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Summary本文结合乌玛公路A7标段镇罗黄河特大桥12#墩钻孔桩施工,对砂夹卵石复杂地层下钻孔灌注桩的施工特点、钻孔桩施工工艺及特征地层施工技术进行总结,旨在为同类钻孔桩施工提供一个相应的参考、借鉴。
Keys:桥梁工程砂夹卵石复杂地层钻孔桩施工技术
0前言
复杂地质下的钻孔桩施工,一直是影响桥梁施工成本、工期的关键环节。如果施工不好,会导致孔桩塌孔、串联、桩身质量下降等现象,造成大量返工现象,施工难度大。本文通过研究钻孔桩施工特点,结合镇罗黄河特大桥12#
主墩桩基础施工,对砂夹卵石复杂地质条件下钻孔桩施工技术进行总结,以期为复杂地质条件下桩基础施工提供技术支撑。
1工程概况
乌(海)玛(沁)公路青铜峡至中卫段工程是国家“十三五”规划内的重点公路工程项目,是宁夏高速公路规划网“三环九射八联”最重要的组成部分。镇罗黄河特大桥为其全线控制性工程之一。桥梁全长1289m,分为南北岸引桥、南北岸跨堤桥、主桥共5联设计钢-混组合梁连续梁桥。除主桥跨越黄河外,其余桥跨均处在黄河河床及漫滩。主桥桥跨布置为55m+6×90m+55m,设双变截面花瓶状实心片墩8#~14#,其中12#墩处于黄河中心水深最深处。12#墩承台矩形圆倒角整体式承台,其下布置12根直径∅1800mm的钻孔灌注桩,按摩擦桩设计,呈矩形布置。,桩身为水下C30混凝土。
镇罗黄河特大桥桥址区场地地貌单元为黄河河床及漫滩,地势开阔,地形稍有起伏,~,。桥梁横跨黄河地表径流,水面宽约540m,,~。
墩位处的地层结构较为复杂,主要由第四系全新统冲洪积层和上更新统冲洪积组成。12#墩范围内基岩以上更新统冲洪积占主导,其中底层主要分布为:①卵石:层厚0~;②圆砾:~32m、35~56m、~79m;③中砂:层厚32~35m、56~;④粉质黏土:~。
2施工方案及钻孔设备
镇罗黄河特大桥地质情况复杂,在低水位期间搭设钢栈桥进行全桥主要施工通道。搭设钢管柱贝雷梁支栈桥及钻孔平台作为孔桩施工平台,进行主体钻孔桩施工。
基础钻孔桩需要穿过砂夹卵石层,然而该覆盖层孔壁自身稳定性差,透水性强。且存在细砂层的状况,钻进时极易产生塌孔、漏浆现象,严重者孔壁可坍塌至相邻孔桩造成相邻钻孔互串,对成孔、成桩质量存在极大的影响,塌孔处理十分困难。可见,钻机的选型及成孔工艺的确定及至关重要,是保证顺利成孔、成桩的关键。
针对工程的实际情况结合施工经验,目前可供选择的钻机型式主要有:冲击钻、冲吸钻、、套管钻、旋挖钻等。若采用冲击钻(或冲吸钻),成孔周期长、扩孔率大,且难以避免塌孔和漏浆、难以达到环水保要求;套管钻成孔时间较快,也能避免塌孔和漏浆发生,但经济效益较低。经综合比选,确定采用SWDM450旋挖钻机,钻孔直径500~3000mm,钻孔深度121m,最大钻杆扭矩450KN˙m,最大提升力420KN,钻孔时钻杆速度6~25r/min。
SWDM450旋挖钻机钻头分为螺旋钻头、旋挖斗、筒式取芯钻头等种类众多。螺旋钻头应用于坚硬基岩较好,成本较高;筒式取芯钻头通用性较差;旋挖斗适应地层范围宽,钻进效率高。由于地层较为复杂,圆砾、卵石、砂砾等均有,为提升效率且适应复杂地质,选用双开门旋挖斗。
3施工准备
1)钢护筒采用壁厚15mm钢板在加工厂内卷制,,分节加工成型。
2)全站仪放样桩位及护桩,安装护筒定位导向架,利用履带吊配合分节安装钢护筒。钢护筒接头采用单边V字坡口融透焊,并焊接补强钢板。采用履带吊配合DZP120振动锤插打,。,。
3)护筒顶面中心与桩位偏差≤50mm,倾斜度≤1%。
图1钢护筒焊接及插打示意
钻机就位的基本要求为水平、稳固、准确。护桩十字线确定桩中心,旋挖钻通过调整系统、行走系统微调,并由驾驶室内电脑控制系统对中,锁定即可完成就位。
根据12#墩地质水文条件,全孔段均为易坍塌的砂夹卵石覆盖层,宜采用高浓度泥浆护壁。经过试桩试验,确定最终配合比为膨润土:片状氢氧化钠(NaOH):羧***纤维素(CMC)=1500Kg:25Kg:100Kg。泥浆可根据不同桩位特性进行调配,优质泥浆的主要性能指标:~,胶体率>95%,含砂率<2%,黏度为18s(特殊情况可适当调整),pH值8~9。泥浆控制要注意以下几点:
1)为保证成孔速度和质量,。
2)宜采用拌浆机拌浆,使泥浆搅拌均匀。
3)充分水化泥浆,需搅拌完成后静置24h以上。
泥浆循环系统:于黄河桥岸边修建一座泥浆池,用于供应及回收泥浆。在钻孔桩平台处安放泥浆分离器,以相邻钻孔作为泥浆过滤沉淀筒,与钻机一并形成泥浆循环回路。泥浆池内优质泥浆经过管路输送至钻孔内,再由泵将钻渣及泥浆一并吸出,经泥浆分离器净化后再进入到沉淀筒内,再由泥浆泵将泥浆抽至泥浆池沉淀,至此完成循环回路。
图2格雷安泥浆分离装置
4钻孔施工
1)开钻时应以抵挡慢速钻进,防止钻速过快导致的桩位偏差超出规范要求。
2)钻进过程中要保证内水头高度始终保持不低于黄河水位高度,以防止静水头压力过小而导致坍孔,保证泥浆正常循环。
3)钻进施工时应注意控制钻头的提升、安放速度,尤其在离开泥浆面时,当一斗钻进完成后,应缓慢提升,防止速度过快导致的泥浆抛洒浪费及环境污染。同时减少泥浆扰动,防止钻渣上浮过快不沉淀无法有效吸出沉淀,导致泥浆含砂率超标,无法起到泥浆吸渣的作用。
4)控制钻进速度,当钻进接近护筒底口位置1~2m左右时,采用低钻速钻进,并控制进尺,保证护筒底口部位底层稳定;当钻头据护筒底部3~4m,再恢复正常钻进状态。
5)钻进时,应及时捞取钻渣渣样,并根据渣样判断地层变化并做好记录。根据底层情况及时调整钻速及进尺。
6)钻孔过程中应注意控制钻垂直度,并用护桩及时校核钻头中心位置与设计桩中心位置的偏位,发现有偏位过大现象应及时调整钻头位置进行钻进。
1)细卵石层钻进
,层状密实度为稍密-中密,卵石一般粒径<,最大不超过18cm。类似砂层,较为容易切削。钻进时可采用高档钻速,约为18~25r/min速度,钻进效果较为理想。
2)砂层及砂夹圆砾石
砂夹圆砾石层中稳定性较差,且钻进时易破坏稳定,易造成塌孔。应减低钻速采用中档,约为12~18r/min速度,同时提升泥浆黏度,可达18~20s,保证泥浆护壁的稳定性,防止塌孔。高黏度泥浆能够及时带走孔内钻渣,保障孔内干净。同时应适当增加扫孔次数,防止缩孔。
3)软硬地层转换
由硬地层钻到软地层时,可适当加快钻进速度;当软地层变为硬地层时,应减速慢进;对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率
1)缩孔、塌孔
根据12#墩孔桩渣样情况分析,砂夹卵石为地层中的主要构成,桩身中部多处有中砂夹杂(层厚32~35m、56~),并在桩底部位伴随有部分粉质黏土(~)。中砂层的结构性特别差,基本无聚集现象;粉质黏土结构稳定性较差,且不容易聚集,造成桩中部、底部等部位塌陷导致的缩孔、塌孔现象产生。现场施工中主要采取增加泥浆护壁结构强度,最主要方法就是加重泥浆比重,,通过泥浆护壁结构性好的特点稳定地层中不稳定的结构层,达到防止缩孔的目的。同时在护壁稳定后需要重新钻进,保障钻孔桩内清洁。
2)漏浆
漏浆产生的原因主要为:一是护筒嵌岩深度不足,导致的泥浆外泄;二是由于钻进过程中,黄河水位涨落过快导致的内外压差过大。解决上述两类问题主要方法:一是通过增加钢护长度,继续振入岩层中,在原有嵌岩深度基础上增加至2m即可,同时调整泥浆比重,。二是及时调整孔桩内水头高度,降低内外压差大小达到基本平衡状态,通过实践在黄河水位稳定状态下时,达到压力平衡位置为钻孔内泥浆水头高度低于护筒顶部高度1m左右。如黄河水位上涨,。
3)沉渣过厚
由于砂本身结构性差,不聚集,且具有一定流动性。钻进过程中砂层沉淀过快,导致桩底沉积过厚,难以清理,延长清理时间,影响施工进度。根据此种情况,主要采取办法是泥浆分离装置与改变泥浆黏度办法同时进行。泥浆分离器分离泥浆与砂,保证泥浆的纯净度同时,降低泥浆含砂率。改变泥浆黏度
通过加入适当片状氢氧化钠(NaOH)和羧***纤维素(CMC),提高泥浆黏度(约20s),通过泥浆吸附钻进中的砂,防止沉淀过快。
4)钻进速度慢
黄河由于淤塞、常年涨水缘故导致河床分为2道,上游冲刷下大的块石在河床地面及靠近河床处沉积,地质较硬导致钻孔较慢。现场实践中钻头磨损较大,通过2套钻头轮换施工方式降低钻头磨损增加进度。通过钻头加压钻进方式提高进度,SWDM450旋挖钻机自带多种加压钻进方式,本项目采用钢丝绳加压,即钻杆顶部加压油缸通过钢丝绳将压力传递至钻头处进行加压。
旋挖钻机钻进至桩底设计标高后即可进行孔桩成孔检查,成孔检查护筒标高、桩中心偏位、桩径、桩深、倾斜度等指标是否满足规范需求。采用检孔器方式查探是否缩孔,检控器用钢筋笼做成,其外径等于设计孔径,长度等于设计孔径的4~6倍且不小于6m,按要求检查终孔的孔径。用测绳测定孔桩的深度。标高采用水准测量方式,中心偏位采用全站仪定位测量方式。桩深可采用测绳吊挂重物测量。
清孔共分为2次,第1次清孔在旋挖成孔检查合格后进行,第2次清孔在安装钢筋笼灌注水下混凝土前,采用泥浆反循环的方式。清孔前制备清洁的泥浆,以便在清孔时通过泥浆循环悬浮出孔内及孔底沉渣。清孔后,手摸正在循环的泥浆无粗粒感觉。
按设计要求加工和安装钢筋笼后,安装导管,在灌注水下砼前,利用导管进行第二次清孔。在导管顶部安设进浆连接头,与泥浆分离器连接净化泥浆。用泥浆泵将清洁泥浆压入导管内,再从孔底沿着导管置换孔底沉渣。清孔应达到以下标准:孔内排出的泥浆手摸无2~3mm颗粒,可注入清水将泥浆逐渐稀释。~,含砂率小于2%,粘度17~20s。同时保证水下混凝土灌注前孔底沉碴厚度:柱桩<5cm、摩擦桩<15cm。严禁采用加深钻孔深度的方法代替清孔。
钢筋笼加工按照设计要求及规范要求分节加工,钢筋笼入孔时,由吊车配合钻机吊装。
采用桩基钢筋笼安装定位导向装置保证钢筋笼定位准确,有效保证了钢筋笼安装的位置准确性。
图3钢筋笼准确吊放