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破碎滑移层地质大口径基桩钻孔施工

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  1工程概况
  国家重点公路杭州至兰州线是交通部《国家重点干线公路布局规划》国道重点公路网“13纵15横”中的一横,是连接我国东部、中部及西南地区的重要横干线。重庆奉节至云阳高速公路是杭州至兰州线在重庆境内的重要路段,同时也是重庆市规划的“二环八射”高等级公路网的重要组成部分。本项目的建设,对完善国家干线公路网,改善三峡库区交通落后状况、实施“西部大开发”战略具有重要意义。
  重庆梅溪河特大桥是重庆奉节至云阳高速公路上的一座特大桥,位于重庆市奉节县新城乡境内,于奉节老县城西北方向约3.0km横跨梅溪河,梅溪河特大桥起止里程桩号为K76+945.8~K77+766.8m,桥长821m,跨径组合190(43+147)+386+190(43+147)+2×25m,主桥采用双塔双索面PC梁斜拉桥,为了增加斜拉桥的整体刚度,两边跨均设一个辅助墩,将190m的边跨分成(43+147)m两跨。在辅助墩和过渡墩及索塔下横梁上均设置竖向支座,结构为半漂浮体系。
  引桥采用2×25m现浇预应力混凝土连续箱梁,分左右两幅,单箱双室断面,采用支架现浇。
  主梁标准截面采用双主肋断面,全宽27.5m,主梁中心高2.6m,主梁标准段均采用挂篮悬臂施工,悬浇节段长6m。边跨采用支架现浇,长55.86m,分三段浇注。索塔采用“H”型,钢筋混凝土结构。塔高193m,其中上塔柱高78.5m,中塔柱高42m,下塔柱高72.5m,均采用矩形空心截面,四角设置半径为0.5m的圆弧段,上塔柱外形尺寸为4.5m×7.5m,中塔柱外形尺寸为4.5m×7.5m,下塔柱横向由4.5m变化到底部尺寸为9m,纵向由7.5m变化到底部尺寸为13.0m。由于下塔柱直接抵抗可能的船舶撞击,在实心段以上36m范围内设置0.8m厚的横隔板进行加强,顺桥向与横桥向各一道,在箱内形成十字撑架。在上塔柱锚索区,塔柱内壁设置拉索锚块,为平衡斜拉索的水平分力,在锚索区范围内布设15-12环向预应力钢束。塔柱共设上下两道横梁,为全预应力混凝土结构,上横梁断面外轮廓尺寸高6m×宽7m,下横梁断面外轮廓尺寸高7m×宽6.5m,纵向预应力锚固于塔柱外侧。索塔承台长24.8m×宽32m×高6m。主墩基桩桩径2.5m,桩长60m,分5排5列布置,每墩25根,全桥共50根,均为钻孔灌注桩,按摩擦桩设计。
  2主要技术指标
  1.道路等级:双向四车道、行车宽度2×3.75m(单向),高速公路
  2.计算行车速度:80km/h
  3.桥面宽度:24.5m;斜拉桥的桥面宽度:27.5m(含锚索区)
  4.设计荷载:公路Ⅰ级
  5.最大纵坡:≤3%
  6.桥面横坡:2%
  7.设计洪水频率:1/300
  8.通航标准:最高通航水位173.242m,满足四级航道的通航净空和技术要求
  9.地震设计烈度:基本烈度为Ⅵ度
  3桥址区自然地理概况
  3.1地形、地貌
  桥址区为构造剥蚀-侵蚀中低山地貌。桥位横跨NNM向的梅溪河下游,河谷呈“U”形,谷底较为宽缓,纵坡坡度小于1%;由于地表水系在该段的强烈侵蚀切割,地形较为陡峻,桥址区相对高差200-350m。两岸山坡总体坡度奉节岸约25-360、云阳岸约26-390。
  3.2地质构造
  桥址区位于南华准地台腹地,地壳整体相对稳定,桥址位于朱依河背斜轴部,具体桥位处为倾向南西的缓倾角的单斜层,产状奉节岸2250∠110,云阳岸2250∠90,桥轴线与地层走向近垂直。
  桥位区岩石较破碎,节理、裂隙发育。
  3.3地层岩性
  根据工程地质测绘及钻探成果表明:桥位区两岸坡被残坡积土(Qel+dl)覆盖,梅溪河谷分布冲洪积土(Qal+pl),下伏基岩为三叠系中统巴东组(T2b)的泥质灰岩。各岩土层工程地质基本特征由上至下为:
  1.第四系冲洪积土(Qal+pl):
  冲洪积层仅分布在梅溪河河床,主要以灰黄色的砾、卵石为主,松散-中密,厚约2.5-5.0m。
  2.第四系残坡积土(Qel+dl):
  亚粘土:黄色,含少量角砾,湿,软塑。厚度小于2.5m,局部分布。
  碎(块)石混亚粘土:见于地表缓坡地带,碎石为泥质灰岩、泥灰岩,棱角状、次棱状。粒径2-8cm,含量约>50%,亚粘土夹角砾充填,稍湿,松散-稍密。厚度3.5-6.0m。
  块石:局部分布,块石含量约50-60%,为泥质灰岩、泥灰岩,棱角状,大小0.2-0.6m,碎石及亚粘土充填。
  3.三叠系中统巴东组(T2b):
  泥质灰岩,淡灰绿色,微晶结构,中薄层夹少量中厚层状。强风化层岩石节理、裂隙发育,岩石极为破碎,岩芯多呈碎块状,RQD=7.04-38.15%,单轴极限饱和抗压强度14.7MPa,单轴极限天然抗压强度28.9MPa;弱风花层岩芯较完整,呈短柱状、块状,RQD=5.19-35.29%,单轴极限饱和抗压强度25.2MPa,单轴极限天然抗压强度33.2MPa;微风花层岩芯较完整,呈短柱状、长柱状,RQD=14.27-45.63%,单轴极限饱和抗压强度40.7MPa,单轴极限天然抗压强度58.0MPa,粘聚力2.6MPa,内摩擦角42.8。。
  3.4不良地质现象
  桥址区两岸山坡较陡,岩石风化深度较大,岩层较破碎,三峡蓄水后在库水作用下坡体稳定性将减弱,三峡蓄水位以下的岸坡稳定性受三峡库岸改造作用影响较大,特别是位于三峡水库水位波动带内的、覆盖层厚度较大且岩层较为破碎的两岸坡脚一带。
  3.5水文地质特征
  地下水主要为松散岩类空隙水和基岩裂隙水。
  松散岩类空隙潜水赋存于第四系松散堆积碎石、角砾、块石类土和强风化岩层中,受大气降水的入渗补给,一般富水性较差,降雨时地下水径流速度快,谷坡和开挖坡面将有地下水渗出,对路线边坡稳定不利。
  基岩裂隙水大小及分布不均,层里和紧闭的节理含水甚微,只有规模较大的劈裂节理和张性~张扭性节理赋水性相对较大。总体上沿线基岩裂隙水水量贫乏。
  3.6气象、水文
  梅溪河属中亚热带暖湿季风气候,具有气候温和、雨量充沛、四季分明、光照适宜、无霜期长、冬干常见、伏旱突出的特点。本地区多年平均气温16.8℃,极端最高气温39.8℃,极端最低气温-9.2℃。至2006年水库按初期蓄水位154.742m运行,至2009年枢纽全部建成蓄水水位为173.242m。由于重庆地区在施工期间遇上百年一遇干旱,库区水位下降,实际库区水位+140.0m。
  4基桩成孔
  4.1钻孔机械的选择
  根据本桥基础地质资料和工程施工的实际情况需要,主墩每墩上4台YCJF-25全液压冲击反循环钻机和2台10T正循环冲击钻机。本桥以冲击反循环钻机为主,通过实践证明:YCJF-25全液压冲击反循环比较适合本桥基桩施工,并且取得很好的效果。YCJF-25全液压冲击反循环钻机主要技术参数为:钻孔直径1.2-2.5m;钻孔深度:80m;额定钻头重量:8.0T;钻头冲程:0.1-1.3m;主卷扬提升能力:100KN;排渣方式:反循环:主电机功率:75KW;主机重量:19T。
  4.2埋设护筒
  护筒采用钢筋混凝土护壁,人工挖孔而成。护壁混凝土与基桩同标号,壁厚20cm,护壁每节高度1m,上口直径2.7m,下口直径2.9m,护壁内侧布设φ8钢筋网,水平和竖向间距均为20cm,每节护壁的竖向钢筋采用弯钩连接,使护壁竖向连成整体。护筒顶面高出地面30㎝以上,护筒埋入土层深度根据实际情况确定,护筒底口埋入原地面以下不小于2m,护筒长度3-6m,护筒平面位置偏差及垂直度偏差满足设计及规范要求。
  4.3泥浆循环系统的设置泥浆循环系统由泥浆池、沉淀池、泥浆泵、砂石泵、及泵管等组成。由于场地狭窄,泥浆池、沉淀池直接利用桩孔旁边的护筒。
  4.4钻孔1.钻机安装就位,应确保机座平稳,在钻进和运行中不应产生位移及沉陷。钻机顶部的起吊滑轮缘、钢丝绳中心和桩孔中心三者应在同一铅垂线上,偏差不大于2cm。
  2.开钻前对钻孔的各项准备工作进行检查,检查钻头的锤重、直径、合金块的焊接质量等;钢丝绳与冲锤的连接套是否牢固可靠,是否磨损严重;钢丝绳的破断拉力受否满足施工需要,磨损是否严重;各种机械设备性能是否满足施工需要,运转是否正常;是否有打捞措施和设备等,以保证钻孔施工的顺利进行。
  3.每孔开钻前均按设计资料绘制地质剖面图,以便于实际地质核对。
  4.在开钻前,技术人员检查钻机就位偏差、基础是否牢固,具备开钻条件后,经过质检工程师和监理检查同意后才能开钻。
  5.开钻时首先泵入清水或泥浆。开钻时均慢速钻进,待钻头全部进入地层后,方可加速钻进。
  6.钻孔作业分班连续进行,不得中断。遇有问题,立即处理。
  7.大直径钻孔灌注桩对泥浆的要求较高,泥浆的选择要根据钻孔的地质情况、孔位、钻机性能、造浆材料等确定。在施工过程中,一定要做好泥浆性能各项指标的合理控制。
  8.钻进过程中随时注意地层变化,及时捞取渣样,判断地质类别,记入记录表中,并与地质报告相对照,渣样应编号保存,以便分析。当实际地质与设计图纸提供的地质相差较大时与地质剖面图详细核对,收集好照片等资料,及时向监理工程师和设计院反映,确定合理的终孔标高和桩长。
  9.钻进过程中技术人员及时填写钻孔施工记录,与钻孔进度一致,交接班时交待钻进情况及下一班应注意事项。钻孔记录的填写一定要真实、规范。
  10.钻进过程中,根据不同的地层选择合适的冲程、泥浆性能指标、以及合适的泥浆循环方法。遇到粘土层,采用低冲程、稀泥浆、正循环钻进;在通过碎石土时,宜采用中冲程;强风化层比较破碎,钻进强风化层宜采用中冲程,并在孔底加入粘土或在泥浆中加入锯沫,以起到堵漏作用;遇到大沽石和弱、微风化地层,宜采用大冲程。
  11.通过观察钢丝绳的摆动情况,并与地质剖面图核对,当遇到沽石、溶洞、地层交界等软硬不均处时,在孔底加入片石,将表面垫平,防止发生斜孔或弯孔。
  12.为正确提升钻头的冲程,及时了解钻进速度,在钢丝绳上做好标记;冲击时要注意均匀地松放钢丝绳的长度,特别注意防止松绳过少,形成“打空锤”。
  13.因故停止钻进,孔口要加护盖,并确保孔内有足够的水头高度,同时经常循环泥浆,防止孔内泥浆变成清水浸泡孔壁,而造成孔口坍塌。严禁钻头留在孔内,以防止出现埋钻的现象。
  14.在钻孔过程中要适时检查钻具,检查孔位及护筒偏差情况。
  15.故障处理:
  (1).漏浆:开钻前准备足够的锯末和粘土等堵漏材料。当发生轻微漏浆时,可在孔内加入锯末,循环堵漏。当发生严重漏浆时,立即提出钻头,并向孔底加入1-2m厚的粘土,同时向孔内加水,保证孔内水头高度,堵漏后再向孔内加入1m左右厚的片石,重新冲击,把粘土挤到缝隙内堵漏。
  (2).掉钻:事先在冲锤顶部1/3位置穿好打捞绳,因故掉钻时,利用钻机或吊车立即下放打捞钩,同时进行泥浆循环,防止钻渣埋锤,必要时进行水下爆破,使冲锤松动后提出。
  (3).卡锤:在钻孔施工中,特别钻至标高+116m-+113.6m段强风化岩层,该岩层易破碎,且呈一定倾斜角,冲锤在冲击进尺时,孔壁破碎松散层容易产生滑移,出现卡钻头现象;另有当钻头钻至微风化岩层时,由于微风化岩层较厚,泥质灰岩属微晶质结构,岩石不易大块破碎,钻孔扩孔系数较小,同时反循环钻机的钻头在孔底为被动转动,因此反循环钻机的钻头在此层成孔过程中也很容易发生卡锤事故。
  为防止卡锤发生,钻头底部合金块应加密,并伸出钻头护圈1-2cm,护圈和肋板顶部做成倾斜的倒角。当发生卡锤时,保持泥浆循环,用吊车沿孔壁四周均匀下放4根无缝钢管(承载能力不小于100t),钢管底焊打捞钩,挂在钻头护圈上,上端焊牛腿并穿过孔口2*2I50工钢,工钢平放在孔口,支撑在护筒外侧的方木上,每个打捞钩通过2台50t千斤顶,共8台千斤顶同时顶升。在破碎滑移层钻孔时,需往孔内加黏土、锯末、水泥等,采用中冲程冲击进程。必要时浇注水下砼,待砼达到一定强度后再钻孔。在每个墩的基桩钻孔安排上,先钻四个角上的桩,在处理破碎易滑层时,都浇注了水下砼后再钻孔,四个角上的桩完成后,其它桩钻孔到该层时,出现卡锤、漏桨机率就少多了。
  4.5清孔
  钻孔到位后,清孔前在全孔深范围内上下提升钻头扫孔,刮除孔壁较厚的泥皮。终孔后正循环钻机采用换浆法清孔,反循环钻机采用抽浆法清孔,无论何种清孔方法,严禁用超深成孔的方法代替清孔,清孔过程中要确保有足够的清孔时间,并反复循环,将孔内的沉淀、悬浮的钻渣充分置换并沉淀出,清孔后的各项性能指标和桩底沉淀厚度必须满足技术规范和设计图纸的要求。
  直径2.5m的大直径钻孔灌注桩对泥浆的性能要求较高,为保证灌注的基桩砼质量,保证灌注顺利,施工中采用优质粘土和膨润土造浆,并掺加丙烯酰胺等添加剂,此泥浆的优点是不分散、低固相、高粘度。
  清孔后的泥浆性能指标要满足以下要求:相对密度1.06-1.20,粘度17-20Pa.s,含砂率≤2%,胶体率≥98%。胶体率也称稳定率,是泥浆中碴粒保持悬浮状态的性能,是检测泥浆沉淀速率的指标,作为质量管理点控制。
  清孔后到灌注前时间较长,为保证泥浆的均匀度及灌注质量,基桩灌注前必须进行二次清孔。
  4.6终孔检查
  1.钻孔到位后,检查孔径、孔形和倾斜度,采用长为桩径的4~6倍,比钢筋笼直径大10cm的钢筋检孔器吊入钻孔内检测。
  2.孔的中心位置、孔径、倾斜度、孔深、沉淀厚度、清孔后的泥浆性能指标必须满足设计和施工技术规范要求。
  5钢筋笼制作与安装
  5.1钢筋笼设计长度62.5m,分三节制作,每节长度18-27m,螺纹钢筋均采用9m的定尺长度。钢筋连接:加强圈和定位钢筋均采用单面电弧焊,主要受力钢筋单根接长采用闪光对焊,钢筋笼之间的连接采用镦粗直螺纹接头。
  5.2终孔后要及时进行钢筋笼的下放工作。钢筋笼采用多点起吊成垂直状态,以防止钢筋笼在起吊和转运过程中产生变形,转运到孔位后徐徐安放,防止擦撞孔壁。在钢筋笼下放过程中应及时连接好检测管接头并绑扎固定,确保超声波检测管接缝严密、不漏浆,在砼施工时不发生移位。下放到位,必须使钢筋笼中心与基桩孔中心重合,然后对称焊接四根U型钢筋挂钩,挂钩与竖向受力钢筋焊接牢固。
  6基桩砼的浇筑为确保基桩施工的顺利进行,采用内径为300mm、壁厚至少4mm的卡口式钢导管。导管使用前必须按施工技术规范要求进行水密承压试验和接头抗拉试验,检查导管接头的牢固性和严密性,确保在砼灌注过程中安全、可靠、不脱落、不漏水。基桩砼灌注应连续、快速地进行,做到一气呵成。基桩砼到达强度后,对基桩砼质量进行超声检测工作。基桩的检测结果符合设计和施工技术规范要求。
  7结束语
  在钻孔的前期时间,由于对地质的复杂性估计不足,准备不够充分,出现如漏浆、掉锤、卡钻等困难比较多,施工进度也比较慢。通过出现的问题,不断的分析原因,得出一套如何预防、处理问题的有效措施,对后期施工不论进度还是质量上都取得了满意的结果,同时对以后类似工程提供了参考经验。