红莲大桥双斜塔主桥全套筒全回转钻孔桩施工分析

沈 浩

(中铁十八局集团 第二工程有限公司,河北 唐山 130200)

360度全回转套管钻机在日本已经有几十年的历史,但在中国,只是最近四五年才被逐渐认识和应用,成为近年来发展最快的一种新型桩孔及溶洞处理、障碍物清除最有效且最安全的施工工具。全套筒全回转钻机采用钻杆和钻头的组合,钻头在钻杆的带动下,通过回转钻进的方式进行钻孔。360度全回转套管钻机清障技术被誉为“绿色、安全施工工艺” ,其特点是施工质量好,对周边环境影响小及不出泥浆等。全套筒全回转钻孔桩施工作为目前桥梁工程施工中相对新颖的一种桩基础施工技术,相比于传统钻孔灌注桩施工技术,其可在复杂地质条件下,保证钻孔施工的安全性。其优点是施工速度快、精度高、质量好、安全可靠;缺点是施工成本高、难度大,对施工环境要求高。全套筒全回转钻孔桩施工技术适用于一些特殊的地质条件下,如淤泥质土、黏土、砂土、卵石层等地层。这就要求在具体施工中,结合桥梁工程所在区域的地质条件,严格把控好每道工序的质量,方可保证桩基础施工质量,为桥梁上部结构施工提供良好的基础条件。

1 工程概述

1.1 桥梁结构

表1 主墩桩基概况表

1.2 地形地貌

红莲跨海工程所处地貌单元总体为珠江三角洲冲积平原区,其间夹有珠江河床。地面高程为-4.29～8.27 m,基岩风化层较薄。区域水网密布,湖塘众多,总体地势普遍较低。项目所在地均为填海造地形成的陆地,场地高程大约在5 m,区域内大部分为围垦填地。地表多数为果园、道路、荒地、鱼塘。勘察路段附近有市郊村、镇大道或村镇间的便道通过,珠江可通行船只,交通比较便利。

本工程不良地质和特殊地质为工区内淤泥地质软土,其含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小等。这些特点导致了其特有的工程性质,如固结时间长、变形大、固结系数小等。若不进行有效的加固处理,解决淤泥地质软土流塑状态,以及强度低、工程特性差等问题,桩基区域易产生过大、不均匀沉降。工程位于蕉门延伸段上段,陆域两侧为鸡抱沙及万顷沙围垦区。工程附近水域是伶仃洋的重要组成部分,其上游口门为蕉门,下游有洪奇门和横门。

2 施工重点与难点

就案例工程而言,基层风化岩比较薄,且区域水网密布,施工范围内分布了大量湖塘,总体地势比较低。虽然采用全套筒全回转钻孔桩施工技术能够有效保证施工的安全性,但在具体施工中,依然存在很多重难点,主要包括以下几个方面:

1) 受到本工程桩基所在区域地质、水文条件的影响,施工中套管压入以及接长难度比较大,如何有效防止钻头和辅助夹盘相互碰撞,以及保证钢套管接长的效果,是本工程全套筒全回转钻孔桩施工的主要难点之一。

2) 钻孔施工是全套筒全回转钻孔桩施工的主要工序,本工程桩基深度大,地质条件复杂,如何有效保证钻孔的孔径、垂直度、深度等指标全部达到设计要求,也是本工程施工的主要难点。

3) 钢筋笼加工和安装质量,直接关系到后期混凝土灌注的连续性,以及最终成桩的总体质量。因此,如何确保钢筋笼加工精度达标,以及将钢筋笼顺利吊装到钻孔中也是施工的难点。

4) 混凝土灌注是全套筒全回转钻孔桩施工的最后一步,也是非常重要的一步。如何保证混凝土灌注施工中首批混凝土灌注量满足导管埋深、冲开球阀等,是本工程全套筒全回转钻孔桩施工的重点。

3 全套筒全回转钻孔桩施工技术的应用要点

3.1 钢套管钻进

针对本工程全套筒全回转钻孔桩施工中钢套管钻进施工的难点,当首节钢套管机放入到主机之后,需要立即夹紧钢套管。在夹紧钢套管施工中,需要通过起重机将套管吊起悬空后再抓紧,并通过吊线坠的靠尺,或将两台经纬仪呈90°方位以套管底外壁作为基准,观测套管上部外壁的垂直度,外壁垂直度须控制在1/500范围内。此外,将套筒的前部插入到辅助卡盘之前,一定要用主卡盘将套筒牢牢地扣住。然后将推力油缸放入套筒中,以免出现钻头与辅助卡盘互相撞击的情况。全回转套筒钻进施工现场如图1所示。

图1 全回转套筒钻进施工现场

在进行套管接长施工中,要高度重视接头的紧密性,尤其是在进行软土层以及透水砂层施工中,套管的接头需要进行密封处理,以免砂土、水渍等进入套管中,影响全回转套筒钻进效果。在对砂土以及含少量砾石的碎石土层进行施工时,要降低钻进速度,采用低速或者中速钻进,严格把控好进尺深度以及抓土的进度[1],应连续补充水量,套管内水头维持在合理高度,以免发生管外土、砂向管内涌进问题,引起地基沉陷等安全事故。

3.2 钻孔施工

针对本工程全套筒全回转钻孔桩施工中存在钻孔孔径、倾斜度、深度控制难度比较大的问题,可采用以下方法进行解决:

1) 当套筒钻进施工到中风化层顶面以下约2 m后,要及时停止套筒钻进,并采用高频头SWDM55D型旋挖钻机,在套筒内进行钻孔取土。套筒内钻孔施工现场如图2所示。

图2 套筒内钻孔施工现场

2) 在套筒内钻孔施工前,应由专业的测量人员通过全站仪定位中心桩位,通过现场监理工程师确认最终的测量结果后,再安装钻机。在钻机就位前,需要对其进行全面检查,保证各机械设备处于良好的运行状态,严禁存在“带病”作业现象,且基座与顶部必须保持平整,不得有偏移、下陷等现象[2]。同时,应精准定位钻机,确保钻机底盘中心与护筒中心的偏差不大于2 cm。

3) 在钻进的同时,要密切注意钻进平台和支架的变化,一旦出现下陷,要立即停止钻进施工。如果停机时间较长,须将套筒上的保险钩固定好。在钻进时,要针对不同的地质情况选择合适的钻头,必须确保钻进过程中泥浆面不能低于最高潮水位1.5 m,并且要严格控制钻进速率,以免因进尺太快而导致塌陷。钻机的起升速度应为0.75～0.8 m/s,在有粉砂或亚砂的地层,上升的速率要缓慢[3]。第一次注浆时,要以竖直的方向注浆到桩孔中央。钻孔位置要精确,并保证初始钻孔壁垂直、光滑、坚固。打孔时,起钻和下钻的速率要一致,不要突然加快或突然改变转速。最终的成孔质量要满足表2中的要求,

表2 成孔质量标准

3.3 钢筋笼制作安装

表3 钢筋丝头质量检验的方法及要求

制作好的钢筋笼运输到施工现场后,通过双钩吊装法,吊入到钻孔中。由于本工程钢筋笼的规格较高,重量较大,要避免在吊装入孔时发生钢筋笼变形。此问题需要通过履带吊缓慢将钢筋笼吊起,以保证钢筋笼由水平方向转变成垂直状态。通过履带吊,将钢筋笼缓慢送到钻孔桩孔口位置[6]。具体的钢筋笼吊装施工过程如图3所示。

图3 钢筋笼吊装过程

3.4 水下混凝土灌注

该项目中,钻孔桩使用的是C45高性能的水下海工混凝土,其强度达到了设计要求。混凝土在搅拌站进行集中搅拌,然后用罐车将混凝土运送到施工现场。在将混凝土运至施工现场之后,要让现场试验人员对在场的每车混凝土展开坍落度(180～220 mm)、含气量、扩展度检测。在达到标准之后,方可浇筑,不符合要求的混凝土要果断去除[7]。水中混凝土的坍落度通常为180～220 mm,膨胀率初期为560 mm,0.5 h后为530 mm,含气率3.0%～5.0%。在进行水下灌浆前,先用喷嘴对孔底喷射3～5 min,使孔底部的沉积物翻起漂浮起来。喷嘴的压力大于孔底的压力0.05 MPa,使沉积物的厚度降到最低。灌注水下混凝土施工过程如图4所示。

图4 灌注水下混凝土施工过程

在进行混凝土灌入之前,应该首先在灌斗中灌入0.1～0.2 m3的1.0∶1.5水泥砂浆,之后再灌入混凝土。等初灌混凝土数量达标之后,使埋入混凝土的导管深度不低于1 m,并且导管中的混凝土柱和管外的泥浆桩的压力要达到平衡。下面是混凝土初灌量的计算公式[8]。

导管内混凝土与孔内混凝土的高差为

H=h1rw/rc,

(1)

则有H=(72.812-1.5)×11/24=32.68 m。

混凝土初灌量为

V≥πh1d2/4+πD2h2/4,

(2)

则有V=3.14×32.68×0.35×0.35/4+3.14×3.1×1.5/4=14.54 m3。

式(1)—式(2)中:h为钻孔深度,m,取最深桩基54.5+8.812+9.5=72.812 m;h1=(h-h2);h1表示导管内部混凝土的高度,m;h2导管外部混凝土高度,取值为1.5 m;rw为泥浆密度,取值为11 kN/m3;rc为混凝土密度,取值为24 kN/m3;d为导管内径,m,取值为0.35 m;D为桩孔直径,m。

在浇注时,导管必须一直埋入到混凝土内,并且不能从混凝土表面伸出。埋入混凝土面的导管深度以2 ～6 m为宜,埋入深度不能小于2 m,管道应该勤提勤拆,每次提留拆管深度不能大于6 m。

3.5 桩基检测效果

为验证全套筒全回转钻孔桩施工效果,当水下混凝土灌注完成,强度达标后,利用超声波探测器对桩基进行100%无损检测。最终检测结果表明,本工程采用全套筒全回转钻孔桩技术,每根桩基的强度、完整性全部达到设计要求,取得了良好的施工效果。

4 结 语

本研究结合红莲大桥主桥工程实例,分析了全套筒全回转钻孔桩施工技术。结果表明,案例工程在复杂地质条件下,采用全套筒全回转钻孔桩施工技术,通过双壁钢套管(其壁厚为50～60 mm)的支撑,能承受较大管壁沙层等阻力,并将扭矩传递至下部切削刃用来切削坚硬的岩石,起到全程护壁作用,无须注入特制稳定液和护壁泥浆就能防止塌孔等事故发生。由于钢套管对孔壁的支撑,对周边的构筑物影响极小,且该工法可根据工程桩大小来调整双壁钢套管大小,以此满足不同大小桩径的需求。全套管机施工垂直精度更高,相比振动锤下钢护筒垂直度精度高出3～5倍。施工速度快,质量高,环保节能,能有效提升桥梁桩基础施工质量,可为特殊地质桩基施工提供参考和指导。