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旋挖钻机在大直径深孔桩水上施工的工法探索

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旋挖钻机在大直径深孔桩水上施工的工法探索

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  • 发布时间:2014-01-11
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随着重大基础设施建设的不断发展,跨越江河湖泊以至海洋的水上施工项目也越来越多。在桩基础施工项目中,采用循环钻机或者冲抓钻机等形式进行水面施工的案例已经很多,但是采用旋挖钻机进行水面钻孔作业却鲜见报道。其主要原因在于,这种水上施工项目中的桩基础设计形式多数都是大直径、深孔桩,旋挖钻机在进行该类桩的施工时,要面临钻机扭矩、钻杆规格、钻具形式以及钻孔护壁等各种因素的限制和考验,因此目前国内采用旋挖钻机进行大直径深孔桩水上施工的案例尚不多见。

作为2010年桩基础施工行业的一项盛举,由中铁大桥局承建的安庆长江铁路大桥桩基工程采用了三一SR360Ⅱ型旋挖钻机作为施工设备。施工过程中,该旋挖钻机攻克了4项主要施工难题,保证了工程的顺利实施。

工程概况

安庆长江铁路大桥是由中铁大桥局承建的作为宁安城际铁路的标志性工程,是南京至安庆城际铁路和阜阳至景德镇铁路的重要组成部分,也是宁安城际铁路的控制性工程。大桥全长近3 km,其中主桥长1.363 km,主跨长580 m,该基础工程的地质分布为粉细砂、微胶结砾石层、中风化和微风化泥质粉砂岩层、泥岩层,如此,复杂的地层情况为项目施工带来了前所未有的困难。此工程5号、6号、7号墩台基桩设计直径为2.5 m,桩长80 m左右,自2009年3月20日开工,计划2013年5月31日竣工,工期约50个月。

作为中铁大桥局集团的重大工程项目,施工现场汇集了国内多家知名厂商的大型旋挖钻机。

问题分析

旋挖钻机施工效率低以及成孔质量不高的问题原因主要是地层复杂。以5号承台为例,该处的地质情况为:深度12~38 m为河床冲积泥砂,其中砂粒以粉细砂为主,钻进时易受扰动而悬浮在孔内;深度38 m以下为强风化-中风化砂质泥岩、泥质砂岩互层;在深度40 m、54 m、70 m处均有硬砂岩夹层分布,局部有砾岩层分布,砾石直径小于30 mm,砂岩夹层及砾岩层厚度大都在1 m左右。根据这种地质结构,旋挖钻机的施工难点主要体现在以下4方面。

上部砂层易塌孔 这是江河水面下地质的通病,该工程地质情况表层泥砂很厚,较松散且含水量大,施工过程中易产生塌孔事故。

钻进困难 考虑到孔深的要求,钻机只能配置摩擦钻杆,而摩擦钻杆是靠钻杆键条之间压紧后的摩擦力传递下压力的,随着孔深的增加,所传扭矩和加压力随其每节逐层伸出会有耗减,加压力和扭矩不足可能导致打滑、钻进困难,施工效率降低。

扭矩输出不足  在硬岩层中进行直径2.5 m的桩孔施工对动力头的扭矩有很高的要求,如扭矩不足则易产生动力头“憋死”、发动机熄火等现象,如果一次成孔动力头扭矩输出不足以破坏硬岩层,则需要采取分级钻进的方法。

控制钻孔垂直度度  在泥岩、泥质砂岩等沉积岩中进行深桩孔施工时,由于沉积岩存在夹层软硬差异的情况,极易产生孔斜。

解决措施

针对该工程施工中可能遇到的问题及难点,三一工法研究院做了如下应对方案:①在钻机配置方面,为三一SR360Ⅱ型旋挖钻机配套了特制的加重摩擦钻杆、加重型捞砂钻斗、扩孔用嵌岩筒钻以及捞砂钻斗。②施工前,将水、膨润土、碱、纤维素按照1000∶80~100∶3~5∶2的比例配置泥浆,充分搅拌,并静置24 h以上,待泥浆稳定后方可使用。按此法配制的泥浆,孔外密度达到1.09,黏度26s,满足了上部砂层护壁要求。③为防止钻进时打滑钻不进,针对该工程配置特制摩擦钻杆,以此保证深孔施工钻具对地层能起到足够的破碎压强。该钻杆芯杆加重,钻杆总质量达到19.5 t。④为防止钻机在钻进硬岩层时出现扭矩输出不足的情况,如果一次成孔困难,可采用分级钻进方案,即先用加重钻斗钻进,然后用特制扩孔嵌岩筒钻扩孔至2.5 m,最后用特制捞砂钻斗捞取松散钻渣。⑤针对沉积类岩石中多含软硬不均夹层的情况,采用特制加重型捞砂钻斗靠自身质量钻进和特制扩孔嵌岩筒钻直筒导向的方案来防止钻孔倾斜,最终保证桩孔的垂直度。

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