旋挖钻在珠三角城际铁路厚砂层桩基应用中关键技术研究

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  摘要:针对旋挖钻机在厚砂层地质中塌孔、埋钻、清孔等施工难点,本文结合在佛肇城际铁路大旺特大桥50+80+50m连续梁桩基工程的施工实践,从设备选型、泥浆选用制备、钻进工艺、注意事项及清孔技术,总结和探讨在厚砂层地质中旋挖钻关键施工技术,为其在珠三角地区同类地质中广泛推广应用提供参考。
   关键字:旋挖钻机厚砂层地质聚合物泥浆
  Abstract: based on the analysis of the rotating drill in the thick of sand layer in the geological hole collapse, buried drill hole cleaning, etc, the construction difficulties, this paper in the Buddha cause inter-city railway big popular super major bridge 50 + 80 + 50 m continuous beam pile foundation engineering construction practice, from equipment selection, mud choose preparation, drilling, points for attention and hole cleaning technology, sums up and probes into some sand layer in thick in the geological spin dig drill key construction technology for the pearl river delta region in the same geological widely applied to provide the reference.
  Key words: the rotating drill sand layer thickness geological polymer mud
  
  
   中图分类号:TU473.1 文献标识码:A文章编号:
   1、工程简况
   佛肇城际铁路大旺特大桥工程位于广东肇庆高新技术开发区,为10*30m箱梁+50+80+50m连续梁+39*30m箱梁结构,桥梁全长1650米。其中连续梁跨大旺大道,下部為钻孔桩基础、群桩承台、双曲线墩身;上部为单箱单室直腹板箱梁,三向预应力体系,梁底采取二次抛物线设计。连续梁11、12号墩为主墩,主墩桩基础为10*1.5米钻孔桩,桩长分别为53.5米、52米;10、13号墩为边墩,基础为12*1.25米和10*1.25米钻孔桩基础,桩长分别为29米、39米。
   桩基基本情况图如下:
  
  
   从11号墩地质柱状图显示,从地面5.21-2.11m,2.11--4.79m,-4.79--21.79m,-21.79--24.59m,-24.59--26.79m,-26.79--52.048m地层地质分别为粉质粘土、细砂层、细砂层、淤泥质粉质粘土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。其中砂层厚度达到23.9m,地下水位为-1.5m。13号墩地质自地面5.64-1.44m,1.44--12.86m,-12.86--23.16m,-23.16--24.76m,-24.76--26.96m,-26.96—36.748m分别为粉质粘土、细砂层、圆砾土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。砂层厚度达到24.5m。
   因制梁场位于连续梁桥头,该工程属于全线控制性的节点工程,采用常规的冲击钻机难以满足总体架梁进度要求。为此,需要采取能满足施工进度要求的施工设备和施工方法。经比选拟选用中联重工ZR220B型旋挖钻机进行施工。该钻机最大钻进扭矩220knm,最大钻孔直径2000mm,采用4*13/15m钻杆,最大钻深(锁紧式)48/56m。
   2、应用旋挖钻需要解决的关键问题
   旋挖钻机具有成孔速度高,扩孔系数小,泥浆可重复利用等优势,在粘性土、紧密状态以上的砂性土地层中应用具有相当广泛的适应性,经济性。但在流性状态的黏性土和松散的砂层地质中和岩石地层中有以下技术难题需要予以重视和解决。
   2.1钻进技术的控制:孔深达50米的厚砂层地质,确保钻孔安全高效,设备选型和施工工艺是成败的重要因素。
   2.2厚砂层地质泥浆的选用和制备:对于旋挖钻机,泥浆主要有保护孔壁、防止塌孔、排除渣土、冷却和润滑钻头作用。由于旋挖机成孔孔壁不会产生泥皮,在厚砂层地质中施工,容易产生塌孔和埋钻事故。制作经济优质的泥浆是避免塌孔事故的关键因素。
   2.3清孔技术的改进:厚砂层深孔地质,如何确保清孔指标达到规范要求,是确保成桩质量的重点之一。
   3、关键技术难题的解决办法
   针对上述因素,经综合国内外旋挖钻施工经验,结合现场情况进行研究,经现场实践,总结出如下施工关键技术。
   3.1钻进技术
   3.1.1为提高成孔质量,选取钻头直径小于钻孔直径1-2cm的钻头,以减少过大的扩孔系数。
   3.1.2根据不同地质,选取不同类型的钻头:
  
  
   3.1.3旋挖钻成孔,80%埋钻发生在砂层,为防止出现塌孔埋钻形象,对于砂层,选用双层底门捞砂钻头。钻头在出入孔口时,放缓提、放的速度,尽量减轻对孔内泥浆的扰动,保护孔壁的稳定,避免孔口坍塌,护筒下沉现象的出现。当钻头打满提钻时,适当反钻几下再缓慢提钻,这样可避免孔底因抽吸力过大而造成孔底部分出现坍蹋。
   3.1.4强风化地层钻进时,采用点加压动力头扭转不超过中等压力值,在没有较大进尺时,开始第二回次钻进,一般每次可进30-40cm。中风化采取短螺旋钻头钻进,用钻斗清底。
   3.1.5在下钢筋笼的时候,尽量保证操作规范,减少和桩孔四壁接触,以保证沉砂达到灌注桩的标准。
   3.1.6要求钻机工作人员注意保持好泥浆液面的高度,要及时给予孔内补浆。
   3.2泥浆选用和制备技术
   泥浆通常用膨润土、纤维素、纯碱配制。对于砂层地质,泥浆密度相对要求高,否则沉渣超规,灌桩困难。本次采用的新材料奈普顿(Neptune)旋挖钻机专用聚合物泥浆,是膨润土等其它泥浆聚合物的理想升级产品。适用地层于粘土、粉土、沙土、砂层、人工填土及含有部分卵石碎石的地层。该产品是一种新型建筑材料,在国内一些建设项目中已经使用,但尚未形成成熟的施工技术并全面推广,经实践总结如下制备技术。
   3.2.1使用步骤:
   3.2.1.1 施工准备:挖两个泥浆池,大小在100立方米,长6米,宽5米,深3—4米,可根据用量确定泥浆池的大小,并在池边上装好循环泵和空气压缩机,周边按国家安全规范做好防护。
   3.2.1.2 将清水注入泥浆池后,用20%氢氧化纳(又名烧碱、火碱或片碱)溶液调节水的PH值在8-10之间,用空压机搅拌均匀(搅拌时间为10-20分钟)。
   3.2.1.3 将循环泵打开,进行自循环后,通过泵出水管口加入专用聚合物泥浆,慢慢均匀加入,一般沙层加量为万分之二点五(即100吨水中加入本产品25公斤),后用空压机搅拌一小时,用工程漏斗测定溶液的黏度到30秒左右即可满足一般工程地质。(一般情况下手感稍有粘度起线丝状即可,特殊地质根据实际情况而定)。
   3.2.1.4 若黏度高于30秒,可直接加水稀释;若黏度小于30秒,可能是由于搅拌时间不够,需延长搅拌时间,如果仍达不到黏度,可打开循环泵自循环后通过出水口补充专用聚合物泥浆,并再用空压机搅拌一小时左右,直至满足条件。
   3.2.1.5 在鉆进过程中,如果含砂层较多,要提前准备好足够量的泥浆,并在钻进过程中不断补充泥浆,保持钻进液面,确保地层压力平衡。
   3.2.1.6 钻进完成后,根据孔深停15-40分钟后,用钻机打捞一次沉降下去的砂子等杂质,不要空浆。然后下放钢筋笼和混凝土导管,一般情况下都能达到灌注桩要求的含砂量和沉砂量,个别地层可能会出现沉砂量较多的情况,就可以在下钢筋笼之前多捞两次,以确保下完钢筋笼和导管后沉渣达标。
   3.2.1.7 灌桩完后,返回的泥浆需要求测其黏度,如果黏度低于30秒,可以打开循环泵自循环后通过出水口补充专用聚合物泥浆,并用空压机不停搅拌,直至满足条件。同时,在另外一个泥浆池中配制新的泥浆,以满足下一个桩钻孔所用。
   3.2.1.8一般情况下,泥浆用量按0.01%~0.1%比例配制,根据现场实地情况试验确定配合比例。
  
  
   3.3 注意事项
   3.3.1 在挖池过程中,尽量保证其大小的准确性,以保证配浆的准确性,避免浪费。
   3.3.2 在配碱过程中,一定要先把氢氧化纳配制成20%水溶液,切忌直接把固体氢氧化纳直接加入泥浆池中,以便充分溶解。3.3.3 在上层钻进过程中,正常情况下,泥浆的黏度可以小一些,大概28秒左右就可以使用,如果上层过早出现砂层,尽量不要降低泥浆黏度。
   3.3.4一个泥浆池一次配浆不要过多,否则不利于搅拌,在配浆的时候,要留出充足时间,使产品充分溶解,可以达到节约成本的目的,不得在没有完全溶解的情况下使用。
   3.3.5在钻进过程中,要求孔内泥浆的液面不得低于护简内侧高度的1/2位置,这样才能保持好孔内的静柱压力,防止浆面下沉过大而导致孔内压力失衡出现蹋孔现象。
   3.3.6制泥浆前,需准备好一台型号W3.0/5的空压机,取代传统使用大功率泥浆泵来循环泥浆的方式,这样能很好地保存泥浆的有效成分并发挥出泥浆的性能。在配浆工作开始时,打开空压机进行运转,将所需泥浆材料全部冲散进泥浆池内后,空压机需至少要保持2个小时左右的工作方可将泥浆材料在池内充分的溶解开来,从而达到开工使用要求。
   3.3.7当孔钻到设计孔深后,钻机先暂不挪位,停留在原地,等待一会(视孔深而定,一般情况下三十分钟为宜),用测绳测量孔深度,计算出沉渣厚度,再重新下钻捞取沉渣。当钻头接近孔底时,需轻放,以免扰动沉渣,使沉渣浮起,捞起沉渣将钻头提起到孔口时,不要停留控浆,应迅速将沉渣甩出。沉渣捞清后,孔内将不再有沉渣出现,便随即可下放钢筋笼,在放钢筋笼时应保持垂直,避免碰撞孔壁,以免造成新的沉渣产生。
   3.3.8在钻进完成后,提前配制好足够的泥浆量,确保下钢筋笼和导管的时候液面稳定。下钢筋笼时,避免因碰撞孔壁而塌孔。
   3.4清孔技术研究
   根据规范要求,钻孔桩终孔后,首先进行第一次换浆清孔,调整泥浆指标为:含砂率<4%、比重≤1.25、粘度16~22s。
   终孔灌桩条件为:桩孔底沉渣不大于5cm ,摩擦桩不大于10cm。泥浆比重≤1.1,含砂率小于2%,黏度17~20s 。
   本工程由于采用聚合物泥浆,泥浆能有效悬浮砂层,在灌桩前采用泵吸反循环和气举反循环清孔,相对于常规清孔方法,缩短了清孔时间2小时以上。提高了工效,节约了成本。
   4、应用效果
   上述连续梁桩基础工程,采用旋挖钻机施工,成孔效率为:砂层6-8m/h,强风化泥质粉砂岩2-4m/h,中风化泥质粉砂岩1-2m/h。平均每天可以成孔1根桩,10-12号墩桩基施工时间分别为4、10、10、3天,比常规施工效率大大提高,施工成本相当。
   经钻芯和超声波检测,桩底岩芯完整,桩柱混凝土与基岩结合为完整的柱体,结合紧密,未见沉渣夹层,均达到一类桩质量标准。
   与钻机相比,旋挖机具有成孔速度快,扩孔系数小,泥浆可以重复利用等特点。具有环保性,孔壁不产生泥皮,孔壁产生明显的螺旋线,有助于增加桩的摩擦力,提高桩的质量等优势。
   聚合物泥浆技术适用粘土、粉土、砂土、砂层、人工填土及含有部分卵石碎石的地层。能加速钻屑砂子絮凝沉淀,可以自行清洁,含砂率低,与混凝土自行分离,成孔后一般不需要二次成孔,减少清孔时间,节省人工并能保证沉渣厚度。成孔速度快,比膨润土省工、溶解速度快、钻杆、钻头没有泥浆和砂子,增加钻杆和钻头的使用寿命,一定程度上减小机械设备折旧。易于降解处理,回用率高,用量少,不产生废泥浆,有利于文明施工减少场地使用面积。
   上述综合技术在珠三角厚砂层地区有广泛的推广应用价值。与常规施工方法的区别是在钻孔过程中,需要造浆护壁。
   参考文献:
   (1)《客专线铁路桥涵工程施工技术指南》(铁建设[2005]160号)
   (2)《客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号),
   (3)《钻孔桩高压风辅助清孔工法》许方勇
   (4)《ZR220B/ZR220C旋挖钻机使用说明书》
  
  
   作者简介:林卫东(1972-),男,湖南湘潭人,工程师,毕业于西南交通大学土木工程专业,广东广州5
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