德大铁路济南黄河桥超长钻孔桩成孔质量控制技术

侯小军,赵金鹏

德大铁路济南黄河桥超长钻孔桩成孔质量控制技术

侯小军,赵金鹏

(中铁一局集团有限公司,西安 710054)

德大铁路黄河特大桥100号、101号主墩位于黄河河道中间,基础采用钻孔桩,桩径2.0m,最大钻孔深度达110m,为解决由于钻孔过深易产生的桩身倾斜、钻进效率低、清孔难等问题,施工中选用了ZSD250型气举反循环回转钻机及刮刀钻头,并针对成孔垂直度、钻进参数、泥浆指标等关键因素采取一系列有效措施进行控制,成孔质量达到了理想效果,保证了成桩质量。

铁路桥;钻孔灌注桩;反循环回转成孔;质量控制

1 工程概况

德大铁路黄河特大桥位于山东省西北部,是德大铁路重点控制性工程,属于黄河下游鲁北平原区,距离黄河入海口100～120 km,地势总体较平缓。全桥全长8 092.74m,基础均采用钻孔灌注桩,主桥钢梁为1联(120+4×180+120)m下承式变高度连续钢桁梁,主桥设计桩径2.0m,桩长较长,其中100号、101号墩桩基础位于黄河河道中间,桩长分别为96m和93m,每个墩共计52根桩,最大钻孔深度达110m。

该桥桥址2个主墩范围主要以粉土、粉质黏土、粉砂为主,不易成孔,孔壁容易塌陷。而且主河槽内桩基深度较深,因此成孔质量控制是必须解决的重大技术难题。主桥范围各主要地层厚度及埋深见表1。

表1 主桥范围主要地层厚度及埋深m

2 质量目标要求

在该桥超长钻孔桩施工时,严格按照相关规范要求进行施工,并通过成孔质量控制,保证成桩质量评定优良率达到100%,垂直度≤1%,且小于50 cm,桩顶在顺桥向和横桥向的偏差均应小于5 cm[3-5]。

3 成孔质量控制过程

3.1 钻机选择

由于钻具特殊结构特征和流体力学动力特点,决定了大直径、深孔桩基施工采用正循环体系钻机效率低下,且难以清除孔底钻渣。为了提高大直径桩基的钻进效率和有效清除孔底沉渣,德大铁路黄河特大桥主桥桩基施工采用反循环钻机工艺。

根据孔位处地质及水文条件、孔深、施工场地、施工能力等因素,特别是地质条件较为复杂,通过综合考虑比选后,基于黄河大桥主桥100号、101号墩在桩基施工前需先搭设钻孔平台,为大型钻机施工作业提供了牢固、稳定、平稳的环境,所以确定在黄河主桥的100号、101号墩桩基施工中选用ZSD250型气举反循环回转钻机,钻头选用三翼刮刀钻头进行钻孔施工。ZSD250型回转钻机机型及部件如图1所示。

图1 ZSD250气举反循环回转钻机和三翼刮刀钻头

3.2 成孔质量影响因素分析

通过分析,提出了10条影响桩基成孔质量的末端因素,如图2所示。

图2 影响桩基成孔质量的末端因素

对以上10条影响桩基成孔质量的末端因素进行认真验证分析,最终确定了在进行钻孔桩成孔施工时有以下3方面关键因素:垂直度控制、钻进参数控制、泥浆指标控制。

3.3 质量控制对策

3.3.1 垂直度控制

设计钻孔桩的垂直度要求控制在1%,对于本桥长度超过100m的超长钻孔桩来说,如果现场控制不好就很容易超标。施工时必须采取综合措施,控制好成孔垂直度,一旦偏孔应及时纠偏。具体控制措施如下。

(1)采取措施保证钻机在钻进过程中始终保持稳定非常关键。钻机平台采用C20混凝土进行硬化处理,厚度15 cm,并通过扩大钻机支撑面积及加强锚固等措施来保证钻机平稳及移位;派专人校核钻架,每班检查钻架是否水平及钻杆是否垂直;在每次交接班时都要检查钻机是否移位、锚固是否可靠;每次接钻杆后都要检查转盘是否水平,并做好记录。

(2)配备2名质检工程师对垂直度进行跟班检测,在钻进过程中每钻进20m左右,用JJC-1D型测斜仪检查一次垂直度,对于不符合要求的孔,要及时停止钻进,及时纠偏。对新开孔的桩孔,通过加大检测频率(20 m/次),确定相应钻进参数下的孔位偏差,作为同类地质情况下的钻进依据。

3.3.2 钻进参数控制

根据不同的地质条件及时调整钻进方法和参数,当遇到硬岩时要及时更换钻头,这对提高成孔质量和功效非常关键。具体控制措施如下。

(1)刚开钻时,进尺一定要慢,要控制好钻压,采用小钻压钻进。在同一地层中正常钻进时,要坚持减压钻进。规范要求,孔底压力不能超过钻具总重扣除浮力的80%,这就需要在钻进过程中全程采取减压钻进。操作人员和技术人员要进行跟班检测和控制。

(2)钻进控制遵循分地层控制原则,针对不同的地层,采用不同的钻进方法。如在砂性土层即粉沙层中钻进时,采用低档慢速,让泥浆有充分的固壁时间;在砂类土或软土层即粉质黏土层中钻进时易塌孔,控制进尺,低压、低档、慢速、小泵量、大比重泥浆钻进;在粉质黏土层中钻进时,要坚持减压原则,控制钻压,防止加压或钻具自重导致钻锥切入土体过多,引起糊钻;在黏土质中钻进,由于泥浆黏性大,钻进所受阻力也大,易糊钻,采用大泵量、中钻速、小比重泥浆钻进;在地层变换时,尤其是从软弱地层进入较硬地层时(地表下20～30m,即新老淤积接触层面),要慢速钻进,上下来回扫孔,以防出现斜孔,前30 m是成孔质量的关键。

(3)在富含硬石层及胶结砂岩层等坚硬土层钻进时,将三翼刮刀钻头更换成牙轮钻头,并且钻速采用慢档。尤其是在变土层位置采用低压慢转施工,既能保证钻进速度又能保证垂直度。牙轮钻头见图3。

图3 牙轮钻头图片

3.3.3 泥浆指标控制

钻孔桩施工时,泥浆的性能及质量控制是成孔成功与否的关键,具体控制措施如下。

(1)在深桩施工时,通过试验专门配制复合泥浆。经反复试配,通过各项指标的测试比照,确定采用磷质膨润土泥浆。泥浆配置的材料为:膨润土6%～8%,黏土20%,片碱0.3%,CMC0.5%,PHP0.05%,配制成优质泥浆。钻孔全程监测泥浆比重、含砂率、胶体率和泥皮厚度等指标,从而保证在极易坍塌的地层实施钻孔的安全性。当钻至砂层或黏土层时,应采用低档慢速减压钻进,同时提高水头,加大泥浆比重,以加强护壁效果,尽量减少对砂层的扰动,防止坍孔。

(2)开孔时采用造浆池造浆,因泥浆循环稀释,可在钢护筒内按比例添加水和少量膨润土及其他配料进行人工造浆,同时加入纯碱对膨润土进行钠化改良。

(3)钻进过程中,根据孔位地质柱状图,确定不同土层中钻进的泥浆性能指标。同时,按照泥浆指标分地层控制的原则,在钻孔过程中随时捞取钻碴土样,与设计资料比照,根据不同的地层,采用不同的泥浆指标。在砂性土中,泥浆比重控制在1.15～1.25,使泥浆具有一定的液柱压力,以达到平衡孔壁外围地层压力,稳定孔壁,满足反循环施工工艺的要求,黏度控制在20～25 s,以满足钻进护壁和二次清孔的要求;在黏性土中,泥浆相对密度控制在1.05～1.20,黏度控制在18～20 s,含砂率控制在3%以内,以加速钻进速度[4-6],pH值维持在8～9左右,使泥浆处于碱性状态,提高黏土的分散度。泥浆性能指标见表2。

表2 泥浆性能指标

4 质量控制成果

通过对桩基钻孔施工各项工序的控制,加强质量管理,超长钻孔桩的成孔质量达到了设计及规范的相关要求和预期目标,桩基成桩质量评定优良率100%,垂直度≤1%[6-10],且小于50 cm,桩顶在顺桥向和横桥向的偏差均应小于5 cm,满足规范要求。

德大铁路济南黄河桥超长钻孔桩施工经验证明,超长钻孔桩施工质量的好坏主要取决于成孔质量,施工中必须对影响成孔质量的关键工序进行有效控制,重点控制好垂直度、钻进参数、泥浆指标等关键环节,成孔质量就能够达到理想效果,保证成桩质量。

参考文献:

[1] 张红武,将恩惠,等.黄河高含沙洪水模型的相似率[M].郑州:河南科学技术出版社,1994.

[2] 邱柏初.多沙河流跨河桥梁桥墩基础设计研究[J].铁道标准设计,2012(8):56-59.

[3] 铁道部经济规划研究院.TZ322—2010铁路桥梁钻孔桩施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[4] 唐德贤.京沪高速铁路黄河特大桥长大钻孔桩钻头的选用与改进[J].铁道标准设计,2009(S1):62-64.

[5] 毛亮坤.气举反循环法在百米超长钻孔桩施工中的应用[J].铁道标准设计,2009(S1):89-91.

[6] 崔天宝.郑州黄河公铁两用桥主桥长大钻孔桩施工技术[J].世界桥梁,2011(1):17-19.

[7] 李少栋.水中长大钻孔桩施工技术[J].铁道建筑技术,2009 (10):51-55.

[8] 李永军.跨海大桥长大钻孔灌注桩施工技术[J].石家庄铁道学院学报,2005(S1):1-4.

[9] 毛亮坤.超厚细砂层地质条件下钻孔灌注桩泥浆指标控制[J].甘肃科学学报,2005(4):47-48.

[10]中华人民共和国铁道部.TB10752—2010,J1148—2011高速铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社,2011.

Quality Control Technology of Hole form ing of Extra-long Bored Piles of Ji'nan Yellow River Bridge on Dezhou-Dajiawa Railway

HOU Xiao-jun,ZHAO Jin-peng
(China Railway First Group Co.,Ltd.,Xi'an 710054,China)

The#100 and#101main piers of the supermajor bridge on the Dezhou-Dajiawa Railway over the Yellow River are located in themiddle of river channel of the Yellow River.Bored pileswere used for the foundations,going down to110 meterswith the diameter of2meters.To solve the problems,such as pile body inclining,low drilling efficiency,difficulthole-cleaning and so on caused by extra-deep drilling operation,the ZSD250 gas lift reverse circulation rotary drilling rig and the drag bit were selected and adopted during construction.In addition,a seriesof effectivemeasureswere utilized to control the critical factors such as the perpendicularity of hole-forming,drilling parameters,mud indexes and so on.As aresult,the ideal hole-forming quality has been achieved and ensured.

railway bridges;cast-in-situ bored pile;hole-forming by reverse circulation rotary drilling method;quality control

U443.15+4

B

1004-2954(2013)07-0060-04

2013-02-22

侯小军(1974—),男,高级工程师,1998年毕业于西南交通大学地下工程与隧道工程专业,工学学士,E-mail:hxj@sohu.com。