深厚易塌孔地层灌注桩旋挖全套管钻沉拔一体施工技术

2024-05-08刘峥志

施工技术(中英文) 2024年7期

朱峰,刘峥志,雷斌

(1.深圳市工勘建设集团有限公司,广东深圳 518063; 2.深圳市工勘岩土集团有限公司,广东深圳 518063)

0 引言

在深厚易塌孔地层进行旋挖灌注桩施工,通常需要沉入深长护筒进行护壁,将护筒穿越易塌孔地层,以确保孔壁稳定。目前,传统深长护筒的施工方法主要有3种:①采用全套管全回转钻机钻桩下长护筒,配合冲抓斗进行取土钻进;②采用全套管全回转钻机钻桩下长护筒,配合旋挖钻机进行取土;③使用振动锤沉入超长护筒,再用旋挖钻机进行取土。以上3种方法都需要两种大型设备配合施工,工序较复杂,钻进效率低。

针对在深厚易塌孔地层超长护筒施工存在的问题,对灌注桩超长护筒施工技术进行了研究,采用深厚易塌孔地层灌注桩旋挖全套管钻、沉、拔一体施工技术,沉入长护筒、旋挖取土、起拔长护筒全过程均只采用1台旋挖钻机进行施工,达到了施工工效高、成桩质量好、综合成本低的效果,取得了良好的经济效益与社会效益。

1 工程概况

深惠城际大鹏支线土建七工区动走线特大桥位于深圳七娘山下,紧邻大鹏半岛地质公园地块,南西侧为碧洲村,北西侧为新大村。场地地层由上至下主要为:素填土、填砂层、填碎石、杂填土、淤泥质砂、砾砂、碎(卵)石、砂质黏性土、全风化花岗岩、微风化花岗岩。桥梁桩基桩径为1.0,1.2m,持力层为微风化花岗岩,桩底最小嵌入持力层深度不小于1.5m,设计桩长16.2～30.3m。开始施工时,孔口下入8m的长护筒,护筒底进入杂填土中,施工中由于未完全隔离易垮塌地层,底部淤泥质砂、砾砂、卵石层造成严重垮孔。经现场反复研究和试验,为确保顺利成孔,需将护筒下至岩面,完全将易塌孔地层护住,护筒最大深度达28m。

刚开工的5根工程桩中,每根桩都发生了不同程度的塌孔现象,桩基进尺十分缓慢。项目部立即停止施工,商讨应对办法,为保证桩基施工质量和施工效率,需将护筒穿越地下深厚的易塌孔地层,决定采用深厚易塌孔地层灌注桩旋挖全套管钻、沉、拔一体施工技术。

2 深厚易塌孔地层灌注桩旋挖全套管钻、沉、拔一体施工技术

2.1 适用范围

1) 适用于扭矩不小于380kN·m的旋挖钻机。

2)适用于含地下水丰富层、溶洞、流砂层、淤泥层等深厚易塌孔地层。

3)适用于桩径不大于1 500mm、跟管套管长度不大于35m的基坑支护桩和工程桩钻进。

2.2 工艺原理

本工法采用大扭矩旋挖钻机施工,将驱动器通过连接器与旋挖钻机的动力头用连接销连接,旋挖钻机动力头输出扭矩和施加下压力带动驱动器,使与驱动器相连的首节钢套管带筒靴切入土中。当钢套管沉入困难时,解除钢套管与驱动器的连接销,旋挖钻机在钢套管内下放旋挖钻头取土作业,以减少钢套管的摩阻力。完成取土后,通过旋挖钻机接长钢套管,旋转并下压钢套管继续沉入。如此循环沉入钢套管、接长钢套管、旋挖取土等步骤,直至将钢套管下沉穿越易塌孔地层或满足设计桩底标高。

在完成钢筋笼吊放、桩身混凝土灌注后,再使用旋挖钻机将钢套管逐节拔出。起拔钢套管前,先安放好孔口套管起拔夹持平台,当下节钢套管拔出地面约1m时,使用孔口套管起拔夹持平台将钢套管固定,再松开钢套管间的连接销,将钢套管移至下一根桩孔内沉入,循环作业直至拔出全部钢套管后完成施工。

2.2.1旋挖钻机与套管接驳连接原理

本技术针对锚索产生渗漏的原因,在锚索渗水通道内事先埋设注浆管,一旦出现锚索漏水,从预埋的注浆管口实施注浆即可进行有效封堵。

1)套管接驳连接

采用旋挖钻机接驳套管钻进,套管接驳主要构件包括连接器、驱动器、钢套管、带刀齿筒靴等,由工厂加工制作。

连接器用于驱动器与旋挖钻机动力头之间的连接,上、下方均设有连接销,上方与旋挖机动力头连接,下方通过销轴与驱动器连接。

驱动器长2m,管身开有若干圆气孔,上部设有连接销孔并通过螺栓与连接器连接,下部设计定位槽和连接销,用于连接钢套筒;驱动器实现整体结构过渡,起到传递旋挖钻机扭矩与加压力的作用。

钢套管设2,3,4m等长度规格,壁厚为30,40mm两种规格,每节套管的上部50cm壁厚20mm,开设排状连接销孔,对称设计4个定位销;下部同样开设相应的连接销孔,与上部反向设计4个定位槽相对应,用于钢套管间或与筒靴榫接。

筒靴前端镶嵌合金钻齿,通过旋转及轴压环切各类地层,用于切削各种土层和岩层,减缓埋设套管阻力,提升套管钻入能力;筒靴上部与钢套管上部结构相同,上方连接钢套管。

连接器、驱动器、钢套管、带刀齿筒靴分别如图1～4所示。

图1 连接器Fig.1 The connectors

图2 驱动器Fig.2 The drives

图3 钢套管Fig.3 The steel casing

图4 带刀齿筒靴Fig.4 Cartridge boots with cutter teeth

2)旋挖钻机与套管接驳连接

先将旋挖钻机动力头下压盘卸除,用连接销轴将连接器与旋挖钻机动力头销接,连接器同样采用销接与驱动器连接,动力头通过连接器、驱动器传递下压力及扭矩。安装连接器、驱动器后,不影响钻杆的伸缩以及旋挖钻头旋转取土。旋挖钻机加装连接器、驱动器前后如图5所示。

图5 连接器、驱动器加装前后Fig.5 Connector and driver before and after retrofitting

操作人员通过操控旋挖钻机,缓慢下放驱动器套入钢套管,调整驱动器并使驱动器下部定位槽与钢套管的定位销对齐后再次下放驱动器,驱动器与钢套管完成对接,对称、顺时针拨动连接销完成紧固。驱动器与钢套管连接如图6所示。

图6 驱动器与钢套管连接Fig.6 The driver is connected to the steel casing

钢套管间或钢套管与筒靴的连接与驱动器相同,将钢套管下方的定位槽与另一节钢套管(筒靴)上部的定位销对齐完成对接,然后在连接销孔插入柱状螺栓并完成紧固,从而完成钢套管间或与筒靴的连接。钢套管间连接如图7所示。

图7 钢套管间连接Fig.7 Connection between steel sleeves

2.2.2钢套管沉入及套管内取土原理

1)钢套管沉入原理

将连接器与旋挖钻机动力头连接,并依次连接驱动器、钢套管和筒靴。通过旋挖钻机动力头输出扭矩和施加压力于钢套管、筒靴,将首节钢套管旋转切入土中。当首节钢套管顶离地面约1m左右,停止沉入,开始接长钢套管。旋挖钻机解除与首节钢套管连接,重新接驳另一节钢套管,将两节钢套管进行对接,完成紧固后,旋挖钻机再次施压将钢套管沉入。循环沉入钢套管、接长钢套管步骤,直至钢套管穿越深厚易塌孔地层。

2)旋挖钻机套管内取土原理

当钢套管与驱动器连接后,旋挖钻头可在钻孔长度方向通过伸缩钻杆进行套管内旋转钻进,但由于受钢套管、驱动器的阻碍无法卸土。随着钢套管不断沉入,钢套管承受的摩阻力也越来越大,造成下沉困难时,就需要解除钢套管与驱动器的连接,将旋挖钻头携带着驱动器自由在套管内钻进取土,或入岩钻进以及提升钻头套管外卸土。

2.2.3孔口夹持起拔套管原理

1)孔口夹持平台设计

当桩身混凝土灌注完成后,需及时拔出钢套管,避免因混凝土凝固造成套管无法拔出。此时,将驱动器与钢套管重新连接,动力头反向转动驱动器同时施加上拔力,将钢套管逐节拔出。起拔钢套管前,为防止钢套管因自重作用下沉或掉落,本工法在钢套管外专门设计了孔口套管起拔夹持平台。

孔口套管起拔夹持平台由型钢制作,平台设2个螺杆锁、6个凸轮锁和固定顶块,具体结构如图8所示。

图8 套管起拔孔口夹持平台结构Fig.8 Clamping platform structure at orifice

2)孔口套管起拔

上节钢套管拔出地面,驱动器与钢套管解除连接前,为防止钢套管在自重作用下下沉,顺时针方向旋转螺杆锁,将螺杆向钢套管内旋出,并卡住焊在钢套管上的短钢筋;上抬凸轮锁手柄,凸轮锁凸轮带有连续锯齿,当锯齿与套管外壁接触时,凸轮锯齿将发挥夹持作用。若套管有下沉趋势,连续分布的锯齿会与套管越夹越紧,利用锯齿与套管之间的摩擦力抵抗套管下沉。螺杆锁及凸轮锁固定套管如图9所示。

图9 螺杆锁及凸轮锁固定套管Fig.9 Screw lock and cam lock fixing casing

当上节钢套管拔出地面约1m左右时,拧动孔口套管起拔夹持平台的螺杆锁及凸轮锁将钢套管固定。使用电动扳手拧出钢套管之间的柱状螺栓,提升旋挖钻机动力头及驱动器,将上节钢套管与下节套管分离,移至孔外合适位置或转至下一根桩施工。上节钢套管放稳或沉入下一根桩后,逆时针拨动驱动器的全部连接销,解除驱动器与钢套管的连接。旋挖钻机驶回原桩位,重新连接钢套管,继续拔出余下钢套管,直至全部拔出。

2.2.4流水作业原理

1号桩完成混凝土灌注后,使用旋挖钻机带驱动器起拔钢套管,起拔过程中使用孔口套管起拔夹持平台固定地下部分钢套管,防止其下沉。起拔出来的钢套管移至2号桩位沉入,然后旋挖钻机继续将1号桩剩余的钢套管逐节拔出,并沉入2号桩,如此循环,完成1号桩所有的套管起拔以及2号桩套管沉入流水作业。

2.3 施工工艺流程

深厚易塌孔地层灌注桩旋挖全套管钻、沉、拔一体施工工艺流程如图10所示。

图10 施工工艺流程Fig.10 Construction process

2.4 操作要点

1) 施工准备 ①施工前,收集场地勘察资料,查阅设计图纸,确定桩顶和桩底标高,计算空桩及实桩桩长,制定施工方案,安排人员材料设备进场。②清除场地施工范围内的所有障碍物,平整场地并压实。③依据设计图纸,使用全站仪对桩位进行测量定位,并标志出桩位中心点,引出4个护桩。④根据施工需要准备足够数量的钢套管和2套筒靴,以便全套管跟进施工流水作业。⑤拆卸旋挖钻机驱动下压盘,安装连接器、驱动器。

2) 开孔 ①开孔可采用旋挖钻筒或直接采用带筒靴的套管开孔。②采用旋挖钻筒开孔时,将旋挖钻头中心对准桩位中心点,下放钻头至地面,旋转、下压钻头开始钻进成孔,钻孔深度以孔口不发生垮塌为准。

3) 首节钢套管带筒靴沉入 ①将首节钢套管与驱动器连接,安装钢套管前,先将驱动器的连接销顺时针全部打开,再安装钢套管。驱动器完全插入钢套管后,逆时针拨动连接销,将钢套管固定。②将连接筒靴的钢套管缓慢下放至已开好的孔内,通过旋挖钻机动力头调整钢套管的垂直度,并确认钢套管垂直度符合要求。③垂直度符合要求后,旋转旋挖钻机动力头,旋转驱动器并加压,钢套管开始切削土层入土下沉。

4) 钢套管孔口接长、沉入 ①为方便钢套管接长,当首节钢套管沉入至外露地面约1m时,停止沉入,开始接长钢套管。②顺时针拨动驱动器连接销使得驱动器与钢套管解锁,提起驱动器。③将驱动器与另一节钢套管连接,旋挖钻机移位至首节钢套管上方,调整动力头使钢套管下方定位槽插入首节钢套管上方定位销,缓慢下放。④两节钢套管对接完成,安装螺栓前,将连接销孔及柱状螺栓的浮泥用高压水枪冲洗干净。安装好螺栓后,先人工用扳手初紧,再用电动扳手紧固。⑤套管连接完成后,用水平靠尺检测套管垂直度,用直尺复核桩位,不符合要求则及时进行调整。⑥旋转旋挖钻机动力头,转动并下压沉入钢套管,当沉入钢套管顶距离地面约1m时,停止沉入,重复接长钢套管步骤。

5) 旋挖钻头钢套管内取土 ①随着钢套管不断沉入,钢套管受到的摩阻力增大,当钢套管难以继续沉入时,使用旋挖钻头在钢套管内取土。②旋挖钻斗取土完成后,逆时针拨动驱动器全部连接销,使驱动器与钢套管之间连接分离,提起驱动器;当驱动器与钢套管连接处位于高处,伸手无法拨动时,可使用自制长钩拨动连接销。③伸长旋挖钻机钻杆,用旋挖钻斗于钢套管内取土,卸至渣土箱内临时堆放;取土深度与钢套管底平,或略比钢套管底深,确保孔底不发生塌孔。④重复钢套管压入与旋挖套管内取土、卸渣等作业步骤,直至钻孔深度穿越易塌孔地层或满足设计桩底标高。

6) 套管内旋挖钻进 ①钢套管穿越易塌孔地层进入岩面后,在套管内正常旋挖钻进。②解除驱动器与钢套管连接,正常旋挖钻头进行钻进、取土、卸土作业,直到钻孔深度满足设计桩底标高。

7) 清孔、下放钢筋笼、安放灌注导管、灌注桩身混凝土 ①钻进达到设计要求后,使用清孔捞渣钻头对孔底进行扫孔,将孔底沉渣清扫干净。②吊机吊笼入孔时,派专人指挥,吊机平稳旋转。③钢筋笼吊装合格后,安装灌注导管,导管直径250mm,接头连接牢固并设密封圈,保证不漏水、不透水。④ 二次清孔满足要求后,即进行桩身混凝土灌注,灌注时使用12h超缓凝混凝土,避免未拔出全部钢套管前混凝土发生凝固,造成钢套管无法拔出。⑤首批灌注混凝土的数量满足导管首次埋置深度1.0m以上的需要,保持连续灌注;在灌注过程中,派专人定期测量套管内混凝土面和导管内混凝土的上升高度,及时拆除导管,埋管深度控制在2～6m。

8) 安放孔口套管起拔夹持平台 ①混凝土灌注完成后,开始拔出钢套管。②拔出钢套管前,将旋挖钻机驱动器与钢套管分离,从钢套管上方缓慢下放,将孔口套管起拔夹持平台套入钢套管。③夹持平台就位后,使用垫块将孔口套管起拔夹持平台安放平稳,并保持平台平面水平。

9) 逐节拔出套管 ①将旋挖钻机就位,对准套管中心,下放接驳器与孔口套管对接,并采用螺栓紧固连接。②旋挖机动力头输出扭矩使接驳器旋转,同时施加上拔力,将套管逐渐拔出孔口。③当上节钢套管完全拔出,且下节钢套管拔出地面约1m时,顺时针方向将螺杆锁螺杆旋出,并卡住焊在钢套管上的短钢筋;上抬凸轮锁手柄,凸轮锁夹紧钢套管,与螺杆锁共同作用固定孔内超长套管,防止钢套管下沉。④用高压水枪对销孔位置进行冲洗,对称、逐个松开连接销,将两节钢套管松开;提升驱动器,当上节钢套管与下节钢套管完全分离后,开动旋挖钻机将第一节钢套管移至桩位旁边或下一桩孔。⑤重复以上步骤,将钢套管以及首节刀齿套管全部拔出。

10) 转至下一根桩施工 ①首节套管拔出后,移至下一根桩位,确认桩位、垂直度符合要求后,加压旋转沉入土中。②旋挖钻机继续将余下的钢套管拔出,并沉入下一根桩,完成流水作业。