沙山溝特大橋樁基成孔方案及經(jīng)濟(jì)比選
2017-02-27
一、工程概況
敦煌至格爾木格鐵路（甘肅段）沙山溝特大？橋位于甘肅省阿克塞哈薩克族自治縣，跨越庫(kù)姆塔格沙漠而設(shè)，是敦格鐵路甘肅段重難點(diǎn)工程及新技術(shù)、新工藝應(yīng)用工程。沙山溝特大橋橋梁起止里程DK79+259.89～DK89+984.86，橋長(zhǎng)10724.97延米，結(jié)構(gòu)313-32m+（32+48+32）m連續(xù)梁+9-32m+2-24m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁。橋梁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)45712＼58723（米＼圬工方）。設(shè)計(jì)為旋挖鉆泥漿護(hù)壁成孔。部分橋梁樁基位于庫(kù)姆塔格沙漠地區(qū)，地質(zhì)條件為流動(dòng)沙丘，以粉砂為主，厚14～33.4m，砂質(zhì)不均、松散，表層無(wú)植被，施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)旋挖鉆干法成孔，解決了極易坍孔的問(wèn)題，同時(shí)采用旋挖鉆泥漿護(hù)壁成孔、旋挖鉆干法成孔方法有效的控制施工成本。
二、施工方案選型及經(jīng)濟(jì)分析
方案一：采用旋挖鉆水下泥漿護(hù)壁成孔。優(yōu)點(diǎn)適宜地質(zhì)條件相對(duì)較廣、施工速度較快。缺點(diǎn)：污染嚴(yán)重、沙漠地區(qū)造漿用水、膨潤(rùn)土極為困難。不適合粉砂地質(zhì)。
方案二：采用旋挖鉆干法成孔。優(yōu)點(diǎn)：成孔速度雖快、用水量較少，缺點(diǎn)：不適合地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，孔徑難易控制，容易超方，無(wú)法保證樁基成孔質(zhì)量，不適合粉砂地質(zhì)。
方案三：采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)旋挖鉆干法成孔。優(yōu)點(diǎn)，適用于粉砂地質(zhì)，能解決沙漠地區(qū)流沙自穩(wěn)性極差，極易坍孔的問(wèn)題，成孔質(zhì)量好。缺點(diǎn)：成孔速度最慢，用鋼量較大，成本增加。
三、方案經(jīng)濟(jì)比選
方案一：采用旋挖鉆水下泥漿護(hù)壁成孔。1.25樁徑旋挖鉆機(jī)成孔300元/m，泥漿池、泥漿制備、泥漿處理、膨脹劑成本331.2元/m.水下灌注混凝土超耗系數(shù)112%，混凝土成本541.6元/m，綜合成本為1173元。
方案二：采用旋挖磚干法成孔。1.25樁徑旋挖鉆機(jī)成孔300元/m，干法成孔混凝土超耗系數(shù)118%，混凝土成本573.46元/m，綜合成本為873元。
方法三：采用鋼護(hù)鋼護(hù)筒跟進(jìn)旋挖鉆干法成孔。1.25樁徑旋挖鉆機(jī)成孔300元/m，剛護(hù)筒的材料費(fèi)、加工、跟進(jìn)6400元/噸，混凝土超耗系數(shù)102%，混凝土成本494.45元/m。綜合成本為2068元/m。
通過(guò)經(jīng)濟(jì)比對(duì)方案二成本最低、其次方案一、再次方案三。從經(jīng)濟(jì)角度應(yīng)該選擇方案二，最應(yīng)拋棄的方案是方案三采用鋼護(hù)鋼護(hù)筒跟進(jìn)旋挖鉆干法成孔，但是對(duì)于流動(dòng)沙丘自穩(wěn)性極差，解決坍孔的問(wèn)題，只能選擇方案三。
四、三種施工方法及工藝
1、鉆機(jī)型號(hào)選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)圖紙沙山溝特大橋跨域內(nèi)地質(zhì)條件主要為風(fēng)積粉、細(xì)砂，細(xì)圓礫土、粗圓礫土，礫石成分以花崗巖、石英巖為主，粒徑大于20mm占20%，且在樁基成孔范圍內(nèi)無(wú)地下水，適合采用旋挖鉆機(jī)干法成孔施工方法，考慮到有效工期相當(dāng)短的因素，選擇宇通重工YTR280型旋挖鉆機(jī)。
2、主要工藝流程
?。?）旋挖鉆泥漿護(hù)壁成孔：放線定位――鉆機(jī)就位――鉆機(jī)開(kāi)孔――提鉆、埋設(shè)孔口護(hù)筒――孔內(nèi)注入泥漿――下入旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)――鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高――清孔、測(cè)量孔深――下鋼筋籠――灌注混凝土――樁頭養(yǎng)護(hù)――質(zhì)檢驗(yàn)收。
（2）旋挖鉆干法成孔成孔：放線定位――鉆機(jī)就位――鉆機(jī)開(kāi)孔――提鉆、埋設(shè)孔口護(hù)筒――下入旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)――鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高――清孔、測(cè)量孔深――下鋼筋籠――灌注混凝土――樁頭養(yǎng)護(hù)――質(zhì)檢驗(yàn)收。
（3）旋挖鉆鋼護(hù)筒跟進(jìn)：放線定位――鉆機(jī)、振動(dòng)錘就為就位――鉆機(jī)開(kāi)孔――提鉆、埋設(shè)孔口護(hù)筒――旋挖鉆進(jìn)施工――焊接鋼護(hù)筒――震動(dòng)錘震動(dòng)鋼護(hù)筒跟進(jìn)（循環(huán)以上三個(gè)步驟直至設(shè)計(jì)標(biāo)高）――成孔檢驗(yàn)――下鋼筋籠――孔深復(fù)測(cè)――灌注混凝土――樁頭養(yǎng)護(hù)――質(zhì)檢驗(yàn)收
3、成孔工藝
?。?）旋挖鉆泥漿護(hù)壁成孔施工
開(kāi)鉆前在護(hù)筒內(nèi)存進(jìn)適量泥漿，開(kāi)鉆時(shí)宜低檔慢速鉆進(jìn)，應(yīng)稍提鉆桿，使護(hù)筒腳處有牢固得泥皮護(hù)壁，鉆至護(hù)筒下1m后再以正常速度鉆進(jìn)。鉆進(jìn)速度與泥漿排量相適應(yīng)。經(jīng)常注意地層變化，通過(guò)進(jìn)尺的快慢和取樣來(lái)判斷地層的變化，在地層變化處撈取碴樣，判斷地質(zhì)類(lèi)別，及時(shí)根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整鉆進(jìn)工藝。鉆孔作業(yè)宜連續(xù)進(jìn)行。為保證孔形順直，應(yīng)在成孔清孔前用檢孔器檢查。沉渣厚度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，不得大于10cm。嚴(yán)禁采用加深鉆孔深度方法代替清孔。
?。?）旋挖鉆干法施工
旋挖鉆施工為動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿下端的鉆頭，利用鉆頭下端的切削刃對(duì)土層進(jìn)行切削破碎，切削的土體被擠進(jìn)鉆斗，裝滿后將鉆斗提升出孔口，旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)底盤(pán)，并開(kāi)啟鉆斗閥門(mén)，將土體排放到地面或直接卸在汽車(chē)上運(yùn)走，如此反復(fù)，直鉆至孔底標(biāo)高。旋挖鉆機(jī)就位后鉆頭對(duì)準(zhǔn)樁位，調(diào)整鉆桿垂直度，并將深度記錄儀初始值調(diào)整為零，開(kāi)鉆慢進(jìn)，待鉆進(jìn)深度超過(guò)護(hù)筒底邊一米后，即可全速鉆進(jìn)，鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，用旋挖斗將孔底虛土清出，亦即成孔。
?。?）鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工
鋼護(hù)筒跟進(jìn)采用“內(nèi)掏外打”分節(jié)循環(huán)跟進(jìn)對(duì)接法。鋼護(hù)筒每節(jié)長(zhǎng)度1.5m，直徑130cm（設(shè)計(jì)樁基直徑120cm），壁厚12mm，首節(jié)跟進(jìn)段設(shè)鋸齒狀。首節(jié)鋼護(hù)筒采用旋挖鉆孔埋置，鋼護(hù)筒埋置高出施工地面0.3m，并采用專(zhuān)用導(dǎo)向架固定就位。首節(jié)埋置到位后，采用旋挖鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度達(dá)到第二節(jié)護(hù)筒埋置深度后，即可下沉第二節(jié)鋼護(hù)筒，利用吊車(chē)起吊第二節(jié)鋼護(hù)筒與第一節(jié)鋼護(hù)筒對(duì)接，采用電焊焊接連接，保證焊接質(zhì)量，確保施工中不漏漿。對(duì)接完畢后利用導(dǎo)向裝置檢驗(yàn)、保證鋼護(hù)筒的垂直度，然后用振動(dòng)錘下沉鋼護(hù)筒，如此循環(huán)完成第三、第四……節(jié)鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工。鉆孔過(guò)程中每次鉆孔深度不能超過(guò)1.5m，鋼護(hù)筒要及時(shí)跟進(jìn)，避免坍孔，每節(jié)鋼護(hù)筒均要檢測(cè)其垂直度，直至鋼護(hù)筒完全穿過(guò)沙層至沙層底部2m處。 4、下鋼筋籠
鋼筋籠到作業(yè)面前應(yīng)設(shè)置好保護(hù)層墊塊及按照實(shí)際孔深和設(shè)計(jì)孔深焊接好吊筋，同時(shí)鋼筋籠下沉?xí)r應(yīng)避免撞擊護(hù)筒壁，避免孔側(cè)受力不均勻而引起護(hù)筒傾斜。鋼筋籠下到位置后做好固定。
5、混凝土灌注（干法灌注、水下灌注）
（1）干法灌注樁基成孔后，應(yīng)盡快安放鋼筋籠，進(jìn)行砼灌注，減少成孔的閑置時(shí)間。干法成孔的樁采用垂直導(dǎo)管法灌注砼，靠砼反壓出導(dǎo)管形成的擾動(dòng)產(chǎn)生振搗作用?；炷烈凶銐虻奶涠龋ㄒ笤?0±2cm），且具有良好的和易性，可添加適量的緩凝劑防止灌注間隔時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致堵管；拌制混凝土的粗集料粒徑要控制在31.5mm以下，盡量避免有超粒徑的顆粒。首盤(pán)混凝土量必須能夠形成封孔；灌注時(shí)要及時(shí)測(cè)量深度，并緩慢提升導(dǎo)管，拆除導(dǎo)管過(guò)程中要保證混凝土埋住導(dǎo)管深度，在灌注過(guò)程中技術(shù)人員隨時(shí)測(cè)量孔內(nèi)砼面高度，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)管埋深，保證導(dǎo)管埋置深度在任何情況下不得小于3m（為了保證砼澆筑段有足夠的壓強(qiáng)，保證砼的密實(shí)度），控制在3～6m左右，樁頂加灌0.8～1m，灌注最后5m在孔口采用人工振搗，確?；炷撩軐?shí)。
（2）水下灌注
水下混凝土灌注采用導(dǎo)管法，導(dǎo)管吊裝前先試拼，并進(jìn)行水密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不小于孔底靜水壓力的1.5倍。灌注前根據(jù)孔深、操作平臺(tái)高度等因素選配導(dǎo)管，嚴(yán)禁采用法蘭盤(pán)連接的導(dǎo)管；拼裝時(shí)中間節(jié)要選用長(zhǎng)度不小于2.0m的導(dǎo)管，導(dǎo)管接口應(yīng)連接牢固，封閉嚴(yán)密，同時(shí)檢查拼裝后的垂直情況與密封性，根據(jù)樁孔的深度，確定導(dǎo)管的拼裝長(zhǎng)度，吊裝時(shí)導(dǎo)管位于樁孔中央，并在澆筑前進(jìn)行升降試驗(yàn)。安裝后要復(fù)核導(dǎo)管底口至孔底的距離，保證其在30-50cm范圍內(nèi)。灌注前還要應(yīng)再次校核鋼筋籠標(biāo)高、孔深、泥漿沉淀厚度，檢查有無(wú)坍孔現(xiàn)象，如泥漿沉淀厚度大于10cm，則要重新清孔、檢查。
水下混凝土的灌注必須嚴(yán)守操作規(guī)程?；炷谅┒冯x泥漿面有足夠的高度，以保證導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱產(chǎn)生的壓力使混凝土順利快速流向孔外。初灌采用剪球法施工，在導(dǎo)管里放置皮球，球的直徑宜比導(dǎo)管內(nèi)徑小2-2.5cm，球面要光滑，并用蓋子蓋住漏斗下口，蓋子與鋼絲繩連接，當(dāng)漏斗內(nèi)儲(chǔ)足首批澆筑的混凝土量后，吊車(chē)?yán)摻z繩，提起蓋子，使混凝土快速落下，迅速落至孔底并把導(dǎo)管裹住，保證首批初灌混凝土將導(dǎo)管埋深不小于1m，澆筑連續(xù)進(jìn)行。
灌注過(guò)程中，要注意觀察管內(nèi)混凝土下降和孔內(nèi)水位升降情況，及時(shí)測(cè)量導(dǎo)管埋設(shè)深度和水下混凝土灌注標(biāo)高，控制好拔管的時(shí)機(jī)，正確指揮導(dǎo)管的提升和拆除，并做好記錄，拔管時(shí)注意提拔及反插，保證樁芯混凝土密實(shí)度。導(dǎo)管的埋深控制在2-6m之間。水下混凝土的灌注工作應(yīng)緊湊連續(xù)進(jìn)行，不得中途停頓。為確保樁頂質(zhì)量，在樁頂設(shè)計(jì)高程上超灌1m。
五、實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、減少總體成本
沙山溝特大橋樁基施工采用旋挖鉆泥漿護(hù)壁水下灌注、旋挖鉆干法成孔、旋挖鉆鋼護(hù)筒跟進(jìn)干法成孔，三種施工工藝結(jié)合，安全、優(yōu)質(zhì)、高效的完成了施工任務(wù)，其成果應(yīng)用及原理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，采用了“內(nèi)掏外打”施工工藝，有效的解決來(lái)鋼護(hù)筒下沉中阻力問(wèn)題，未使用鋼護(hù)筒跟進(jìn)鉆機(jī)，使得采用震動(dòng)錘下鋼護(hù)筒成功得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。
?。?）沙山溝特大橋樁基設(shè)計(jì)采用旋挖鉆泥漿護(hù)壁水下灌注施工工藝。結(jié)合地質(zhì)情況不同、在滿足安全、質(zhì)量的前提下、通過(guò)經(jīng)濟(jì)方案比選，綜合采用旋挖鉆干法成孔、旋挖鉆鋼護(hù)筒跟進(jìn)干法成孔三種方案，節(jié)約成本約488萬(wàn)元。
六、結(jié)束語(yǔ)
目前敦煌至格爾木鐵路甘肅段沙山溝特大橋已順利完成鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工，經(jīng)檢測(cè)全部為Ⅰ類(lèi)樁。通過(guò)實(shí)踐證明，在沙漠地區(qū)移動(dòng)沙丘鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工中采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)旋挖鉆干法成孔，直接避免了流沙自穩(wěn)性極差，極易坍孔對(duì)施工進(jìn)度及安全、質(zhì)量的影響。鋼護(hù)筒跟進(jìn)旋挖鉆干法成孔以其安全性、可行性，解決了沙漠地區(qū)移動(dòng)沙丘上鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工中的難問(wèn)題，也填補(bǔ)了我國(guó)在沙漠地區(qū)移動(dòng)沙丘鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工的空白，為沙漠地區(qū)橋梁施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)根據(jù)地質(zhì)條件不同，細(xì)化施工方案降低了施工成本、增加了經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
高鳳春，男，敦煌鐵路有限責(zé)任公司工程師，計(jì)財(cái)部部長(zhǎng)。
