钻孔扩底桩施工.doc

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钻孔扩底桩施工
张加全 王永进
（中铁三局青藏一队）
摘要：青藏高原多年冻土区自然环境恶劣，工程地质条件差异较大，对于位于高含冰量、强冻涨地基土的桥梁基础，可采用钻孔扩底灌注桩；通过对钻孔扩底灌注桩施工工艺的试验研究，掌握钻孔扩底桩的施工工艺及扩孔钻头与钻机、地质条件的适用性，熟悉水下混凝土灌注在寒季施工时的温度指标控制、措施及规律。
关键词：钻孔 扩底 施工

1.工程概况
新建青藏铁路格拉段全长1142km，其中有约550km线路穿越多年冻土区，全线线路海拔高程大于4000m地段约960km，为世界铁路海拔之最；多年冻土区地质情况比较复杂，少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层及融区交错分布；沿线青藏公路桥梁基础病害比较严重，主要原因是冻土地基冻胀、融沉等不良地质现象引发桥梁基础的冻拔隆起、融化下沉等现象。
由中铁三局铁科公司承建的青藏铁路长江源特大桥是为跨越沱沱河而设，沱沱河流域为青藏高原多年冻土地区腹部的大河融区，兼有冻土及融区两重性质。桥位区河宽1300m，河床宽阔，基本顺直，纵坡较缓，被常年流水冲切有网状沟槽。属大河融区，局部有岛状冻土分布，其中38-41#墩位于岛状冻土区，上限埋深4.0～6.3m,融区最大冻结深度5m。每年冬季河床内冻结1-2m厚的冰，该桥基础设计时为确保基底冻胀时桩身抗拔力，采取两步保证措施：
A、按8‰配筋率通长配筋，桩头5米范围内增加φ25短钢筋，与主筋（φ25钢筋）两根一束；
B、钻孔桩全部为钻孔扩底桩，其底部设计尺寸如下图：

125cm

165cm

2．钻孔扩底桩施工
2.1钻孔施工
第一步保证措施在钢筋笼加工时即可解决；
为按照设计要求的第二步保证措施进行施工，在施工中采取如下施工方案：
A、上部钻孔桩按照正常施工程序进行，即用D＝1.25m钻头进行钻孔施工；
B、当钻孔至设计桩底后更换扩孔钻头进行扩孔；
C、扩孔完毕后更换D＝1.25m钻头进行清孔。
D、清孔完毕后进行下道工序的操作。
施工前为保证工程主体质量，经过反复讨论后决定在沱沱河南岸40～41号墩跨中进行试桩试验，以获得扩底施工时的相关参数。为达到设计要求，我们特地制作了便于操作的扩孔钻头。
2.2扩底钻头的设计
为在扩底钻头不断旋转过程中有效将地层扩开，特在箱型力矩框板外边缘间距10cm焊设“一字型”合金钻头。
2.2.1起初设计的扩孔钻头简图如：扩孔钻头简图—1

钻杆

钻杆与扩孔钻头连接销子 δ=30mm钢板焊制

圆形力矩传动盘

“一字型”合金钻头

主中心轴
δ=25mm钢板焊
制的箱型力矩框板

扩孔尺寸限位板
转动销子
限位孔

δ=30mm箱型力矩框板
δ=30mm钢板底盘
扩孔钻头简图——1
由本桥纵断面图来看，基本上除表面2～4米的砾砂上覆层外，下面几乎全为σ=300kPa泥岩。本地区冻土上限为4.0～6.3米,融区最大冻结深度5.0米。部分泥岩分布在多年冻土范围内，也即泥岩的物理力学特性相差不会太大（这就意味着旋挖扩孔施工时地层阻力波动幅度不会太大）。结合2001年沱沱河试验段中桥施工经验，随决定试桩钻进深度为8米。施工时已是11月底，操作中发现地表两米内砾砂层随外界温度影响较大，且结晶水较多。加之地表温度已达－30℃，钻进时地层阻力较大；钻进8米后进行桩底扩孔施工。但更换扩孔钻头旋转仅几下，扩孔钻头便出现严重变形而不能使用。分析主因是由于扩孔钻头的整体刚度较差，抗扭刚度亦不足。随即对扩孔钻头进行设计改进。
2.2.2改进后的构成如：扩孔钻头简图—2

钻杆

钻杆与扩孔钻头连接销子 δ=30mm钢板焊制

圆形力矩传动盘

δ=30mm力矩钢板

“一字型”合金钻头

主中心轴
δ=30mm钢板焊
制的箱型力矩框板

扩孔尺寸限位板
转动销子
限位孔

δ=30mm箱型力矩框板
δ=40mm钢板底盘
扩孔钻头简图——2
改进后再次进行了试施工。施工结果较第一次有较大提高，能正常进行扩孔施工。但扩孔钻头撑开施工完毕后框板回缩难度较大，且很费时间。等将钻头提上来仔细查看分析后认为：箱型力矩框板本身刚度能满足受力要求，但δ=30mm力矩钢板略显柔软，有较大变形，导致各转动销子受损较大。这样销子转动便不灵活，框板回缩就较难；另下部自重较小亦有一定影响。考虑再三后决定对扩孔钻头再次进行改进。
2.2.3二次改进后的构造如下：扩孔钻头简图—3

钻杆

钻杆与扩孔钻头连接销子 δ=30mm钢板焊制

圆形力矩传动盘

δ=30mm力矩钢板

δ=30mm力矩钢板肋
“一字型”合金钻头
主中心轴
δ=30mm钢板焊
制的箱型力矩框板

扩孔尺寸限位板
转动销子
限位孔

δ=30mm箱型力矩框板
δ=40mm钢板底盘
扩孔钻头简图——3
由上图可见：扩孔钻头的顶部与钻杆连接部分和一般的旋挖钻斗一样。这样就保证了与旋挖钻机的配套通用性。
由于扩孔钻头的多转轴设计，传力复杂，整体刚度较小，故对于硬质岩层的扩孔施工难度将很大。尽管施工记录显示长江源特大桥的桩底地质均为泥质基岩，施工中我们对扩孔钻头仍先后进行了如上三次设计；所以地质情况对于扩底桩的设计、施工非常重要。
2.3扩孔钻头工作原理
扩孔钻头工作原理如下：用旋挖钻斗钻至桩底设计标高后即更换扩孔钻头；缓慢将扩孔钻头落于孔底后，一边开始旋钻，一边开始使用钻机的钻杆加压装置对扩孔钻头进行加压；扩孔钻头的主中心轴则随之有一向下的行程，而限位孔则由于扩孔钻头的钢板底盘已至孔底而无向下的位移。这样主中心轴则在限位孔内有一相对向下的行程。由上图可见，箱型力矩框板则随之有向下及向外两种位移。“扩孔之势”随之形成。在钻杆扭矩及对钻杆加压的不断作用下，主中心轴在不断旋转的同时在限位孔内的相对向下的行程亦不断加大，箱型力矩框板向外的位移亦随之逐渐加大，扩孔作业便逐步展开；扩孔尺寸（即底部扩孔尺寸）则通过扩孔尺寸限位板的上下调节来控制（调整时先将扩孔尺寸限位板卸下，当调至设计扩孔尺寸时，再行将扩孔尺寸限位板与箱型主中心轴焊设牢固。这样扩底钻头则具有通用性）；当加压装置的加压表数值突变时则可确定扩孔钻头已完全撑开呈设计孔底要求轮廓，也即扩孔尺寸达到设计要求。
而后则一边慢慢反向旋转，一边慢慢上提钻杆。这样做是为了扩孔钻头箱型力矩框板能随之收回；而后便将扩孔钻头提离孔位，再次更换旋挖钻斗进行清渣作业。
2.4钻孔扩底桩工艺流程图

工艺流程图:

施工准备

钻机安装定位
准备砂石料
制作钢筋笼

安设护筒

普通钻头钻孔

是否钻至设计孔底标高?

扩底钻头扩底施工、.

更换普通钻头清孔、.

安装混凝土导管

搭设混凝土平台

超限 不超限量测沉渣厚度

灌注混凝土

拔出护筒、导管

清理现场

工艺流程
由工艺流程图可看出:当扩孔完毕后，尚须进行基底清孔作业。清孔所用钻头为常规旋挖钻斗，钻斗直径亦与钻孔桩直径相同。清孔时由于钻机加压系统部分加压及钻斗、钻杆自重影响，清孔结果将如下图：

125cm

165cm
基底上翻沉渣

由上图可见，施工成孔轮廓与设计轮廓有一定差异，并且这种差异随设计桩长增加而增加。在随后的水下混凝土灌注中，基底沉渣在混凝土柱对导管内水柱的强大压力下将上翻至扩底的圆环状平面上。这也将直接影响成桩的整体性。
3.混凝土入模温度的控制
水下混凝土灌注的施工工艺与一般钻孔桩相同，下面只讨论混凝土施工温度控制，通过对钻孔桩混凝土的热工计算确定不同工况条件下经济、易行的施工工艺。
3．1 入模温度热工计算与分析
3．1．1不同工况条件下的混凝土入模温度
（1）计算条件：
A． 配合比为符合青藏高原混凝土耐久性条件的配合比；
B． 砂子堆放在暖棚内，采用暖风机进行加热；
C． 水泥及外加剂存放在搅拌棚内，温度与搅拌棚温度一致；
D． 运输环境温度与外界环境温度一致。
E． 混凝土的入模温度为5℃，最高不超过10℃。
F． 石子露天堆放，温度与外界环境一致；
已知混凝土每立方米的材料用量为：
水mw为200kg； 32.5R普通硅酸盐水泥及外加剂mce为467.5 kg；
砂msa为728kg； 石mg为1004kg;
（2）混凝土各阶段的温度：
A．混凝土拌和物的温度T0：
T0=[0.9（mceTce+msaTsa+mgTg）+4.2Tw（mw－wsamsa—wgmg）+c1（wsamsaTsa+wgmgTg）—c2（wsamsa+wgmg）]÷[4.2mw+0.9（mce+msa+mg）]
B．混凝土拌和物的出机温度T1：
T1=T0—0.16(T0－Ti)
C．混凝土拌和物的入模温度T2：
T2=T1—（αtt+0.032n）(T1－Tα)
Tw--水的温度； Tce--水泥及外加剂温度；
Tsa--砂子温度； Tg--石子温度；
Wsa--砂含水率为3﹪； Wg--石含水率为0；
Ti--搅拌机棚内温度为；
tt--混凝土从运输至浇筑共历时为0.25h；
Ta--运输时的环境气温；
混凝土拌和物用混凝土罐车运输，中间不倒运，温度损失系数α为0.25h-1，倒运次数n为0。
混凝土比热容 cc为0.9(kJ/ kg·K)；
水的比热容 c1(kJ/ kg·K),当骨料温度>0℃时为4.２,≤0℃时为2.1；
水的溶解热 c２(kJ/ kg),当骨料温度>0℃时为０,≤0℃时为335。
3.1.2 结果分析
A． 搅拌棚的温度变化1℃，混凝土的出机温度相应变化0.16℃；
B． 拌和水温度变化1℃，混凝土的出机温度相应变化0.265℃；
C． 砂子的温度变化1℃，混凝土的出机温度相应变化为：
砂子的温度>0℃时：ΔT=0.265℃；
砂子的温度<0℃时：ΔT=0.249℃
D． 水泥及外加剂的温度变化1℃，混凝土的出机温度相应变化0.15℃；
E． 水泥及外加剂存放在搅拌棚内时，棚温变化1℃，混凝土的出机温度相应变化0.31℃。
F． 混凝土的入模温度与运输时间呈线形关系。（当出机温度等于环境温度时，混凝土的入模温度不随运输时间发生变化）。
3.1.3 满足入模温度的各工况
满足入模温度的各工况见表一，从中可以看出：
A． 当环境温度为-20℃时，不但要加热水，还要加热砂子。
B． 当环境温度为5∽-15℃时只需要加热水。
C． 当环境温度为5∽10℃时不需要加热水。
D． 当环境温度高于10℃时，要采取措施，降低骨料的温度。
满足入模温度的各工况表 表一
Ti
Ta
0℃
5℃
-20℃
Tw （℃）
60
50
Tsa （℃）
0
0
T2 （℃）
6.24
5.49
-15℃
Tw （℃）
75
70
Tsa （℃）
-15
-15
T2 （℃）
5.97
5.8
-10℃
Tw （℃）
60
55
Tsa （℃）
-10
-10
T2 （℃）
5.39
5.68
-5℃
Tw （℃）
50
40
Tsa （℃）
-5
-5
T2 （℃）
5.86
5.1
0℃
Tw （℃）
25

Tsa （℃）
0

T2 （℃）
5.22

注：1.石子不加热，其温度为环境温度。
2．水泥贮存在暖棚内，其温度按暖棚温度计。
3．Tw、Tsa、T2、Ti、Ta分别代表拌和水的温度、砂子的温度、混凝土的入模温度、搅拌棚温度、环境温度。
3．2 不同工况下的混凝土施工方案
环境气温低于-15℃时，以暖棚温度5℃为宜，提前将砂子运入暖棚，用暖风机将冻块化开即可；环境气温在-10∽-15℃时，以暖棚温度5℃为宜；环境气温在0∽-10℃时，以暖棚温度0℃为宜；环境气温高于0℃时，不需要搭设暖棚。
3．3 施工注意事项
A． 骨料中不得含有冰雪和冻块。
B． 水的加热温度不得超过80℃，水泥和外加剂不得加热，可提前运入暖棚预热，当水的温度超过60℃时，应改变投料顺序，即先投入骨料和水，拌均匀后再投入水泥和外加剂。
C． 骨料的加热不宜用火直接加热，应采用暖风机进行加热。
D． 应加强施工过程原材料、混凝土拌和物的测温工作，并做好记录。
E． 混凝土运输罐车应采用棉毡进行包裹，以减少混凝土运输过程中的热量损失。
4.结论
扩孔钻头的自重不能太小，因为扩孔完毕后钻杆慢慢上提，扩孔钻头箱型力矩框板的收回则须在δ=40mm钢板底盘及相关部件的自重作用下才能实现；同时因为我们旋挖钻机钻杆的最大允许偏角为50，嵌套式的钻杆结构导致外层钻杆节头与内节钻杆之间有缝隙而嵌固不紧，这样即使施工时钻杆伸展开也因其顺长方向刚度较小而使50角倾斜都达不到；而扩孔完毕后清孔是用常规旋挖钻斗进行的，操作时难免存在一定的清孔死角，则其清孔效果便具有一定的不确定性。这既与设计桩长有关，也与扩底过渡段长度有关（长江源特大桥的过渡段长度为2.0米）。因为这种上小下大的设计模式实际施工操作起来有一定的难度。
由扩孔钻头简图来看，扩底钻头的横向自然尺寸由圆形力矩转动盘及δ=40mm钢板底盘来控制。为便于施工时减少扩底钻头对孔壁的碰损及刮坍，圆形力矩转动盘及δ=40mm钢板底盘制作尺寸宜比设计钻孔桩直径小100mm为宜。

中铁三局青藏一队
2003-7-15
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