冲击钻机在分离式立交桥桩基施工中的应用

彭建江

(湖南路桥建设集团公司)

1 工程概述

常德至吉首高速公路项目土建工程第一合同段起于常德市斗姆湖,经由常德市鼎城区许家桥镇、丁家港乡,终于桃源县漳江镇,起点桩号K 4+117.919,终点桩号为K 19+000,里程全长 14.882 km,其中,中堰村分离式立交桥(下文简称本项目)桩号为K 6+593。原设计为桩长 15m的摩擦桩基础,原设计地质情况是:0～2.0m为种植土和亚粘土,2.0～3.6m为松散卵石层,3.6～27.6m为稍密 -密实卵石层。而实际地质情况为:0～1.5m为种植土和亚粘土,1.5～4.5m为卵石,4.5～9.5m为砂层,含少量卵石,与原地质报告有出入。经各方现场办公考察,决定修改桩长,修改桩长需考察桥位区可能产生的负摩擦力,并扣除9.5m桩基摩擦力,将摩擦桩适当加长(见表 1)。本项目跨径为 3×13m,上部构造为预应力简支空心板,下部构造为肋板式、桩基础,桥宽 2×11.75m,共有桩基 24根,共计 360m。

表 1 K 6+593中堰村分离式立交桩基长度变更情况一览表

2 施工方法

根据本桥地质情况,上部堆积角砾层及桥两侧墩台亚砂土、亚粘土可钻性较好,下部全风化、强风化泥岩可钻性较差,根据孔径、孔深及地质情况综合考虑,并按照工期考虑配置冲击钻钻机进行施工,钻头为冲击锤。钻孔采用冲击钻钻进,冲击锤冲击土自造浆护壁。上部角砾层利用膨胀土造浆,下部泥浆利用原土进行造浆,钻孔完成后利用汽车吊配导管进行水下混凝土灌注。

3 成孔施工工艺

3.1 施工前的准备工作

成孔施工工序较多、技术要求高、工作量大,并需在短时间内连续完成的地下隐蔽工程,施工前,要根据设计文件的要求,综合考虑工程地质、水文地质、机具设备、材料供应及劳动力等诸因素,认真做好施工设计,以保质、保量、按期完成施工任务。在砂卵石地层中成孔,首先要认真研究工程地质勘察报告,搞清砂卵石粒径的大小、成分、含量、层厚,分析造成易掉块、垮孔、孔斜的原因、程度,了解地下水位和地层的渗透性等,制订正确的施工方案,选择合适的成孔机具以确保成孔的进度和质量。

3.2 下放护筒

泥浆护壁成孔灌注桩一般需在孔口埋设护筒。在砂卵石地层的钻孔桩施工中,均下入钢护筒。本项目地下水位埋深超过 1m,在砂卵石地层中施工的钻孔桩护筒的埋设方法如下。

采用挖孔埋设:先在桩位处挖出比护筒外径大 80～100 cm的圆坑,然后在坑底填筑 50 cm左右厚的粘土,分层夯实:然后通过定位的控制桩放样,把钻孔中心位置标于坑底,再把护筒吊放进坑内,用十字架在护筒顶部找出护筒的圆心位置,然后移动护筒,使护筒中心与钻孔中心位置重合,同时用水平尺或垂球检查,使护筒垂直,此后,在护筒周围对称边,均匀地回填最佳含水量的粘土,分层夯实,达到最佳密实度。最后,复测护筒顶部中心与桩位之间的偏差和护筒垂直度偏差。要求不超出规范容许值(≤50mm)。

3.3 成孔

(1)成孔设备。

成孔设备采用冲击型钻机,配备在冲抓锥与 3 t重冲击锤。其施工设备是采用一台卷扬机带动钢丝绳,钢丝绳在孔口的吊架上以单门滑车吊有十字型重力式冲击钻头,往复起吊和自由落下,以冲击的方式钻孔。

(2)施工准备。

①根据桩顶设计标高、自然地表高程,用机械配合人工平整场地,按钻孔平面布置修筑钻机、混凝土运输进出场便道,场地面积要满足摆放钻机、挖泥浆池,灌注混凝土时泵车及混凝土搅拌运输车停放等需要,还应留出摆放钢筋笼的位置。

②根据总监办批复的平差后导线点坐标及中堰村分离立交三角控制网,利用全站仪定出孔位中心桩,并设置好骑马护桩并在护桩上标注出基面标高。

③埋设护筒,在护筒顶部设置溢浆口和泥浆池间用泥浆沟连接起来。护筒顶面高出地面0.3m左右,护筒内径比桩径大 400mm。

(3)钻进方法。

桩孔定位下好护筒后,将粘性好的粘土抛入孔口内,加清水用冲击锤冲击造浆,同时在冲击中钻进进尺。并根据实际需要,向孔内添加粘土和水,达到制作泥浆与保护孔壁的作用后,提上冲击锤,下入冲抓锥,进行冲抓钻进,冲程 2～3m。采用冲抓钻进,一是可以捞出冲击钻进时的钻碴,二是钻进进尺速度比冲击钻进快。冲抓钻进到一定程度后,提出冲抓锥,再抛入优质粘土,改冲击造浆护壁钻进。经此重复进行,穿过砂卵石地层。同时设置测量控制标志,及时测量,认真做好记录。钻孔作业分班连续进行。开钻时慢速钻进,待导向部位及钻头全部进入地层后,再加速钻进,但严格控制钻进速度,尤其是岩质变化交界处、松软地层中钻进施工。起落钻头速度均匀,严禁突然加速以免钻头碰撞孔壁或护筒。根据钻孔钻进速度的变化和土层取样认真做好地质情况记录,绘制孔桩地质剖面图。及时用取样罐放到需测深度,取泥浆进行检查,确保孔底泥浆浓度满足要求。

(4)质量评述。

在砂卵石地层采用冲抓与冲击相结合的钻进方法,集合了冲击钻进冲击造浆护壁和冲钻进无需捞钻碴及进尺速度快的优点。把钻进、护壁、捞碴等工艺紧密地结合在一起,使施工得到顺利进行。有利于提高钻进速度,保证工程质量。该工程钻孔桩,孔壁无坍塌现象,成孔顺利,灌注成桩后,经长沙理工大学土木工程结构检测试验中心进行全部检测,单桩承载力全部超过设计要求,质量完全合格。

3.4 清孔

(1)清孔的质量要求。

①GBJ202-83规定:孔壁土质较好,用原土造浆的钻孔,清孔后泥浆相对密度应控制在 1.1左右;孔壁土质较差时,清孔后的泥浆相对密度应控制在 1.15～1.25;灌注混凝土前,对于以摩阻力为主的桩,孔底沉渣厚度不得大于300mm,对于以端承力为主的桩,孔底沉渣厚度不得大于100mm;

②JTJ041-＄9规定:清孔后泥浆的相对密度为 1.05～1.2,粘度为 17～20 s,含砂率≤4%,孔内沉渣厚度摩擦桩不大于 0.4～0.6 d(d为设计桩径),端承桩不大于设计规定(一般不大于 50mm)。

(2)清孔的方法。

本项目采用正循环清孔的方法进行清孔,先将钻头提离孔底 80～100mm,输入相对密度为 1.05～1.08的新泥浆进行循环,把桩孔内悬浮大量泥渣的泥浆替换出来,并清洗孔底。孔底沉淀物粒径较大,正循环泥浆清孔难以将其携带上来,或长期清孔,孔底沉渣厚度仍超过规定要求时,应改换清孔方式。正循环清孔时,孔内泥浆上返流速不应小于0.25/s,返回孔内泥浆的相对密度不宜大于 1.08。清孔后从孔底提出泥浆试样,进行性能指标试验,用比重计测量孔内的泥浆比重,最后利用测锥量测孔内沉碴厚度,沉碴厚度小于规范要求的 300mm即符合要求。

4 结 语

目前,冲击钻机在湖南省高速公路分离式立交桥施工中应用广泛,钻孔桩基穿过 20m以上的厚层砂卵石层尤为普遍。在施工过程中,按照设计、技术规范的要求.严格执行施工技术工艺和控制钻孔桩基的施工过程,均能保证成桩的质量。同时,砂卵石钻进中存在的主要问题是孔壁不稳、清洗液漏失严重、碎岩困难、钻效低。对于某一特定的砂卵石地层,必须根据其自身的地层特点,选择合适的钻机钻具及成孔工艺。同时,成孔工艺必须按规范规程操作,并要有专人负责。成孔后,要及时清孔,清孔达标后,尽快灌注水下混凝土,以防出现意外事故。

[1] JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2] 李奋强.砂卵石地层钻孔桩成孔施工技术[J].岩土工程界,2001,(3).

[3] 吴放鹤.对钻孔灌注桩及基础的质量检测与评定[J].红水河,1994,(4).