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项目案例

旋挖钻机在广州地铁五号线潭村站围护桩施工中的应用

旋挖钻机在广州地铁五号线潭村站围护桩施工中的应用

 

1 工程概况

1.1 设计概况及场地情况

      广州市轨道交通五号线潭村站土建工程,基坑设计方案为围护排桩桩+旋喷桩,支护结构为钢管内支撑。围护排桩采用钻孔灌注桩,桩径为 1200mm,桩芯间距1350mm,设计孔深约 22m,桩孔清孔后沉渣厚度≤200mm。

      施工场区位于广州中轴线的珠江新城,往来车辆、人员多,对安全、文明施工和环境保护要求高,距围护结构外边 0.7m 有一条宽 2.6m 埋深 4.2m 的混凝土电力隧道,内有多根 220KV 及 110KV 的电缆,电力隧道没有基础,基底地质为淤泥质土层,围护桩施工必须确保电力隧道的安全。

1.2 场地及地质概况

      本站地层自上而下分别为人工填土层、淤泥层、淤泥质土层、粉细砂层、中粗砂层、粘性土层、淤泥质土层、残积土层、全风化带、强风化带、中风化带、微风化带,各层分情况如下:

      人工填土层(土层号为 <1>),杂填土分布连续,由黄褐色、灰褐色等杂色的碎石,砼块、砖块、砂土及拈性土组成,硬质物含量较高,结构松散或稍压实。厚度最小为 2.5m,最大 4.7m。

      淤泥、淤泥质土层(土层号 <2-1>),该土层呈深灰、灰黑色,以粘粒为主,局部为少量粉砂,饱和,流塑状态,局部有揭露,强度低,压塑性高,厚度 0.0~2.9m。

      砂层(土层号 <3-1>、<3-2>),该层呈灰白、灰黄色,主要有粉细砂和中粗砂,结构松散或稍密状,含少量粘粒,局部有揭露,厚度为 0.0~4.6m,可挖性等级为级。

      本层分两个亚层,冲 - 洪积粘性土层(土层号<4-1>):灰黄、黄红色,粉质粘土和粘土为主,可塑状态为主,局部硬塑性;所有孔有分布,厚度为 0.5~3.0m,可挖性等级为级。淤泥质土层(土层号 <4-2>):深灰 =灰黑色,以粘粒为主,局部含少量粉砂,饱和,流塑状态,局部有揭露,强度低,压缩性高。厚度 0.0~2.9m。

      本层分为两个亚层:可塑状残积粉质粘土层(土层号 <5-1>):棕红色,有泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等风化残积形成的粉质粘土组成,湿,可塑状态,强度中等,压缩性中等,具有受水软化强度降低的特点。厚度在 0.0~3.3m;硬塑~坚硬状风化残积粉质粘土层(土层号 <5-2>):褐红色,由粉质粘土组成,局部为粘土,含少量风化残留岩石碎屑,粘性土呈硬塑~坚硬状;强度较高,压缩性较低,具受水软化强度降低的特点,厚0.0~9.1m。

      岩石全风化带(土层号 <6>)该土层呈红褐色、棕色,粉砂质泥岩、含砾砂岩和砾岩等组成,原岩已风化呈坚硬土状,强度较高,压缩性较低,具受水软化强度降低的特点,厚度 0~6.8m。

      岩石强风化带(土层号 <7>)紫红色、棕红色,泥质粉砂岩、含砾砂岩和砾岩等组成,风化裂隙较发育,岩芯呈半岩半土状、碎块状或片状,标贯击数为 31~159,厚度为 3.6~17.3m。

      岩石中等风化带(土层号 <8>)本土层由红褐色粉砂质泥岩、含砾砂岩和砾岩组成,岩芯呈短柱状或柱状,岩质稍硬,强度高,压缩性低,具有受水软化强度降低的特点,厚度为 1.1~9.60m。泥质粉砂岩 fr=1.0~14.3MPa,平均为 5.14MPa,标准值 4.09MPa。砾岩 fr=4.7~13.0MPa,平均为 8.28MPa 。

      岩石微风化带(土层号 <9>)本层由红褐色粉砂质泥岩、含砾砂岩和砾岩组成,块状结构,泥、钙质胶结,中厚层状构造,风化裂隙发育,岩芯呈柱状,岩质硬,均有揭露或以透镜体和夹层出现,最大厚度为 15.9m。为类围岩,可挖性等级为级。泥质粉砂岩 fr=5.9~36.7MPa,平均为 15.99MPa ,标准值 13.69MPa。砾岩fr=5.8~34.4MPa,平均为 19.23MPa,标准值 17.65MPa。

      本站桩端大部分落在〈7〉、〈8〉号地层上,进入〈7〉号层平均深度约 4m,最少约为 1.6m。进入〈8〉号层平均深度约为 2m,桩底在〈7〉号层的桩约占总数的 2/3,其余的均在〈8〉号层上。

      场地内地下水主要赋存于填土及冲积砂层及下部基岩裂隙中。一是孔隙水,上部砂层含水量丰富,透水性好,为主要含水层。二是裂隙水,主要赋存于基岩裂隙中,地下水丰富,地下水水位埋深为 1.4~2.9m。

2 施工工艺

2.1 钻机定位与成孔

      因本工程工期紧、工作量大、场地小等不利因素,围护桩施工不能扰动电力隧道基础,以免引起电力隧道沉降发生危险。围护结构施工选用了两台 R825HD 型旋挖钻机与 7 台普通旋转钻机同时进行。

      旋挖钻机施工原理是利用可以伸缩的旋式钻杆在钻具重量、油缸压力及动力头扭矩的共同作用下,将地下土、岩屑装入钻头(筒),再用卷扬机提升取土(岩)成孔。钻机自动定位,垂直旋孔,具有装机功率大、机动灵活、施工效率高等特点,配合不同钻具,可适用于不同孔径及地质条件的成孔作业,对干硬性黏土可不用稳定液护壁的干式旋挖工法,一般的覆盖层采用静态泥浆护壁的湿式旋挖工法,适应我国大部分地区的土壤地质条件。因其工作效率高、施工质量好、尘土泥浆污染少,被誉为“绿色施工工艺”,广泛应用于铁路、公路桥梁、市政建设、高层建筑等地基础钻孔灌注桩工程,在城市桩基施工中具有也非常广阔的前景。

      旋挖钻机成孔与传统回旋转机基本流程一样,先桩位放样,埋设钢护筒(本车站土质较好,利用钻机钻头进行扩孔后压埋)。旋挖钻机可自行初步就位,然后在技术人员的指挥下进一步调整钻机垂直度,并使钻头中心与孔位中心重合,桩机定位要准确、水平、垂直、稳固,钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线,启动泥浆泵向护筒内补充优质泥浆,使护筒内泥浆液面高于地下水位标高 1.5m,缓慢放松钻机的主卷扬钢丝绳,使钻头入孔,启动回转动力钻头开始护筒内取土,取土筒内的取土量由测深仪计算,一般 1m 长的取土筒一次进尺长度控制在 0.4~0.6m 之间,取满后再由主卷扬钢丝绳收起钻杆和钻头,适时补充孔内的泥浆,转动钻机桅杆,将取出的渣土弃于孔外,然后由挖机集中堆放或由车运至指定地点。

      本工程全部灌注桩采用泥浆护壁,其工艺流程见上图。

2.2 钻进控制

      成孔前必须检查钻头保径装置,钻头直径、钻头磨损情况,施工过程对钻头磨损超标的及时更换。成孔中,按试施工确定的参数进行施工,设专职记录员记录成孔过程的各种参数,如加钻杆、钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。记录必须认真、及时、准确、清晰。

      旋挖钻机配备电子控制系统显示并调整钻杆的垂直度,同时在钻杆的两个侧面均设有垂直度仪,在钻进过程中有专人观察两个垂直度仪,随时指挥机手调整钻杆垂直度。通过电子控制和人工观察两个方面来保证钻杆的垂直度,从而保证了成孔的垂直度。

      旋挖钻进是一个短进尺、多回次的重复循环过程。回次进尺短(不足 1m),回次时间短(土层 30~40m 孔深,回次时间不足 5 分钟,纯钻进时间不足 1 分钟)。

      开始,钻头切削齿在钻具自重作用下切入土层一个较小的深度,随钻斗回转切削前面土层并将切削下的碎土装进钻斗内,钻斗钻入土层深度及加入钻斗里的土重量不断增加,回转阻力也增加。

      由于传动系统中液力变矩器的作用,随回转阻力增大其转速降低,内外钻杆传递扭矩的槽、键接触面上的压力也随之增大,这时,操纵加压油缸对钻杆柱加压,其压力可传到钻头,增大钻斗切入深度;钻进负荷又随之增大,转速进一步降低,在一个在很短时间内,切入深度回转阻力矩逐级增大,负载和转速在很大范围内波动的钻进过程,这是旋挖钻进方法的显著特点。

      钻头降到孔底,起动转盘带动回转之初,属自重钻进,不加压(在回转阻力不大的情况下加压,将由于内外钻杆传扭槽、键接触面上的正压力和由此产生的轴向磨擦过小,而使钻杆柱收缩)。在负荷增大到一定程度后,操纵加压液压缸,通过动力头对钻杆柱短时间加压,加压操作可视情况,重复进行 1~2 次,当加压后钻头切入量也很小甚至不切入时,应即提钻,故钻进过程中,操作者应密切注视工作舱内的压力、转速仪表以及钻进负荷变化情况,适时加压、提钻。

      钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度:由硬地层钻到软地层时,可适当加快钻进速度;当软地层变为硬地层时,要减速慢进;在易缩径的地层中,应适当增加扫孔次数,防止缩径;对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率;砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。必须按要求测试进、出口泥浆指标,发现超标及时调整,成孔达到设计深度时,要测量机上余尺,监理工程师验收合格后,方可进行第一次清孔。泥浆指标控制见下表:

       钻进过程常见问题及处理措施:

      正确选择钻斗底部切削齿的形状和规格,软层可选用楔形齿套,小切削角、小刃角、齿宽也稍大。硬层宜选用较大的切削角,较窄的弯角齿套。软层,特别是粘结性土层,齿间距离应大些,以免粘泥糊钻,糊钻将大大降低钻进效率,提钻后应经常检查底部切削齿,及时清理齿间粘泥,更换已磨钝的齿套。

      地质条件差时,比如不含泥的砂层,流砂层,流塑淤泥层等,钻孔易坍塌,为保证孔壁稳定,应视表土松散层厚度,孔口下入长度适当的护筒,同时考虑适当增加泥浆比重,并保持泥浆液面高度,随着泥浆漏失及孔深增加,应及时向孔内补充泥浆。

      钻进岩层,如岩石硬度大,每回次钻进深度太小时,应换为用螺旋钻或改用冲击钻机来施工,实践证明,当地层岩石强度大于 40MPa 时,会对本机旋挖钻头及机械造成较大损坏。

3 旋挖成孔与常规钻机相比的工艺优势

3.1 施工效率高

      旋挖钻机的钻杆为抽拉式与钻头相连,在油缸的加压下经过提升快速回转倒土,大大提高了钻孔效率。钻头与钻杆用一钢销连接,钻头拆卸简便,对于不同地层可迅速更换钻头(钻头主要有三种:短螺旋钻头,挖泥钻头、挖砂钻头)。

      本站施工中同时采用两种钻机,一种是普通的回转钻机,一种是旋挖钻机,在相同的地质条件下,普通的回转钻机每 3~4 天完成一个孔,遇稍硬岩层则需要 7 天,甚至更长时间。而旋挖钻机每 3~4 小时可完成一个孔,采用了旋挖钻机后,原来采用回旋钻机时的每台钻机平均 3 天成 1 根桩变为每台旋挖钻机平均每天成桩6 根。另外,普通钻如遇地下水泥管道、旧基础、地下锚索、孤石和太硬的岩石等地下障碍物就不能钻进,而旋挖钻机在上述情况下可用螺旋钻头处理,从而顺利成孔,经验表明旋挖钻机的施工效率通常是普通的回转钻机 10~14 倍,即 1 台旋挖钻机相当于 14 台普通的回转钻机。本站施工中各岩土层效率分析如下:土层 15~20m/h;强风化粉砂岩层 5m/h;5MPa 以下的软质岩层 3m/h;中风化粉砂岩层(10~15MPa)1.5m/h;大大加快了施工进度,为确保工期创造了有利条件。

3.2 施工质量好

      普通钻机的机架和钻杆都比较单薄,在钻进过程中只能先靠重力来保证垂直度,如遇硬岩就会偏,另外泥浆消耗量大,泥浆中的渣质不易清理,这对水下砼的质量有一定的影响。而旋挖钻机的钻杆比普通钻机粗的多,机架稳固,且旋挖钻机有自动测斜装置,钻塔垂直度及钻孔深度均有仪表显示,钻机底盘可伸缩并可自动整平,因此钻进时非常稳定,可随时监视并调整钻孔的垂直度,能有效保证钻孔垂直度,旋挖钻机具备自动测深装置,可绝对保证钻孔深度,同时对泥浆的破坏很小,可保证泥浆质量,对水下混凝土的质量无影响,提高钻孔质量。在施工过程中,电力隧道始终处于安全稳定的状态,经过土方开挖检验,旋挖桩机成桩质量的垂直度良好,桩基础检验全部合格。

3.3 广泛的适应性

      在硬土地层,由于传统钻机的自重有限,不可能给钻头施加更大的进给压力。而旋挖钻机由于采用动力头装置,动力头的给进力加上钻杆的重量,钻进能力强。据统计,在相同的地层中,旋挖钻机的成孔速度是转盘钻机的 5~10 倍。适用于各种土层及软质岩层,本场地地质条件复杂,但通过精心组织,科学管理,保质保量地完成了任务,混凝土充盈系数严格控制在 1.05 以内,降低了施工成本。

3.4 良好的环保性

      旋挖钻机在施工过程中,噪音低,震动小,泥浆用量少,因为该机仅用泥浆护壁,而不用泥浆排渣,钻渣流动性小,可进行集中堆放或用翻斗车外运,利于现场文明施工,机械化程度高,便于管理。目前国内传统钻机多采用连接钻杆形式和掏渣桶掏渣,在钻进过程中多采用泥浆循环方式,泥浆对于这类钻机起润滑、支护、置换和携带钻渣的作用。随着环保对城市建设愈加严格,传统钻机面临更大危机,而旋挖钻机采用动力头形式,其工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗,利用强大的扭矩直接将土或砂砾等钻渣旋转挖掘,然后快速提出孔外,在不需要泥浆支护的情况下,可实现干法施工,即使在特殊地层需要泥浆护壁的情况下,泥浆也只起支护作用,钻削中的泥浆含量相当低,这使污染源大大减少,进而降低了施工成本,也改善了施工环境,成孔效率高。

      现场无需提供大功率电源,钻机的所有动力来源与随机的柴油发动机,钻机的行走移动全部由自带的柴油发动机输出动力完成,因整体置于可自动行走的履带式底盘上,机动性大,移位迅速独立作业性高,施工移运中,无需吊装,能适应恶劣地形,一切吊装作业可由本机卷扬设备处理。

4 旋挖钻机的不足和缺点

      旋挖钻机受施工地层的制约,主要适用于土层、砂层以及较松散的、粒径较小的卵砾石层,在粘性土层钻进效果最佳;而在硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层施工比较困难,并容易发生孔内事故和机械事故,体现不出旋挖钻进的优越性。不适用于硬质岩层,旋挖钻机的设计原理表明其不宜用于单轴抗压强度大于 15MPa 以上的岩石。旋挖钻与传统的潜水钻机相比,由于旋挖钻机的圆柱形钻头在提出泥浆液面时会使钻头下局部空间产生“真空”,同时由于钻头提升时泥浆对护筒下部与孔眼相交部位孔壁的冲刷作用,很容易造成护筒底孔壁坍塌,因此对护筒周围回填土必须精心进行夯实。

      成本较高,旋挖钻机的价格目前较贵,应用最多的旋挖钻机的施工口径在 1.5~2m 之间,一台国产旋挖钻机价格都在 400~500 万元以上,进口价格要 600 多万元人民币。对于一般的基础施工企业,一次性投资几百甚至上千万元购置设备有一定困难。

      旋挖钻机的全负荷正常工作寿命为 6000 多个小时,超过这一寿命后,一些部件就需要更换修理,尤其是液压系统主泵、动力头以及钻杆钻具;另外加工维修、设备搬迁费用所占成本偏高等,损坏后更换时间也较长,这就使得旋挖钻机在实际使用中的运行成本大大增加,相应提高了桩基的施工成本。使用旋挖钻机施工,虽然施工效率较高,工程质量也较好,但利润可能较低。

 


饶老师:18581212176(微信同号)

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