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水下漂卵石层近等径钻头冲孔钢护筒下放施工工法、前言1在水下漂卵石地层或厚度较大第四系堆积层中采用冲击钻机进行桥梁桩基的冲孔施工时,由于水位深或地下水丰富、河床表层沉砂厚、漂卵石较多等诸多不利因素的影响,易造成冲孔施工过程中钢护筒沉放深度达不到设计位置,发生塌孔、漏浆、护筒倾斜等重大质量安全事故,进而对施工进度及投资产生影响对此,XX有限公司和XX有限公司在钟多快速通道工程花山3号大桥等工程的水下桩基成功施工的基础上,总结形成了水流急、水位深、漂卵石地层等特殊地质条件下近等径钻头冲孔钢护筒下放施工工法,有效解决了钢护筒沉放不到位的难题,加快了施工进度,保证了施工质量,节约了施工成本本工法关键技术〃急流漂石层钢平台桥墩施工技术〃经查新在国内属首次使用,近等径冲孔下沉钢护筒桩基成孔施工方法处于国内先进水平
2、工法特点有效解决水下漂卵石地层的成孔难题
2.
15.
2.6采用选择好的近等径钻头钻至设计护筒埋置深度在设计桩位处,向已安装好的护筒内加入泥浆,采用加焊好的近等直径钻头进行正常冲击钻进,直至钢护筒设计埋置深度位置施工时考虑到孔底沉渣、局部坍塌等影响,可在设计深度的基础上加深50~100cm左右,以确保钢护筒能够沉放到位
5.
2.7采用振动锤再次下振钢护筒直至护筒设计埋置深度一般情况下,完全依靠钢护筒自重不足以克服护筒与孔壁之间的摩阻力,需要采用振动锤在护筒顶增加振动外力,钢护筒才能继续下沉直至设计埋置深度
5.
2.8更换钻头正常钻进钢护筒下放到位后,标志着整个钢护筒下沉施工工序均已完成,将近等直径钻头更换为设计钻头,正常进行设计孔径的冲孔施工劳动力组织及材料设备
6.本工法在施工过程中采用〃三八〃制作业,一台钻机每班所需人员为4人如果桩位较多,同时平台空间足够的情况下,可以考虑多台钻机平行作业值得注意的是同一类地层结构,现场扩孔率试验只需做一次表
6.1-1所需主要材料表序材料规格主要技术指标备注号名称1钢板Q235,A3钢,钢护筒制作6=12mm
94.2kg/m22工字136b、140b、A3钢施工平台、钢145a等导向架3槽钢[20a
22.637kg/m导向架4耐磨Fe-05含耐磨金属成加焊钻头块分5焊条D502施焊6钢丝
①
32321.8kg/100m悬吊钻头、绳泥浆泵等7黄粘钻孔护壁土表
6.2-2所需主要仪器设备表序设型号性能及能耗数备注号备量名称1振VM2-4500135KW,激振1打或拔动力50~60T护筒锤2履QUY-50T50T1起吊构带件、钻吊头、振动锤3汽XZJ5290JQZ-25T25T1起吊构车件吊4装ZL50D1转运材载料机5焊BX1-4005施焊机6冲75KW4钻孔击37KW4泥浆循钻环机7冲
3.6KW4抽水击钻11KW1钢护筒头制作8泥浆泵无棱镜1测量9水泵10卷W11-16-20004测量、质板机11全拓普康站GPT-102R仪12卷5m车占孑8T4L尺量、技术13测自制4测量孔锤深14水LS25-3C型
0.04~10m/s1测量水流流速度测速仪、质量控制7)
7.1质量标准(详见表
7.1-1表
7.1-1施工标准及规范序规范及标准编规范及标准名称备号号注1GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》2GB50017-2003《钢结构设计规范》3JTJ041-2000《公路桥涵施工技术规范》4JTGF80/1-2004《公路工程质量检验评定标准》注表中所列内容仅为施工时间所采用的标准及规范
7.2质量控制要求
7.
2.1钢护筒加工钢护筒采用12mm厚Q235钢板卷制而成,加工精度内径偏差<±15mm椭圆度(两垂直方向内径差)<±10mm:长度偏差W±15mm,采用卷尺检查成型后进行焊接质量检验及水压试验,焊缝高度不少于4mm,并要求满足《钢结构工程施工质量验收规范》中的二级标准
7.
2.2钢护筒沉放钢护筒中心竖直线应与桩位中心线重合,平面允许误差450mm,竖,直线倾斜度少1%;护筒埋置深度在
6.0m以上护筒顶面应高出施工常水位
2.0m以上钢护筒连接顺直,筒内无突出物,并应耐拉、压,不漏水
7.
2.3泥浆制备在本工法中,采用定泥浆制作站制作泥浆,成品泥浆采用运输罐车运至孔位处循环使用对于孔内泥浆的质量应随时30min min
1.222495203检测,其性能指标,其满足下表的要求:表723-1泥浆性能指标含砂胶体失水泥皮静切酸率率量厚力碱%%ml mPa度30粘度11%m/PH
1.
47.3质量保证措施
7.
3.1桩位中心线及高程采用双人复核测量确保线位准确致,且导向限位装置必须焊接牢,防止在下沉钢护筒时脱特别是在安装导向架时,其中心线必须与桩位中心线保持一落
7.
3.2钢护筒由加工厂专业化生产加工,以提高钢护筒制作质量吊运过程中,在吊孔处增焊加劲板,并采取十字撑筋两端加,防止变形或损坏
7.
3.3钢护筒的分段加工长度根据吊装设备的起吊能力、运输能力及施工平台与河床之间的深度尽可能加长,可以减少水上焊接作业量,更好地保证钢护筒的垂直度
7.
3.4钢护筒在采用振动锤加振或其他外力作用时,必须保证外力作用线的竖直,同时应沿护筒四周均布,不可单侧受力一旦贯入度为零时,不得过振,防止钢护筒上下口翻卷损伤、安全控制
88.1吊车司机、起重工、电工、电焊工等特殊工种必须持证上岗,禁止无证操作
8.2工作平台必须稳定牢,四周设栏杆并挂密目安全网,桩位孔洞四周挂全封闭安全网,防止人员及材料坠落水中施工人员作业时必须配戴安全帽、系安全带、穿防滑鞋、手套、救生衣等必须的劳动防护用品
8.3施工平台为全钢结构,应高度重视安全用电工作,必须严格按照施工临时用电措施采用三相五线制供电,实行三级供电管理制度和一机一闸一保护制度
8.4钢护筒施工时必须安排专人指挥吊车所有吊点必须经过专职起重工检查,不符合要求的禁止起吊在吊装作业前,司机必须详细检查吊车动力、制动等系统的完好,同时还要检查起吊钢丝绳是否存在断丝、磨损等情况,发现问题必须先行处理
8.5河道水流较急时,应加强观察水面漂流的树木、杂物等对施工平台及护筒的撞击,应采取措施尽量避免当水流流速超过lm/s时,应暂停钢护筒及钢管桩施工,当水流流速超过
3.5m/s时,应撤出深水区平台上的所有施工人员及设备,暂停平台上的所有施工工作、环保措施
99.1总体方案严格按照国家环保、水保的要求编制专项环保措施,防止污染河流,影响正常的水环境在钻渣、废浆、废水的处理上,项目制定了专门的排放措施,原则上做到不达标就不准排放
1.
1.1固体废渣直接装自卸汽车运至渣场存放冲击钻机钻取的废渣经泥浆携带抽出孔外后,通过震动除砂机、旋流器进行钻渣过滤,过滤出的钻渣用自卸汽车运走,泥浆可继续排回孔内使用
1.
1.2对制浆用的粘土和外加剂进行严格的挑选,禁止使用有害化学物质的添加剂
1.
1.3采用先进的泥浆净化装置及设备,对泥浆进行多次净化利用,尽可能减少泥浆的排放量
9.3废水处理
9.
3.1生产废水通过管道排放到废浆池进行沉淀处理、上部清水用泵抽走排放,剩余沉渣用人工或反铲捞取后用自卸汽车拉到指定的渣场存放
9.
3.2洗刷机械的废油水禁止进入排水系统,单独搜集进行处理
9.4节能大型用电设备必须错时施工,防止用电负荷过大,烧毁部分供电设施本工法克服了制约成孔的瓶颈,解决了水下漂卵石地层钢护筒沉放的施工难题,加快了水下桩基的成孔速度,促进了桥梁水下桩基成孔及整体施工进度
2.2设备简单,增加成本少本工法采用的冲击钻机、钻头、泥浆泵、振动锤等施工设备与正常施工设备一致,不额外增加施工设备常规施工方法中沉放的锁口钢护筒直径比桩基设计直径大20〜30cm,钻头与设计桩径一致;本工法中施工钻头直径大于设计桩径,接近并略小于钢护筒内径
2.3施工速度快采用本工法进行沉放钢护筒施工时,钢护筒下方土体在扩孔率的影响下随着钻头的下行被逐渐掏空,而钢护筒在自身重力的作用下,克服周围土体的摩阻力,自动下沉(当摩阻力大于其自重时,需在护筒顶采用振动锤施加外力促使钢护筒下沉到位)钻深到位,护筒也基本到位,节约了振放钢护筒的时间
2.4钢护筒沉放位置准确,竖向偏差小常规施工方法中钢护筒在导向架内逐节沉放,需要直接施加外力使钢护筒下沉,容易造成钢护筒竖直度达不到设计要求
10.1从技术可行性上,本工法彻底解决了在水下漂卵石地层中钢护筒沉放不到位的难题,具有推广应用价值详见表
10.1-lo表
10.1-1技术可行性对比序方名技术可行性号案称方案简述无首先安排潜水工下水对可行性差流水中潜水护桩位处进行摸排整平,工下水清理河床安全筒对于整平存在困难或表威胁大;渣体抽出后随盲面有大型漂卵石的桩位,着水流新的渣体又进冲应先将钻机在平台上安入孔内,反复循环,冲方装完成并在桩位处进行渣效率低;外护黄土袋案盲冲盲冲时的钻头直或碎袋投放无法准确径应大于设计桩径定位,防护效果不好20cm以上,盲冲时采用高压风接钢管下伸到桩底冲渣肓冲至设计深度后,下钢护筒至设计深度,然后在护筒外侧围绕护筒下放黄土袋或碎袋,防止漏浆首先采用钻头盲打深度达至2双可行性一般需沉放双Ij2m,提出钻头,开始下外护筒护筒方层护筒,经历两次下护外护筒直径超出桩径
0.6m,长案筒一冲孔一浇筑水下度为3m,通过导向架将护筒下砂的过程,工序复杂,沉至河床,在其内浇筑水下碎,施工难度大,成本极高然后冲击钻孔(钻头尺寸略大于内护筒的直径),直至达到设计深度为止由于外护筒内部分石渣被水流冲走,但部分石硝将会沉淀在孔底,无法采用取硝筒清除止匕时,可采用反吸法吸出石硝经检测,孔底深度满足要求后开始下内护筒,在内外护筒的筒壁间填筑粘土并捣实,内护筒中填筑粘土和片石,然后采用正常尺寸的钻头反复冲击成孔为了保证内护筒与河床紧密接触,防止泥浆泄露,并使内护筒的泥浆面保持高于河水面
1.5m,在造孔至内护筒刃脚下20cm左右,采用“填二进一〃的方法施工,即保证填片石和粘土的厚度是进尺的2倍,如此反复直到护筒周围无翻浆且泥浆面保持稳定为止然后才能正常钻进按照设计外包护筒直径加工好护筒后,分节段下放至河床,采用振动锤振动下沉护筒,一旦护筒下沉停止而未达到护筒设计深度时,立即停止振动锤击,然后采用略小于护筒内径的钻头进行冲击钻孔,依靠护筒自重或在护筒顶施加外力使之下沉至设计深度,然后更换设计直径钻头进行桩基钻孔直达设计孔深位置,完成造孔工序在采用近等直径钻头钻进时,若河床表面近平整,可直接钻进并下放护筒;可行性好,下放单层钢等若河床表面不平整时,可在护筒护筒,且仅需更换钻头直内采用片石填平,然后采用钻机即可完成下沉护筒和径进行冲击钻孔并下放护筒钻孔施工,施工简单易冲行,施工成本最低,而
10.2经济效益对比(详见表孔且能够保证施工进度)方
10.2-1案表
10.2-1工程量及经济指标对比序方工程经济指标备号案量注名称1无
1、单
1、增加钻孔及回填量表护桩盲
3.14xl.252x2x6=59m3;中筒冲进
2、单桩钻孔价格2000元/m,桩径数盲入河
2.5m桩基截面面积为
4.9m2,折算据冲床6m,价格为2000/
4.9=408元/m3;以方孔位
3、C30碎按照350元/m3计算;
2.5案处将
4、单桩施工需花费人工40个(100m形成元/日),管理人员10名(200元/桩凹形日);基坑,孔单桩合计增加费用为()底实59x408+350例际尺+100x40+200x10=50722元计寸大算于钻头直径,其冲孔量约是同样深度钻孔设计方量的2倍;
2、护筒下放到位后,为防止漏浆,护筒外与河床形成空隙需采用黄土或碎袋进行回填,回填数2双
1、量单为
1、增加钻孔及回填量护桩盲筒设冲计进
3.14xl.552x2x2=
30.2m3,增加盲冲费用方入河钻孔
30.2x408+350=22892元;案床2m方,量其冲
2、外钢护筒长3m、直径
3.1m,重孔的量2为
2.73t,材料价按4600元/t计算同倍样深
2.73x4600=12558元;度钻孔
3、增力口砂量
3.14xl.552x5=
37.7m3,设增加碎费用
37.7x350=13195元;计方
4、再次盲冲9m河床上外护筒内量的23m,河床下6m、孔径
2.6m,盲倍;冲方量
3.14xl.32x9=
47.8m3,费用:
2、增
47.8x408=19502元;
5、在内护筒刃脚需要反复回填和冲击,预计单桩花费约2万元;
6、单桩施工需花费人工80个,管理人员人工20名,合计人工费加80x100+20x200=12000元,12mm单桩增加费用厚外护22892+12558+13195+19502+20000+筒,12000=100147元长3m(直径
3.1m,按桩径加
0.6m),增加外护筒内水下碎浇筑身度5mo近近等
1、增加钻孔量
3.14xl.252x6=29m3,等直径增加冲孔费用29x408=11780元;直钻头
2、增加耐磨块等零星材料费1500径冲孔元;冲(在
3、增加人工费用孔施工4x3x100+1x3x200=1800元,方护筒单桩增加费用案内)11780+1500+1800=15080元6m
10.3施工设备并未增加,质量安全均能够满足设计要求详见表
10.3-1表
10.3-1安全、质量及工期对比安全性质量工期备序方号注案名称1无护筒盲安全性一般流
1、流水中投放土单桩影水中潜水员下袋或碎袋,难以响时间冲水清理河床安准确到位,围护10天,全威胁大,尽可效果不好,易漏进度较能直接采用冲浆;慢锤整平河床
2、下放护筒受盲冲效果影响较大,护筒易倾斜,下放护筒的成孔准确率仅能达到70%左右
1、外护筒下放的双安全性较好下竖直度受盲冲效单桩影护外护筒前,采用果的影响大,易响时间筒冲锤整平河床,倾斜,但只要倾20天,方所下护筒可以部斜的程度不影响进度案分克服水流到内护筒就行慢冲力
2、内护筒是在外护筒范围内下放,一般情况下,内护筒成孔准确率可以达到85%以上本工法护筒进入河床面时主要依靠护筒自重下沉,可以确保进入河床时钢护筒的竖直度、适用范
33.1本工法适用于地基为水下漂卵石、岩溶地层等钢护筒难以直接沉放的地质条件下的桩基施工;也适用于同样地质条件无水环境的桩基施工,以及相关行业如水电、码头、房建等同类型地质条件桩基工程的施工;
3.2本工法适用于桩径大于
1.5m、孔深为40〜50m、护筒深度为15〜25m的桩基施工、工艺原理
44.1本工法利用冲击钻孔存在一定扩孔率的原理,采用现场试验的方法确定最佳扩孔率,根据最佳扩孔率选取与钢护筒内径非常接近的冲击钻头;
4.2在护筒内冲击钻进时,受扩孔率的影响,钻头能够完全掏空护筒壁正下方的土体,使钢护筒失去下部土体的支撑,此时当摩阻力小于护筒自重(在水中的浮力可忽略),护筒随着冲孔施工会自动下沉;当摩阻力大于或等于护筒自重时,护筒不会下沉,可在护筒上施加竖直向下的外力使钢护筒下^1~1,几近安全性好所下护筒下放依靠单桩影等护筒可以克服水导向架和自重响时间3直流冲击力,只要的作用,竖直度天,进度径冲孔深度到位,能够得到充分快冲可以保证整个冲保证,护筒成孔桩施工过程的安孔准确率达到方全95%以上案
10.4社会效益方面,在花山3号大桥水下桩基整个施工过程中,多次获得了建设业主方的表扬,并且将该桥确定为整条线路的亮点工程之一,接受了中央电视台科技频道高清节目制作组的多次摄制和采访,为企业树立了良好的社会形象
4.3钢护筒沉放至河床下的深度达到设计深度时,更换成设计直径的钻头,按照设计孔径进行钻孔施工直至设计孔深具体钻孔时钢护筒受力情况如图
4.3-1所示图
4.3-1近等径钻头冲孔下沉钢护筒受力分析工艺流程及操作要点
5.
5.1工艺流程图钢护筒的沉放施工首先需现场试验以确定最佳扩孔率、选择钻头直径□图
5.1-1工艺流程图
5.2操作要点521钻机准确就位,并整平孔位处河床首先在搭建好的施工平台上准确测放出孔位,放置并固定钻机,将孔位处的平台面板割除,形成一个方孔,方孔大小应由护筒及导向架的大小确定然后从方孔处下放普通钻头,对孔位处河床进行盲冲整平
5.
2.2加工并安装导向架导向架是一个上下多层的型钢钢架结构,主要起为钢护筒下行提供导向,保证钢护筒平面位置和竖直度的作用将制作好的导向架用吊车吊放至桩位处,按照确定的桩位中心线调整好位置,将型钢与平台四周焊接,导向架安装必须牢靠导向架加工如图522-1所示图钢护筒导向架结构图注图中钢护筒数据仅为示例
5.
2.3加工厂加工钢护筒并分节段运至现场钢护筒采用b=12mm厚的Q235A钢板按照设计尺寸在加工厂定型制作,以确保其加工质量;钢护筒运输至现场后,应采取保护措施防止其变形、影响下沉施工质量;钢护筒必须检查合格方可使用加工钢护筒所使用钢板的厚度及强度应与进入河床的深度、护筒所承受的竖向、环向应力相匹配,按照《钢结构稳定设计指南》中竖向非弹性屈曲临界应力和环向非弹性屈曲临界应力公式进行安全变形验算竖向非弹性屈曲临界应力公式:)(式523-1环向非弹性屈曲临界应力公式)(式523-2式中式一钢护筒直径,取260cm;t--钢护筒壁厚,取
1.2cm;E--弹性模量,取206000mpa;fy--屈服强度,取235mpao将以上参数带入公式可求得竖向临界应力和环向临界应力分另!J为ax.cp=
178.03mpa oip.cp=
94.68mpaz o本工法以花山3号大桥水下桩基为例,钢护筒设计进入河床深度为6m,加上河床以上至水面的高度17m,钢护筒最深处为水面以下23m,钢护筒直径
2.8m,其竖向受力主要为振动锤的激振力和钢护筒本身的重力(摩阻力方向相反,计算时应该扣减,但在此仅考虑最不利条件,因此不宜减小竖向荷载),经计算合计为
79.085t,则作用在护筒底截面上轴向应力为75mpa,远小于临界竖向应力
178.03mpa;而环向应力主要为水压力(由于进入河床深度仅为6m,深度较浅,可不考虑土压力),按照水压力计算公式p二p gh=1000xl0x23=230000(pa)=
0.23mpa,也远小于环向临界应力
94.68mpa,因此我们选择的钢护筒厚度及强度均能确保钢护筒不变形的要求当水深较大、需打入河床的深度也较大时,应按照钢护筒所承受的竖向及环向荷载(需要计算护筒壁土压力时,应按被动土压力公式计算)作为临界应力反算钢护筒的壁厚,取较大值作为护筒钢板厚度
5.
2.4逐节下放并初次振打钢护筒,使钢护筒嵌入地层一定深度将运至现场的钢护筒用吊车分节段沿安装好的导向架下放至河床表面,节段间采用全缝焊接,不得渗漏水钢护筒沉放至河床表面后,根据设计钢护筒直径大小,选择合适的振动锤与履带吊配合下振钢护筒,至钢护筒贯入度为零,护筒不再下沉为止(此时不得继续振打,以防止钢护筒上、下口翻卷或其它损伤)钢护筒下沉嵌入河床应有一定的深度,在钻孔过程中护筒底端不得出现平面位移,确保护筒的竖直度偏差注意将钢护筒沉放至河床表面后,应首先检查护筒的竖直度,如果由于河床表面不平整使钢护筒的竖直度达不到设计要求,就应提起钢护筒,采用冲锤重新整平河床,必要时可适当抛填片石找平再次检测孔位处平整度,满足要求后,方可重新下放钢护筒525通过现场扩孔率试验,确定最佳扩孔率及近等径钻头直径现场扩孔率试验,可以在搭建平台之初就开始进行此项工作,其目的是在达到一定扩孔率的情况下,选择合适的钻头直径,能够使钻出的孔径略大于钢护筒直径,使钢护筒依靠自重或外力顺利下沉到位在沿河浅滩寻找一处与河床地质非常接近的区域埋设
1.5〜3m长的钢护筒(直径与设计要求一致),安置钻机钻孔(悬吊钻头的钢丝绳必须与护筒中心重合),钻至护筒下2m深后,提出钻头,将护筒内泥浆全部抽出,检测护筒下成孔的直径,并做好记录然后回填洞渣至护筒顶面,采用焊机在钻头边缘加焊耐磨块以改变钻头直径大小,再次钻进,测护筒下的孔径,如此反复多次,对所测得的钻孔直径和钻头之间的关系进行分析,并按照下式计算出各种直径钻头钻孔时的扩孔率,分析确定应采取的最佳钻头直径i=(D孔-D钻)/D钻xlOO%()式中扩孔率;D孔—钻孔直径;D钻--钻头直径图扩孔示意图采用实测数据并对扩孔率进行计算,绘出扩孔率与钻头直径之间关系如图525-2由图可知,钻头直径较小时(始终保持钻头直径在设计范围内),扩孔率较大,但在外包钢护筒的限制作用下,随着钻头直径的增大,扩孔率逐渐减小,最后趋于定值,根据实际情况,我们应该选取孔径刚好大于钢护筒外径时的扩孔率为最佳扩孔率,则对应于最佳扩孔率时的钻头直径即为最佳直径图5,
2.5-2钻头直径-扩孔率关系曲线。