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全套管全回转钻机与旋挖钻机组合在薄覆盖层硬质河床引孔中的应用*

2022-08-02贺红星邓运生张晋华沈博闻

施工技术(中英文) 2022年12期
关键词:孔位围堰钻机

贺红星,邓运生,董 义,张晋华,田 浩,谢 卫,沈博闻

(1.中建三局集团有限公司,湖北 武汉 430064;2.湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430071)

0 引言

在施工水中承台时,因应用条件广泛、强度刚度稳定性好、工效高、止水效果好等特点,锁扣钢管桩围堰被广泛应用。然而普通的锁扣钢管桩围堰施工仍具有一定局限性,其施工一般作用在砂类土、半干性黏土、较软的全风化岩层。对于覆盖层薄或较硬的强、中风化岩层及大粒径卵石层地层,锁扣钢管桩无法打入,如利用大功率振动锤强行打设,会造成钢管桩底部变形,进而影响围堰止水效果。因此,须先采用引孔施工工艺在薄覆盖层硬质河床上进行引孔,孔深至中风化岩,然后再沿孔位逐个打入锁扣钢管桩,才能保证围堰的止水效果及稳定性要求。

赣州市蟠龙大桥17,18号主墩为水中墩,18号主墩处河床覆盖层更薄,围堰要求进入中风化岩层更深,为最不利工况。因此,以赣州市蟠龙大桥水中18号主墩锁扣钢管桩围堰引孔施工为研究对象,在传统水中钢围堰引孔施工技术中,通常采用槽钢焊接在作业钢平台上作为导向架,然后在导向架内放入钢套管,采用冲击钻机进行引孔。在此施工过程中导向架需不断拆改,费时费工,而且增加了空中吊装及水上焊接工作,作业安全性差;钢套管的接长施工也涉及水上焊接,进一步增加了施工安全隐患;而且水中冲击钻引孔过程中需设置泥浆池,对环境存在不利影响,同时冲击钻施工效率低、工期长;无论是冲击钻成孔还是振动下沉钢套管的过程中,导向架都会造成扰动,影响施工精度,导致引孔质量差。采用传统水中围堰引孔技术无法满足蟠龙大桥工程施工要求。

赣州市蟠龙大桥工程18号墩锁扣钢板桩围堰引孔,采取旋挖钻机与全套管全回转钻机联合,是一种降本增效、安全性好、绿色环保、引孔精度高、成孔质量好的水中围堰引孔施工方案。

1 工程概况

1.1 工程简介

赣州市蟠龙大桥工程由北向南跨越章江,北接经开区工业一路,南接蓉江新区蓉江一路。本文研究对象为水中18号墩围堰引孔作业。18号墩围堰设计顶标高为104.750m,设计底标高为88.750m,底部进入中风化层。其中,18号主墩围堰引孔情况如下:引孔直径1.2m,引孔深度6.55m,入强风化岩层3.94m,入中风化岩层1.69m,合计75个孔。

1.2 工程环境条件

18号墩实测水深6.8m,河床以下地层分别为⑥1淤泥质粉砂(1.0m)、⑦圆砾(0.5m)、⑨强风化泥质粉砂岩(3.1m)、⑩中风化泥质粉砂岩。承台底位于⑨强风化泥质粉砂岩层。18号墩处工程地质概况如图1所示。各土层相关参数设计值如表1所示。此处河床特点为薄覆盖层硬质河床,采用常规手段插打钢管桩会造成钢管桩因地质较硬无法插打进入且钢板桩变形较大,影响施工质量。

表1 各岩土层物理力学参数设计建议值

图1 18号主墩处工程地质概况(单位:cm)

同时,施工点靠近赣州市取水点,环保要求高;赣州汛期为“桃花汛”(3月底至4月底),相较于常规“夏汛”(6月底至9月底),汛期更早。围堰引孔工期压力大。

2 水中围堰引孔作业方案比选

通过以上数据及图表,在选择最合适的水中围堰引孔方案时应重点分析如下5点因素。

1)水中钢围堰引孔施工需穿过粒径较大、成分复杂的多重土层,引孔施工过程中在无护壁的情况下,孔槽极易塌陷,成孔效率低下。保证引孔的成功率直接决定围堰的成功。

2)水中钢围堰引孔施工精度要求高,因此引孔导向需较高精度,若因导向精度问题导致引孔孔位偏差,锁扣钢管桩将无法下放到位,影响围堰止水效果和稳定性。

3)因蟠龙大桥桥位靠近赣州市自来水厂取水点,环保要求高,因此在此过程中需尽量避免环境污染和隐患。

4)在现状条件下,水上钢围堰引孔施工属于危险性较大工程,特别是水上吊装及水上焊接施工,存在较大安全隐患,应在保障精度及成功率的前提下,尽量通过优化工艺更好地组合施工机械和设备。尽量减少水上吊装及水上焊接等危险性较大施工工序。

5)赣州汛期较早,工期要求紧,对施工工艺提出更高要求,必须考虑水中钢围堰引孔施工速度。

水中锁扣钢管桩围堰引孔方案比选分析如表2所示。综合考虑以上5个因素,正式施工前便采用3种引孔施工方案展开试引孔。

表2 引孔工艺比选

3 全套管全回转钻机与旋挖钻机组合应用研究

3.1 水上作业钢平台

18号墩围堰作业处于水中,无现成作业面,因此需先施工钢栈桥打设引孔作业平台。该作业钢平台主要为解决旋挖钻机、全套管全回转钻机及履带式起重机配合施工问题,保证水上作业钢平台能同时承受旋挖钻机、全套管全回转钻机及履带式起重机等重型机械及各类材料堆放的作用力。本工程制作水上施工钢平台,该水上作业钢平台从下到上分别由φ630×10钢管桩、双拼I45a、321贝雷架、I25(间距0.3m)、10mm厚钢板、1.2m高护栏组成,同时在相邻钢管桩通过φ200×6平联、[20剪刀撑及连接板联系,使钢平台构成整体,有力保证作业平台的强度、刚度及稳定性。施工钢平台设计如图2所示,水上施工钢平台引孔槽实景如图3所示。

图2 水上施工钢平台设计

图3 水上施工钢平台引孔槽实景

3.2 定位箱板引孔导向

目前在钢平台上焊接导向架是水中围堰引孔施工的一种常用导向方式,但在引孔施工过程中,不仅每个孔位都需焊接导向架,在咬合孔位引孔前,还需将之前孔位的导向架全部拆除,再重新拼装焊接固定导向架在咬合孔位上,拼装及焊接费工费时,吊装及转运设备多,频繁的高空及水上吊装、焊接作业安全性差、施工费用高。尤其对于工期紧、施工难度大、精度要求高的水中钢围堰引孔施工,这些问题更加凸显。

本工程设计了一种定位箱板,定位箱板直接放置于水上作业钢平台并固定后,全回转钻机沿定位导向孔下放钢套管进行引孔。定位箱板上导向孔位施工完成,直接将定位箱板平移1个孔位直径,即可为下一孔序进行精确导向,施工快速简便,省时省工。定位箱板实景如图4所示。

图4 定位箱板实景

定位箱板的应用能有效降低作业难度、加快作业进度、减少机械设备、保证施工安全、节约作业成本。

3.3 全套管全回转钻机及旋挖钻机组合施工

全回转钻机定位安置于定位箱板上,通过钻机夹具夹住钢护筒定位下放,将套管缓慢压入砂石层,采用旋挖钻机在套管内出土。钢护筒再继续钻进,当钢护筒无法钻进或出现倾斜时,用旋挖钻机超前取土,取土后再放入旋挖钻机钻头至孔底,利用钻头超前与土体间的扶正作导向,使钢护筒顺着钻头的外边缘下压,旋挖钻机钻头钻进与钢护筒下压间的衔接以≤1m为区间下压1次,直至到达桩底。取土完成后,采用水泵在套管内抽水。抽完水后,护筒内回填黏土,每回填1m高后用旋挖钻机钻头压实。回填黏土至河床面以上500mm并拔出钢护筒,回填高程控制采用测绳,在此过程中要多次控制测量,完成水中钢围堰孔位引孔。全套管全回转钻机与旋挖钻机组合施工实景如图5所示。

图5 全套管全回转钻机与旋挖钻机组合施工实景

3.4 工程应用效果分析

本工程18号水中墩处为薄覆盖层硬质河床,在施工此处水中围堰时,采用旋挖钻机同全套管全回转钻机组合施工工艺,相较于传统水中围堰引孔施工工艺,既发挥了全套管全回转钻机大扭矩切割和下套管的优势,又利用了旋挖钻机快速取土的功能,施工工效高,每个孔位成孔时间减少3h,工效提升约50%,可满足工程快速施工要求。

该施工点靠近居民区和水厂取水点,噪声及环保要求高,经过现场实测,全套管全回转钻机与旋挖钻机联合施工现场最大声音强度≤60dB,相较于传统冲击钻引孔施工中的85dB,声音强度值降低约40%,能满足施工噪声要求。同时,该施工工艺不用设置泥浆池,也可满足绿色环保的施工要求。

4 结语

本工程采取全套管全回转钻机同旋挖钻机在薄覆盖层硬质河床主墩钢围堰引孔施工中的组合作业,不仅展现了全套管全回转钻机扭矩大及套管下放的特点,而且发挥了旋挖钻机高效出土的作用;同时,不用设置泥浆池,满足了施工区域环保要求;通过水中作业钢平台的应用,解决了大吨位施工机械共同作业承载力的问题;通过定位箱板的应用,解决了传统引孔导向架施工复杂、安全性差、费用高的问题。

综上所述,全套管全回转钻机与旋挖钻机在薄覆盖层硬质河床主墩钢围堰引孔施工中的应用,充分利用了各机械性能优点,可有效减小作业难度、推动作业进度、保障作业安全、降低作业成本及避免环境污染。

随着国内基础设施的跨越式发展,大跨度水上桥的大力建设,水中围堰引孔需求的进一步提高,同时随着国家对环境保护的愈发重视,相信该工法在将来水中引孔作业中会被大力推广。

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