淺談旋挖鉆機(jī)的施工應(yīng)用及常見問題處理

戴振洋

1 工程概況

津(天津)秦(秦皇島)鐵路客運(yùn)專線下鄔薊運(yùn)河特大橋位于天津市漢沽區(qū)境內(nèi),該橋全長(zhǎng)19 200 m,包括7聯(lián)連續(xù)梁和559孔簡(jiǎn)支箱梁,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均為C30高性能混凝土鉆孔灌注樁,樁徑分別為1.0 m,1.25 m和1.5 m,樁長(zhǎng)60 m左右。該橋樁基共計(jì)6 962根,每個(gè)墩位樁基數(shù)量為8根～16根,成行列布置的群樁基礎(chǔ)。本工程具有線路長(zhǎng)、工程量大、工期緊、技術(shù)含量高的特點(diǎn),是全線控制性工程之一。本橋經(jīng)過地區(qū)主要是濱海沖海積平原,地形平坦開闊,地層分布由上至下為全新統(tǒng)雜填土、素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土、粉砂及細(xì)砂,厚度大于30 m,基底欠穩(wěn)固。地下水深6.4 m～12.3 m,第四系孔隙潛水。

2 鉆孔設(shè)備

2.1 鉆孔設(shè)備選擇

為高速優(yōu)質(zhì)完成近7 000根鉆孔樁施工,必須采用具有成孔速度快、施工效率高、施工質(zhì)量好、移動(dòng)靈活方便、使用循環(huán)泥漿少、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)的較為先進(jìn)的鉆孔設(shè)備,傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)或沖擊鉆機(jī)很難滿足本工程的需要,而旋挖鉆機(jī)恰好符合這個(gè)要求,并且旋挖鉆機(jī)還特別適合于本工程較為松軟的地層,所以鉆機(jī)采用以旋挖鉆機(jī)為主[1],旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)為輔的施工方案。

2.2 采用旋挖鉆機(jī)類型及主要技術(shù)參數(shù)[2]

本工程共投入了24臺(tái)旋挖鉆機(jī),主要有中聯(lián)重科研制的ZR200型鉆機(jī)、北京經(jīng)緯巨力生產(chǎn)的ZYR200型鉆機(jī)、三一重工生產(chǎn)的SR系列鉆機(jī)以及德國(guó)寶峨鉆機(jī)等,其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 各種旋挖鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.3 旋挖鉆機(jī)成孔原理

各型旋挖鉆機(jī)均為全液壓履帶自行式,主要結(jié)構(gòu)大同小異,都是由主機(jī)、履帶式底盤、鉆架、鉆桿、鉆頭、加壓液壓缸和主副卷揚(yáng)等部分組成,并全部安裝組合在履帶式底盤上。其成孔原理是:在鉆桿的扭矩作用和加壓系統(tǒng)的合力作用下,讓帶有活門的桶式鉆斗旋轉(zhuǎn)進(jìn)尺,在鉆斗旋轉(zhuǎn)過程中旋起的鉆渣從鉆斗下方的底口進(jìn)入鉆斗內(nèi),當(dāng)鉆斗內(nèi)裝滿鉆渣時(shí),扭矩反力顯著加大,并通過操作室內(nèi)傳感裝置反映出來。隨后在機(jī)組人員操作下,使鉆桿反向旋轉(zhuǎn),由鉆機(jī)提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土。如此循環(huán)反復(fù),不斷取土、卸土,直鉆至設(shè)計(jì)深度。

2.4 旋挖鉆機(jī)施工特點(diǎn)[3,4]

1)機(jī)械化程度高。旋挖鉆機(jī)集機(jī)、電、液于一體,操作靈活方便,機(jī)械自動(dòng)化程度高,施工現(xiàn)場(chǎng)可自行移動(dòng),自立桅桿,孔位對(duì)中方便,施工中采用的伸縮鉆桿節(jié)省了人力和輔助時(shí)間,工效大增。另外,自身有起吊功能,在無吊車時(shí),能自行完成鋼筋籠吊裝就位、吊接導(dǎo)管;施工后,又可將護(hù)筒及時(shí)拔出倒用。

2)鉆進(jìn)速度快。鉆頭直接從孔內(nèi)提取巖土,成孔速度快,在土層和砂層的鉆進(jìn)速度可達(dá)10 m/h,在黏土層可達(dá)4 m/h～5 m/h,鉆孔速度比普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)快2倍～3倍。

3)成孔質(zhì)量好。旋挖鉆孔施工中采用人工造漿護(hù)壁,泥漿性能好,成孔后孔底沉渣少,對(duì)樁底質(zhì)量控制有保證;旋挖鉆機(jī)對(duì)地層擾動(dòng)小,所生成的孔壁泥皮薄,生成的孔壁相對(duì)于回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工生成的孔壁相對(duì)要粗糙,有利于保證設(shè)計(jì)樁基承載力。

4)環(huán)境污染小。旋挖鉆孔施工中不需要進(jìn)行泥漿循環(huán),所掏出的土層利于整體堆放外運(yùn),施工現(xiàn)場(chǎng)整潔,漿體可以循環(huán)利用,施工產(chǎn)生的噪聲低,對(duì)環(huán)境污染小。

5)施工局限性。旋挖鉆機(jī)設(shè)備自身重大,施工場(chǎng)地要求平整開闊。適用于土層、砂層以及較松散的卵礫石層,在粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土等土層鉆進(jìn)效果最佳,而在硬巖層、較致密的卵礫石、孤石層施工較為困難,鉆頭磨損大,成本高,與旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)不同的靜態(tài)護(hù)壁容易造成坍孔。

3 旋挖鉆孔施工主要工藝

3.1 施工場(chǎng)地布置

施工場(chǎng)地根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況進(jìn)行合理安排,平整場(chǎng)地,修筑施工便道,水、電運(yùn)輸及機(jī)械設(shè)備材料要到位,泥漿排放、鉆渣外運(yùn)也要進(jìn)行布置安排,必須全面滿足施工要求。

3.2 鉆機(jī)就位、護(hù)筒埋設(shè)

旋挖鉆機(jī)底座場(chǎng)地應(yīng)平整、夯實(shí),確保在鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)不產(chǎn)生基礎(chǔ)沉陷。鉆機(jī)為自行式,就位方便。護(hù)筒埋設(shè)主要由人工、機(jī)械配合完成,利用旋挖鉆機(jī)的動(dòng)力頭把護(hù)筒壓入地面,護(hù)筒由厚度8 mm～16 mm鋼板制成,護(hù)筒直徑比樁基孔徑大100 mm～150 mm,每節(jié)護(hù)筒長(zhǎng)度1.5 m～3.0 m。護(hù)筒頂至少高出地面30 cm,同時(shí)要滿足比地下水高出2 m的要求,以保證水頭壓力,并防止雜物、泥水流入孔內(nèi)。

3.3 泥漿制備

制備泥漿是旋挖鉆機(jī)能否成孔的關(guān)鍵,也是影響鉆孔進(jìn)度和樁基質(zhì)量的關(guān)鍵。選用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土,加入純堿等配制出高質(zhì)量的復(fù)合泥漿,這種泥漿顆粒懸浮均勻、沉淀少、性能穩(wěn)定,能滿足鉆孔要求。泥漿由拌漿機(jī)攪拌后存于泥漿池內(nèi),鉆孔施工時(shí)隨著孔深的增加向孔內(nèi)及時(shí)、連續(xù)地補(bǔ)漿,維持護(hù)筒內(nèi)應(yīng)有的水頭,防止孔壁坍塌。為了回收泥漿原料和減少環(huán)境污染,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng),在鉆孔結(jié)束和灌注混凝土?xí)r,將泥漿排入固定的泥漿池中,循環(huán)凈化后可重復(fù)利用。

3.4 鉆孔施工

鉆斗中心與樁位中心對(duì)正后,調(diào)整鉆桿垂直度,將鉆桿走行臂位置鎖定,注入調(diào)制好的泥漿,然后進(jìn)行鉆孔。當(dāng)鉆頭下降到預(yù)定深度后,旋轉(zhuǎn)鉆斗并施加壓力,將土擠入鉆斗內(nèi),儀表自動(dòng)顯示筒滿時(shí),鉆斗底部關(guān)閉,提升鉆斗將土卸于堆放地點(diǎn)。鉆機(jī)施工過程中保證泥漿面始終不得低于護(hù)筒底部,保證孔壁穩(wěn)定性。通過鉆斗的旋轉(zhuǎn)、削土、提升、卸土和泥漿護(hù)壁,反復(fù)循環(huán)直至成孔。

鉆進(jìn)過程中配備專人清理鉆頭四周夾帶的泥塊,確保鉆頭下入孔底有泥漿通道使下鉆順利。由于鉆孔速度快,為確保孔壁穩(wěn)定不出現(xiàn)坍塌,由專人對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行復(fù)查并經(jīng)常進(jìn)行泥漿指標(biāo)的測(cè)定,及時(shí)調(diào)整泥漿指標(biāo)。

在開始鉆進(jìn)或穿過軟硬層交界處時(shí)采用低速鉆進(jìn),主卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩承擔(dān)不低于鉆桿、鉆具重量之和的20%,以保證孔位不產(chǎn)生偏差。在鉆孔過程中,應(yīng)根據(jù)具體情況對(duì)鉆桿進(jìn)行豎直度檢測(cè),防止鉆桿因不可控制因素而變動(dòng),影響成孔質(zhì)量。

根據(jù)不同的地層選配不同的鉆頭鉆進(jìn),在黏性土層選用長(zhǎng)鉆筒,在砂、卵石含量較高的地層可選用短鉆筒,控制泥漿質(zhì)量和鉆速,對(duì)于含孤石、漂石和較硬巖石地層時(shí),換用長(zhǎng)、短螺旋鉆頭進(jìn)行處理,松動(dòng)后換鉆筒繼續(xù)鉆進(jìn)。

3.5 清孔

當(dāng)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)高程時(shí),終止鉆進(jìn),鉆頭空轉(zhuǎn)無進(jìn)尺掏渣,同時(shí)向孔內(nèi)注入經(jīng)泥漿處理器處理過的泥漿,換出孔底沉渣及濃度較大的泥漿,直至泥漿各項(xiàng)指標(biāo)、孔底沉渣等符合設(shè)計(jì)及規(guī)范、驗(yàn)標(biāo)的要求為止,嚴(yán)禁采用加深孔底深度的方法來代替清孔。

3.6 安放鋼筋籠、安裝導(dǎo)管、灌注水下混凝土

與一般鉆孔樁相同。需要指出的是,由于旋挖鉆機(jī)成孔速度非常快,鋼筋籠的制作、安裝、水下混凝土的灌注能力等必須與之配套適應(yīng),否則,不能充分發(fā)揮該鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

3.7 旋挖鉆孔灌注樁施工工藝流程圖

旋挖鉆孔灌注樁的特別之處在于制備符合性能指標(biāo)的泥漿,同時(shí)要及時(shí)補(bǔ)充泥漿。其主要工藝流程見圖1。

4 施工過程中問題處理

4.1 埋鉆原因及預(yù)防措施

引起埋鉆的原因主要有以下幾種:挖鉆鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺太長(zhǎng)或孔壁坍塌,造成鉆頭和鉆桿埋入孔中;孔口塌陷或機(jī)械操作失誤使孔口的鉆頭掉入;提鉆時(shí)受阻或施工中鋼絲繩拉斷,造成鉆頭和鉆桿埋入孔中;工作扭矩過大,造成鉆桿斷裂,連接銷或提引器損壞造成的掉鉆。

預(yù)防措施:控制鉆進(jìn)進(jìn)尺長(zhǎng)度,鉆進(jìn)過程中根據(jù)地層情況調(diào)整泥漿特性,確保孔壁穩(wěn)定;將鉆頭等雜物遠(yuǎn)離孔口放置,護(hù)筒頂口周邊夯實(shí),封閉地表水;提鉆時(shí)加強(qiáng)監(jiān)視卷揚(yáng)壓力表,鉆進(jìn)時(shí)確保垂直度,提鉆時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力突變時(shí),及時(shí)調(diào)整方向;經(jīng)常檢查鋼絲繩狀況,勤更換;班組施工過程中對(duì)連接銷、鉆桿和提引器等設(shè)備勤做檢查保養(yǎng)。

4.2 埋鉆處理方法

發(fā)生掉鉆事故后,要及時(shí)了解掉鉆深度、鉆頭形式、地層情況、水位高低等情況,制定相應(yīng)的處理方案。具體處理方法分以下幾種[5,6]:鉆頭上焊有打撈環(huán)的,可以下打撈鉤將鉆頭撈出;如果是鋼絲繩拉斷引起的,鉆桿外還有殘留鋼絲繩,則重新連接鋼絲繩,若沒有殘留鋼絲繩,則用兩臺(tái)吊機(jī)結(jié)合副卷揚(yáng)交叉拔起鉆桿和鉆頭;若鉆頭掉入孔中較深的位置且與孔壁卡緊,先采取措施擴(kuò)孔,再下長(zhǎng)護(hù)筒護(hù)壁進(jìn)行打撈。

5 結(jié)語

旋挖鉆機(jī)在下鄔薊運(yùn)河特大橋樁基礎(chǔ)施工中得到了充分應(yīng)用,確保了工程進(jìn)度和質(zhì)量,本橋樁基成樁后對(duì)全部樁基進(jìn)行無破損檢測(cè),優(yōu)良率達(dá)到98%,混凝土擴(kuò)孔率控制在2%,充分體現(xiàn)了旋挖鉆機(jī)施工質(zhì)量可靠、施工效率高、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),必將在工程建設(shè)中得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 王 見.旋挖鉆施工簡(jiǎn)介[J].公路,2005(10):35-37.

[2] 張啟君,楊裕豐.旋挖鉆機(jī)采購應(yīng)注意的幾個(gè)問題的探討[J].交通世界,2004(8):37-40.

[3] 劉建國(guó).橋梁樁基旋挖鉆施工新技術(shù)的應(yīng)用[J].巖土工程界,2002(12):63-64.

[4] 韓金亭.大口徑旋挖鉆機(jī)在樁基施工中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[J].西部探礦工程,2002(3):15-17.

[5] 趙士成.高壓噴射法在處理旋挖鉆機(jī)卡鉆事故中的應(yīng)用[J].巖土工程界,2001(10):21-23.

[6] 蘭方鑫,桂兵祥,鐘 明.旋挖鉆機(jī)施工時(shí)孔內(nèi)事故的處理[J].探礦工程,2000(4):45-47.