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特殊条件下大口径深孔钻孔灌注桩施工技术

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  1工程概况
  天津滨海新区新港四号路地道设计为双向十车道,因受津滨轻轨高架桥墩柱和基础的影响,车道无法正常穿越。故须对津滨轻轨高架桥339#(制动墩)和340#(共用墩)墩进行基础托换,托换基础采用3棵φ2000mm钻孔灌注桩和6棵φ1800mm钻孔灌注桩。其中3棵φ2000mm钻孔灌注桩单桩长90.00m,6棵φ1800mm钻孔灌注桩单桩长70.00m。工程桩位于津滨轻轨高架桥下,高架桥的底高程为10.00m(大沽高程,下同),地面高程为3.00~3.50m。净空距离仅有7.00m左右,托换基础距离原有339#和340#桥墩仅7.50m(见下图1)。施工后经自平衡法对试桩进行承载力检测,达到设计要求。
  1.1场地岩土工程条件
  根据建设单位提供的钻孔柱状图。场地地层分为9个工程地质层:
  ①人工填土层(Qml)
  ②新近沉积土层(Q43Nal)
  ③第Ⅰ海相沉积土层(Q42m)
  ④第Ⅱ陆相层(Q41al)
  ⑤第Ⅲ陆相冲积土层(Q3eal)
  ⑥第Ⅱ海相沉积土层(Q3dmc)
  ⑦第Ⅳ陆相冲积土层(Q3cal)
  ⑧第Ⅲ海相沉积土层(Q3bm)
  ⑨第Ⅴ陆相冲积土层(Q3aal)
  场地地下水主要为第四系孔隙潜水,静止水位埋深约2.00m左右。
  1.2设计要求
  根据建设单位提供的资料
  1.3工程特点和难点
  (1)因距原有轻轨高架桥基础较近,绝不允许出现塌孔或井内事故危及正在运行的轻轨。
  (2)因受施工环境的限制,对现有的钻机设备必须进行改造,改造后的设备必须满足施工技术要求。
  (3)钻孔的垂直度要求特别高,因自平衡静载试验荷载箱的内径φ0.60m,因此除考虑钢筋笼的因素外,必须考虑由于荷载箱的存在导浆管下放、提升的难度。荷载箱位置在孔深60.00m,导浆管最大外径φ0.37m,实际要求孔的垂直度1/500。
  (4)钢筋笼的制作及孔口对接,受施工场地的限制每节钢筋笼有效长度为4.50m,共20节;钢筋笼孔口对接后的垂直度的要求≤1/500。孔口的对接时间尽量缩短。
  (5)由于土层较软,采用泥浆护壁和冲渣,加上由于多节钢筋笼孔口对接的时间较长(从提钻杆到导浆管下放完毕约60h),第一次清孔后对孔壁的稳定性、沉渣的厚度、泥浆的性能要求较高。
  (6)因钢筋笼较重(含检测管及检测设施),理论重量36.54t,受施工场地影响大型吊车无法使用,只能利用钻塔负责钢筋笼孔口对接、下放。
  2施工设备的选择
  根据本工程地层情况和在桥下施工的特点,选用改造后的GW-25型钻机和GW-25B型钻机进行施工,采用泥浆护壁正循环成孔、气举反循环清孔、多节钢筋笼井口直螺纹连接、导浆管水下灌注砼成桩工艺。改造后的GW-25及GW-25B钻机,扭矩120kN·m,提升能力达到30t,钻塔的总高度为7.00m,钻塔的有效高度为5.50m,机上钻杆的总高度为4.50m,经改造后的设备满足本工程施工技术要
  求(见图2)。其它主要设备有:120kW发电机组(备用);750E空压机;φ300导管200m;KE-200测斜仪;16t吊车等。
  3施工工艺及质量控制
  3.1施工准备
  3.1.1测量放线定位、布设沉降观测点
  工程桩的位置由建设单位测放。为及时掌握桩孔施工对原桥墩的影响,在两侧的三个桥墩上分别布设三个沉降观测点,孔深40.00m前每天进行一次沉降观测,孔深40m后每天进行两次沉降观测,发现情况及时采取补救措施。
  3.1.2钻头的选择
  为保证桩孔垂直度,开孔采用配重合金钻头或滚刀钻头施工(至孔深30m左右),选用双腰带四翼梳齿式合金钻头钻进至终孔。
  3.1.3地面的硬化
  由于表层土较软,承载力不能满足钻机施工要求,对上部1.5m进行碎石垫层换填处理,在立交桥的下方开挖施工槽,长15m,宽6m,深1.5m左右,碎石和砂铺设垫层,上铺30㎝厚C25砼,周围放坡,预留孔口位置。
  3.1.4护筒的埋设
  本工程选用壁厚10mm护筒,其内径
  分别为2400mm、2000mm,护筒的长度不小于3.00m。护筒埋设注意以下几点:
  (1)护筒中心应与桩体中心重合,偏差小于50mm,斜度小于1%;
  (2)护筒周围用粘土分层夯实,护筒比地表高200~300mm。确认桩孔位置无地下管道时再开孔。
  3.2设备的安装和泥浆的预制
  3.2.1设备的安装就位
  先铺设好导轨,在空旷的地带把钻机安装在导轨上,然后在导轨上移动钻机对准桩位点,钻机底座基础要牢固。钻机转盘水平;桩位点、转盘中心、天车中心在同一垂线上。
  3.2.2泥浆配制
  开孔前制备一定数量的优质泥浆,以确保钻进顺利进行。
  泥浆的制备和检测设有专人负责,严格控制性能指标。
  泥浆配方:钠质膨润土:100kg/m3(泥浆)
  火碱:按膨润土重量的1%掺入
  CMC:按膨润土重量的1%掺入
  泥浆性能:比重:1.10~1.25
  粘度:22~28S
  胶体率:>95%
  现场制备方法:先将搅拌机内注入定量水,后将按规定计算出的袋装干式膨润土倒入水中搅拌,同时将已按规定计算出的火碱和CMC掺入其中,搅拌均匀放入泥浆储备池中即可。
  3.3钻进成孔
  (1)开孔采用减压钻进,本工程φ2000mm桩选用滚刀钻头开孔(滚刀钻头钻头体的长度为2.00m,重量约6t),φ1800mm桩采用加配重的双腰带钻头钻进。确保桩孔垂直度。
  (2)钻进过程中随时检查机上钻杆的垂直度、转盘的水平、地基沉降和护筒标高情况,仔细观察孔内泥浆和排渣情况,发现问题及时处理。
  (3)提钻加钻杆前必须把钻头提离孔底200~300mm,冲孔10~20min左右,再提钻加钻杆。加钻杆前认真检查钻杆的弯曲度、法兰盘的焊接、钻杆的磨损情况等,杜绝不合格的钻杆下入孔内。
  (4)钻孔的垂直度测量每孔不少于3次,孔深40m、80m、终孔各一次。
  (5)泥浆指标控制:在钻进过程中应根据地层情况选择不同性能指标的泥浆,现场配置泥浆测定仪器,随时测定泥浆性能。
  不同地层泥浆性能指标详见下表3。
  (6)钻孔中出现轻微漏浆及坍塌,及时整泥浆的性能,并在施工中保持好泥浆的性能指标。
  (7)如果出现严重的漏浆事故,及时回灌泥浆,查明原因,再处理。
  (8)如果出现比较严重的坍塌,首先回灌泥浆,用铲车进行回填,待回填土密实后再重新钻进。
  3.4一次清孔
  (1)钻孔达到设计深度后,先用正循环清孔,把钻头提离孔底200~300mm左右,反转慢扫几次,把孔底和钻头上的块状泥块搅碎。
  (2)用气举反循环进行一次清孔根据现有的设备(正循环钻进设备)自制混合室。具体的操作如下:①先用正循环冲孔,然后把孔内的钻杆提出,把混合室加到离孔口深40m左右的位置上,在往下加钻杆的同时,绑扎好孔内的风管;②检查风管安装情况。先启动回灌泵,后开风管阀门,调试风量正常工作;③要有专人负责孔内的水位情况,保证泥浆的水头高度;④一次清孔泥浆性能要求:因钢筋笼井口对接时间较长(约20个接头,60小时左右),必须保持孔壁的稳定性及孔内沉渣厚度。下放钢筋笼前泥浆须保持如下性能:密度:1.15~1.20;漏斗粘度:20~22S;含砂率:不大于3%;PH值:8~10;胶体率:95%;失水量:14~20ml;泥皮厚度:小于2mm。同时应保持孔内水头高度。
  3.5钢筋笼的制作、对接安放
  3.5.1主筋连接工艺的选择
  φ2000mm的桩钢筋笼配筋54D32,钢筋笼长83.4m,需制成21节,在孔口直螺纹连接,每个笼需1134个节头;φ1800mm的桩钢筋笼配筋46D32,钢筋笼长63.4m,需制成14节,每个笼需644个节头。
  主筋数量多,间距小、接头数量多、采用对焊或焊接难以操作、耗时很长,因此,筋筋笼连接采用直螺纹连接。每节的长度为4m或9m。加强筋内加“△”型内支撑,超声波检测管每桩3根,最下端封堵,超声波检测管绑扎在笼子内侧和钢筋笼一起下入孔内。
  3.5.2钢筋笼制作
  (1)钢筋加工必须在水平地面上进行。钢筋笼加工程序:钢筋进场→钢材试验→单根加工→钢筋笼成形→钢筋笼验收→井口打接、固定钢筋笼。
  (2)单根主筋加工:进料钢筋在单根钢筋加工前,经切割、调直,成为符合图纸要求成型钢筋,然后分型号分别堆放在成型钢筋堆放场,以备取用。钢筋调直,表面不能有油污及铁锈。
  (3)主筋在同一截面接头数量不得超过50%,两接头间隔>1120mm。
  (4)加劲筋按要求弯圆,环筋拉直后缠圈备用。
  (5)钢筋笼摆放要平整,不能有着力点不均,出现笼身架空弯曲现象。
  (6)钢筋扶正器用φ8mm钢筋穿φ100mm砼圆柱体制成,每4m一组6块等间距焊在主筋上,保证笼子居中。
  3.5.3钢筋笼对接
  (1)高架桥下钢筋笼孔口对接时,先把钻机工作台移开。
  (2)预拼装技术:为克服直螺纹连接工艺对主筋长度偏差和平面偏差的特殊影响,保证孔口对接顺利,故在钢筋笼制作时采取预拼装技术。
  (3)在直螺纹对接钢筋笼的同时电焊对接检测管。检测管焊接部位不能进泥浆,每焊完一节检测管,管内注满清水,最上端封堵好.
  (4)钢筋笼导正垫块按要求焊好。
  (5)严禁墩笼、撞笼、扭笼及人为压笼。
  (6)钢筋笼定位采用四根φ32的钢筋固定。
  (7)由于钢筋笼吨位大、且高度受轻轨的影响,采用钻机进行吊放,并采用本单位研制的钓钩,既能保证钢筋笼下放不变形,又能保证下笼的安全。具体操作过程如下:
  待成孔及第一次清孔工作完成后,将钻机转盘后移,然后将特制的插杆板放置于机枕上,保证插杆板中心与孔口中心重合。先将第一节钢筋笼骨架采用两点起吊法放入孔内,待第一骨架加劲箍下至孔口位置时同时将4根插杆推入,将插杆扣住加劲箍,保证钢筋笼骨架垂直。然后在孔口进行钢筋笼骨架对接。在对接工作完成后将钢筋笼吊起,抽出插杆,再将第二节钢筋笼骨架下至孔内,重复以上步骤。为保证钢筋笼骨架不从插杆上滑落,将插杆端部设置为钩形;为保证插杆能承受钢筋笼重量,在插杆后端部设置插杆套筒。
  3.6导浆管的安放
  导浆管直径φ300mm,壁厚8mm,丝扣连接。
  (1)导浆管的内壁要光滑,内径要大小一致,连接要可靠,要有足够的抗拉强度和良好的密封性。
  (2)在导浆管使用前要作导浆管的密封性能试验,压力不小于1.2MPa,不合格的导浆管不准下入孔内。
  (3)导浆管的下放安装必须按密封试验的顺序自下而上依次编号,标明导浆管的长度,加好密封圈上紧丝扣,不能混乱使用。
  (4)导管的底部离孔底300~500mm。
  (5)派专人负责导浆管的清冼和管理。
  3.7灌注砼前的二次清孔
  由于钢筋笼的搭接时间较长,钻孔较深,孔内的沉渣可能较厚(以具体测量为准),用正循环清孔难以达到设计要求,故采用气举反循环清孔。详见下图4。
  (1)混合室一般下到离孔口35.00m左右,导管下完后,出浆管和风管一起下入导管内,出浆管、风管一起和导管帽上的出浆管、风管连接好,然后导管帽和导管连接一起,把地表的出浆管、风管连接好。
  (2)开动空压机送风,清孔达到要求后,把出浆管、风管拨出,安放灌浆斗。
  3.8混凝土灌注
  (1)初灌量控制
  根据《公路桥涵施工技术规范》,首盘砼的容量最小应满足下式所需的V:
  V=h1×3.14d2/4+Hc×3.14D2/4
  式中V-首盘砼最小容量(m3)
  经计算初灌量V=10m3。
  (2)初灌量选用提盖板压球旦法,即用球旦作隔离塞。自制一个3m3的储料斗,在灌注时,先把储料斗灌满,把装满8m3砼车开到储灌斗旁,提起储料斗盖板的同时,连续放出砼车内的砼,中间不得中断。保证导管的初埋深度。
  (3)在灌注过程中,保持灌注砼的连续性,现场备用砼车不少于2辆。
  (4)用细钢丝绳作为测绳。专人负责探测砼上升高度,每次拔管前必须探测砼上升高度,保持导管埋深2~6m,严禁导管拔出砼面。
  (5)每车砼必须检查砼的坍落度,坍落度不合格严禁使用。
  (6)为防止大块粗骨料卡管,在漏斗上安装50mm×50mm网格的筛子。
  (7)桩顶标高的控制:最后一次控制砼的灌注高度必须多测量几个砼面点,同时采用自制砼打捞筒进行控制。
  4施工中容易出现的问题及预防措施
  4.1成孔部分
  4.1.1孔口坍塌
  孔口附近的载荷较重,土质较松散,长期被水浸泡;护筒太短,护筒底部没有埋没在粘土层(粉质粘土层);护筒周围的土没有填密实,或护筒太薄被土挤压变型。
  预防措施:确保护筒的厚度不小于10mm,护筒底部埋没在粘土层(粉质粘土层),护筒的长度不小于3.00m。护筒周围用粘土填密实,护筒高出地表200~300mm。
  4.1.2钻孔坍塌
  因钻孔的直径较大,施工钻孔的时间较长,加上地层的因素,在钻进的过程中往往出现坍孔现象;施工中长时间外部停电也是造成坍孔的原因。
  预防措施:①在施工过程中保持钻孔内的水头高度,专人看管泥浆,泥浆密度大于1.15,漏斗粘度大于20S;②针对砂层、粉砂层配制优质的泥浆,控制进尺速度;③储备一定数量的优质泥浆,发现孔内漏失及时补浆。④备用铲车及时回填,备用柴油发电机组及时提供动力。
  4.1.3孔斜
  由于钻孔较深,加上地层、操作工艺、钻头的加工精度、钻杆的弯曲度等因素常常使钻孔的垂直度达不到设计要求。
  预防措施:在成孔施工中除保持钻机三点一线,保持钻杆、钻具垂直外还应采取以下措施:①提高钻头的加工精度,通过工装工法加工精确的钻头。弯曲的钻杆杜绝下入孔内;②开孔必须采取滚刀减压钻进。
  4.1.4断钻杆
  孔内断钻,除钻杆的质量因素、钻孔深度、孔内阻力、工作时间长外,还与操作方法有关。
  预防措施:①在下钻具、钻杆时认真检查钻具钻杆的质量,不合格的钻具钻杆不准下入孔内;②仔细观察钻进参数,发现异常及时停止钻进,提钻检查孔内钻具、钻杆的情况;③根据以往的施工经验,在孔深40m米时,必须上钻检查钻头、钻杆在孔内使用情况,同时检测其垂直度。
  5结束语
  天津滨海新区轻轨基础托换工程除桩径较大、钻孔较深的因素外,因受场地的限制,施工难度增大,风险大。大口径深孔钻孔灌注桩是隐蔽工程,而且工序繁多,出现质量事故难以补救。本工程在施工过程中通过对钻机的改造,加强质量控制,认真研究新的施工方法和工艺流程,严格各项工序的质量管理,保证了钻孔灌注桩的质量,施工期内339#和340#墩的沉降量均不到1mm,单桩承载力和桩身质量满足设计要求,取得了良好的经济效益和社会效益。