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旋挖钻机在沪杭高铁桩基施工中的应用与分析

2018-11-16 10:07:34      点击:
文章结合沪杭高铁横潦泾特大桥钻孔灌注桩基础工程,详细阐述了旋挖钻机及钻头选用,施工工艺,分析了施工中常出现的一些问题并提出了相应的预防措施,简述了旋挖施工验收的相关标准。这对于今后大型桩基旋挖钻机施工实施科学、严格的质量控制具有重要的参考价值。 
  【关键词】沪杭高铁;旋挖钻机;施工工艺;预防措施;工程验收 
   
  近年来,旋挖钻机广泛应用于大型桩基施工中,具有装机功率大、钻机自动定位、垂直旋孔、机动灵活、施工效率高等优点,深得施工单位的青睐。然而,根据不同工程要求和特定地质状态正确合理地运用,才是保证旋挖钻机顺利施工的关键,进而确保钻孔灌注桩基础工程的高质量。在一些具有重大意义的、特别是工期比较紧张的桥梁桩基施工中,充分发挥旋挖钻机的性能显得尤为重要。 
  为此,笔者结合沪杭高铁横潦泾特大桥钻孔灌注桩基础工程,阐述了旋挖钻机桩基施工工艺以及施工过程中技术要求,对施工中常见问题进行了分析并提出了处理方法,以供今后我国类似桩基工程施工参考借鉴。 
  1工程概况 
  沪杭铁路客运专线(沪杭高铁)横潦泾特大桥起讫里程为DK31+267~DK38+717,长度为7451.26米。该工程管段内,有深钻孔大直径灌注桩1915根,平均桩深80多米,最大深度为136米,最大直径为2米,累计桩基长度153公里,相当于上海到杭州的距离。而且,线路跨越河流10多处,地下水丰富,地质结构松软,在深桩基施工易出现缩颈、塌孔现象,质量控制难度大。水中钻孔、岸边钻孔更加难以控制。 
  本段区间内,横潦泾河宽水深,121号墩处于河中心位置,工程人员需要在围堰筑岛的前提下,合理选择旋挖钻机及钻头,采用过动态调整钻进速度来配合混凝土灌注。同时,横潦泾特大桥是整个沪杭客运专线的控制性工程之一,技术标准要求较高,桩基工期不足3个月。 
  2 施工机具 
  2.1旋挖钻机选型 
  由于施工工期紧张且地质条件差,属于大直径深孔、高承载力钻孔灌注桩,对旋挖钻机各方面性能要求很高。横潦泾特大桥多为超过80米深孔,钻孔直径集中在1.5~2.0米,小型旋挖钻机和中型旋挖钻机无法达到施工标准。该工程需要采用大型旋挖钻机,扭矩≥250kN•m,发动机功率≥270kW,钻孔直径1.2~2.5m,钻孔深度≥80m。此类钻机整机质量在100t以上,考虑到施工现场地质结构松软,加之群桩密度大,应选择自走履带式钻机作业。进行钻孔桩施工时,钻机必须具有快速成孔的能力,以在限定工期内优质高效的完成钻孔桩任务。 
  本工程采用了国内外知名厂商的旋挖钻机,主要包括:德国BAUER公司BG40/BG50,最大钻进扭矩400kN•m/≥800kN•m,发动机功率414kW/707kW,最大钻径3.0m/4.5m,最大钻深82m/≥100m;意大利MAIT公司HR240-800,最大钻进扭矩790 kN•m,发动机功率403kW,最大钻径2.5m,最大钻深110m;北京三一重机SR360/SR420,最大钻进扭矩360N•m/420kN•m,发动机功率277kW/380kW,最大钻径2.5m/3.0m,最大钻深92m/110m;北京南车时代TR400C,最大钻进扭矩400 kN•m,发动机功率352kW,最大钻径3.0m,最大钻深≥105m;湖南奥盛特重工OTR280D,最大钻进扭矩285kN•m,发动机功率261kW,最大钻径2.2m,最大钻深85m。 
  2.2钻头的选用 
  钻孔灌注桩穿越多个地层,各地层的物理力学性能各异,钻进过程中因各地层相互间较大的土质差异,极易出现因钻进速度控制不当而导致的缩径、扩径等质量问题。因此,必须针对各地层状况选用适宜钻头,才能充分发挥旋挖钻机性能,并降低发生孔内事故和机械事故的概率。 
  (1)粉质粘土层粉质粘土层在横潦泾特大桥区域广泛存在,也是旋挖钻机最适合的地质之一,旋挖钻机钻进时侧阻力较小,速率快,且对泥浆的要求小,局部地方采用清水甚至干孔钻进,钻头选用单底板土层钻头。这样较易施工控制,成孔质量好,钻进速度快,充分发挥了旋挖钻机的优势。 
  (2)淤泥质粘土层淤泥质粘土层强度小,胶结性差,在离孔口10m以内泥浆对孔壁的压力较小,容易造成钻孔桩颈缩,影响成桩质量。在横潦泾特大桥施工中,个别淤泥质土厚度达到3m多。淤泥质粘土层采用双底捞砂钻头钻进,在钻进中严格控制进尺深度,并反复扫孔,预防颈缩。 
  (3)圆砾层圆砾层中砾石直径达15~20cm且密度较大时,双底捞砂钻在钻进中容易发生操作失误而造成钻杆断裂。故,在后续钻进中采用短螺旋钻头以低速、低扭矩、先浮动后加压的方式钻进,同时更换为耐磨的合金钢斗齿,在钻进中及时检查斗齿,发现破损及时焊接修补或更换。 
  (4)泥质砂岩层泥质砂岩层强度较大,应采用嵌岩筒钻钻进,同时加大钻机压力和扭矩,利用合金斗齿的切削力切削岩体。初入岩层时,应轻压慢转,待孔底不平岩面扫平后施压钻进,以防止孔斜及钻头损坏。 
  3 施工工艺 
  (1)施工准备 对于场地条件不满足旋挖钻机施工的地方采用冲击钻机施工。按照施工设计要求,合理布置施工场地,必须落实三通一平,即路、水、电通;旋挖钻机作业平台要求必须换除软土,填料压实,以免桩机不均匀沉陷导致桩机倾覆等安全事故;由于旋挖钻机履带走行频繁,尤其在雨天对道路损坏较大,故施工便道的标准较高,底层尽量采用大块片石填筑,且便道的排水尤其要注意。进行场地整平后,对每个承台钉好十字护桩,建立临时坐标系,为单桩的测量放样、复核做好准备;现场配备2台挖机,为钻孔出土的平整、拉运及便道清理做好准备。 
  (2)护筒埋设 精确定出桩位后,经现场监理工程师检查无误,开始埋设钢护筒,具体要求为:①护筒采用5mm厚钢板卷制而成,护筒内径比桩径大20cm,护筒顶要高出施工水位或地下水位2.0m,并高出施工原地面0.5m。②护筒埋设位置必须准确,保证护筒的垂直度和水平度。③护筒必须穿过淤泥质地层,护筒一般高1.2~1.5m,具体可根据桩位处的土质情况确定。④在护筒的顶部要开设1个溢浆口,护筒顶面位置偏差不得大于5cm,护筒倾斜度不得大于1%。⑤在护筒上下端各焊一道加劲肋和吊环,以增加护筒刚度和灌注桩结束后起拔护筒。人工开挖将桩基护筒埋设于密实粘土层中。护筒埋设完成后钻机就位,并将钻头准确对准桩位,钻机用缆风绳四周加固稳定。 
  (3)成孔施工 开钻前找准桩位并拉好“十”字线,对准桩位后和,利用自动控制系统调整其垂直度,注入泥浆后进行钻孔,采用旋挖式筒式钻头保证在提钻后液面始终高于护底面。钻孔完成后,用清底钻头清理孔底沉渣,完成第1次清孔,并用测绳测定成孔深度。施工中采用泥浆护壁,并要求做到:①泥浆采用膨润土及水配置,一般每100kg水掺6~8kg膨润土,同时添加纯碱调节泥浆pH值,增强泥浆的悬浮效果。②初次使用的泥浆应充分搅拌,要求搅拌时间>2min。③开钻时(地表下5m以内),应轻压慢进,适当延长钻进时间;及时将优质泥浆注入孔内,平衡地层压力,并在孔壁四周形成泥浆,保护孔壁;通过钻头旋挖切削土体,提出孔外,打开钻头底盖倒土至运输车内运至指定地点。④正常钻进时也应控制进尺速度,做到轻提慢放,要求每回次不超过0.5m;遇砂层采用捞砂钻头正转进尺,反转封闭底口;遇土层采用粘土钻头,并随进尺注入泥浆到孔内保护孔壁。⑤严格控制孔内液面高度,储浆池通过泥浆沟与钻孔相连,及时补充泥浆到孔内,施工中严禁液面低于护筒顶30cm以下。⑥接近终孔时,应采用封底捞砂钻头钻进,减少回次进尺量(达到30cm左右),逐渐把孔底的稠泥浆掏出。达到终孔深度时,停20~30min,使泥浆中的悬浮物沉淀,用钻头捞出。⑦清孔后泥浆粘度应控制在18~20s,含砂率   (4)施工要点 旋挖钻机施工过程中,还应该注意:①钻机就位应平整,钻杆应垂直,确保孔身的垂直度。②为确保泥浆质量,需用不纯物含量少的水。③为防止钻头内的土砂掉落到孔内,使稳定液性质变坏或沉淀到孔底,钻头底活门在钻进过程中应保持关闭状态。④必须控制钻头在孔内的升降速度,升降速度过快,水流将会以较快速度由钻头外侧与孔壁之间的空隙中流过,导致冲刷孔壁;有时还会在上提钻头时在其下方产生负压而导致孔壁坍塌。⑤为防止孔壁坍塌,应确保孔内水位高出地下水位2m以上。⑥成孔后,尽量缩短下钢筋笼、导管的时间,以防孔底沉淀太多。⑦建立泥浆沉淀池,适时地添加新鲜泥浆。 
  4 常见问题及预防措施 
  4.1 孔壁坍塌 
  在成孔过程中,当排出的泥浆不断出现气泡,或护筒内的水位突然降低,均预示形成塌孔。产生原因:一般未能保持孔内水头压力,泥浆比重偏小,护筒质量差,施工操作不当,钻机不稳定,机具出现故障,拖延钻孔时间,以及地层发生变化等因素造成。 
  预防措施:①严格按规定要求,认真埋设护筒,护筒底部不漏水,始终保持护筒内的水位高出地下水位1.5~2.0m,以维持孔壁稳定;②做好泥浆护壁,测定和调整泥浆指标,使泥浆的比重在1.2左右,粘度在20s左右,含砂率小于4%,使孔壁形成较好的泥皮护壁,保持孔壁稳定;③加强机具保养,确保其正常运转。 
  4.2 孔底沉渣过多 
  清孔未净是指孔底泥砂残留过厚或孔壁塌落泥土。引发原因为:清孔泥浆比重过小或清水置换;吊放钢筋笼时碰刮孔壁泥土;清孔后待灌时间过长,造成泥浆沉淀。 
  预防措施:①保证半小时以上的清孔时间;采用适当比重和黏度的优质泥浆;吊放钢筋笼保持垂直、缓慢;②采用导管二次清水冲孔,以使沉渣厚度达到规范要求为准;③初灌混凝土时,导管底端距孔底距离在30~40cm,初灌混凝土量应保证导管底端能埋入混凝土中1.0m以上,以便更有效地冲刷残留沉渣。 
  4.3 导管堵塞 
  导管堵塞原因很多,主要有:混凝土坍落度不合格或有离析现象,粗骨料粒径过大;初灌或漏水形成水塞堵管;当管内混凝土含有空气时,向导管注入混凝土,可使导管内形成气塞,当气压较高时可造成导管漏水;机械发生故障,管内混凝土已初凝。 
  预防措施:①混凝土应充分拌合均匀,控制好配合比,混凝土的坍落度以18~22cm为宜,并宜有一定的流动度,保持坍落降至15cm的时间,一般不宜小于1.0h。②粗骨料粒径小于25mm,最大粒径不大于导管内径和钢筋笼主筋最小净距的1/4;选用的隔水塞,应保证能从管内顺利排出。③用0.5~0.7MPa的压力,检验连接部位和焊缝的密封性,避免导管水塞;灌注混凝土前,先灌注0.2~0.3m3水泥砂浆,浇灌混凝土要慢,防止高压气塞;为确保混凝土灌注连续,要有备用搅拌机,必要时添加缓凝剂;加强冲捣或震抖导管。如无效,应立即清理导管,视情况重新浇灌或接桩处理 
  4.4 断桩 
  断桩破坏了桩本身的整体性,使桩体强度和承载力达不到设计要求,危害极大。造成断桩的主要原因有:坍落度损失大;浇灌过程不连续;灌注过程中埋管、卡管;其他因素。 
  预防措施:保证混凝土具有良好的和易性和流动度,坍落度、坍落度损失应符合要求,初凝时间应为正常灌注时间的2倍,灌注过程中要做到连续、快速,防止埋管、卡管及其它不良情况的发生。 
  5 工程验收 

  (1)清孔达到以下标准:①孔内排出或抽出的泥浆手摸无2~3rnrn颗粒,泥浆比重≯1.1,含砂率


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