大直徑超長樁大功率旋挖鉆施工技術應用研究

熊 杰

武九鐵路客運專線湖北有限責任公司 湖北 武漢 430200

1 概述

1.1 工程概況

新建安九鐵路鳊魚洲長江大橋主橋為主跨672m的雙塔雙索面鋼箱混合梁斜拉橋，全長1320m。其中5#墩為橋塔墩，橋塔為“H”形混凝土結構，高度為242.0m[1]。橋塔基礎采用整體式承臺、群樁基礎，共45根φ3.0m鉆孔樁，樁頂標高-1.50m，樁底標高-40.0～-56.5m，樁長38.5～55.0m。樁基呈行列式布置，縱向5排，橫向9排，縱、橫向樁間距為7.7m和6.2m。

1.2 地質

5 #墩墩位處河床面高程約為-4.m～+6m，覆蓋層厚約26.5～35.7m，其上部為松散、稍密～中密狀細砂，層厚約12.6～16.0m；中部為稍密～中密狀細圓礫土，層厚約8.8～11.2m；下部為硬塑～堅硬黏土夾薄層密實細圓礫土，層厚5.15～8.5m；下伏基巖為角礫狀灰巖、灰巖。5號墩位巖溶較為發育，巖面起伏跌宕、巖體內存在溶溝、溶槽及溶洞等不良地質體,見洞率達90%以上[2]。鉆探揭示巖溶溶洞由黏性土和風化灰巖碎塊全充填或半充填，巖溶空洞洞高在0.3～0.8m間，巖溶發育深度大多在高程-50.0m以上。5號主墩孔深64.05～79.05m，最大入巖深度約22.44m，巖層最大飽和抗壓強度90.5MPa，平均60.5MPa。

2 總體施工方案

2.1 鉆孔方案選擇

5 號墩鉆孔樁原施工擬采用“旋轉鉆”施工方案。該方案共需布置8臺旋轉鉆機，分6個循環完成鉆孔施工，單樁施工周期為25天，考慮鉆孔工期，完成45根樁施工6～7個月，不能滿足全橋工期需要。對5#墩實際地質條件進行分析，并結合國內類似地質大型旋挖鉆成孔經驗，確定采用“旋挖鉆”鉆孔施工方案進行施工，配置2臺寶峨BG46型和2臺XR550D型旋挖鉆施工。

2.2 鉆孔施工方案

搭設水上鉆孔平臺，將水上施工轉變為陸上作業。平臺搭設完成后，采用200t浮吊輔以兩臺APE400液壓振動錘并聯振動插打鋼護筒。根據地質勘探資料，提前對巖溶進行預注漿處理。配置4臺大功率旋挖鉆鉆進，采用氣舉反循環工藝進行清孔。

3 鉆孔樁施工

3.1 鉆孔平臺搭設

鉆孔平臺頂面高程為+24.05m，采用“鋼管樁+貝雷梁”結構（如圖1），并安裝一臺100t門式吊機輔助現場施工[3]。平臺平面平臺鋼管樁采用打樁船從岸側往江中方向呈“Z字型”進行施工。利用200t浮吊安裝貝雷梁及鋼橋面板。雙向平臺連接通道為岸上施工，采用履帶吊+振動錘“釣魚法”施工。

圖1 5#主塔墩鉆孔平臺平面布置圖（單位mm）

3.2 鋼護筒插打

鋼護筒內徑3.35m，壁厚24.0mm，長度約44.0m，單根重約88t。鋼護筒底口穿過易塌砂層，進入穩定細圓礫土層。鋼護筒采用整根插打方式。鋼護筒采用200t浮吊輔以兩臺APE400液壓振動錘并聯振動插打，并采用可調式導向對鋼護筒進行定位及垂直度調節。

3.3 巖溶預注漿處理

根據逐樁鉆孔地質勘察資料確定的溶腔情況，在鉆孔樁施工前，對溶洞填充物性不好或半填充、空洞的狀態樁基周側進行預注漿處理。注漿范圍為溶腔底至頂1～3m，漿液為P·O42.5水泥配制的純水泥漿，水灰比0.8～1.0。注漿孔布置于護筒外側20cm，當溶腔為空洞時，樁周均勻布設4個注漿孔，當溶腔為填充狀態，但填充物性狀不良或為半填充時，樁周均勻布設8個注漿孔，以保證漿液均勻填充。

3.4 旋挖鉆鉆進

3.4.1 泥漿制備

泥漿原材料選用不分散、低固相、高粘度的PHP優質膨潤土化學泥漿。泥漿由優質膨潤土、堿（Na2CO3）、羧甲基纖維素（CMC）和聚丙烯酰胺（PHP）等原料組成。

泥漿配合比為：水1000kg，優質粘土170kg，碳酸鈉3.6kg，纖維素0.08kg，聚丙烯酰胺0.04kg。

3.4.2 泥漿循環系統

泥漿從孔口經由出漿管進入泥漿平臺進行泥漿分離凈化后，進入泥漿船，再由泥漿泵將泥漿經由進漿管送回孔口。主要鉆渣混合物由鉆機鉆頭攜帶至孔口儲渣斗內，施工過程中采用挖掘機將鉆渣運至指定棄渣場。泥漿循環系統由泥漿船、泥漿分離器、空壓機、泥漿泵等形成循環。

3.4.3 覆蓋層鉆進

覆蓋層鉆孔深度26.5～35.7m，鉆孔施工采用德國寶峨BG46型和徐工XR550D旋挖鉆機，配Φ3.0m雙底雙開截齒鉆頭全斷面鉆進。旋挖鉆機性能參數如下表1所示，可滿足施工需求。

表1 旋挖鉆機性能參數表

細砂層鉆進時，采用低壓、低轉數鉆進，并適當增加泥漿比重和黏度。在鉆出護筒底口前后2.0m范圍，采用低鉆壓、低轉數鉆進，同時控制進尺，以確保護筒底口部位地層的穩定。在整個鉆進過程中，保持孔內泥漿面高于長江水位1.5～2.0m，一直鉆至基巖頂面。旋挖鉆鉆進參數參考表2選取，5#墩覆蓋層厚，旋挖鉆功效非常高，平均鉆進效率為41.49m/d(折合1.73m/h)。

表2 旋挖鉆鉆進施工參數表

3.4.4 基巖鉆進

采用Φ1.5m、Φ2.0m、Φ3.0m直徑鉆頭分級擴孔，碾壓破碎方式鉆進。巖層第一級Φ1.5m鉆孔。采用牙輪巖石環切鉆頭將巖石環切，破壞巖石的完整性，截齒撈渣斗清渣，直至孔底。巖層擴孔鉆進。利用Φ2m和Φ3.0m破碎鉆擴孔，采用雙底雙開撈渣鉆頭進行鉆渣清理。巖層鉆進過程中，泥漿比重維持不變。據統計，5#墩基巖平均鉆進效率為5.63m/d(折合0.234m/h)。

施工過程中通過鉆機本身的三向垂直控制系統反復檢查成孔的垂直度，確保成孔質量。

5號墩樁基穿過巖溶層，巖溶由黏性土和風化灰巖碎塊全充填或半充填，雖然進行了預注漿處理，難以保證所有溶腔得以填充及固化，為防止漏漿、塌孔，墩位處需備足泥漿、黏土、片石及泥漿泵等，以便在發生漏漿時能夠及時補漿。

鉆進時，通過地勘資料、鉆壓及鉆渣判斷是否進入巖溶層，進入巖溶層后鉆壓會明顯下降。在巖溶頂及巖溶層鉆進時，需減壓慢速鉆進，并適時反轉，加固孔壁；同時，密切觀察孔內泥漿面變化，發生漏漿時應及時提鉆補泥漿，拋填碎石；待泥漿面不再下降后，再減壓慢速鉆進，通過反轉加固孔壁。

3.5 成孔、鋼筋籠及混凝土施工

成孔、鋼筋籠及混凝土施工和一般樁基施工基本相同，鉆孔至設計標高后，對巖樣核對，進行地質及孔深確認終孔。終孔完成后進行檢孔，孔深和孔底沉渣采用標準錘檢測，孔徑、孔形采用超聲波測量。鋼筋籠采用胎架長線法制作。鋼筋籠通過平板車運輸至施工現場，然后用100t門吊吊裝筋籠進行下放。采用垂直導管法樁基水下混凝土灌注。采用拔球+隔水栓方式進行樁基首批混凝土灌注。

4 結束語

新建安九鐵路鳊魚洲長江大橋5號主墩采用大型旋挖鉆施工，順利完成了所有鉆孔樁施工，工期提前45天，單樁成樁周期為12～15天，遠高于其它成孔方式。相比其他鉆進方式，大功率旋挖鉆有以下特點：

1.覆蓋層鉆進效率高，適合厚覆蓋層地質。5#墩覆蓋層厚26.5～35.7m，使用大功率旋挖鉆不到1d可鉆透覆蓋層，平均鉆進效率為41.49m/d。

2.大功率旋挖鉆克服一般旋挖鉆扭矩傳遞較差，鉆巖能力較弱的缺點，在基巖鉆進中，功效顯著。5#基巖為灰巖，平均飽和強度達到60MPa，最大飽和抗壓強度90.5MPa，大功率旋挖鉆充分發揮自身扭矩大，功率大的優勢，基巖平均鉆進效率為5.63m/d，高于傳統沖擊鉆、回旋鉆工效。

3.大功率旋挖鉆自行移位迅速、配合設備少。旋挖鉆移動方便，除了清除鉆渣，基本不需要其它配合設備。

4.大功率旋挖鉆施工，成本較大，基巖鉆進，容易磨損鉆頭，更換費用高。

5.號墩鉆孔樁施工后，經超聲檢測，全部為Ⅰ類樁，可為同類工程樁基施工提供借鑒。