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岩土研究院

大直径深嵌岩钻孔灌注桩施工

349 2022-07-07 09:57:53

一、地质条件

主塔墩位甬江于主航道东侧,常年水位3~5m。有潮汐影响。


施工前,对主塔墩范围内进行了详细的地质勘探,共钻地质孔27个,并对岩芯和土样进行了物理力学试验。根据探明地质构造如下∶


水下为覆盖层,厚25m~33m。以淤泥及淤泥质亚粘土为主。内有沉船和片石。底部有厚度不等的粉砂和细砂。


基岩顶面不平,呈东高西低向江中倾斜,最大高差7.86m。上部为靠细斑岩,下部为凝灰质砂岩。凝灰质砂岩顶面高差悬殊,最大高差有13.0m之多。墩内发育一系列压性、压扭性断裂破碎带,使岩体的完整性受到严重破坏,强度降低,破碎带形态复杂,规律性差;墩内还存有风化槽,槽内为土混碎石,给地基造成极大的不均匀,同时也影响周围岩体的稳定性,极易造成基础不均匀沉降。


地质构造见图1。关于各土层及岩石物理力学特性见表1、表2。


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二、工 程 特 点

该墩是主塔墩,工程的关键部位,其基础受的荷载大,根据计算在主力作用下,将承受646.5MN 的垂直力和 868.7MN·m 的弯矩。加上桥塔又高,对基础的不均匀沉降十分敏感,因此必须确保桩基的稳定。


根据地质资料看,该墩地质情况复杂,岩层中即有破碎带又有风化槽。岩石软硬悬殊。不但降低了地基整体性和承载能力,也给钻孔施工带来极大的困难。


根据受力特点和工程地质条件,该墩钻孔桩设计的直径大、深嵌岩。每根桩都要穿过风化层或破碎带进入坚硬的微风化岩体内。嵌岩深度均在 20m 以上,最深达33m。施工时钻岩任务十分艰巨。


三、钻 孔 施 工

该墩位于浅水中,潮汐影响明显。施工采用水上栈桥和工作平台方案。


水上栈桥和工作平台用φ50cm 钢管桩作基础。将预先做好的钢管桩用中-60振动锤振动下沉至持力层,不少已振到岩面,形成钢管桩方阵。在钢管桩上用常备式万能杆件拼装平台,平面尺寸为56m×28m,高 2m。平台上预留桩位,并装有500kN龙门吊机和200kN 桅杆吊机各一台;再设钻机、压风机和泥浆沉淀筒等钻孔设备。见图 2。


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护筒直径3.0m,用厚14mm钢板在钢结构车间卷焊而成,为了运输方便,每节长8m。然后运至平台用吊机安装就位,用1600kN振动锤将护筒振动下沉,然后接长,继续振沉,直到比较稳定的地层为止,护筒顶面高出高潮位约2m。


因工作平台面积限止,一般使用3台钻机,一台是KP-3500大型钻机(郑州勘察机械厂产),这种钻机全液压驱动,最大扭矩为210kN·m,钻孔直径大,破岩能力强;另外两台为BDM-4型钻机(大桥局桥机厂产),最大扭矩为80kN·m。两种钻机主要性能见表3.


循环泥浆采用膨润土拌制。

在覆盖层及软岩中钻进,用镶有硬合金刮刀钻头。先用正循环排渣,当钻深到一定深度后改用压气反循环钻进。在用正循环钻进时曾发生过泥包钻头,影响正常钻进;改用反循环后虽然没有泥包钻头的现象,但常遇到沉船的木块和片石堵塞排浆管,同样影响钻进,为了排除往往需要花费很长时间。


当钻到较硬岩层时,改用硬合金牙轮钻头或硬合金滚刀钻头。根据以往的经验,在一般岩石中甚至硬岩中采用这种钻头钻进都是有效的,但是在这里却碰到不少困难。


1.跳钻问题的处理

首先碰到的问题是跳钻现象严重。因岩石软硬悬殊,当钻头在孔底转动时,牙轮碰到硬岩即被顶起,遇到软岩即下落。由于钻头作无规则转动,使钻机不停地上下跳动,左右摇摆,有时剧烈地晃动。钻具也一直处在复杂地受力状态,由此造成钻杆扭曲严重,经常发生断裂,钻杆接头螺栓松动脱落,掉钻头的事经常发生。钻头寿命缩短,钻头上的牙轮,磨损到一定程度时,必须提钻更换,整修钻头工作量大增,钻孔成本也随之提高。


在钻进过程中由于机械故障不断,纯钻岩时间仅占工作时间的三分之一左右,不但钻孔速度上不去,质量上也不断出现孔斜及孔壁弯曲现象,跳钻问题已成为制约钻孔施工的关键。


为了解决这个问题,在钻孔实践中不断分析总结,通过试验摸索出不少对策,并在实施中不断改进逐步掌握了一套适应于这种岩层的钻孔工艺,归纳起来主要有以下几点∶

(1)降低转速∶KP-3500钻机可无级调速,将转速降到23转/分后,跳钻现象明显减轻;而 BDM-4钻机的最小转速为6转/分,为了把转速降低,将980转/分的电机换成580 转/分的电机,最后也把转速降到3.68转/分,使跳钻现象有所改善。


(2)加大钻压∶增加钻头的配重,不但可以稳定钻头,减轻钻头的跳动,而且还可以加快钻岩速度。


在钻机的转速不能加快的情况下,只有增加钻头重量,使牙轮上的楔齿对岩石压强超过岩石极限强度,使楔齿能嵌进岩体加快了破岩速度。从KP-3500钻机两组统计数据可充分反映了这一点。当钻头压量为230kN时,纯钻进速度为0.10m/h;当钻头压重为350kN 时,在同一岩层中,纯钻进速度为0.18m/h。


BDM-4 钻机由于扭矩小,增加钻压受到限止,为了有效地在岩层中钻进采用二次成孔法,即一次使用φ1.5m钻头(或φ1.8m钻头)钻进,第二次再用φ2.5m钻头进行扩钻成孔。

(3)对钻机薄弱环节进行加固或改进∶首先把钻杆加强,将壁厚由16mm 改为20mm,并加强了焊缝;钻杆接头螺栓由普通螺栓换成高强精制螺栓;螺帽增加了防滑销。

上述一系列措施在钻孔过程中逐步落实后都产生了一定的效果。跳钻现象明显减弱,机械事故相应减少,钻进速度逐渐加快,成孔质量也有提高,较好地解决了在软硬不均的岩层中钻进的技术难题。


2.孔壁坍塌的处理

钻孔遇到另一个问题是钻进中发生多次孔壁坍塌事故。由于桩距比较小,往往一个孔发生塌壁不但给本孔施工带来困难,还给邻孔造成影响。如10号桩钻孔时因孔壁坍塌将钻头埋住,在清孔提钻头时由于采用压气吸泥,补浆跟不上造成连续坍塌,使相邻四个孔也发生坍塌,护筒倾斜加剧,无法钻进,最后费了很大的力量,逐孔加以处理才恢复正常施工。


据分析孔壁坍塌的原因主要是∶

(1)循环泥浆采用膨润土拌制,比重较小。护筒顶面高出水面不多,加上潮汐影响,有时施工中补浆不及时,经常发生孔内浆面低于水面,造成孔内压力偏小。

(2)成孔周期长,不少孔历时一个多月才钻成,孔壁长期浸泡在泥浆中并在钻进中不断地受到冲刷淘洗。

(3)两桩中心相距仅5m,由于施工顺序安排不好,施工后期经常出现相邻两孔同时钻进,相互干扰比较大。


孔壁坍塌最先发生在粉细砂层,由于钻进过程中逐渐形成扩孔,当扩孔发展到一定程度,上面土层开始坍塌,如果处理不及时或处理方法不当就会造成连续大量的塌方。

发现塌孔先向孔内补浆,首先确保孔内泥浆高度。停钻并将钻头提起,静止一段时间观测孔壁变化,如已稳定可恢复钻进,但要注意泥浆的高度并设法改善泥浆性能。

有些坍塌比较严重,当采取上述措施无效时,最后将钢护筒加长,继续震动下沉,使之穿过粉细砂层,这样虽然不经济,但可以从根本上解决继续塌孔的问题。


3.漏浆的处理

位于风化槽和破碎带几根桩在钻孔时发生过不同程度的漏浆。


发现漏浆先向孔内抛粘土和碱粉,以增加泥浆的浓度和粘度,减少泥浆的流失。经过这样处理,漏浆现象一般都有减弱,不少孔还逐渐恢复正常,效果比较明显。但还有两个孔采取上述措施后,仍制止不了漏浆。最后只好停钻,将钻头提出,用导管法向孔内灌注水泥砂浆,灌注高度一般都超过风化槽和破碎带顶面1~2m。待水泥砂浆具备一定强度后,重新钻孔。这样处理虽然影响工期也不经济,但在这种特殊地质条件下,也是确保钻孔质量的一种方法。


4.护筒的纠偏

由于覆盖层中有沉船和片石,护筒在震动下沉时发生过护筒一侧碰到沉船,久震不下,不但使护筒倾斜加大由于震动力过大造成护筒局部变形,影响了正常钻进。此外塌孔时,也造成几个护筒偏斜加大,其中有个别护筒因偏斜过大使钻头与护筒壁相碰,无法继续钻进,必须进行纠偏。


由于护简大、埋置深,无足够的起吊能力将护筒拔出重新扶正。只好采用局部纠偏的办法。根据工地条件先由潜水员用水下切割的方法,将侵入孔内变形或倾斜部分竖向切割几条缝,然后向护筒内填片石,再用φ1.5m的冲击钻头对需要纠偏的位置进行高冲程的冲击,待片石冲低后再填片石,再次冲击,这样反复2~4次。通过冲击片石将护筒变形或倾斜部分向外挤压而达到纠偏的效果。详见图3。


该墩的钻孔桩自1995年5月 30 日开钻至1996年3月份全部完成,历时近10个月,累积在覆盖层钻进 585延米;在岩石中钻进 491.4延米。其中KP-3500钻机共钻成13个孔。平均18天完成一个孔,最快9天就钻成一个孔;BDM-4钻机由于动力小分两次成孔。机械事故多效率也低,两台钻机共完成 7个孔。不但钻孔速度慢,而且成孔的质量也较差。


每孔钻成后都用KE-20孔壁回声仪进行成孔检测,内容包括孔径大小、孔的倾斜率,孔壁平整度及孔深等。通过对该墩所有钻孔检测结果为;

(1)有 4根桩钢护筒倾斜率超过1%。其中多数是由钻孔时孔壁坍塌造成的。

(2)不少孔的孔壁存在弯曲现象,程度不一。几个弯曲较重的孔都在岩层的破碎带和风化槽边缘,据分析钻孔时由于遇到软硬不均岩层使钻头偏向较软的一侧所致。

(3)全墩所有的钻孔从倾斜率看都在1%之内,在规范规定范围之内,另孔径和孔深也都满足设计要求。


四、桩身混凝土灌注

嵌岩桩对桩底沉渣厚度要求严格,该墩钻孔桩也一样,设计要求沉渣厚度在 5cm 之内。为了达到目标,施工中加强对孔底清理。当钻至设计标高后,先将钻头提高12m,以钻机的排渣系统继续压气以反循环进行清孔。边清孔边向孔内补充新拌制泥浆,改善孔内泥浆性能,使孔底沉渣厚度小 5cm。当下放钢筋笼和安装导管后孔底沉淀层又会增加,为此再用导管作排浆管进行第二次清孔,这次清孔必须保证沉渣层厚度小于5cm,经监理认可后,尽快拆除压风管、灌注混凝土。


桩身混凝土设计为 C30。每根桩的混凝土量约有 300m²。采用导管法进行水下灌注。对大直径桩的首批灌注量,要求比较多,因为灌下的第一批混凝土要保证导管埋入不少于1m。为确保灌注质量,专门制造一个容量为12m³混凝土储存罐。使每次灌注时首批混凝土量可达到10m²左右。

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该墩 20 根 桩 累积灌 注桩身混凝土为5983.6m²。


为检测成桩后混凝土质量,在每根桩的钢筋笼上对称安装φ50mm 声测管 4根,直到孔底。混凝土灌注后等强度增长接近设计值时即可进行超声波检测通过对每根桩的六个断面测试结果看,全墩 20根桩桩身混凝土完整性、均质性良好,未发现有一处夹泥或断裂现象。


五、经验与教训

宁波大桥主塔墩基础,在如此复杂和特殊地质条件下,完成这样大直径、超深的钻孔桩,确实克服了不少困难,也走了不少弯路。认真地加以总结可以从中得到一些经验和教训∶

1.从不同型号的钻机使用效果看,对大直径、深嵌岩桩、选择合适的钻机,不但可以加快施工进度,而且还可以降低成本,提高钻孔质量。


钻机的选型主要依据设计资料,地质情况,钻孔工艺和工地条件等多方面因素。但是起作用的还是"钻压"和"扭矩"这两项参数,钻压是决定钻进速度的主要因素。选择钻机时必须考虑加到孔底的压力能够对岩石进行有效地破碎;扭矩与钻孔直径、钻压和转速有关,但更主要的应满足钻压和破岩面积的需要。从已建成的几座大桥的钻孔桩施工资料上看,一般每平方米破岩面积上需要扭矩约 20~45kN·m。


2.对群桩基础施工事先应把施工顺序安排好,避免相邻两孔同时钻进,以减少干扰。嵌岩桩的设计桩距一般偏小,遇到岩层破碎或有裂隙时更应避免相邻两孔同时施工。

3.在软硬不均的岩层钻进,容易引起"跳钻",不但损伤钻机也影响钻进速度。为防止跳钻除采用加大钻压降低钴机转速外,最好选用液压传动,并有自动防护装置的钻机施工以减少"跳钴"带来的危害。


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