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旋挖钻机在岩质较硬的石灰岩地层钻孔桩施工工

更新时间: 2021-11-23

  随我国近年来工业水平发展,旋挖钻机功率和扭矩也在增大,从而能够满足进行岩石钻进的需要,本文重点介绍,大功率旋挖钻在石灰岩地质条件下钻进成孔的施工方法。从而减少冲击钻及人工钻孔桩爆破的噪声、泥浆等对施工现场环境的影响,增加施工科技含量。

  旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械,近年在中国的桥梁施工中,已经成为桩基施工的主力军,旋挖钻机配合不同钻具,适应于干式(短螺旋)、湿式(回转斗)及岩层(岩心钻)的成孔作业,具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活,施工效率高及多功能等特点。旋挖钻机的额定功率一般为125~450kW,动力输出扭矩为120~400kNm,最大成孔直径可达1.5~4m,最大成孔深度为60~90m,可以满足各类大型基础施工的要求。

  在地质坚硬地区桥梁施工中,常用桩基施工方法为人工挖孔桩法和冲击钻法。人工挖孔法由于桩基施工周期较长,技术落后,而且由于需要进行爆破作业,危险隐患较大,逐渐被淘汰;采用冲击钻进行施工也存在一定问题,主要体现为在地质较硬的岩层冲击钻成孔速度极慢,甚至出现全天不进尺现象,如果地质溶岩较发育,经常出现卡钻情况,一但出现卡钻情况,一根钻孔桩的施工经常需要1-3个月的时间,甚至更长。采用旋挖钻机进行桩基施工,不仅施工速度大幅提高,施工成本大幅降低,在施工质量方面也体现出明显的优越性,如哈大高铁沈阳段,中铁九局桩基施工95%以上的工程量是由旋挖钻完成的,在因动迁原因严重制约开工时间的情况下,桥梁主体施工工期提前一年完成。

  旋挖钻机与桩基工程及施工工艺结合的非常密切,由于旋挖钻机的大量应用只是在近几年,我国当前尚未有较完善的旋挖钻机施工规范,尤其对地质坚硬的岩层钻孔桩施工,没有开展较系统的工法研究。

  本文以由中铁九局集团大连建设有限公司承建的大连市甘南路、棋南线BT工程子项目甘南路立交桥及延伸工程为依托,重点介绍旋挖钻机在岩质较硬的中风化、微风化石灰岩(强度在30-50MPa之间)地层钻孔桩施工工法,为同类地层的旋挖钻机钻孔桩施工提供参考。

  旋挖钻机岩石取芯钻头的钻齿布置及钻齿结构是结合岩石破碎理论进行设计而成的,可直接对岩层进行钻进入岩,故成孔速度快,施工效率大为提高。

  旋挖钻机一般配备2m左右的孔口护筒(如孔口回填土较厚可加长),而且钻机本身可埋设护筒,这样可尽量避免由孔口回填土对钻孔桩的影响;旋挖钻机采用较成熟的水下导管灌注混凝土的灌桩工艺,可避免孔口掉泥、灌注过程中产生的沉渣带来的不利影响;旋挖钻机是集现代先进的科学技术于一体的桩基施工机械,在成孔施工过程中,垂直度、孔底岩层检验、桩长控制等方面的精确度高,同时由于孔底沉渣少,易于清孔,故桩基施工质量得到了充分的保证。

  旋挖钻机配备不同钻头,即可用于沙层、土层、卵砾石、岩层等不同地质,不受地域限制。

  旋挖钻机底盘采用履带式挖掘机底盘,可自行行走。此外,旋挖钻机能独立作业,机动性强,适应复杂地形,钻机的安装、拆卸无需辅助设施来完成,占用空间小,能靠墙操作。

  旋挖钻机在岩石地层可以采用无泥浆条件下作业,不仅减少了水资源的浪费,还避免了泥浆都周边环境的污染。因而,旋挖钻机施工现场整洁,对环境造成的污染小。

  根据旋挖钻机成孔工作原理,结合岩石的力学特性及旋挖钻机破碎岩石基础理论,对岩质较硬的中风化石灰岩地层钻孔桩进行试桩,统计旋挖钻机采用不同成孔工艺的相关技术参数及经济指标,通过系统的技术经济比对、分析,最终确定旋挖钻机在岩质较硬的中风化石灰岩钻孔桩施工工法。

  通过旋挖钻机配备不同型号的钻头对岩质较硬的地层进行分级扩孔,为旋挖钻机钻头构造孔底自由面,提高旋挖钻机入岩能力,最终实现旋挖钻机高效入岩,同时节约工程施工成本。

  为确保桩位质量,采取精密测量方法,即用全站仪定位,护筒埋设完,再次进行复测,并采用焊制的坐标架校正护筒中心同桩位中心保持一致。

  埋设护筒采用护筒内径上下两端十字交叉法定心,通过两中心点,能确保护筒垂直。钻进中及时测定孔斜,保证孔斜率小于1%。发现孔斜过大,立即采取纠斜措施。

  根据地层情况合理选择钻头直径,对桩径控制有重要作用,孔径可比钻头直径大10~20cm。

  施工中对护筒口高程与各项设计高程要正确进行换算。机具长度丈量要准确,正确丈量钢绳长度,并考虑负重后的伸长值,发现错误及时更正。

  当混凝土灌注至最后一斗时,准确探明浮渣厚度,计算调整末斗混凝土容量。灌注完以后再复查桩顶高度,达到设计要求时将导管拆除,否则补料。

  制作钢筋笼不能超过规范允许的误差,包括主筋的搭接方式、长度。钢筋笼的全部数据都按隐蔽工程进行验收、记录。确保导管密封良好,灌注时活动导管时提高不能过多,防止夹泥、断桩等质量事故发生。

  对每批进场的钢筋、水泥、外加剂等原材料,严格检查标号、出厂日期和出厂实验报告等材质证明文件并抽样检查,各项性能指标均符合设计要求才能使用,严禁使用不合格或过期硬化水泥。

  采用全站仪来进行桩的中心位置放样,放样后四周设护桩并复测,误差控制在5mm以内。根据设计所提供的控制点,采用全站仪现场布置控制网并复核。依据桩基中心轴线坐标值,用坐标法放样桩基中心线、桩基中心点等,并打入标桩,中心线cm范围内,并设置十字形控制桩,便于校核,桩上标明桩号。

  钻机底盘不宜直接置于不坚实的填土上,以免产生不均匀沉陷,对于施工场地为旱地而且在施工期间地下水位在原地面以下时,将场地平整夯实,清除杂物;场地位于浅水时,采用筑岛后在顶面安置钻机,筑岛顶面高出施工水位1.0m左右。

  将钻机行驶到施工桩位,钻机就位时与平面最大倾角不超过4,调整桅杆角度,操作卷扬机,将钻头中心与钻孔中心对准,调整钻机垂直度参数,使钻杆垂直。

  护筒埋设采用挖埋法,即用专用钻斗挖除所要埋护筒的土层后,将护筒放入其中。埋设准确、水平、垂直、稳固,护筒的四周回填粘土并夯实。钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线保持在同一直线。护筒中心与设计桩位中心的偏差不得大于20mm,钢护筒垂直度偏差不允许大于0.5%,保证钻机沿着桩位垂直方向顺利工作。

  旋挖钻机成孔过程中,操作人员随时观察钻杆是否垂直,并通过深度计数器控制钻孔深度。钻孔桩成孔采用分级扩孔的施工方法:首先选用小钻径筒式取芯钻头配合捞砂斗钻至设计孔深,然后使用较大钻径钻头并配合捞砂钻头进行下一级扩孔作业,直至钻孔桩的孔径、孔深满足设计要求,最终实现旋挖钻机成孔。

  成孔达到设计标高后,对孔深、孔径、孔壁、垂直度等进行检查,不合格时采取措施处理。成孔检查方法根据孔径的情况来定,当钻孔为干孔时,可用重锤将孔内的虚土夯实,采用直接用测绳及测孔器测,若孔内存在地下水,可采用泵吸反循环抽浆的方法清孔,则采用水下灌注混凝土施工的方法进行钻孔的测孔工作。

  将沉淀物清出孔位。浇筑水下混凝土前孔底沉渣厚度,柱桩不大于5cm,摩擦桩不大于20cm。

  钢筋骨架在转运至桩位的过程中必须保证骨架不变形。采用汽车运输时要保证在每个加劲筋处设支承点,各支承点高度相等。

  钢筋笼入孔时,由吊车吊装。在安装钢筋笼时,采用两点起吊。第一吊点设在骨架的下部,第二吊点设在骨架长度的中点到上三分之一点之间。应采取措施对起吊点予以加强,以保证钢筋笼在起吊时不致变形。吊放钢筋笼入孔时应对准孔径,保持垂直,轻放、慢放入孔,入孔后应徐徐下放,不宜左右旋转,严禁摆动碰撞孔壁。若遇阻碍应停止下放,查明原因进行处理。严禁高提猛落和强制下放。

  骨架最上端的定位,必须由测定的孔口标高来计算定位筋的长度,为防止钢筋笼掉笼或在灌注过程中浮笼,钢筋笼的定位采用螺纹钢筋悬挂在钢护筒上。钢筋笼中心与设计桩中心位置对正,反复核对无误后再焊接定位于钢护筒上,完成钢筋笼的安装。钢筋笼定位后,在6h内浇注混凝土,防止塌孔。

  钢筋笼下放到位固定后,立即安放导管,用吊车逐段吊装接长、下放,导管下端距孔底的距离为500mm。混凝土导管安放完后,若孔底沉碴厚度不满足设计要求,利用导管进行二次清孔,经监理工程师现场检验合格后,立即拆除吸泥弯头,方可开始浇筑水下混凝土。

  每隔30min测量一次桩孔内混凝土面深度(浇筑后期和浅孔缩短间隔时间至5~15min),并及时填绘混凝土浇筑指示图及混凝土浇筑量随深度的理论曲线和实际变化曲线,指导导管的拆卸工作。当浇筑方量与混凝土顶面位置不相符时,应及时分析原因,找出问题所在,及时处理。

  根据钻孔桩工程数量和地质条件,进行旋挖钻机成桩工艺性试验,合理选择旋挖钻机型号和主要设备参数,同时,根据施工进度安排配备合适的设备数量。

  (1)水泥:水泥采用业主指定的42.5MPa普通硅酸盐水泥或硫酸盐,其初凝时间不宜早于2.5h,水泥质量符合GB175-99的相关规定。

  (2)骨料:料源为业主指定的当地砂石料生产厂生产的骨料。对含有活性成分的骨料进行专门试验论证,并经监理批准后方可使用。

  粗骨料采用级配良好的三级配碎石,最大粒径不大于40mm;粗骨料应质地坚硬、清洁、级配良好,其极限抗压强度与所采用的混凝土标号之比不小于1.5,粗骨料的针片状颗粒含量不大于10%。

  (4)外加剂:用于混凝土中的外加剂为高效缓凝型减水剂,其质量应符合国家或行业的规定。根据混凝土配比的选择,通过试验确定外加剂的掺量,并经监理人审批后实施。

  (5)水:拌和用水采用施工现场地表水和地下水,但必须经过水质检验合格后方可使用。

  1.建立质量责任制度,健全质量管理机构和质量保证体系,建立以项目经理为领导的质量管理小组,严格岗位责任制。

  2.实行三级管理制度:每道工序技术员100%自检,质检员100%互验,监理工程师抽查验收。

  1.接到正式图纸后,组织工程技术人员认阅图明确设计意图,并做好施工图自审和技术会审工作。

  2.施工前每个工程技术人员必须熟悉施工规范、规程,掌握施工技术标准,认真阅读地质资料和设计图纸及文件,详细了解施工区域内的地质情况与设计要求,并在施工前组织全体施工人员进行详细技术交底,作好记录和会签。

  3.钻机就位、安装必须水平,钻机就位后经现场技术人员检验钻头对位情况合格后,才可开钻。钻头在使用前,应由机长检验钻头直径及焊缝,以确保成孔直径满足设计要求。

  4.清孔过程当中,钻头必须提离孔底15cm左右,清孔后由技术人员现场测沉渣厚度,经检验合格后清孔半小时方可停机提钻。

  6.混凝土浇筑要确保拌合物质量,砼有良好和易性,坍落度损失小,流动度大;3天强度达到设计强度90%。加强原材料检验,优化配合比,搅拌设备定期检修,搅拌过程中严格计量。砼运输、布料等严格按规范要求执行。混凝土的配合比必须满足混凝土的灌注要求和设计强度要求。

  7.首批混凝土的灌注必须将导管埋深1.0m以上。在首批混凝土的灌注过程中必须连续,不得间断。在混凝土灌注过程中,导管埋深要保持在2~6米左右,不得埋得过深或过浅,以防止拔断导管或将导管拔出混凝土面。

  8.凡发生质量事故均按“三不放过”的原则进行分析处理。三不放过即:质量事故查不清原因不放过、不吸取教训不放过、不制定出整改措施不放过。

  1.建立健全的安全组织机构、安全保证体系及安全责任制。实行安全目标管理,层层分解落实安全指标,严格执行与经济挂钩奖惩制度,坚决实施安全否决权制度。

  2.所有施工机械设备使用时须有专职人员进行检查,必要的试验和维修保养,确保状态良好。

  3.所有施工人员必须经过安全培训,并经考核取得合格证书后,持证上岗,杜绝违章作业。

  4.工作时必须按规定佩戴安全帽、电焊手套等安全防护工具,从事高空作业的人员必须使用安全保护工具。

  5.非施工人员必须服从安全管理员的领导,未经许可不得擅自拆除设备上的安全防护装置,非操作人员不得擅自操作机械设备。

  7.机械司机在施工操作时,必须听从指挥,不得随意离开岗位;应经常注意机械的运转情况,发生异常立即检查处理,操作手不得擅自把施工机械交由他人操作。

  8.钻孔过程钻孔桩桩钢护筒周围必须设置围栏或安全网进行防护,围栏高度不小于1.2m。

  本工程旋挖钻机钻孔桩施工工法的成功实施,有效避免了传统钻孔桩施工使用泥浆池对周围环境的污染。

  针对旋挖钻产生的钻渣,采用装载机、运渣车(自卸车)及时清理,运输到指定场地集中堆放,为下步施工提供场地。

  甘南路立交桥及延伸工程共计钻孔桩184根,总造价约1966.3万元,钻孔桩施工主要采取了技术先进的旋挖钻机成孔和传统的冲击钻成孔两种形式,除受特殊施工环境、场地限制的38根桩采用冲击钻成孔(如跨越铁路段连续梁钻孔桩等),其余146根钻孔桩全部采用旋挖钻机成孔。采用旋挖钻机钻孔桩施工技术,可优质、高效、低耗地完成钻孔桩施工。较冲击钻钻孔桩施工直接经济效益为:节约成本222.45万元,总成本降低率约1.13%。

  通过旋挖钻机在甘南路立交桥及延伸工程中的应用,树立了良好的企业形象,加快工期进度,为工程周边减少了环境污染、为大连市经济发展做出了积极贡献,受到了当地政府和建设单位的高度赞扬,赢得了较大的社会信誉,社会效益显著。

  本工法应用大连市甘南路、棋南线BT工程的子项目甘南路立交桥及延伸工程钻孔桩施工。

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