旋挖鉆機在之江大橋深埋硬質巖層中的應用

1 工程概況

之江大橋(又名錢江七橋)處于錢塘江河口段上游，位于聞家堰急彎和珊瑚沙與錢塘江大橋彎道之間，該河段在洪水和潮汐的交替作用下，河床寬淺，潮強流急，河床沖淤變化劇烈，是典型的游蕩河道。東側非通航孔橋共有水中樁基152根直徑1．8 m和2．0 m鉆孔灌注樁，樁長63 m～74 m不等。

2 施工準備

1)研究分析工程地質。施工前對工程地質、水文情況進行研究，認真分析設計提供的地質勘察報告，對工程地質進行全面分析。對于地質硬度小于5 MPa以下的工程地質，分析時應了解水文地質結構參數等土性指標;對于巖性地質，需了解巖石的成因和種類，巖石顆粒的大小和形狀，巖石構造及裂隙發育情況，膠結的性質及膠結形式等。2)施工機械與設備配置。針對工程不同地質情況，對旋挖鉆機的鉆桿、鉆具、斗齒、護筒、泥漿、清孔工具等施工機械與設備進行選擇和優化。對于硬巖基層深埋下的嵌巖樁基施工，一臺旋挖鉆機至少要配置若干數量的不同規格和類型的鉆具、斗齒，以適應軟土和硬巖基層的鉆進。3)技術參數設計。針對不同地質情況，優化鉆進參數、質量控制措施等。如土壤切削、巖石鉆削時加壓方式、鉆進扭矩、鉆斗速度、進尺速度等控制指標。4)鋼護筒埋設。鋼護筒采用12 mm厚鋼板卷制而成，護筒內徑比樁徑大20 cm，護筒頂要高出錢塘江20年一遇水位1 m，護筒底應進入淤泥質粘土層，以免在粉土層引起護筒底塌孔，故本工程鋼護筒長度采用25 m，用DZ60振動錘進行埋設，埋設過程中進行跟蹤測量，以確保鋼護筒的垂直度及平面偏位。

3 旋挖鉆機施工

3．1 鉆斗類型和選用

施工中根據不同地質情況，選用合適的鉆斗和施工工藝。

在淤泥層、泥土、砂層、卵(漂)石層、風化巖層等較軟地層鉆進時，可采用回轉鉆斗，回轉鉆斗一般分單底鉆斗、雙底撈砂斗。

入硬巖基層時，需采用短螺旋鉆斗、牙輪鉆斗和嵌巖筒鉆等鉆斗。旋挖鉆機螺旋鉆斗和雙底撈砂鉆斗見圖1和圖2。

3．2 泥漿制備

根據旋挖成孔工藝，旋挖鉆進時不易形成泥皮，護壁性相對較差，易縮徑和塌孔。因此，在施工時，為防止坍孔，穩定孔內水位及便于挾帶鉆渣，通常采用膨潤土、CNC羧甲基(纖維素鈉鹽)和純堿(Na2CO3)制備泥漿。膨潤土為泥漿的主要材料;CNC為泥漿增加粘性，具有使地基土表面形成薄膜而使之強化和降低失水率的作用，摻入量為膨潤土的0．05%～0．1%;純堿的作用可使pH值增大，使粘土顆粒進行分散，粘粒表面負電荷增加，為粘土吸收外界的正離子提供了條件，可增加水化膜厚度，提高泥漿的膠體率和穩定性，降低失水率，摻入量為孔中泥漿的0．1%～0．4%。

泥漿指標應根據工程地質具體情況進行合理配制，且泥漿應在高速攪漿筒中高速攪拌15 min，然后放入泥漿池中24 h后才使用，新制備的泥漿由于未充分膨脹，護壁效果將大大降低。護筒內泥漿水頭應比外側河床高1．5 m～2．0 m，過高易引起護筒內反串，過低在漲潮時未能及時補充泥漿則引起正串。

圖1 旋 挖鉆機螺旋鉆斗

圖2 旋挖鉆機雙底撈砂鉆斗

3．3 不同地層施工

1)粉土層。根據錢塘江鉆孔灌注樁的施工經驗，鋼護筒需穿過粉土層進入淤泥質粘土層，鉆孔平臺距離樁頂10．5 m，且鋼護筒頂需高于20年一遇最高水位，故鋼護筒為25 m長。由于粉土層均在鋼護筒內，故可以采用雙底撈砂鉆斗快速鉆進，在鉆進過程中只需及時補充泥漿，保證泥漿液面高于護筒外河床1．5 m左右，因此鉆進15 m深的粉土層只需1 h可完成。

2)淤泥質粉質粘土層。淤泥質粘土層強度小，膠結性差，鉆進容易，但由于護筒底進入該土層約2 m，如快速鉆進則會引起護筒底滲漏及塌孔，因此在進入淤泥質粘土層時需減速慢進，控制鉆斗提升速度、泥漿比重及水頭。注意鉆斗提升速度:因為旋挖鉆機的自身造漿能力較差，泥漿質量較普通鉆機要差得多。且滿斗土粒的快速提升會形成活塞作用，出現孔內負壓和較高的泥漿流速，容易產生塌孔。所以一般提升速度應嚴格控制在10 m/min～20 m/min，含砂土、軟土的提升速度應小于10 m/min。

3)圓礫層。圓礫層:灰色，密實，飽和，粒徑以0．2 cm ～2．0 cm為主，含量為35%左右，卵石含量約30%，其余為粘性土，多為次圓狀，巖性成分主要為中風化凝灰巖和石英砂巖，分選性較差，膠結較差。圓礫層由于地基承載力低，可用雙底撈砂鉆斗直接鉆進，但圓礫層由于存在空隙，易出現跑漿現象，且在鉆斗取土后易引起塌孔，因此，在鉆進時泥漿比重需加大，泥漿液面適當加高，在空隙大的圓礫層中可適當回填部分黃土，慢速旋轉鉆斗，形成一定厚度的泥皮。

圖3 旋挖鉆機入巖鉆進工藝

4)中風化粉砂巖層。該巖層由于強度高，入巖深度深，嵌巖深度達15 m～30 m，飽和強度達50 MPa，鉆進困難，特別是旋挖鉆機從國內施工的情況看基本不適合該巖層鉆進，本工程為加快工程進度，必須采用旋挖鉆機進行鉆孔樁施工，故需選用合適的鉆斗及鉆進工藝至關重要，針對本深埋硬質巖層，經過不斷的總結及試驗，開發研究了深埋硬質巖層旋挖鉆機施工工藝，為順利完成鉆孔樁施工提供了保障。基于巖石破碎機理，成孔前，先采用小直徑嵌巖筒鉆(不取芯)鉆進，對孔內巖芯圓周進行松動，增加巖層自由面，以降低其應力水平，使之有利于大直徑筒鉆進一步鉆進，提高其工作效率。換用嵌巖短螺旋鉆斗入巖，破碎巖芯以構造孔底自由面。換用大直徑不取芯筒鉆以進一步松動巖面，最后用嵌巖旋挖鉆斗鉆進取渣。重復上述步驟，旋挖鉆進至設計標高。鉆進工藝見圖3。

4 結語

本工程充分利用旋挖鉆機施工質量可靠、成孔速度快、成孔效率高、適應性強、移動方便等特點，很好地滿足了不同地層樁基的施工要求，施工質量優良。盡管旋挖鉆機一次性投入費用高，但適應性強，經濟效益綜合指標遠大于其他鉆機施工，是一種理想的施工工藝。

［1］陳鐵牛．旋挖鉆機在永寧河特大橋不同地層中的應用［J］．施工技術，2009，38(9):42-46．

［2］黎中銀，夏柏如，吳方曉．旋挖鉆機高效入巖機理及其工程應用［J］．中國公路學報，2009，22(3):121-126．

［3］余 龍．旋挖鉆機施工樁基礎的施工工藝［J］．安徽水利水電職業技術學院學報，2010，10(2):29-31．

［4］張世雄，扈其勇．淺談鉆孔灌注樁施工控制［J］．山西建筑，2010，36(9):121-122．