋采用EPE保護套管措施，其主要優勢在于保證樁頭主筋保持平行，不彎折，并減少樁頭鋼筋與混凝土間的握裹力，有效避免樁頭處理過程中對鋼筋的損傷。該措施的效果體現在作業簡單，施工效率高，能夠降低成本，環保，減少噪聲、灰塵的影響[3]。

然后進行鋼筋籠的吊裝。由于樁徑較大，且質量較大，鋼筋籠的吊裝采用80 t履帶吊進行吊裝作業，并配備特制的吊具進行吊裝作業，如圖3所示。為了確保骨架在起吊的過程中不發生變形的問題，在執行起吊任務之前，需要在骨架的內部進行杉木桿的臨時綁扎，綁扎數量為2，達到加強剛度的目的。在起吊的過程中，注意稍微將骨架提起來，在此基礎上再和第二吊一起起吊。當骨架離開地面以后，停止起吊第一吊點。在第二吊點持續上升的過程中，慢慢將第一吊點放松，一直到骨架和地面保持垂直為止。

圖3 鋼筋籠的吊裝

最后進行焊接定位作業，主要是在定位鋼筋骨架頂端位置的頂吊圈下面將2根相互平行的槽鋼插入其中，并在護筒的兩側位置放置2根相互平行的枕木。然后在鋼筋籠上拉上十字線，找出鋼筋籠的中心位置，最后參照護樁明確樁位的中心，執行對鋼筋籠的定位任務，實現鋼筋籠的中心和樁位中心的重合。

2.6 清孔

采用換漿法進行清孔，注入凈化泥漿（手摸無2～3 mm顆粒，相對密度不大于1.1，黏度17～20 s，含砂率小于等于2%），對孔內含有碴的泥漿進行置換，在執行清孔任務之時，需要對孔內的水位進行控制，保證在地下水位1.5 m以上。

清孔作業的開展過程中需要安排專門的人員進行補漿，保證孔內必要的水頭高度。供水管不能采用直接的方式插入到鉆孔內部，而是要借助于水槽，在水速減慢以后讓其流入到鉆中，這樣能夠達到保護孔壁的目的，使其免受水的沖刷。

2.7 灌注混凝土

在執行混凝土灌注作業之前以及灌注過程中，現場試驗人員需要在規定的時間內對混凝土的坍落度、入模溫度以及含氣量等指標進行檢測，并做好記錄工作。明確所有檢測指標均與設計和規范要求相符后，執行對水下混凝土的灌注任務。針對不符合要求的混凝土，不得使用。混凝土檢測控制指標：塌落度為18～22 cm，含氣量為2%～4%，入模溫度為5～30℃。

在灌注作業開展過程中，需要做好對灌注高度的探測工作，及時對導管的埋深進行調整，通常在1～3 m之間。在將導管拆除之時，需要對砼下降以及孔內水位的實際升降情況進行觀察，做好對孔內砼面高度的測量工作，導管拆除的過程中需要保證安全性。

為了避免混凝土灌注過程中出現鋼筋籠上浮的現象，需要采取相應措施。在灌注作業開始之前，需要在護筒上進行鋼筋籠的固定；灌注過程中，還要做好對砼澆筑高度以及導管埋深的實時觀察工作，在砼上升至鋼筋籠的底口位置時，要將澆筑速度減慢；在砼埋過鋼筋籠底部位置的2～3 m時，要上提導管，避免發生鋼筋籠被頂托而上浮的問題。

3 質量控制

3.1 鋼筋籠施工質量控制

鋼筋籠施工質量控制內容包括：①保證鋼筋骨架的連接質量，連接要牢固，位置要準確，并特別注意保護層厚度；②為保證鋼筋的施工質量，所有鋼筋籠及鋼筋半成品一律在鋼筋加工場集中加工，懸掛好標示牌；③鋼筋籠在現場臨時存放時，注意上蓋下墊，防止鋼筋污染銹蝕。

3.2 原材料質量控制

原材料質量控制內容包括：①所有原材料在使用前均進行試驗檢測，堅決做到不合格材料不驗收、不使用，使用指定的水泥品種和指定生產廠家的合格水泥，對砂、石料等地材進行性質、強度試驗，并嚴格控制其粒徑及含泥量，不能超過規范要求。②堅持施工過程中的試驗制度。在混凝土澆筑現場對每批混凝土皆進行坍落度試驗，并做好記錄，控制在標準坍落度的范圍內，保證混凝土強度試驗的頻數、試件組數達到規定要求。③混凝土拌和通過自動計量拌和站集中拌制，保證混凝土質量。④水下混凝土的塌落度以18～22 cm為宜，每根樁的灌注時間不宜太長，且必須連續灌注，任何原因中斷混凝土灌注的時間不得超過水下混凝土初凝時間。

4 結語

為了很好地完成連續梁-柔性拱主墩大直徑樁基施工任務，本文研究了水中大直徑鉆孔樁穿越砂層施工工法。通過對常規鉆頭的改進，提高鉆進效率的同時降低了塌孔風險，同時也降低了子彈頭的損耗，平均每根樁節省6.33萬元左右的成本。并且通過優化在流沙層中的泥漿配比，大大提高了鉆孔效率與成樁質量，由5.4 d一根樁縮短至2.3 d一根樁，由此對比，節約了機械燃油、人工費等資源，整體的綜合經濟效益明顯。從社會效益來說，將常規鉆頭與泥漿配比進行改進，優化了在穿越流沙層深水基礎大直徑鉆孔樁施工工藝[4]。該施工技術和工藝在黃黃鐵路、汕汕鐵路中的應用，取得了一手的施工技術參數和施工經驗，為鐵路行業類似工程提供了借鑒作用，同時為設計院提供了相關施工參數，樹立了企業良好形象，培養了一線深水基礎大直徑鉆孔樁穿越流沙層的施工技術人才，得到建設單位的高度認可，創造了良好的社會效益。