高海拔地区卵石地层旋挖钻施工工法

高海拔地区卵石地层旋挖钻施工纳金大桥是规划的“拉萨市第一大桥”,位于拉萨市的东郊，全长1.28km,主桥为 (70+117+117+70m)三跨矮塔斜拉桥。大桥8#、9#、10#主墩位于拉萨河河床内，根据勘察结果，地基主要为第四系冲洪积卵石土及含卵石粗砂土，卵石层主要圆度较好。粒径2~20mm,含量17~20%;粒径20~200mm,含量59%;粒径0.5~2mm含量约占10~14%,粒径0.075~0.5mm含量约5~7%,渗透强，中湿，松散。类似地质适合冲击钻成孔。但是，桩基3月初开工，拉萨河汛期为5月底6月初，采用冲击钻施工，技术难度小，成孔质量高，但冲击钻施工需间隔桩位进行，每个墩至少需花4轮冲击钻成桩，每轮花费20天，完成一个主墩17根桩基施工需要80天，已经进入汛期，工程工期将被无限期耽搁。采用旋挖钻施工，技术难度大，成孔过程复杂，成桩时间短，按照1天1根桩计算，2台旋挖钻完成主墩51根桩最多一个月，工期大大缩短。卵石地层采用旋挖钻施工，最大的技术难题就是如何避免塌孔，特别是地表表层8m左右的松散卵石案，成功完成了卵石地层旋挖钻桩基首件施工，随后利用旋挖钻完成拉萨市内房建项目施工。其中“卵石层旋挖钻用复合型泥浆”和“无搅这是拉萨地区首次采用旋挖钻施工大桩径桩基，创下了地区孔径最大、同类桩成桩最快等新记录，改写了在拉萨河卵石地层施工效果和技术创新，是对工程项目整体工期和施工成本投入的彻底改2.工法特点2.1泥浆配比新突破：根据实际情况选择“一比一”即：膨润土：粘土=1:1,为成功配制出优质合适传统的膨润土泥浆，采用重晶石作为泥浆的增重剂，需要从为遏制塌孔提供了根本保证。采用“三对中”原理，即：钢护筒与桩位中心对中、钻头中心与桩位中心对中、钢筋笼中心与桩位中心对中，使桩位准确度和偏斜度得到保证。2.3旋挖钻进：总结出成孔过程中的技术要点：1、护筒埋设要高出地面1~2m,净水头高度不小于2m;2、坚持“少进尺，勤护壁”,每次提钻和放钻要慢要稳，不能触碰孔壁；3、每旋挖2钻，及时向孔内补充30~50cm粘土，用钻头反转以增加泥浆的护壁效果；4、有漏浆现象发生时，说明有地下水流动，迅速提钻，添加1~2m粘土，放钻反转护壁，同时持续补浆，确保水头高度；5、在密实地层钻进，进尺困难，适当减速，防止钻头钻杆损坏；6、成孔后，密切关注护筒内泥浆，必须加满，以保持孔内静水头压力。2.4泥浆再利用：泥浆被水泥污染后，通过加入烧碱恢复泥浆性能，通过加入膨润土和粘土恢复泥浆配比，增加循环使用次数，大大提高了经济效益。工期受特殊环境影响明显、正常卵石含量、块石漂石直径小于800mm、富水条件下的卵石地层桩基传统的粘土制造固壁泥浆，不适合卵石层旋挖钻机工艺施工。因为在卵石地层中高速钻进，因其性能较差，不易很快在孔壁形成致密泥皮，而难以保证槽孔稳定；浆液本身浓度高、比重达、摩阻力高，净化和泵送困难，钻深孔困难。因此，项目选用膨润土作为制浆材料，拌制低固相优质固壁泥浆用于旋挖钻机钻进施工。膨润土泥浆由膨润土、水、分散剂、增粘剂配制而成，其泥浆浓度低(膨润土一般占重量的6~10%),固体颗粒含量少，具有良好的物理力学性能，故称其为低固相优质固壁泥浆，其特点为：泥浆比重小，可泵，净化性能好；失水量小，形成的泥皮薄而有韧，固壁效果好；具有良好的流变性能，悬浮携带钻渣能力强，利于提高钻进效率；造浆率高，省电、省工和省时，机械磨损小，可降低工程成本。此次根据纳金大桥现场情况试配出来的泥浆，配合比为水：膨润土：CMC(纤维素):粘土：纯碱=1:0.1:0.0005:0.1:0.002,粘度90S,1.1g/cm³,固壁效果明显，各方面性能指标均符合低固相优质固壁泥浆采用10m长的高护筒，穿透地表8m左右的松散卵石层，为遏制塌孔提供了根本的保证。施工过程中，严格控制2m以上的水头高度，坚持“少进尺，勤护壁”,及时补充粘土，通过严格执行一系列的施工控制技术要点，确保卵石地层桩基施工顺利成孔。同时回收泥浆，通过加入烧碱和膨润土，恢复泥浆性能，切实做到了循环利用。新制膨润土泥浆3小时后就有一定的溶胀性，但不足以满足卵石层旋挖施工的要求，必须存放24小时，经充分水化溶胀后方能使用。因此，必须在旋挖施工前1~2天，配制足够的膨润土泥浆。国家知识产权局实用新型专利，专利号：ZL20112泥浆泵把水喷射成射流状，通过喷嘴附近的吸引力，把粉末供给装置中的膨润土吸出，同时通过射流进行搅粉末粉末真空部分混合体水拌。膨润土浓度不够时，可以将泥浆继续循环喷射，同时再掺入适量的膨润土。以此往返循环，保证泥浆的性能均匀，并且避免了沉淀或离析。(泥浆现场配制参见图5.2.1-2,5.2.1-3)同时，CMC不易溶解，先按3%浓度用高速回旋式搅拌机搅拌均匀成水溶液后，通过喷射搅拌机加入泥浆池，使CMC与膨润土泥浆化学反应更加均匀，泥浆性能更加稳定。最后，将过筛的粉状粘土按配合比用量加入搅拌。泥浆循环拌制过程中，不断检测泥浆指标，根据测得数据及时调整泥浆配比，确保泥浆质量。膨润土泥浆指标为：水：膨润土：CMC:粘土=10:1:0.006:1,比重1.1g/cm3,粘度80s。(复合型泥浆已通过国家知识产权局受理，专利号：201110102084.6)在旋挖钻施工过程中，除了对泥浆池的泥浆循环检测外，对钻孔内的泥浆更要重点监测。由于地下水和矿物质影响，泥浆池的泥浆泵入孔内后，肯定会发生性能变化，需要根据情况及时调整孔内泥浆指标。通常，孔内泥浆的漏斗粘度仍然要大于80s,但泥浆比重应不大于1.15g/cm3。测量放样，放出施工桩基的中桩。准备打设钢护筒。护筒直径2.1m,壁厚16mm,长度10m(参见图5.2.2-1钢护筒)。之所以要埋设这么长的护筒，目的是穿过原地面6～8m的松散卵石层(易坍塌层),根本上避开了易坍塌卵石层的影响。钢护筒用吊车吊装对准桩位，用4条风缆将护筒4个方向固定住，用水平尺确保护筒的竖直度。护筒固定好后，用吊车吊装振动锤，开始打设护筒。打设时，振动锤慢慢提高功率，确保护筒竖直向下，每往下打设1～2m,水平尺测量竖直度，出现偏差用挖机及时调直。(参见图5.2.2-2钢护筒现场埋设)由于是在卵石层打设护筒，地下卵石、漂石密集区域会影响打设进程，往往会出现无法进尺的现象。对此，用旋挖机配备Φ1.5m钻头，在护筒内适当挖深1~2m,使卵石密实层稍微松散点，然后继续打设钢护筒埋设露出地面1~2m(目的是增加静水头高度),用全站仪进行二次复核，确保放样偏差在1cm范围内，垂直度控制在1%范围内。图5.2.2-2钢护筒现场埋设5.2.3钻进技术要点对钻机施工位置进行整平，夯实，确保钻机施工平稳，坚决避免在钻进过程中发生沉陷、位移等现象。由于卵石地层的特殊性，钻进过程中钻头受阻明显，特别是穿越密实卵石层时，钻头磨损严重，必须放慢钻进速度，以避免斜孔、弯孔和扩孔现象的发生。(旋挖钻钻进施工参见图5.2.3)成孔过程中，经常全面检查，及早发现问题及时解决。按规定的施工表格填写钻孔记录。记录的内容包括护筒顶标高、桩尖设计标高、桩尖实际标高、钻机型号、地层记录、停机时间和原因等。图5.2.3旋挖钻钻进施工通过多根桩基成孔，总结技术要点如下：1、护筒埋设要高出地面1~2m,净水头高度不小于2m;2、坚持“少进尺，勤护壁”,每次提钻和放钻要慢要稳，不能触碰孔壁；3、每旋挖2钻，及时向孔内补充30~50cm粘土，用钻头反转以增加泥浆的护壁效果；4、有漏浆现象发生时，说明有地下水流动，迅速提钻，添加1~2m粘土，放钻反转护壁，同时持续补6、成孔后，密切关注护筒内泥浆，必须加满，以灌桩结束后，由于水泥浆的污染：水泥浆呈碱性，PH值9~11,而混凝土通常用硅酸盐水泥，因此，对此，需对回收的泥浆进行处理后，方可用于下根桩的施工：烧碱的加入，与泥浆反应，变成碳酸钙，使钙离子惰性化，从而恢复了泥浆性能。同时通于设定状态，泥浆得以回收利用。根据现场多次试验得出，按照1L置换泥浆+70g膨润土+0.5L水+5g烧碱由于10m钢护筒在拉萨地区不能制作，全部从内地加工完成拉运至现场，造价昂贵，必须重复使用。在混凝土初凝前，对钢护筒进行拔除。现场搭设简易龙门，用大功率卷扬机进行护筒拔除。(钢护筒5.3劳动力组织(见表5.3)备注1管理人员42测量人员23技术人员4445667混凝土灌注66.材料与设备进场膨润土应达到石油工业部部级标准《钻井液用膨润土》(SY-5060-85)所规定的二级膨润土的指标。本次进场的膨润土从陕西购入，为高溶胀性的钠膨润土。CMC(纤维素)选用中粘度羧甲基纤维素CMC,用量少，直接从拉萨市购买。粘土为普通粘土，由于桥区域为卵石地层无粘土，因此从外地购买。其余材料：钢筋、水泥、外加剂等均为常规材料，无需特别说明。采用的主要机具设备见表6.2。表6.2主要机具设备表1中联ZR280A2台钻孔施工2日立200C2台3吊车2台下护筒、钢筋笼43台51套下护筒6双开门直桶旋挖钻斗2个钻孔用7双开门直桶旋挖钻斗2个钻孔用8钢护筒Φ2.1m,壁厚16mm,10mm17个钻孔用9泥浆泵高速搅拌机1台1台小龙门50钢管桩+卷扬机1套拔护筒6.3测量、试验检测设备测量、试验检测设备见表6.3。1莱卡TS061测量放样、复核2水准仪13ANY-1型1415升15电子台秤161表7.1.1钻孔灌注桩实测项目检查项目规定值或允许偏差1混凝土强度(Mpa)在合格标准内2桩位(mm)3孔深(m)不小于设计4不小于设计5钻孔倾斜度(mm)1%桩长，且不大于5006沉淀厚度符合设计规定不大于设计规定7钢筋骨架底面高程(mm)水准仪：测每桩骨架顶面高程后反算项次检查项目规定值或允许偏差1受力钢筋间距(mm)2螺旋筋间距(mm)3长宽、高或直径47.2.1泥浆严格按照设计配合比在泥浆池配制，泥浆池的泥浆要一直保持循环，避免发生沉淀。在泥浆池不同位置取样试验，各项均达到设计要求后方可开钻。7.2.2施工过程中，必须严格“三对中”确保桩位偏差符合规范要求，即：护筒埋设对中、钻机就位对中、钢筋笼安装对中。钢护筒长度较长，打设时用钢丝绳四周定位，及时观测、调整竖直度，确保埋置深度和顶标高。钻孔前检查钻机是否安放平稳，钻头、护筒与孔位的中心偏差须符合规范规定。7.2.3护筒内净水头高度不得小于2m。7.2.4坚持“少进尺，勤护壁”,每次提钻和放钻要慢要稳，不能触碰孔壁。7.2.5每旋挖2钻，及时向孔内补充30~50cm粘土，用钻头反转以增加泥浆的护壁效果。7.2.6有漏浆现象发生时，说明有地下水流动，迅速提钻，添加1~2m粘土，放钻反转护壁，同时持续补浆，确保水头高度。7.2.7在密实地层钻进，进尺困难，适当减速，防止钻头钻杆损坏。7.2.8钻进严格按操作工艺进行，及时记录土性变化，发现地质与设计不符时及时报告。7.2.9成孔后，密切关注护筒内泥浆，必须加满，以保持孔内静水头压力。尽快开始下钢筋笼完成混凝土浇筑，避免塌孔。7.2.10钻孔完成后，严格按规范要求进行成孔检查。7.2.11钢筋骨架按设计及规范要求进行制作和安装。骨架外侧均匀绑扎混凝土垫块，保证保护层厚度。吊放钢筋骨架竖直下放，防止刮壁受损坍塌，并固定牢靠，防止浮笼现象。钻孔桩成孔后清孔和吊装钢筋笼时间不大于10小时，避免孔空时间过长影响承载力。7.2.12水下混凝土的配制满足设计及规范规定。混凝土的坍落度控制在18～22cm。首盘灌注混凝土数量经过计算，确保导管埋入深度长1m,灌注过程中导管埋入混凝土2～4m。7.2.13灌注过程中每灌注2m3左右派专人测量导管埋深，填写好水下混凝土灌注记录表。提升导管时避免碰挂钢筋笼。当混凝土面上升到钢筋笼内3～4m,再提升导管，使导管底端高于钢筋笼底端，以免钢筋笼上浮。7.2.14混凝土灌注最后高度高出设计高度70～100cm,确保桩头混凝土质量。成桩质量采用无破损法全桩数检测，凿除桩头后逐根进行。8.安全措施工程施工坚持“安全第一、预防为主”和坚持“管生产必须管安全”的原则，加强安全生产宣传教育，增强全员安全生产意识，建立健全各项安全生产的管理机构和安全生产管理制度，配备专职及兼职安全检查人员，有组织、有领导地开展安全生产活动。各级领导、工程技术人员、生产管理人员和具体操作人员，必须熟悉和遵守各项规定，做到生产与安全工作计划、布置、检查、总结和评比。建立、健全安全保证体8.1安全生产原则8.1.1管理与自律并重：在加强管理的同时，所有施工从业人员有保护自己和他人安全8.1.2强制与引导并重：通过开展安全教育、培训和采取激励措施，引导施工从业人员主动参与安全生产并服从安全管理。8.1.3治标与治本并重：应用安全科学与技术，同时加强安全检查，分析事故机制，采取措施切实加强事故预防及治理。8.1.4现场管理与文件管理并重：通过签字来划分和确认安全责任，通过检查和纠正来保证安全管理的顺利实施，建立可追溯性的安全管理机制。8.2施工现场的安全控制8.2.1进行安全策划，编制安全保证计划，制定施工现场安全、劳动保护、文明施工和环保措施。8.2.2准备材料、设备、安全设施、防护用品，依法办理意外伤害保险和第三者责任险，各项工作应符合合同、国家标准或行业标准的要求。8.2.3对从业人员进行安全教育、培训、考核，对特种作业人员应进行专门培训并取得上岗资格，特种作业应办理有关审批手续。8.2.4施工过程中，对各类持证上岗人员的资格、安全设施、设备和防护用品进行验证，必须符合要求。8.2.5检查施工过程中人的行为，必须符合安全要求，对违反安全操作规程的行为和不正确使用安全防护用品的情况，应进行纠正。8.2.6检查施工机械、工程部位的状态，符合安全要求，对不安全的状态进行整改。8.2.7改善施工环境，对危险物品、危险源、影响安全生产的重点作业和薄弱环节进行有效管理和控制，预防事故的发生。项目部严格按照“确保自然环境得到有效保护，江河源水质不受污染，野生动物迁徙不受影响，工程两侧自然景观不受破坏，努力建设具有高原特色生态环保型工程”的环保总体目标和质量、环保“双优”建设目标，采取“技术措施与管理措施并重”的管理手段，全面系统开展环境保护工作。严格执行环保法规。全面贯彻执行《环境保护法》、《野生动物保护法》、《水土保持法》等各项环境保护法律法规，按照西藏自治区、住建局及监理机构的有关环保要求，做好环境保护工作。建立环境保护领导小组，对环境工 作做到“层层有人管，处处有人抓，时时有人讲”。9.1施工中尽量减少对自然环境的破坏，合理规划施工便道、施工场地、固定行车路线，施工车辆和施工机械按规定路线行驶，不随意碾压线路规定以外处，限制扩大人为活动范围，破坏地表植被。9.2加强施工现场粉尘、噪声、废气的监测工作，采取措施及时消除粉尘、废气和污水等污染。9.3禁止在施工现场焚烧杂物，以及其它产生有毒、有害烟尘和气体的物质。9.4施工期间废弃的土、砂、石料等应及时清理，妥善处理，减少环境污染。9.5现场存放油料、化学药品、外加剂等应妥善保管，使用时要采取措施，防止跑、冒、滴、漏而产生环境污染。9.6施工现场内要做好给水、排水工作，不阻塞径流自然通道，防止场地冲刷，遏制水土流失。9.7防止拉萨河污染。施工砂浆、污水和生活污水不得随意乱泼乱排，必须经过沉淀处理、符合排放标准后方可排放至指定位置。9.8加强自然资源和文物保护，严禁偷猎和随意砍伐树木。加强对场地、便道及线路两侧的绿化恢复，保护沿线自然景观。9.9施工便道要经常维护，并定期定时洒水，防止扬尘。传统的冲击钻用泥浆，粘土用量大，泥浆浓度高，无法泵送，灌桩前清孔完后的泥浆无法再次使用，只能乱排乱放，污染环境，浪费资源。相比旋挖钻桩基施工，由于采用低固相优质护壁膨润土泥浆，实现了泥浆的回收和再利用，每根桩基的泥浆损耗率仅为20%。不但节约了成本，还保护了环境。10.1.1采用冲击钻施工方案所发生的费用分析1、进场费用：一台冲击钻进场费用约为10万元。2、电费：一根等直径，等桩长的桩基，冲击钻成孔速度为旋挖钻的1/25。即一根45m的Φ1.8m桩基，冲击钻成孔需25天。每个冲击钻整套设备总功率约为50KW,每小时耗电50度，拉萨电网收费1元/度，即电费所需25×50×1=1250元。3、施工费用：要达到旋挖钻的施工效率，需要同时进场25台冲击钻同时施工，则费用约为100000×25+1250×25=253.125万元。4、其它可能发生的费用：桩基使用粘土，均为一次性使用，每根桩基需要外运粘土2万元；由于主墩区域面积固定，冲击钻工艺要求间隔进行，避免发生穿孔现象，完成主墩施工至少需要4轮冲击钻施工，届时如果没有及时完成桩基施工，就必须采用钢围堰完成后续的基础施工，其增加的相关费用将不会低于500万元。全桥共计桩基217根，通过以上分析可知，采用冲击钻施工，按照同旋挖钻效率发生的费用为：250+(3.125+2×25)×(217/25)+〔500〕=711.125〔1211.125〕万元。方括号内为可能发生的费用。10.1.2采用旋挖钻施工费用分析1、进场费用：旋挖钻进场约30万元。2、消耗材料费用：每根桩基所需膨润土、纤维素和粘土合计约4万元，其泥浆循环