浅谈宜宾金沙江公铁两用桥3#墩Φ3.4m大直径钻孔灌注桩旋转钻施工技术

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  摘 要:宜宾金沙江公铁两用桥3#墩钻孔桩基础规模庞大,桩径大、数量多。基础施工采取水上施工方案,在钻孔桩施工之前先施工3#墩双支栈桥及水上钻孔平台,钻孔施工拟采用大型液压钻孔设备(KTY-4000),采用气举反循环并辅以ZX-500泥浆处理系统成孔。本文重点阐述该桥3#墩钻孔桩旋转钻施工方法。
  关键词:宜宾金沙江;大直径;钻孔灌注桩;龙门吊机;旋转钻机
  1、工程概况
  宜宾金沙江公铁两用桥采用公铁合建方案跨越金沙江,双层桥面,主拱横向间距28.5m,上层桥面为四线高速铁路,下层为六车道城市快速主干道。
  桥梁中心里程为DK141+444.1,全长 1874.9m,由公铁合建、分建铁路、分建公路三部分组成。公铁合建段主桥跨径布置为:(116+120+336+120+116)=808m,其中336m主拱为双层桥面钢箱系杆拱桥,主跨拱肋与墩身采用“固结”方式;116m和120m边拱为双层桥面混凝土简支系杆拱桥,两侧公铁合建段铁路部分采用45m混凝土连续箱梁等跨布置,铁路跨高庄桥水库采用(48+80+48)=176m连续刚构布置,其余引桥铁路部分均采用32.7m混凝土简支箱梁布置。
  2、钻孔灌注桩施工
  3#墩位于金沙江南岸深水区,共设φ3.4m钻孔桩36根,桩基础规模庞大,桩径大、数量多。根据工程特点,基础施工采取水上施工方案,在钻孔桩施工之前先施工3#墩双支栈桥及水上钻孔平台,由于钻孔桩直径大、地层复杂、入岩深,钻孔施工拟采用大型液压钻孔设备(KTY-4000),采用气举反循环并辅以ZX-500泥浆处理系统成孔,每一台钻机配置一个刮刀钻头、一个滚刀钻头。
  KTY-4000型钻机系液压动力头钻机,是我公司生产的桥梁、煤矿通风井、港口码头及高层建筑等大型基础工程钻孔施工机械,钻机能在岩石平均单轴抗压强度σc≤120MPa的基岩中任选孔径下钻进,钻孔直径可达4.0m,钻进深度可达130m。
  2.1 准备工作
  2.1.1 钻孔平台施工
  钻孔平台施工采用50t浮吊振沉钢管桩,逐孔架设上部结构的施工方法搭设钻孔平台,上部结构及桥面板架设用“钓鱼法”施工,钻孔平台施工完成后,在其两侧双支栈桥上安装100t龙门吊。
  2.1.2钢护筒插打
  3#墩钻孔桩基础施工采用的钢护筒内径均为φ3600mm,钢护筒分为3节制造,在墩位处手工焊接接长,各节段分节长度应保证下面两节钢护筒焊接后能一次插入河床,且两节钢护筒的总重量在100t龙门吊的起重能力之内。钢护筒插打以钻孔平台型钢分配梁和桥面板作导向,利用100t龙门吊将钢护筒整体起吊,用测量仪器观测后,调整钢护筒的垂直度,将护筒平稳插入河床直到稳定深度,用APE400B型震动打桩机(激振力共640t),将钢护筒打入河床。
  护筒顶面应高出施工水位或地下水位2.0m,护筒顶面中心与桩位中心偏差≤5cm,倾斜度≤1%。
  2.2 钻孔施工
  3#墩桩基础为φ3400mm钻孔桩,经对设计图纸及对现场的调查研究,钻孔施工采用大型液压钻孔设备(KTY-4000),采用气举反循环并辅以ZX-500泥浆处理系统成孔。钻孔桩施工弃碴不直接排放入河流中,采用泥浆船运至指定地点堆弃。桩身混凝土采用自拌,混凝土工厂生产,混凝土运输车运输,混凝土输送泵泵送,直径Φ350mm卡口式垂直导管水下灌注法施工。
  2.2.1钻机钻进成孔
  ① 钻机安装
  钻机沿平行于墩位长轴方向布置,利用100t龙门吊机进行钻机组拼、钻机整体移位、安放钢筋笼及灌注水下混凝土等工作。钻机就位后,测量人员检查转盘中心与桩位中心是否重合,并用水平仪测量鉆机底盘四角的标高,对钻机进行调平,最后用定位型钢将钻机与平台固定,以确保钻机底盘水平、稳固,钻塔与底盘保持垂直状态,在钻进过程不产生位移。
  钻机安装的具体步骤及要求严格按钻机说明书办理。接钻杆时要配中间风包和稳定器,以保证清孔效率和钻孔的垂直度。
  ② 钻进成孔
  A、用全液压动力头钻机、气举反循环钻进成孔。首先用四翼或六翼锥形刮刀钻头在覆盖层和弱胶结砾岩中钻进,当胶结砾岩中进尺速度小于0.1m/h时,换用斜齿型滚刀钻头钻进余下岩层。
  B、开钻时以低档慢速钻进,钻至护筒底口部位时(底口上下各2m左右)宜使用气举反循环,小气量、轻压、慢转钻进成孔,需特别注意钻头碰挂护筒底口。如钻进过程中发现钻头磨擦护筒时,不得强行钻进,可根据护筒倾斜情况适当调整钻机位置。待钻头整体钻出护筒2m左右后,才允许正常钻进,钻进过程中坚持减压钻进,保持重锤导向作用,保证成孔垂直度。
  C、钻头钻出护筒后,小气量、轻压、慢转钻进成孔,钻进过程中对变层部位要注意控制进尺,并且每钻进一根钻杆要注意扫孔,以保证钻孔直径满足要求。
  D、在钻孔过程中,应时刻注意观察护筒内外水头差变化情况,保持孔内水头高出水位2m以上,但水头不得高出4m以上。正常钻进时应参考地质资料掌握土层变化情况,及时捞取钻渣取样,判断土层,记入钻孔记录表,并与地质资料进行核对,根据核对判定的土层及时调整钻机的钻速及进尺。
  E、钻孔达设计标高后,对孔深、孔径和孔形进行检查,并报请监理工程师到现场检查验收。检查合格后,用换浆法反循环清孔:将钻具提离孔底20cm继续转动钻具,维持泥浆循环;孔底沉碴满足规范要求后,拆除钻杆,下钢筋笼及导管,准备灌注混凝土。
  2.2.2 钻孔施工中需注意的问题
  ① 为保证钻孔的垂直度,施工过程必须采用减压钻进,使加在孔底的钻压小于钻具总重(扣除泥浆浮力)的80%。
  ② 加接钻杆时,应先停止钻进,将钻具提离孔底8-10cm,维持循环5min以上,以清除孔底沉渣并将管道内的钻渣携出排净,然后加接钻杆。加接钻杆时,连接螺栓应拧紧上牢,认真检查密封圈,以防钻杆接头漏水漏气,使反循环无法正常工作。   ③ 升降钻具应平稳,尤其是钻头处于护筒底口位置时,必须防止钻头钩挂护筒。
  ④ 钻孔过程应分班连续进行,不得中途长时间停止。详细、真实、准确地填写钻孔原始记录,精确测量钻具长度,应注意地层的变化,在地层变化与地质报告提供资料不相一致时,应及时通知技术人员。
  ⑤ 钻进过程中应保证孔口安全,孔内严禁掉入铁件(如扳手、螺栓等)物品,以保证钻孔施工正常顺利进行。
  ⑥ 仔细检查下入孔内的钻具,保证其可靠性,避免掉钻事故的发生。
  ⑦ 定时检测钻机底座的水平度(底座四角差不得大于3mm)及钻塔的垂直度,发现问题及时调整,以保证钻孔的垂直度。
  2.2.3 钢筋笼制造、安装
  3#墩桩基钢筋笼长度约41.95m,总重38.433t,根据钢筋笼的全长及起吊设备的能力,可分为3段吊装入孔对接。钢筋笼利用胎架长线法制作,运输、吊装均采用专用吊具,防止吊运时损坏或变形。钢筋笼安装时在孔位接长安装。
  ① 钢筋笼的分节及下料
  在长线胎架上制作钢筋笼,长线胎架长度满足整根长钢筋笼制作要求,钢筋笼以钢筋9m定尺长度分节。
  钢筋下料可用砂轮切割机、专用切割机等设备下料。
  ② 钢筋笼制作、运输
  钢筋笼制作时,主筋利用胎架上控制间距,纵向从一端至另一端利用直螺纹套筒顺序接长,整根钢筋笼制作完成后,将钢筋笼各节标号,并标明接头方向、位置后,将直螺纹套筒松开后分节运输至墩位处。
  钢筋笼在钢筋车间内加工完毕后,分节吊装、通过平板车运输至3#墩墩位。
  ③ 钢筋笼孔位接长、下放
  钢筋笼节段运输至墩位附近后,在安装孔位接长及整体吊放采用100t龙门吊,在钢筋笼外侧每隔一定距离(一般2m左右),于同一横截面上主筋外侧对称安装保护层垫块,以使钢筋笼在孔中保持竖直并有足够的保护层厚度。在钢护筒范围内的钢筋笼,应根据护筒与桩位偏差调整保护层厚度,以使钢筋笼保持顺直,并在混凝土灌注时,不致挤压移位引起孔位中心偏差超限。
  A、主筋接长采用直螺纹套筒连接方式,其余钢筋采用焊接或绑扎连接。钢筋笼制作过程中须严格控制钢筋笼接头安装质量,且钢筋接头必须错开布置,接头数不超过该断面钢筋总根数的50%。
  B、吊放钢筋笼时,顺桩孔自然下放,钢筋笼定位标高力求准确,允许偏差为±5cm。由于钢筋笼位于水下,为测定钢筋笼是否下放至孔底,可在钢筋笼顶口系一测绳,通过测绳上的读数,即可判明钢筋笼是否下放到位。
  C、钢筋笼安装,拟将部分钢筋(含吊具)接长至护筒顶口,再将接长后的钢筋及吊具整体与钢护筒焊接,混凝土灌注结束24h后,再解除连接。
  D、钢筋笼安装时,由于钢筋笼自重大,主筋间距小,不能采用常规的扁担梁的方法进行钢筋笼临时吊挂,采用四周设置挂钩挂住钢筋笼加劲环,并对吊挂处加劲环加固处理。
  ④ 声测管安装
  为了检测钻孔桩质量,在钢筋笼制作时,根据设计要求沿桩周内侧等间距安装φ60mm超声波检测管,每根桩布置6根。
  2.2.4 水下混凝土灌注
  桩基混凝土由混凝土工厂生产,其生产能力为2×120m3/h,利用2台HBT-80C混凝土输送泵泵送至孔口,经导管灌入孔内。
  ① 施工前准备工作
  混凝土灌注所需的工具设备等如储料斗、2.1m3漏斗、φ350mm水下混凝土导管、导管夹箍、测量混凝土面标高的测鉈、测绳以及各种技术签证表格应准备妥当。混凝土导管经过水密及接头抗拉试验合格。
  混凝土原材料如水泥、砂子、碎石、水、外加剂数量应能满足连续生产的需要。
  搅拌站、混凝土运输车、混凝土输送泵及管道、灌注系统等设备运转良好。
  备用发电机组应试运转,状况良好,设备维修人员和配件应准备妥当,所有备用设备应保证原有设备在遇到意外事故时,混凝土生产、运输、灌注能继续。
  ② 导管的配置
  水下混凝土灌注采用内直径为φ350mm的快速卡口垂直提升导管。导管在使用前应进行试拼并做水密、承压和接头抗拉实验,试拼好后要按顺序编号,水密实验时的水压力不小于井孔内水深1.3倍的压力;进行承压实验时的水压不应小于导管壁可能承受的最大内压力Pmax。
  ③ 混凝土灌注
  A、水下混凝土的配制及运输
  混凝土在水上混凝土工厂拌制,拌和设备的生产能力为2×120m3/h,全自动控制;混凝土拌制好后,混凝土运输车运输,由2台80m3/h混凝土输送泵泵送入孔。混凝土拌和物进入导管时的坍落度为18cm~22cm。為提高和易性,混凝土中宜掺用高效缓凝减水剂。首批灌注的混凝土初凝时间不得早于灌注桩全部混凝土灌注完毕时间。
  B、混凝土的灌注
  a、安装导管,混凝土填充导管根据试压时的编号顺序安装,计算记录导管的实际长度以便与孔深、混凝土埋深相互复核,导管安装完毕,底口离孔底25~40cm。
  b、检查孔底沉淀厚度,沉淀厚度满足要求后方可进行混凝土的浇注施工,否则应进行二次清孔。即在填充导管内插入φ40~φ45mm的胶管进行空气反循环清孔。清孔时导管需在钢筋笼内来回移动,时间不少于30分钟。
  c、开始灌注首批混凝土时,首批混凝土储量必须保证灌注后导管埋入混凝土中的深度不小于1m。灌注混凝土前需在填充导管内安设泡沫隔水栓塞,待储料斗和2.1m3漏斗储满混凝土后,开始开启阀门灌注水下混凝土,开启后混凝土要连续灌注,不得停顿,保证整桩在混凝土初凝前灌注完成。
  d、混凝土灌注过程中要有专人测量混凝土面标高,正确计算导管在混凝土内的埋置深度,导管埋置深度适当,正确指挥导管的提升和拆除,保证埋置深度不大于6m,不小于2m。
  e、灌注过程中应记录混凝土灌注量及相对应的混凝土面标高,用以分析扩孔率,发现异常情况应及时报告工程师并进行处理。
  f、混凝土灌注到桩上部5m以内时,不再提升导管,待灌注至规定标高一次提出导管。拔出最后一节导管时应缓慢提出,以免桩内夹入泥芯或形成空洞。
  2.2.5 灌注水下混凝土过程注意事项:
  ① 灌注开始后,连续有节奏地进行,并应尽可能缩短拆除导管的间隔时间,当导管内混凝土不满时,放慢灌注速度,防止在导管内造成高压空气囊,压漏导管,在灌注过程中,应经常保持孔内水头,防止塌孔,定时控测孔内混凝土面的位置,及时调整导管埋深。
  ② 灌注桩顶标高应比设计高出一定高度,一般为0.5~1.0 m,以保证混凝土强度,多余部分接桩前必须凿除,残余桩头应无松散层。
  2.2.6 桩基检查与验收
  桩基达到一定强度之后,清除孔内的泥浆,采用人工用风镐凿除桩头,然后采用声测法对桩基进行完整性检验。
  3、结束语
  本文重点阐述宜宾金沙江公铁两用桥3#墩Φ3.4m大直径钻孔灌注桩旋转钻施工工艺。对该施工工艺的运用和总结具有非常重要的应用价值和实际工程意义,为该类型钻孔桩的施工技术积累了宝贵的经验。
  参考文献
  [1]《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》(TB10752-2010)
  [2]《高速铁路混凝土工程施工技术指南》(铁建设〔2010〕241号)
  [3]《新建铁路成都至贵阳线乐山至贵阳段宜宾金沙江公铁两用桥设计施工图》
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