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旋挖钻机在桥梁桩基施工中的应用
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旋挖钻机在桥梁桩基施工中的应用


 摘要:介绍三一重工SR280RⅡ型旋挖钻机及其成孔工艺,并通过施工实例与国内常用的回转钻机进行了技术经济比较。

  关键词:桥梁桩基施工 钻孔灌注桩 旋挖钻机  旋挖桩  打桩机  旋挖钻机施工  旋挖钻机租赁

  0 引言

  鸭绿江界河公路大桥是国家重点工程,其中第一合同段的施工任务由我集团公司承揽建设。该施工段工序复杂,为了确保工程质量,不延误工期,我单位引用先进的旋挖钻机协助完成了400根钻孔桩的基础施工。旋挖钻机能够大大促进桩基施工工艺的改进和更新,从而将成桩质量提升至一个新的高度,目前在我国还未普及应用。笔者就技术特点,将该设备与国内目前普遍使用的回转钻机进行了对比分析,具体内容如下。

  1 工程概况

  本标段为第一合同段,起点为丹东西互通式立交区(K0+000),终点为主线收费站(K6+700),全长6.7公里。其中大桥3座,中桥10座,小桥2座。因地质条件相似,现以金板河大桥为例,将旋挖钻机在钻孔灌注桩中的应用做一阐述。

  金板河大桥全长421m,桩基用桩68根,桩径120cm的16根,桩径160cm的56根,桩长19.72~28.07m,总计1577.8延米,C25混凝土灌注量2433.53m3。

  地层自上而下依次为:

  ①素填土。

  ②粉质粘土层。

  ③粗砂。

  ④全风化凝灰质角砾岩。

  ⑤强风化凝灰质角砾岩。

  ⑥中风化凝灰质角砾岩。

  桥址处河道顺直,设计流速3.42m/s,设计水位Hs=

  11.280m。

  2 旋挖钻机及其施工工艺

  2.1 旋挖钻机

  三一重工生产的SR280RⅡ型履带式可行走旋挖钻机是第二代入岩旋挖钻机。相较于第一代机械设备的构造来说,它采用的是主卷扬后置结构,不仅延长了钢丝绳的使用寿命,增大了钻杆的提拔力,而且大大改善了车体的提升能力,使其更为稳固,可打深桩。同时,参照国际标准选择关键元器件,如卡特彼勒C9HHP发动机,卡特彼勒336D底盘,以及布雷维尼、力士乐和邦飞利等。动力头最大输出扭矩280KN·m,采用最大成孔深度(配磨阻杆)84m,最大成孔直径2500mm。

  2.2 旋挖钻机施工工艺

  旋挖钻机的施工工艺可以分为两种:干作业成孔和泥浆护壁旋挖成孔。它们二者的应用环境有所不同,如果遇到地下水位较低的情况,或在成孔深度内无地下水的土质,就比较适合用干作业成孔作业。相比之下,泥浆护壁成孔工艺应用范围稍广,不受地下水位高低的限制,但较多用于高含水量的环境,其原理就是通过泥浆循环来保护孔壁并排出土渣而成孔。泥浆具有保护孔壁、排出土渣的作用,除此之外,它还可以冷却和润滑钻头。综合考虑丹东地区水文地质特点,本工程采用泥浆护壁成孔,具体施工过程如下:

  2.2.1 场地平整

  旋挖钻机具有半径大、钻杆高的特点,为了确保施工安全,在前期工作中,要对关架空电线、通讯线等进行清理。另外,旋挖钻机自重较大,因此要保证场地平整,并具有一定硬度以免沉陷。

  2.2.2 钻机就位

  当钻机就位时,可以通过控制器对钻杆角度进行调整,以确保钻机的垂直度。其调整幅度为前俯10°、后仰6°、左右摆8°。如果钻机在作业过程中的倾斜率保持在0.30以内,可自行调节垂直度。

  2.2.3 埋设护筒

  该钻机自带护筒驱动器,可以自行埋设护筒。依据地质情况的不同,护筒最长可达6.0m。在本工程中,护筒指标为:长度4~6m,根据桩径的不同,护筒分别为内径1.28m、1.70m,外径1.32m、1.75m。在埋设护筒时,为了方便钻头定位和保护桩孔,要使护筒顶比原地面高出0.3m,同时,要注意用水平尺对垂直度进行检查。

  2.2.4 泥浆制备

  这一环节对钻机的正常工作至关重要,因为该钻机需要泥浆相对密度不低于1.3,要求较高。在前期工作中,利用搅拌机将膨润土、纤维素和纯碱按比例混合搅拌,制作出符合要求的泥浆。

  2.2.5 旋挖成孔

  旋挖钻机的钻头一般为筒式钻头。在实际操作中,先将钻头下降到预定深度,然后旋转钻头、进行加压,这个过程中,旋起的泥土会进入钻筒内,当钻筒内充满泥土后将钻头反转,封闭钻头底部并提出,然后开启钻头底部开关将土倒出。向孔内注浆的时机应该是在钻机钻进过程中或将钻头提出钻孔外后,泥浆液面要高于护筒底部。还需要注意的是,现实中往往会出现提出的钻头有泥浆,而造成泥浆污染的问题。这是因为由于地质条件不一,旋转过程中很少有泥土将钻头挤满的情况。钻头筒中上部留有溢浆口,在旋挖砂层时,泥浆与砂混合后又溢入孔内。如果泥浆相对密度达不到要求,会出现灌孔前沉渣太多而超出规定的情况,从而造成混凝土灌注困难。遇到这样的情况,即使进行旋挖钻机二次旋挖清孔也起不到什么作用。在现实施工中曾出现塌孔问题,这与场地上部土层为素填土、粉质粘土,泥浆相对密度达不到相应标准,无法发挥保护作用、平衡地层压力有一定关系。

  其余施工工序和回转钻机施工工序一致,不再赘述。

  3 旋挖钻机与回转钻机成孔的技术经济比较

  3.1 试验桩

  在全面开始成孔施工前,我们首先对两组旋挖钻机成孔灌注桩和一组回转钻机成孔灌注桩做了桩的静载试验。桩荷载和安全系数分别设计为2600kN和2.0,用油压千斤顶通过锚桩、横梁装置加载。用于试验的4根锚桩直径均为1.20m,锚桩和试验桩呈对角分部,中心距设计为4.0m的。采用慢速维持荷载法逐级加载,待上一级状态稳定后再加载下一级,共10级。总加载量是竖向设计荷载的2倍。表1列出了实验数据。

  根据试验结果可知,在受力情况相同的情况下,从成桩产生的沉降量来看,回转钻机高于旋挖钻机。施工工艺的差异直接造成了这种结果。作为摩擦型桩,旋挖钻机成桩所形成的粗糙孔壁增大了桩的摩阻力。回转钻机成桩与旋挖钻机成桩的沉降量都在40mm以内,均符合施工要求,但是很显然,旋挖成孔桩的质量和实际承载力显然略胜一筹。

  3.2 综合比较

  3.2.1 比较桩体的承载力,显然回转钻机成孔桩不及旋挖钻机成孔桩,但是后者的沉降量仅仅是回转钻机成孔桩沉降量的四分之一。

  3.2.2 泥浆的性能指标的差别。参照辽宁省桥梁施工技术细则中关于泥浆相对密度的要求,正循环钻机和反循环钻机泥浆的相对密度分别控制在1.1~1.3、1.05~1.15的范围内。旋挖钻机泥浆的相对密度不得低于1.3,旋挖钻机能够顺利成孔,关键在于泥浆的相对密度必须在1.3~1.5的范围内。至于泥浆组成的原材料则是一致的。

  3.2.3 护筒长度不同。在我国,如果地质条件相同,回转钻机埋深要求在1.0~1.5m之间,而旋挖钻机则需埋设4~6m的护筒,在我单位承建的施工段中,护筒埋深要求为5m。

  3.2.4 成本效益比较。每台旋挖钻机每24h平均成孔数量为4孔,最多为5孔(埋深为25~35m),但是回转钻机每48h仅成1孔,在工作效率上与旋挖钻机相差8倍。但旋挖钻机购机成本较高,本例中的旋挖钻机每台在800万人民币左右。

  3.2.5 粉质粘土层和砂土层的施工多采用旋挖钻机。对于淤泥或卵石层作业,则旋挖钻机抗扭性能较弱,施工作业故障频出,因此多采用回转钻机进行作业。

  3.2.6 旋挖钻机清孔方式包括两种,一是简单快速的接旋挖清孔,二是正反循环泵换浆清孔。施工时应该因地制宜,优选清孔方案。

  4 旋挖钻机桩基施工案例总结

  通过在鸭绿江界河公路大桥第一合同段施工中应用旋挖钻机的实践,工程人员深刻体会到,尽管旋挖钻机投资成本高,但在适宜的地质条件下,最终的经济效益综合指标还是大大优于回转钻机。从我国目前高速公路、铁路、城市轨道的建设形势来看,旋挖钻机具有广泛的应用前景。


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