潛水鉆機(jī)在特大橋鉆孔樁工程中的應(yīng)用

內(nèi)容摘要：介紹了KG500A型潛水鉆機(jī)在濟(jì)南黃河大橋、溫州甌江二橋兩個特大橋工程施工的應(yīng)用情況，介紹了鉆、抓結(jié)合處理卵礫石等復(fù)雜地層的方法，并結(jié)合工程施工實(shí)踐對鉆機(jī)提出了改進(jìn)方案。
關(guān)鍵詞：潛水鉆孔機(jī) 鉆孔樁施工

大型橋梁鉆孔樁具有樁徑大、樁體長、施工難度大等特點(diǎn)，對鉆孔機(jī)要求成孔質(zhì)量高、速度快、擴(kuò)孔率小，操作簡便。目前多采用轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)、潛水鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)施工。現(xiàn)將以KQ2500A型潛水鉆機(jī)在濟(jì)南黃河大橋、溫州匝江二橋鉆孔樁施工中的應(yīng)用情況簡介如下。

1濟(jì)南黃河大橋鉆孔樁

1．1 工程概況

濟(jì)南黃河大橋橋?qū)?5.5m，設(shè)計(jì)時速120km/h，主橋長875m，主跨210m。樁基采用直徑2m的鉆孔灌注樁，每剛構(gòu)墩布置13根，樁長93.5m，鉆孔深度102.5m，計(jì)52根；每連續(xù)墩布置8根，樁長81m，鉆孔深度88m，計(jì)32根。主橋墩處主要地質(zhì)為亞砂土、粉砂、粘土、亞粘土夾含量不等的姜石或卵石，局部有微風(fēng)化砂巖。

1．2 機(jī)具選擇

針對本工程中孔的深度大(當(dāng)時國內(nèi)施工中未見報(bào)道)，地層中含有大量礫石、卵石、姜石等特點(diǎn)，在比較了幾種形式的鉆機(jī)之后，決定充分利用潛水鉆機(jī)排渣粒徑大(最大粒徑石塊8cm)、排量大、揚(yáng)程高、能及時將切削掉的鉆渣排出孔外，避免孔底鉆渣的重復(fù)破碎等優(yōu)點(diǎn)，選用KQ2500A型潛水鉆機(jī)。

1．3 施工要點(diǎn)

由于主橋樁基孔徑大、樁體長，對鉆孔垂直度要求較嚴(yán)，鉆進(jìn)時必須保持減壓鉆進(jìn)，使鉆具部分重量的50％。70％作為鉆壓作用于孔底，其余部分由主鉤懸吊，使鉆具在懸掛狀態(tài)下進(jìn)尺，以保證成孔的垂直度。在鉆孔的上部土層中有厚約9m的粉砂層，極易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，下部土層主要為粘土。因此施工中注意在砂層鉆進(jìn)時泥漿比重稍大以保護(hù)孔壁，而在粘土層鉆進(jìn)時則適當(dāng)降低泥漿比重，以提高鉆進(jìn)效率。泥漿指標(biāo)為：鉆進(jìn)時密度1.8～1.2/cm3之間，粘度17～22s；清孔時控制泥漿密度為1.08～1.1g／cm，粘度17～20s，含砂率＜1％。由于該潛水鉆機(jī)采用潛水砂泵直接從孔底吸渣后由鉆桿排出鉆渣，對清孔后沉渣厚度、泥漿指標(biāo)均有保證。

1．4 鉆頭型式 工程施工中旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)鉆頭，旋轉(zhuǎn)鉆頭一般分為刮刀鉆頭和滾刀鉆頭。刮刀鉆頭廣泛適用于各種軟弱地層，而滾刀鉆頭對巖層的鉆進(jìn)能力更強(qiáng)。本工程中雖有微風(fēng)化砂巖和角礫層(含粘土)和堅(jiān)硬粘土層，硬度較大，但這些地層所占比例較小，故采用刮刀鉆頭。鉆機(jī)施工初期，為克服硬層鉆進(jìn)困難采用了階梯式四翼刮刀鉆頭(見圖1)，施工時發(fā)現(xiàn)鉆頭容易糊鉆，影響鉆進(jìn)速度。后改為三翼刮刀鉆頭(圖2)，在加長切削刀爪長度以及對鉆頭進(jìn)行局部改進(jìn)后大大改善了鉆進(jìn)效果，基本上無糊鉆現(xiàn)象產(chǎn)生。在堅(jiān)硬的微風(fēng)化砂巖層該鉆頭的進(jìn)尺速度可達(dá)16cm/h左右，在粘土含較多姜石或礫卵石(粒徑＜8cn)的情況下每小時進(jìn)尺1m左右。

1．5 鉆孔效果

從實(shí)際成孔檢測及現(xiàn)場混凝土灌注來看，采用潛水鉆機(jī)成孔孔壁規(guī)則，成孔垂直度高(不垂直度＜5％)，沉渣厚度均可滿足要求，一般不用回鉆處理。與轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)相比，混凝土澆注量少5％左右，具有明顯的節(jié)約材料的效果。

2 溫州甌江二橋

2．1 工程概況

溫州甌江二橋主橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，橋?qū)?7m，主孔跨徑270m。北引橋橋墩跨度35m，其基礎(chǔ)為直徑1.8m、深57m的混凝土灌注樁。主橋墩處主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土、淤泥、淤泥含粉砂、淤泥質(zhì)粘土、礫卵石含少量粘土、粘土層、卵石含粘土。本工程的施工難度為厚約2.5m、礫石含量高達(dá)50—70％的礫卵石層，礫石粒徑有的達(dá)到42cm，且漏漿嚴(yán)重。卵石層中卵石含量在70％以上，漏漿嚴(yán)重。

2．2 施工機(jī)具

采用KQ2500潛水鉆機(jī)2臺，1450型沖抓機(jī)2臺，16t吊車一部。

施工機(jī)具的選擇經(jīng)歷了較長的試驗(yàn)階段，開始僅用潛水鉆機(jī)鉆孔，當(dāng)鉆到礫石層時，因礫石粒徑大、含量高，造成嚴(yán)重堵管而不能進(jìn)尺；改用潛水振動抓抓取礫石，因振動抓的振動力小、抓緊力小，未能將礫石抓出；后采用沖擊鉆進(jìn)的方法成孔，因礫石層較厚，不能沖擊穿過該層，且用掏渣筒取渣效率極低，沖擊法成孔穿過礫石層的方案也被否定。最后改用沖抓機(jī)抓取礫石成孔方法，首先抓成一個直徑1．5m的孔，順利穿過該層，并一直抓到卵石層，然后用鉆機(jī)掃孔到孔底終孔。從開鉆到交檢孔完畢共用了40天。

2．3施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

2號鉆機(jī)施工第2和第4個孔時發(fā)生連續(xù)塌孔事故。經(jīng)認(rèn)真分析，認(rèn)為有以下幾種原因：(1)護(hù)筒埋設(shè)時未用粘土境實(shí)，護(hù)筒底部榻孔；(2)鉆孔時過分強(qiáng)調(diào)采用稀泥漿快速鉆進(jìn)，忽視了礫石層存在泥漿問題，造成沖抓礫石層時出現(xiàn)泥漿嚴(yán)重漏失現(xiàn)象； (3)原自然地基承載力不高，鉆機(jī)自身重量大，造成護(hù)筒下沉以至護(hù)筒下部塌孔。通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，我們采取了以下措施：(1)嚴(yán)格按要求埋設(shè)護(hù)筒，用粘土夯填密實(shí)；(2)嚴(yán)格控制泥漿密度及粘度，上部土層鉆進(jìn)時泥漿密度控制在1．1—1．3g／cm3，粘度17—20s，接近礫石層時保持泥漿密度在1．3～1．4g/cm3，粘度18～22s；(3)護(hù)筒周圍用長枕木鋪設(shè)，并使鉆機(jī)接地比壓小于o．8MPa；(4)采用鉆機(jī)鉆上部土層并松動部分礫石層后用沖抓機(jī)抓取礫石，鉆機(jī)再掃孔并鉆過粘土層到卵石層，使卵石松動后用沖抓機(jī)抓取卵石終孔。卵石層鉆進(jìn)以及沖抓成孔時泥漿密度控制在1．25～1．35g／cm3；(5)針對礫石層鉆進(jìn)時泥漿易變稀薄而發(fā)生嚴(yán)重漏漿現(xiàn)象，準(zhǔn)備一些中粗砂作為堵漏材料備用。

2．4 鉆頭型式

開始鉆進(jìn)時采用了階梯式四翼鉆頭(圖1)和圖3所示三翼鉆頭，實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)四翼鉆頭糊鉆較嚴(yán)重，對進(jìn)尺不利。而圖3所示三翼鉆頭是在圖2所示結(jié)構(gòu)上增加了一塊與鉆頭國內(nèi)徑留有較小環(huán)形間隙的圓形板，其本意是使泥漿從周邊沖刷孔底以利于中心抽渣，但因孔徑大，環(huán)形間隙內(nèi)的泥漿流速小，不足以沖刷孔底周邊鉆渣，且極易在粘土層糊鉆，故實(shí)用中仍采用圖2所示結(jié)構(gòu)，施工實(shí)踐表明，比較實(shí)用。

3 鉆機(jī)改進(jìn)方案

通過工程考核，針對KQ2500A潛水鉆機(jī)存在輔助時間長、工效低等一些問題，對機(jī)具主要進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1)鉆桿接頭：原為法蘭螺栓連接方式，接換鉆桿工效低。現(xiàn)改為六方接頭加抗拉套結(jié)構(gòu)，輔助時間縮短為原來的1／4左右。
(2)提升系統(tǒng)：將原5t慢速卷揚(yáng)機(jī)改為3t快速卷場機(jī)，并將原鉆桿提升速度1．5m/min提高為5m/min，提升時間縮短為原來的30％。
(3)鉆頭型式：以圖2所示三翼鉆頭為基本型式，也可根據(jù)地質(zhì)條件另行設(shè)計(jì)。
(4)增加正反循環(huán)排渣系統(tǒng)切換裝置，減少了輔助時間，減輕了工人勞動強(qiáng)度。
(5)門架上增加了液壓自動起落裝置，提高了鉆機(jī)的整體性能，便于成孔后鉆機(jī)讓開孔口，縮短了交檢孔后沼注混凝土之前的鉆架移位時間，提高了成樁效率。通過以上改進(jìn)，可以大大提高工作效率。預(yù)計(jì)一個深度為100m的孔，輔助時間可以減少24h左右，每棵樁提高工效約20％。