气举和泵吸反循环施工黏土层大直径长桩工艺

李志强

1 工程概况

桥址区位于古淮河冲积平原上,地势平坦开阔。桥址处以运河为界,整体东高西低,地面标高5.00 m～7.40 m。桥址区地层均为第四系松散堆积物,即为全新统Qal+14和上更新统Qa+13地层。中部地层自标高-12.4～-39.4岩性主要为灰色～深灰色亚黏土,夹黏土及亚砂土,局部含贝壳,软塑～硬塑。下部主要为亚砂土和砂层,灰色,饱水,混粘粒,夹黏性土,局部砂层胶结良好,坚硬呈岩石状,密实～极密实,又称“砂礓石”。

桥址区地下潜水不发育,主要分布于上部,含水层以古淮河冲积物粉砂薄层的亚黏土为主,地下水水位在5.20 m～6.40 m。京杭运河为区内重要通航航道,河道顺直,西岸最高处(河堤)标高12.11 m,最低处(河底)标高0.71 m,最大高差11.4 m。

2 施工过程

2.1 钻孔平台设置

墩位于京杭运河西侧河堤边坡上,最低处标高7.6 m,最高处标高12.11 m,13号墩桩顶标高+1.806 m,桩底标高:-78.194 m,桩长80 m。将河堤高处开挖降低,把开挖的土方填向边坡的低洼处,采用挖掘机逐层碾压,在临水侧打钢板桩挡土,形成钻孔平台,平台标高9.0 m。13号主墩投入2台HY-500型钻机。

钻孔平台平面用水准仪整平。在钻孔施工中,随时用平尺检查钻机平台的水平度,发现平台不平,及时操垫。

2.2 护筒制作与埋设

1)钢护筒制作。钢护筒采用A3钢板卷制,壁厚14 mm,内径2.80 m。共制作12只,13号墩与14号墩各6只,轮流周转使用。钢护筒设计长度为 6 m,分 2节制作,上节为1 m,下节为5 m,1.0 m节可周转使用。护筒在工厂内制作,钢板拼接缝采用剖口焊,用煤油涂白粉的方法检查焊缝质量。制作中对其圆度和端面平整度、法兰平行度进行了严格控制。

2)钢护筒埋设。根据土质的分布情况确定护筒的埋深为5 m,施工时,钢护筒的实际埋入深度根据具体情况进行了调整,原则上要求钢护筒埋深必须穿过软弱土层并沉入黏土层1.0 m～1.5 m。埋入后的钢护筒高出地面约1.0 m,并高于施工期运河水位约1.5 m。

2.3 泥浆循环系统及泥浆制备调整

泥浆池就近布置在运河西岸钻孔平台南侧,将原地面整平压实,泥浆池墙体用红砖砌筑、砂浆抹面,池底用碎石铺垫后浇筑6 cm厚混凝土,容积450 m3。泥浆池分为3个池,即造浆池、回浆池、沉淀池,各池隔墙开缺口连通,泥浆池顶高于护筒口以便形成反循环。由于钻孔平台较高,泥浆槽采用在地面挖沟布置,沟底及侧壁用土袋堆码,上面用彩条布覆盖。泥浆槽两端与泥浆池、护筒相接,形成泥浆回流通道。泥浆池的开口处装有闸门,以控制流量。

1)泥浆制备。主墩各准备一台泥浆容积不小于1 m3的泥浆搅拌桶适时拌制新浆,优质的泥浆可使孔壁形成一层粘性好、密度大、抗渗性高的泥皮,这层泥皮可阻止孔内泥浆外渗,大大减缓孔内水头降低的速度,是保证孔壁稳定的有效措施。本工程配制泥浆的主要原料为膨润土和水,掺加了适量的纯碱和CMC,其配合比为:水∶膨润土粉∶碳酸钠∶CMC=100∶12∶0.22∶0.17。 配制的新浆指标为:比重 1.06～1.07,稠度18 s～22 s,含砂率小于1%,胶体率大于95%,失水量小于15 mL,pH值为8～10;泥浆配制的加料顺序为:先加水再加膨润土和碱,搅拌3 min后,加CMC再搅拌1 min,总搅拌时间控制为5 min。新浆制备好以后泵入新浆储备池,待泥浆与碱作用24 h后投入使用。针对各地层的地质特点,制定了各地层钻孔时的进浆控制指标,具体如表1所示。

表1 钻孔地层与泥浆指标表

2)调整。及时调整泥浆指标有利于提高钻孔效率,在施工过程中我们对泥浆指标实施了24 h监控,每2 h监测一次。当发现泥浆指标不合格时,及时调整,如泥浆粘度小于17 s时,由储浆池向孔内补充部分粘度为19 s～22 s的新浆加以中和调整。

2.4 钻孔、清孔及检孔

2.4.1 钻孔中主要注意事项

1)钻机护筒要准确定位。2)钻机具安装牢固及时检查。3)采取措施防止铁件落入孔内。

2.4.2 成孔

1)钻机就位后,试机检查。a.将钻头下降到离孔内土面约30 cm处,把供浆管接至钻机水龙头上,开启供浆泵使新制泥浆自钻杆压入孔内。b.接通供风、供浆管路,检查各管路不得有漏风、漏浆现象。c.开启供风阀供风,在钻孔护筒范围内用气举法使泥浆开始循环,观察钻杆、供风、供浆、排浆管路、水龙头等有无漏气、漏水现象,持续 5 min,无故障即可开始钻进。2)钻进。a.表层的黏土层采取正循环施工法钻进,先启动泥浆泵,通过钻杆、钻头将泥浆压入孔底,待泥浆输入孔中一定数量后,即泥浆正常循环后,开始钻进。b.当钻头在钻离护筒底口上下各1 m时,采取低转速(4 r/min)、低钻压(3 t)、低进尺钻进。c.当正循环钻孔至钻头在泥浆中深达到12 m以后,更换为气举反循环钻孔。为了保证成孔的垂直度,采用减压钻进,在钻头上增加配重。钻压由公式推算,钻压 P=7.6×(P0-P1),其中,P1为钻进泵钻进时的读数;P0为钻进泵悬空静止时的读数。钻进时按换算后的油表压力进行控制。

2.4.3 清孔

至终孔标高前15 cm开始调整泥浆指标,终孔后提起钻头30 cm～50 cm采取换浆法清孔。

新浆要在静置24 h以后,重新搅拌均匀后再用于清孔,第一次清孔对保证沉淀层厚度不超标是相当重要的,必须认真对待。

2.4.4 检孔

成孔后需对孔深、钻孔的垂直度、孔径、沉淀厚度等进行检测,以检验成孔质量。对孔底高程的检测,先以钻杆长度测量计算,待钻机移位后,再用钢丝测绳进行复测,要求两者结果相符合;对孔径和钻孔倾斜率的检测,采用专用钻井灌注桩检测系统;对孔底沉淀层厚度的检测采用钢丝测绳。

3 成孔及成桩质量

由于前期指定了质量保证措施,在整个钻孔过程中,严格控制各个施工工序,成孔后的各项检测指标达到了预期目的,检测结果如下:36根桩孔的孔斜率全部小于1%,泥浆三项指标全部在:比重1.08～1.10、粘度大于22 s、含砂率小于4%;孔内沉淀土厚度不大于50 cm;成桩后使用超声波检测桩体质量,36根桩全部为A类桩,主墩桩基质量优良。

4 结语

1)在黏土地层,采用回转钻泵吸反循环和回转钻气举反循环两种工艺,钻直径2.5 m、深90 m(钻孔深度)的孔,成孔及成桩质量均优良,说明以上两种工艺成熟、可靠。2)对采用以上两种工艺钻孔的技术、经济指标进行了统计得出:a.在黏土地层,采用回转钻进,泵吸反循环工艺成孔质量及经济上相对要稍劣于气举反循环,表现在孔弯曲超限,需进行二次扫孔;另充盈系数也较大,达到了1.123。b.泵吸反循环工艺无论从单位时间进尺还是总工期,均明显优于气举反循环。c.钻黏土地层时钻机所用钻头刀齿间距不宜过小,刀齿不宜过短,这样有利于切土钻进,不易糊钻。

14号主墩采用洛阳九久技术开发有限公司生产的双腰带四翼梳齿刮刀钻头2只,刀齿安排较密,翼板上刀齿间距10 cm左右,刀齿长15 cm,伸出翼板8 cm。

13号主墩自制2只单腰带3翼梳齿钻头,腰带为2 cm钢板卷制,翼板采用4 cm钢板焊制,均为A3钢板;刀齿采用汽车弹簧钢板焊制,刀齿间距15 cm,刀齿长 22 cm,伸出翼板12 cm。

从黏土层钻孔施工效率看,13号墩所用钻头优势明显。

所以,黏土地层大直径长桩应优先选用泵吸反循环工艺,选用适当的钻机、钻头和钻进工艺,有利于提高钻进效率。

[1] 王 建,任文峰.苏拉马都大桥钻孔桩泥浆性能研究[J].筑路机械与施工机械化,2007(2):37-40.

[2] 谢应梅.沿海地区大直径长桩冲击钻机成孔质量控制的探讨[J].科技资讯,2009(7):11-15.

[3] 李月姝,李 平,刘 凯,等.新型聚合物钻孔泥浆的性能研究[J].吉林交通科技,2008(4):54-55.