基于旋挖钻机的混凝土灌注桩施工方法和工艺探讨

丁时伟,李治军

(1.中国水利水电第四工程局有限公司 基础分局,西宁 810007;2.黑龙江大学 水利电力学院,哈尔滨 150080;3.黑龙江大学 寒区地下水研究所,哈尔滨 150080)

利用钢筋混凝土灌注桩应处理受荷载较大的地基由来已久,其施工工艺也较成熟。然而随着社会的发展,人们对施工质量、进度、环境保护的要求逐渐提高,灌注桩施工工艺也在不断地改进。本文就旋挖钻机灌注桩(配套环保护壁液)与传统的灌注桩施工工艺在软基处理上进行分析,以期为相关研究及实际应用提供参考。

1 护壁液(泥浆)的配制工艺

1.1 传统护壁液配置工艺

护壁液作用是防止孔壁坍塌和对孔壁起保护作用[1],它既能使孔内的液体不致流入孔外,又能使孔外的水不致渗入孔内。所有灌注桩施工前,要根据当时软基的地质情况,来确定护壁液的参数范围,进而确定护壁液的配比。一般是根据当时的地勘资料确定一个简单的配比,再在具体施工时进行进一步的调配。对重要性强的软基的处理,可在施工场地附近选取具有代表性的地段用钻机钻一个试验孔来调配护壁液。

传统的施工工艺的护壁液一般是由膨润土调制的泥浆,其主要参数如下:

比重为1.3～1.5 t/m3(用婆梅式比重计测)

含沙率:≤4%～8%

胶体含量:≥90%

塑性指数:IP＞17

在护壁液实际配置过程中,需配合以大量泥浆的持续拌和[2]。若施工地层的含沙量较大,所消耗的膨润土少则数十吨多则上百吨,在施工现场占地面积庞大、堆积如山。由于泥浆的拌和大多采取人工搅拌,在工地上往往出现灰尘弥漫的现象,对环境和人身的污染和伤害都是极大的。然而,既便是这样大的用量,护壁效果还是不理想,孔内沉渣量大,特别在砂层(流砂地层)时常出现2～3 m的沉渣量,为最后的浇注成桩留下了很大的质量隐患。

1.2 新型护壁液配置工艺

旋挖钻机配套的新型护壁液是一种采用国外先进技术的进口产品(Super mud),其特点包括水溶性强,易混合的粉末颗粒聚合物,在水中充分溶解后成半透明糊状,黏度大。该液体在孔内沉淀杂质速度非常快,钻具在孔内钻进时,泥浆总是保持清澈透明的状态,钻具、钻杆表面干净。同时,在孔内由于钻具的连续运动,聚合物泥浆和水混合的越均匀黏度就越强,凝聚力也就越快,即使泥浆回到泥浆池内也没有一点杂质沉淀的痕迹。聚合物护壁液在孔壁周围形成了一层薄透明糊状保护层,无毒无污染,具有钻孔稳定、可配置高黏度泥浆、废浆易于降解处理、回用率高等优势。聚合物护壁液的最大特点是孔内不留残渣,由于其高强度的护壁性,配合旋挖钻机特有的旋挖钻孔功能,使钻孔底基本不留废沙,从而使持力层与桩体结合更严密,提高了桩基承载力。

现场根据水池的体积,将配浆用水pH值调整至8～10后,一般按0.8～1.8 kg/1000 L的比例进行调配,该调配方法具有简单、快捷之特点。

2 护壁液池的制作工艺

2.1 传统工艺下护壁液池的施工

利用传统施工工艺制作护壁液池,首先一般在施工现场空地处挖一个4 m×5 m×1.5 m(长×宽×深)大小的坑,对渗漏量大的池底四周需用红砖铺砌,坡度约为1∶600且上抹厚20 cm 1∶2.5的水泥砂浆。处理含沙量大的软基时,在泥浆池旁边还需挖同等规模的沉淀池,将桩位、泥浆池、沉淀池3者用泥浆沟联通,使泥浆循环。同时要用大功率的泥浆泵将含沙量超标的泥浆抽走(一般抽到专用的泥浆运输车上运走)。根据施工处规模的大小,有时要重复开挖若干个,这样既影响施工进度,又使占地面积大,容易对其他工序形成干扰。

2.2 新型工艺下护壁液池的施工

若改用旋挖钻配合新型护壁液进行护壁液池施工就要简单的多,其流程如下:以在池底部焊接管道的方式将3个30 m3左右的集装箱连通(集装箱之间需有阀门控制),根据配比在集装箱内调配好护壁液用普通的泵将护壁液抽至孔内即可。同时在桩位旁边挖一个0.3 m3左右的小坑,将钻孔时溢出护壁液收集到坑内,再用泵抽到筛分器,将浆液通过过滤后即可以进行循环利用。

筛分器一般布置在水箱的正上方,回收的浆液经过筛分器的高频率震动、多层筛分后,可直接流入水箱。由于筛分器能将溶入浆液内的细小颗粒全部脱离出来,使得浆液的重复利用率几乎可达100%。

所用水箱为钢制水箱,其作用范围可覆盖其周围500～600 m的施工区,在不同工地之间也可重复利用。水箱具有安装简便、快捷之特点,但安装时需大型搬运设备(拖车、吊车等)配合。

3 钻孔工艺

3.1 钻孔的传统施工工艺

利用传统工艺即循环钻机打孔,首先要用埋设护筒,其主要作用是稳定孔口、提高且固定水位、增加静水压力和维护孔壁等[3-4]。埋设护筒全靠人工,如遇地下水位较高的地段,还需配以抽水泵、降水沟等设备,这些设备往往耽误钻机的正常钻孔。护筒、泥浆沟成型后,利用吊车将钻机对准桩位,用水平尺校正机身及钻杆的水平、垂直度后,放下钻头。这时用泥浆泵注入泥浆,钻机开始旋转钻进,一节钻杆钻入后及时停机再将第二节钻杆适时接上,如此反复上述步骤至设计深度[5]。

整个钻孔过程中要随时对泥浆进行检查,尤其对含沙量大的地层,要随时打捞泥浆带出的沙。如发现泥浆中杂质太多,必须及时清理排浆沟及泥浆池或更换泥浆。此时由于地基较软容易发生埋钻事故,为避免事故的发生,须减缓钻进速度[6]。

泥浆池、沉淀池、泥浆沟等施工过程中都主要依靠人工清理泥浆的情况下,大量人工使得施工工地很难控制文明施工。同时,运输膨润土、废弃泥浆的车辆、受泥浆沟的影响往往都不能准确到达目的地,都将严重影响施工的正常进行。

3.2 钻孔的新型施工工艺

旋挖钻机能利用机械本身埋设护筒,一些新型钻头(如意大利迈特公司出品的钻头)在开孔时旋挖直径达1000 mm,下入护筒后,钻头缩径后可继续往下旋挖孔。还有一些新型钻头可带着专用的钻孔护筒(如德国宝娥公司生产的钻头)直接钻入地层4～5 m,然后换钻头再进行旋挖。

旋挖钻钻孔时,不需循环孔内的浆液,只要使孔内的浆液保持一定的高度(根据坍塌地层的深度而定),随着钻深的逐渐增加,用方便移动的φ 100 mm软管向孔内补充浆液即可。

由于旋挖钻上下活动从孔内溢出来的浆液,回收至桩位旁边的坑内后,用泵抽至(一般采用软管抽运)筛分器后可进行再利用。

利用这种新型施工工艺,施工场地地面上仅有两套软管铺设,移动方便,可利用车辆等直接接近运送至正在施工的桩位。旋挖钻可将挖出来的沙土直接放至运输车上及时运走,使施工场地保持整洁、干净。但由于旋挖钻自身要占有一定的空间(其履带式的行走方式,更需一定范围的平面),当施工场地本身狭小时,不利于旋挖钻的施工。

4 水下混凝土浇注施工工艺

水下浇灌混凝土是利用导管中混凝土压力将桩孔内的护壁液排出,混泥土填满桩体从而成桩的一种施工方法。施工时应特别认真,否则会引起夹层、夹泥、甚至形成孔洞等现象发生,严重影响桩基的质量[7]。

施工时先用吊车将导管插入孔内,在导管的上口下3～5 cm处将预制混凝土塞用8号铅丝固定,在导管的上部漏斗内装满混凝土,切断铅丝,混凝土同塞一起即刻下落,通过混凝土的自由落体,将余留在孔地的沉沙土冲开,使混凝土直接与持力层接触。当混凝土在桩底扩散后,再继续在漏斗内加混凝土,将孔内的泥浆全部排空、抽出导管,即形成混凝土桩[8]。

一般来说旋挖钻成桩的施工方法与传统的施工方法在两个方面差别较大:

1)孔底的残留沙土。传统施工工艺施工结束后需用稀泥浆冲洗孔,同时又要保证孔壁的软沙层不再坍塌,这两者之间很难达到理想的平衡,因此施工时一般按控制稀泥浆的比重来减少孔底的残留物。冲孔结束后会有一定的时间用来准备混凝土料斗和混凝土的制备,这样使得孔内一定会存有沉淀的泥土,这些情况都会为桩体质量留下隐患。

新型旋挖钻成孔时由于其钻头设计巧妙,使通过旋挖进入钻头内的泥土很难在孔内退出,加上护壁液本身不带有泥沙,使得孔底残留很少。

2)浇注时钢筋笼的上浮问题。对于钢筋笼不下入孔底的桩灌注,用传统方法施工时,比较容易使钢筋笼上浮。这主要是在钻孔进入持力层后,由于持力层一般为弱风化或微新岩体,传统钻头成孔时,会有较大的岩块滞留孔内,而岩块是不能通过泥浆带出孔的。这些岩块只能在浇筑时随着第一罐混泥土料的上升而顶出孔外,当岩块聚集到一定体积同时具有一定硬度时,就能把悬在半空中的钢筋笼顶出孔外。有时,残留在孔底的泥土被混凝土冲击后,在上升的过程中会形成很浓的泥浆,其产生的浮力也会使钢筋笼上浮。当用重物压住钢筋笼时,块体会随着钢筋笼一起留在孔内,形成夹层。

用旋挖钻机配套新型的护壁液成孔时,由于孔底一般不残留泥土,同时护壁液的比重接近水的比重,无法对钢筋笼产生较大的浮力,所以钢筋笼上浮的现象很难发生。

至于钢筋笼的制作和安装,传统的施工方法和旋挖钻施工基本相同。

5 结 语

本文从水工建筑物混凝土灌注桩中常见的4种工艺:护壁液(泥浆)的配制工艺、护壁液池的制作工艺、钻孔工艺、水下混凝土浇注施工工艺,较全面的对传统施工工艺和基于旋挖钻机的新型施工工艺的优、缺点进行分析与评述,可见,旋挖钻机配套新型护壁液的新型施工工艺无论从施工质量、施工进度、文明施工等方面都优于一般的施工方法。当然,在施工场地本身狭小的地方,旋挖钻机难以展开,这也是其不足之处。但是,由于旋挖钻、筛分器以及新型环保护壁液均依赖于国外进口,产品的数量及价格都受国外厂家的限制,其施工时要求一次性投入的资金额大,难以在短时间内普及。但是,随着我国高标准的水工建筑物日益增多、施工管理水平的提升以及水工高科技设备的研制,以旋挖钻机为代表的新型、高效、环保的施工方法会成为发展之趋势。

[1]袁国林.水利工程中灌注桩的施工工艺与质量控制[J].陕西水利,2009,(6):90-91.

[2]杨 柳,徐 丽.水利工程施工组织与管理[J].海河水利,2009,(6):41-42.

[3]王子良,王雪冬,徐大涛.泥浆护壁钻孔灌注桩质量监控要点[J].水利科技与经济,2009,(12):1110.

[4]王德仙.旋挖钻机在桥梁混凝土灌注桩成孔中的应用[J].山西建筑,2009,35(30):323-324.

[5]李维平.钻孔灌注桩施工关键工序控制[J].岩土工程技术,2003,(5):299-301.

[6]李鼎伟.钻孔混凝土灌注桩施工方法与措施[J].路基工程,2005,(6):69-72.

[7]尹春燕.水下钻孔灌注桩施工工艺与质量控制的研究[D].武汉:华中科技大学,2006.

[8]刘松良.钻孔灌注桩水下混凝土灌注施工要点[J].山西建筑,2004,30(19):67-68.