漂石地层机械成孔灌注桩施工.ppt
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1、,漂石地层机械成孔灌注桩施工技术研究,北京市政建设集团有限责任公司北京交通大学昆明捷程桩工有限责任公司,详细科研报告请点击 http:/www.ENGWHY.com,1、立项背景2、主要技术难题3、卵漂石地层成孔机械选型原则4、卵漂石地层成孔机械设备功能设计与配套改进5、卵漂石地层全套管成孔灌注桩施工技术6、卵漂石地层全套管施工定额研究7、主要创新点8、经济效益和社会效益分析,主要汇报内容,1、立项背景,研究背景及意义依托工程概况,研究背景及意义,随着北京市地铁的大规模兴起,在交通相对不繁忙的地区,地铁车站施工多采用明挖法,明挖基坑的支护型式主要为混凝土灌注围护桩+内支撑(锚杆)体系。北京地铁
2、9号线是贯穿南北方向的交通骨干线路,全线长16.5km,均为地下线,共设地下车站13座,其中换乘站9座。,研究背景及意义,北京地铁9号线全线灌注桩总根数约为5502颗,桩径为6001000mm,桩长5.3133.8m,其中桩长超过25m的约1000根。,研究背景及意义,研究背景及意义,研究背景及意义,九号线所有围护桩都要穿越较厚卵石地层,且相当一部分桩在成孔过程中会遇上大漂石,,研究背景及意义,灌注桩成孔可选方式有人工成孔和机械成孔。人工成孔施工安全不易保证,应急措施难以有效快速实施,应以机械成孔为主。目前北京已实践的机械成孔工艺,尚未在漂石地层进行有效的尝试,或不适宜在漂石地层成孔,施工难度
3、较大,或可在漂石地层中成孔,但繁华地区易造成较大环境污染,综合效益低。建立一套“漂石地层机械成孔灌注桩施工技术”,对于穿越大漂石地层成孔施工具有非常重要的现实意义,同时对于国内外在漂石地层钻孔桩施工也具有非常重要的参考价值。,依托工程概况,依托工程为北京地铁9号线丰台北路站,车站共设4个地面出入口,2座风亭,1个疏散口及2个无障碍电梯出入口。主体基坑总长201.836m,标准段总宽度21.240m,开挖深度18.8m。,依托工程概况,车站主体基坑围护桩桩径为1m,总计283棵:A型桩57颗,间距为1.5m,桩深33.5m;B型桩154颗,间距为1.8m,桩深22.6m;C型桩70颗,间距1.4
4、m,桩深24.2m。,依托工程概况,勘察报告揭露地层自上而下依次为人工填土、新近沉积土层、第四纪晚更新世冲洪积地层。,依托工程概况,现场揭露卵石粒径与勘察报告中描述有较大差距,各相应地层中卵石粒径及含量均较大。地层一般粒径为200300mm,最大粒径大于1000mm。,依托工程概况,依托工程概况,特征粒径、不均匀系数和曲率系数见下表,其平均粒径d50约为255.91mm。,2、主要技术难题,2、主要技术难题,1、地层稳定性差,钻孔成孔难度大。桩身穿越地层主要为砂卵石地层,地层结构松散、胶结性差且对施工扰动反应灵敏,易发生塌孔,成孔难度大。2、卵石粒径在空间呈差异分布,成孔机械设备选型是一项技术
5、难题。卵石的最大粒径和一般粒径在深度范围呈差异分布,即随着深度的增大卵石的粒径和最大粒径亦增大。卵石粒径与成孔机械设备选型息息相关,如何根据粒径差异分布的特点进行成孔机械设备选型是围护桩成孔的关键,是一项关系生产安全的技术难题。,2、主要技术难题,3、大粒径漂石埋藏分布和大小随机性强,减小机械磨损、提高钻进效率和提高成桩精度技术难度大。埋藏分布和大小随机的大粒径漂石会引起成孔设备磨损,降低成孔效率,甚者引起成桩精度偏差,对大粒径漂石进行有效的处理是关乎经济效益和施工质量的技术难题。4、全套管钻机首次在北京地铁围护桩成孔施工中应用,控制施工质量和造价是摆在施工和管理人员面前的难题。全套管钻孔灌注
6、桩施工工艺首次应用于卵漂石地层,尙缺少施工经验和国家定额的指导,工程质量管理和造价控制的难度大。,3、卵漂石地层成孔机械选型原则,研究成果与创新点工程地质分析成孔工艺的局限性分析成孔工艺的试验研究成孔机械选型原则丰台北路灌注桩成孔机械选型,研究成果与创新点,研究成果:根据北京地铁9号线砂卵石的空间分布规律和工程特性,结合目前钻孔灌注桩成孔工艺和采用的主要设备,在卵漂石相对粒径和最大粒径分级的基础上,研究提出了基于粒径分级的卵漂石地层成孔机械适宜性理论。,创新点:首次提出了基于卵漂石粒径分级的机械成孔适宜性分析理论,对漂石地层成孔机械选型提供了量化指导。,工程地质分析-卵石粒径特征,北京地铁9号
7、线的室内筛分试验的颗粒级配曲线呈“L”型。,工程地质分析-卵石粒径特征,卵石不同粒组含量、特征粒径、不均匀系数和曲率系数如下表。,砂卵石级配曲线不连续,且级配不良,尤其是缺少中间颗粒,该卵石地层开挖时容易出现基坑坍塌或成孔孔壁坍塌和漏浆。,工程地质分析-最大粒径平面分布,最大粒径卵石沿线分布并不均匀,最大粒径均超过了300mm,最大粒径超过500mm的平面主要分布于丰台南路站-丰台北路站区段,最大粒径达920mm。,工程地质分析-最大粒径纵向分布,最大粒径大于等于300且小于500、大于等于500的卵石分布深度范围在空间上变化较大:科怡路站以南和丰台北路站以北卵石最大粒径出现在探井中下部,大致
8、在1518m深度处;科怡路站至丰台北路站之间地层中卵石最大粒径出现部位较深,大致在1627m之间;线路北部卵石最大粒径出现部位较浅,大致在1216m深度处。,工程地质分析-最大粒径纵向分布,工程地质分析-最大粒径纵向分布,工程地质分析-最大粒径纵向分布,工程地质分析-卵石强度,1、卵石地层中的卵石强度最小为61.69MPa,最大为226.42MPa,平均值为139.21MPa;2、卵石强度有随着深度增大而减小的趋势,最大强度值约在12m18m深度处。,成孔工艺的局限性分析,根据成桩过程中护壁的形式,目前钻孔灌注桩的成孔方式可分为无护壁机械成孔、泥浆护壁机械成孔以及全套管护壁机械成孔。,成孔工艺
9、的局限性分析,无护壁机械成孔的钻机主要为长螺旋钻机,在小桩径(600mm以下)、短桩身(20m以下)的灌注桩施工中以优越的钻进速度著称。当长螺旋钻机遇上粒径较小的卵石时,长螺旋勉强可以将其带出,但是当遇上漂石时,长螺旋无法将其带出且又无法将其破碎,造成无法钻进。可以考虑将长螺旋更换为镶有硬质合金的筒钻破碎漂石,但需经常更换钻具,大大降低了钻进速度。在大量的卵漂石地层中施工难度很大,不宜采用。,成孔工艺的局限性分析,泥浆护壁机械成孔的钻机主要有旋挖钻机、正反循环回转钻机、冲击钻机等。冲击钻机破碎漂石的能力较强,在非城市地区漂石地层的应用较多;正反循环回转钻机对漂石的破碎能力较弱,但其取土较冲击钻
10、机方便快捷,形成了二者结合应对漂石地层的成桩工艺;配备硬岩破碎钻筒的旋挖钻机在漂石地层中的适用性有待进一步研究。,成孔工艺的局限性分析,全套管护壁成孔机械主要有摇动式全套管钻机和全回转全套管钻机。基本原理是利用摇动装置来回转动使钢套管与土层间的摩阻力大大减小,边搓动边压入,同时利用冲抓斗挖掘取土,直至套管下到桩底设计标高。在漂石地层施工时采用冲抓斗超挖跟管钻进,对于粒径较小的漂石可以直接用冲抓斗抓出或者将其破碎后抓出,大粒径漂石采用冲锤破碎后抓出。且没有泥浆污染,适合于城市地区的漂石地层施工。,成孔工艺的试验研究,采用旋挖钻机与全套管钻机进行漂石地层钻进试验,取A型、B型和C型桩各一颗作为试验
11、桩。,成孔工艺的试验研究,旋挖钻机采用由北京南车时代重工生产TR220D旋挖钻机,钻头选用专用于砂卵石地层的合金钻头。,成孔工艺的试验研究,W278桩第一次试桩时出现漏浆现象,泥浆供应不及,出现塌孔问题。将钻孔回填后,增大泥浆比周,放缓钻进速度,在10m以上地层钻进较为容易,渣土中粒径多为10cm以下;钻进到10m左右时,钻机进尺困难,扭矩增大,钻杆抖动加重,渣土中卵石粒径达2025cm,并偶见卵石断裂碎块,据此推测卵石粒径达30cm;钻进到13.5m时,钻机采用浮动加压已经无法进尺,改为动力钻头加压时,钻杆反弹上浮,无法钻进,钻斗内只有少量的岩石碎块,同时发现钻头侧齿已经蹦角。,成孔工艺的试
12、验研究,成孔工艺的试验研究,W52桩的钻进速度控制在4m/h,泥浆比重为1.6,钻进10m以上地层钻进较为容易,渣土中卵石粒径多为10cm以下。钻进至1012m时,出现了W278桩钻进时相同的情况,渣土中有卵石断裂碎块,推测卵石粒径达到30cm,且钻头卡死,无法钻进。钻头提出后,发现钻头侧齿已经崩落。,成孔工艺的试验研究,鉴于W52桩和W278桩的试桩效果,决定不再进行W105桩的试桩工作。试桩效果表明:在粒径达30cm的大漂石地层采用旋挖钻机钻进,钻头非正常磨损严重,无法钻进。随后采用捷程MZ-3型全套管钻机试桩,采用冲抓斗超前下挖的钻掘模式,采用B型W199桩为试验桩。三节套管的长度分别为
13、9.7m、8.3m和7.2m,套管壁厚为20mm。,成孔工艺的试验研究,在第1节套管下沉时,由于套管入土不深,所受摩擦力较小,冲抓斗抓土较快。第2、3节套管下沉较慢,此时套管已经到达漂石粒径较大的卵石7层,套管收到的摩擦力较大,冲抓斗抓土缓慢,且由于卵石粒径较大而抓图效率不高。期间,对于对冲抓斗无法冲击破碎和抓起的漂石采用十字冲锤破碎后抓出。试桩效果表明:结合十字冲锤,全套管钻机可以在漂石地层进行成孔作业。,成孔机械选型原则,相对粒径指卵漂石平均粒径d50与灌注桩桩径d2的比值,用表示,即=d50/d2。,成孔机械选型原则,最大粒径指卵漂石的最大粒径,用dmax表示,丰台北路灌注桩成孔机械选型
14、,丰台北路地层平均粒径d50为255.91mm,桩径为1000mm,则为0.256。按照相对粒径分级,为级,可以选择长螺旋钻机、旋挖钻机和全套管钻机。现场揭露最大卵石粒径达1000mm,按照最大粒径分级,为级,可以选择全套管钻机和冲击钻机。综上,丰台北路灌注桩成孔机械应为全套管钻机。,4、卵漂石地层成孔机械设备功能设计与配套改进,研究成果与创新点全套管钻机工作原理全套管钻机成孔机理冲击碎石机理钻具磨损规律捷程MZ系列全套管钻机简介全套管钻机功能设计与配套改进,研究成果与创新点,研究成果:结合全套管钻机的基本工作原理,对其成孔机理进行了理论分析,并对钻具在卵漂石地层中的磨损特性进行分析,据此提出
15、了设备需求,研制配套改进设备。,创新点:提出了全套管钻机在漂石地层中应用的改进措施和配套设备需求,经过改良的捷程牌MZ系列钻机在丰台北路车站主体基坑围护桩成孔中取得了良好的施工效果。,全套管钻机工作原理,全套管钻机利用摇动装置的摇动,或者回旋装置的回旋,使得刚套管与地层间的摩阻大大减小,边摇动(或边回旋)边压入,同时利用冲抓斗挖掘取土,直到套管下到桩端持力层为之。挖掘完毕后立即进行挖掘深度的确定,并确认桩端持力层,然后清楚浮土。成孔后将钢筋笼放入,接着将导管树立在钻孔中心,最后灌注混凝土成桩。,全套管钻机成孔机理,切割环端头与挖掘面的关系桩身穿越地层主要是填土、粉土、粉砂层、圆砾和卵石层。对于
16、上部的填土、粉土、粉砂层、圆砾层,切割环可先行压进,也可以在与挖掘面保持几乎同等深度的情况下压进。进入卵石层以后,套管压进困难,挑孔石或探头石对套管切割环的磨损严重,应采取超挖措施,即挖掘面超前切割环一定深度后再压入套管切割环,但超前量必须使周围土层受扰动的程度最小,一般应控制在0.3m左右。,全套管钻机成孔机理,液压驱动系统和冲抓挖掘作业全套管钻进卵石地层时遇到的主要问题是钻进速度明显下降,套管扭矩明显加大,套管外壁与驱动齿轮间在强大的咬合力下被拉出深槽,套管下压难度加大,管底环刀及管壁上附加的耐磨条磨损严重,冲抓斗的锥瓣在冲击作用下损毁严重。在施工过程中采用边挖掘边沉管的方法,并做到套管液
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