旋挖钻机在之江大桥深埋硬质岩层中的应用

2011-05-23

山西建筑 2011年29期

1 工程概况

之江大桥(又名钱江七桥)处于钱塘江河口段上游，位于闻家堰急弯和珊瑚沙与钱塘江大桥弯道之间，该河段在洪水和潮汐的交替作用下，河床宽浅，潮强流急，河床冲淤变化剧烈，是典型的游荡河道。东侧非通航孔桥共有水中桩基152根直径1．8 m和2．0 m钻孔灌注桩，桩长63 m～74 m不等。

2 施工准备

1)研究分析工程地质。施工前对工程地质、水文情况进行研究，认真分析设计提供的地质勘察报告，对工程地质进行全面分析。对于地质硬度小于5 MPa以下的工程地质，分析时应了解水文地质结构参数等土性指标;对于岩性地质，需了解岩石的成因和种类，岩石颗粒的大小和形状，岩石构造及裂隙发育情况，胶结的性质及胶结形式等。2)施工机械与设备配置。针对工程不同地质情况，对旋挖钻机的钻杆、钻具、斗齿、护筒、泥浆、清孔工具等施工机械与设备进行选择和优化。对于硬岩基层深埋下的嵌岩桩基施工，一台旋挖钻机至少要配置若干数量的不同规格和类型的钻具、斗齿，以适应软土和硬岩基层的钻进。3)技术参数设计。针对不同地质情况，优化钻进参数、质量控制措施等。如土壤切削、岩石钻削时加压方式、钻进扭矩、钻斗速度、进尺速度等控制指标。4)钢护筒埋设。钢护筒采用12 mm厚钢板卷制而成，护筒内径比桩径大20 cm，护筒顶要高出钱塘江20年一遇水位1 m，护筒底应进入淤泥质粘土层，以免在粉土层引起护筒底塌孔，故本工程钢护筒长度采用25 m，用DZ60振动锤进行埋设，埋设过程中进行跟踪测量，以确保钢护筒的垂直度及平面偏位。

3 旋挖钻机施工

3．1 钻斗类型和选用

施工中根据不同地质情况，选用合适的钻斗和施工工艺。

在淤泥层、泥土、砂层、卵(漂)石层、风化岩层等较软地层钻进时，可采用回转钻斗，回转钻斗一般分单底钻斗、双底捞砂斗。

入硬岩基层时，需采用短螺旋钻斗、牙轮钻斗和嵌岩筒钻等钻斗。旋挖钻机螺旋钻斗和双底捞砂钻斗见图1和图2。

3．2 泥浆制备

根据旋挖成孔工艺，旋挖钻进时不易形成泥皮，护壁性相对较差，易缩径和塌孔。因此，在施工时，为防止坍孔，稳定孔内水位及便于挟带钻渣，通常采用膨润土、CNC羧甲基(纤维素钠盐)和纯碱(Na2CO3)制备泥浆。膨润土为泥浆的主要材料;CNC为泥浆增加粘性，具有使地基土表面形成薄膜而使之强化和降低失水率的作用，掺入量为膨润土的0．05%～0．1%;纯碱的作用可使pH值增大，使粘土颗粒进行分散，粘粒表面负电荷增加，为粘土吸收外界的正离子提供了条件，可增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水率，掺入量为孔中泥浆的0．1%～0．4%。

泥浆指标应根据工程地质具体情况进行合理配制，且泥浆应在高速搅浆筒中高速搅拌15 min，然后放入泥浆池中24 h后才使用，新制备的泥浆由于未充分膨胀，护壁效果将大大降低。护筒内泥浆水头应比外侧河床高1．5 m～2．0 m，过高易引起护筒内反串，过低在涨潮时未能及时补充泥浆则引起正串。

图1 旋挖钻机螺旋钻斗

图2 旋挖钻机双底捞砂钻斗

3．3 不同地层施工

1)粉土层。根据钱塘江钻孔灌注桩的施工经验，钢护筒需穿过粉土层进入淤泥质粘土层，钻孔平台距离桩顶10．5 m，且钢护筒顶需高于20年一遇最高水位，故钢护筒为25 m长。由于粉土层均在钢护筒内，故可以采用双底捞砂钻斗快速钻进，在钻进过程中只需及时补充泥浆，保证泥浆液面高于护筒外河床1．5 m左右，因此钻进15 m深的粉土层只需1 h可完成。

2)淤泥质粉质粘土层。淤泥质粘土层强度小，胶结性差，钻进容易，但由于护筒底进入该土层约2 m，如快速钻进则会引起护筒底渗漏及塌孔，因此在进入淤泥质粘土层时需减速慢进，控制钻斗提升速度、泥浆比重及水头。注意钻斗提升速度:因为旋挖钻机的自身造浆能力较差，泥浆质量较普通钻机要差得多。且满斗土粒的快速提升会形成活塞作用，出现孔内负压和较高的泥浆流速，容易产生塌孔。所以一般提升速度应严格控制在10 m/min～20 m/min，含砂土、软土的提升速度应小于10 m/min。

3)圆砾层。圆砾层:灰色，密实，饱和，粒径以0．2 cm ～2．0 cm为主，含量为35%左右，卵石含量约30%，其余为粘性土，多为次圆状，岩性成分主要为中风化凝灰岩和石英砂岩，分选性较差，胶结较差。圆砾层由于地基承载力低，可用双底捞砂钻斗直接钻进，但圆砾层由于存在空隙，易出现跑浆现象，且在钻斗取土后易引起塌孔，因此，在钻进时泥浆比重需加大，泥浆液面适当加高，在空隙大的圆砾层中可适当回填部分黄土，慢速旋转钻斗，形成一定厚度的泥皮。

图3 旋挖钻机入岩钻进工艺

4)中风化粉砂岩层。该岩层由于强度高，入岩深度深，嵌岩深度达15 m～30 m，饱和强度达50 MPa，钻进困难，特别是旋挖钻机从国内施工的情况看基本不适合该岩层钻进，本工程为加快工程进度，必须采用旋挖钻机进行钻孔桩施工，故需选用合适的钻斗及钻进工艺至关重要，针对本深埋硬质岩层，经过不断的总结及试验，开发研究了深埋硬质岩层旋挖钻机施工工艺，为顺利完成钻孔桩施工提供了保障。基于岩石破碎机理，成孔前，先采用小直径嵌岩筒钻(不取芯)钻进，对孔内岩芯圆周进行松动，增加岩层自由面，以降低其应力水平，使之有利于大直径筒钻进一步钻进，提高其工作效率。换用嵌岩短螺旋钻斗入岩，破碎岩芯以构造孔底自由面。换用大直径不取芯筒钻以进一步松动岩面，最后用嵌岩旋挖钻斗钻进取渣。重复上述步骤，旋挖钻进至设计标高。钻进工艺见图3。