深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆沉拔一體施工技術

朱 峰,劉崢志,雷 斌

(1.深圳市工勘建設集團有限公司,廣東 深圳 518063; 2.深圳市工勘巖土集團有限公司,廣東 深圳 518063)

0 引言

在深厚易塌孔地層進行旋挖灌注樁施工,通常需要沉入深長護筒進行護壁,將護筒穿越易塌孔地層,以確?？妆诜€定。目前,傳統深長護筒的施工方法主要有3種:①采用全套管全回轉鉆機鉆樁下長護筒,配合沖抓斗進行取土鉆進;②采用全套管全回轉鉆機鉆樁下長護筒,配合旋挖鉆機進行取土;③使用振動錘沉入超長護筒,再用旋挖鉆機進行取土。以上3種方法都需要兩種大型設備配合施工,工序較復雜,鉆進效率低。

針對在深厚易塌孔地層超長護筒施工存在的問題,對灌注樁超長護筒施工技術進行了研究,采用深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術,沉入長護筒、旋挖取土、起拔長護筒全過程均只采用1臺旋挖鉆機進行施工,達到了施工工效高、成樁質量好、綜合成本低的效果,取得了良好的經濟效益與社會效益。

1 工程概況

深惠城際大鵬支線土建七工區動走線特大橋位于深圳七娘山下,緊鄰大鵬半島地質公園地塊,南西側為碧洲村,北西側為新大村。場地地層由上至下主要為:素填土、填砂層、填碎石、雜填土、淤泥質砂、礫砂、碎(卵)石、砂質黏性土、全風化花崗巖、微風化花崗巖。橋梁樁基樁徑為1.0,1.2m,持力層為微風化花崗巖,樁底最小嵌入持力層深度不小于1.5m,設計樁長16.2～30.3m。開始施工時,孔口下入8m的長護筒,護筒底進入雜填土中,施工中由于未完全隔離易垮塌地層,底部淤泥質砂、礫砂、卵石層造成嚴重垮孔。經現場反復研究和試驗,為確保順利成孔,需將護筒下至巖面,完全將易塌孔地層護住,護筒最大深度達28m。

剛開工的5根工程樁中,每根樁都發生了不同程度的塌孔現象,樁基進尺十分緩慢。項目部立即停止施工,商討應對辦法,為保證樁基施工質量和施工效率,需將護筒穿越地下深厚的易塌孔地層,決定采用深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術。

2 深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術

2.1 適用范圍

1) 適用于扭矩不小于380kN·m的旋挖鉆機。

2)適用于含地下水豐富層、溶洞、流砂層、淤泥層等深厚易塌孔地層。

3)適用于樁徑不大于1 500mm、跟管套管長度不大于35m的基坑支護樁和工程樁鉆進。

2.2 工藝原理

本工法采用大扭矩旋挖鉆機施工,將驅動器通過連接器與旋挖鉆機的動力頭用連接銷連接,旋挖鉆機動力頭輸出扭矩和施加下壓力帶動驅動器,使與驅動器相連的首節鋼套管帶筒靴切入土中。當鋼套管沉入困難時,解除鋼套管與驅動器的連接銷,旋挖鉆機在鋼套管內下放旋挖鉆頭取土作業,以減少鋼套管的摩阻力。完成取土后,通過旋挖鉆機接長鋼套管,旋轉并下壓鋼套管繼續沉入。如此循環沉入鋼套管、接長鋼套管、旋挖取土等步驟,直至將鋼套管下沉穿越易塌孔地層或滿足設計樁底標高。

在完成鋼筋籠吊放、樁身混凝土灌注后,再使用旋挖鉆機將鋼套管逐節拔出。起拔鋼套管前,先安放好孔口套管起拔夾持平臺,當下節鋼套管拔出地面約1m時,使用孔口套管起拔夾持平臺將鋼套管固定,再松開鋼套管間的連接銷,將鋼套管移至下一根樁孔內沉入,循環作業直至拔出全部鋼套管后完成施工。

2.2.1旋挖鉆機與套管接駁連接原理

本技術針對錨索產生滲漏的原因,在錨索滲水通道內事先埋設注漿管,一旦出現錨索漏水,從預埋的注漿管口實施注漿即可進行有效封堵。

1)套管接駁連接

采用旋挖鉆機接駁套管鉆進,套管接駁主要構件包括連接器、驅動器、鋼套管、帶刀齒筒靴等,由工廠加工制作。

連接器用于驅動器與旋挖鉆機動力頭之間的連接,上、下方均設有連接銷,上方與旋挖機動力頭連接,下方通過銷軸與驅動器連接。

驅動器長2m,管身開有若干圓氣孔,上部設有連接銷孔并通過螺栓與連接器連接,下部設計定位槽和連接銷,用于連接鋼套筒;驅動器實現整體結構過渡,起到傳遞旋挖鉆機扭矩與加壓力的作用。

鋼套管設2,3,4m等長度規格,壁厚為30,40mm兩種規格,每節套管的上部50cm壁厚20mm,開設排狀連接銷孔,對稱設計4個定位銷;下部同樣開設相應的連接銷孔,與上部反向設計4個定位槽相對應,用于鋼套管間或與筒靴榫接。

筒靴前端鑲嵌合金鉆齒,通過旋轉及軸壓環切各類地層,用于切削各種土層和巖層,減緩埋設套管阻力,提升套管鉆入能力;筒靴上部與鋼套管上部結構相同,上方連接鋼套管。

連接器、驅動器、鋼套管、帶刀齒筒靴分別如圖1～4所示。

圖1 連接器Fig.1 The connectors

圖2 驅動器Fig.2 The drives

圖3 鋼套管Fig.3 The steel casing

圖4 帶刀齒筒靴Fig.4 Cartridge boots with cutter teeth

2)旋挖鉆機與套管接駁連接

先將旋挖鉆機動力頭下壓盤卸除,用連接銷軸將連接器與旋挖鉆機動力頭銷接,連接器同樣采用銷接與驅動器連接,動力頭通過連接器、驅動器傳遞下壓力及扭矩。安裝連接器、驅動器后,不影響鉆桿的伸縮以及旋挖鉆頭旋轉取土。旋挖鉆機加裝連接器、驅動器前后如圖5所示。

圖5 連接器、驅動器加裝前后Fig.5 Connector and driver before and after retrofitting

操作人員通過操控旋挖鉆機,緩慢下放驅動器套入鋼套管,調整驅動器并使驅動器下部定位槽與鋼套管的定位銷對齊后再次下放驅動器,驅動器與鋼套管完成對接,對稱、順時針撥動連接銷完成緊固。驅動器與鋼套管連接如圖6所示。

圖6 驅動器與鋼套管連接Fig.6 The driver is connected to the steel casing

鋼套管間或鋼套管與筒靴的連接與驅動器相同,將鋼套管下方的定位槽與另一節鋼套管(筒靴)上部的定位銷對齊完成對接,然后在連接銷孔插入柱狀螺栓并完成緊固,從而完成鋼套管間或與筒靴的連接。鋼套管間連接如圖7所示。

圖7 鋼套管間連接Fig.7 Connection between steel sleeves

2.2.2鋼套管沉入及套管內取土原理

1)鋼套管沉入原理

將連接器與旋挖鉆機動力頭連接,并依次連接驅動器、鋼套管和筒靴。通過旋挖鉆機動力頭輸出扭矩和施加壓力于鋼套管、筒靴,將首節鋼套管旋轉切入土中。當首節鋼套管頂離地面約1m左右,停止沉入,開始接長鋼套管。旋挖鉆機解除與首節鋼套管連接,重新接駁另一節鋼套管,將兩節鋼套管進行對接,完成緊固后,旋挖鉆機再次施壓將鋼套管沉入。循環沉入鋼套管、接長鋼套管步驟,直至鋼套管穿越深厚易塌孔地層。

2)旋挖鉆機套管內取土原理

當鋼套管與驅動器連接后,旋挖鉆頭可在鉆孔長度方向通過伸縮鉆桿進行套管內旋轉鉆進,但由于受鋼套管、驅動器的阻礙無法卸土。隨著鋼套管不斷沉入,鋼套管承受的摩阻力也越來越大,造成下沉困難時,就需要解除鋼套管與驅動器的連接,將旋挖鉆頭攜帶著驅動器自由在套管內鉆進取土,或入巖鉆進以及提升鉆頭套管外卸土。

2.2.3孔口夾持起拔套管原理

1)孔口夾持平臺設計

當樁身混凝土灌注完成后,需及時拔出鋼套管,避免因混凝土凝固造成套管無法拔出。此時,將驅動器與鋼套管重新連接,動力頭反向轉動驅動器同時施加上拔力,將鋼套管逐節拔出。起拔鋼套管前,為防止鋼套管因自重作用下沉或掉落,本工法在鋼套管外專門設計了孔口套管起拔夾持平臺。

孔口套管起拔夾持平臺由型鋼制作,平臺設2個螺桿鎖、6個凸輪鎖和固定頂塊,具體結構如圖8所示。

圖8 套管起拔孔口夾持平臺結構Fig.8 Clamping platform structure at orifice

2)孔口套管起拔

上節鋼套管拔出地面,驅動器與鋼套管解除連接前,為防止鋼套管在自重作用下下沉,順時針方向旋轉螺桿鎖,將螺桿向鋼套管內旋出,并卡住焊在鋼套管上的短鋼筋;上抬凸輪鎖手柄,凸輪鎖凸輪帶有連續鋸齒,當鋸齒與套管外壁接觸時,凸輪鋸齒將發揮夾持作用。若套管有下沉趨勢,連續分布的鋸齒會與套管越夾越緊,利用鋸齒與套管之間的摩擦力抵抗套管下沉。螺桿鎖及凸輪鎖固定套管如圖9所示。

圖9 螺桿鎖及凸輪鎖固定套管Fig.9 Screw lock and cam lock fixing casing

當上節鋼套管拔出地面約1m左右時,擰動孔口套管起拔夾持平臺的螺桿鎖及凸輪鎖將鋼套管固定。使用電動扳手擰出鋼套管之間的柱狀螺栓,提升旋挖鉆機動力頭及驅動器,將上節鋼套管與下節套管分離,移至孔外合適位置或轉至下一根樁施工。上節鋼套管放穩或沉入下一根樁后,逆時針撥動驅動器的全部連接銷,解除驅動器與鋼套管的連接。旋挖鉆機駛回原樁位,重新連接鋼套管,繼續拔出余下鋼套管,直至全部拔出。

2.2.4流水作業原理

1號樁完成混凝土灌注后,使用旋挖鉆機帶驅動器起拔鋼套管,起拔過程中使用孔口套管起拔夾持平臺固定地下部分鋼套管,防止其下沉。起拔出來的鋼套管移至2號樁位沉入,然后旋挖鉆機繼續將1號樁剩余的鋼套管逐節拔出,并沉入2號樁,如此循環,完成1號樁所有的套管起拔以及2號樁套管沉入流水作業。

2.3 施工工藝流程

深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工工藝流程如圖10所示。

圖10 施工工藝流程Fig.10 Construction process

2.4 操作要點

1) 施工準備 ①施工前,收集場地勘察資料,查閱設計圖紙,確定樁頂和樁底標高,計算空樁及實樁樁長,制定施工方案,安排人員材料設備進場。②清除場地施工范圍內的所有障礙物,平整場地并壓實。③依據設計圖紙,使用全站儀對樁位進行測量定位,并標志出樁位中心點,引出4個護樁。④根據施工需要準備足夠數量的鋼套管和2套筒靴,以便全套管跟進施工流水作業。⑤拆卸旋挖鉆機驅動下壓盤,安裝連接器、驅動器。

2) 開孔 ①開孔可采用旋挖鉆筒或直接采用帶筒靴的套管開孔。②采用旋挖鉆筒開孔時,將旋挖鉆頭中心對準樁位中心點,下放鉆頭至地面,旋轉、下壓鉆頭開始鉆進成孔,鉆孔深度以孔口不發生垮塌為準。

3) 首節鋼套管帶筒靴沉入 ①將首節鋼套管與驅動器連接,安裝鋼套管前,先將驅動器的連接銷順時針全部打開,再安裝鋼套管。驅動器完全插入鋼套管后,逆時針撥動連接銷,將鋼套管固定。②將連接筒靴的鋼套管緩慢下放至已開好的孔內,通過旋挖鉆機動力頭調整鋼套管的垂直度,并確認鋼套管垂直度符合要求。③垂直度符合要求后,旋轉旋挖鉆機動力頭,旋轉驅動器并加壓,鋼套管開始切削土層入土下沉。

4) 鋼套管孔口接長、沉入 ①為方便鋼套管接長,當首節鋼套管沉入至外露地面約1m時,停止沉入,開始接長鋼套管。②順時針撥動驅動器連接銷使得驅動器與鋼套管解鎖,提起驅動器。③將驅動器與另一節鋼套管連接,旋挖鉆機移位至首節鋼套管上方,調整動力頭使鋼套管下方定位槽插入首節鋼套管上方定位銷,緩慢下放。④兩節鋼套管對接完成,安裝螺栓前,將連接銷孔及柱狀螺栓的浮泥用高壓水槍沖洗干凈。安裝好螺栓后,先人工用扳手初緊,再用電動扳手緊固。⑤套管連接完成后,用水平靠尺檢測套管垂直度,用直尺復核樁位,不符合要求則及時進行調整。⑥旋轉旋挖鉆機動力頭,轉動并下壓沉入鋼套管,當沉入鋼套管頂距離地面約1m時,停止沉入,重復接長鋼套管步驟。

5) 旋挖鉆頭鋼套管內取土 ①隨著鋼套管不斷沉入,鋼套管受到的摩阻力增大,當鋼套管難以繼續沉入時,使用旋挖鉆頭在鋼套管內取土。②旋挖鉆斗取土完成后,逆時針撥動驅動器全部連接銷,使驅動器與鋼套管之間連接分離,提起驅動器;當驅動器與鋼套管連接處位于高處,伸手無法撥動時,可使用自制長鉤撥動連接銷。③伸長旋挖鉆機鉆桿,用旋挖鉆斗于鋼套管內取土,卸至渣土箱內臨時堆放;取土深度與鋼套管底平,或略比鋼套管底深,確?？椎撞话l生塌孔。④重復鋼套管壓入與旋挖套管內取土、卸渣等作業步驟,直至鉆孔深度穿越易塌孔地層或滿足設計樁底標高。

6) 套管內旋挖鉆進 ①鋼套管穿越易塌孔地層進入巖面后,在套管內正常旋挖鉆進。②解除驅動器與鋼套管連接,正常旋挖鉆頭進行鉆進、取土、卸土作業,直到鉆孔深度滿足設計樁底標高。

7) 清孔、下放鋼筋籠、安放灌注導管、灌注樁身混凝土 ①鉆進達到設計要求后,使用清孔撈渣鉆頭對孔底進行掃孔,將孔底沉渣清掃干凈。②吊機吊籠入孔時,派專人指揮,吊機平穩旋轉。③鋼筋籠吊裝合格后,安裝灌注導管,導管直徑250mm,接頭連接牢固并設密封圈,保證不漏水、不透水。④ 二次清孔滿足要求后,即進行樁身混凝土灌注,灌注時使用12h超緩凝混凝土,避免未拔出全部鋼套管前混凝土發生凝固,造成鋼套管無法拔出。⑤首批灌注混凝土的數量滿足導管首次埋置深度1.0m以上的需要,保持連續灌注;在灌注過程中,派專人定期測量套管內混凝土面和導管內混凝土的上升高度,及時拆除導管,埋管深度控制在2～6m。

8) 安放孔口套管起拔夾持平臺 ①混凝土灌注完成后,開始拔出鋼套管。②拔出鋼套管前,將旋挖鉆機驅動器與鋼套管分離,從鋼套管上方緩慢下放,將孔口套管起拔夾持平臺套入鋼套管。③夾持平臺就位后,使用墊塊將孔口套管起拔夾持平臺安放平穩,并保持平臺平面水平。

9) 逐節拔出套管 ①將旋挖鉆機就位,對準套管中心,下放接駁器與孔口套管對接,并采用螺栓緊固連接。②旋挖機動力頭輸出扭矩使接駁器旋轉,同時施加上拔力,將套管逐漸拔出孔口。③當上節鋼套管完全拔出,且下節鋼套管拔出地面約1m時,順時針方向將螺桿鎖螺桿旋出,并卡住焊在鋼套管上的短鋼筋;上抬凸輪鎖手柄,凸輪鎖夾緊鋼套管,與螺桿鎖共同作用固定孔內超長套管,防止鋼套管下沉。④用高壓水槍對銷孔位置進行沖洗,對稱、逐個松開連接銷,將兩節鋼套管松開;提升驅動器,當上節鋼套管與下節鋼套管完全分離后,開動旋挖鉆機將第一節鋼套管移至樁位旁邊或下一樁孔。⑤重復以上步驟,將鋼套管以及首節刀齒套管全部拔出。

10) 轉至下一根樁施工 ①首節套管拔出后,移至下一根樁位,確認樁位、垂直度符合要求后,加壓旋轉沉入土中。②旋挖鉆機繼續將余下的鋼套管拔出,并沉入下一根樁,完成流水作業。

2.5 施工工藝特點

1) 施工效率高 本工法采用驅動器連接鋼套管,旋挖鉆機動力頭通過連接器、驅動器驅動鋼套管旋轉壓入或拔出,鋼套管接長和拆卸均由旋挖鉆機完成,無需其他大型機械配合加拆套管。卸掉連接鋼套管的插銷后,旋挖鉆機直接在套管內鉆進取土,大大提升了施工效率。

2) 成樁質量好 本工法采用全套管跟管鉆進,利用鋼套管護壁,無孔壁坍塌、縮徑等風險,無需泥漿護壁,清潔環保;鉆進成孔直徑均勻,成孔質量高;鋼套管護壁,垂直度易于控制,節約樁身混凝土用量,確保了成樁質量。

3) 綜合成本低 灌注樁整個施工過程包括下沉鋼套管、旋挖鉆進、出土,僅使用1臺旋挖鉆機施工,大型施工機械用量少,節省了大量的機械使用費用;施工時,旋挖拔出套管后隨即接入另一孔的套管上鉆進,整體流水作業,減少了輔助作業時間,施工效率高,綜合成本低。

3 結語

深厚易塌孔地層灌注樁旋挖全套管鉆、沉、拔一體施工技術無需多臺大型機械配合施工,僅使用1臺大扭矩旋挖鉆機,連接驅動器及鋼套管,便能完成鋼套管的下沉和起拔以及在鋼套管內鉆進取土、卸土等工序,適用于含地下水豐富層、溶洞、流砂層、淤泥層等深厚易塌孔地層,并具有施工效率高、成樁質量好、綜合成本低等特點。