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特殊條件下大口徑深孔鑽孔灌注樁施工技術

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  1工程概況
  天津濱海新區新港四號路地道設計爲雙向十車道,因受津濱輕軌高架橋墩柱和基礎的影響,車道無法正常穿越。故須對津濱輕軌高架橋339#(制動墩)和340#(共用墩)墩進行基礎托換,托換基礎采用3棵φ2000mm鑽孔灌注樁和6棵φ1800mm鑽孔灌注樁。其中3棵φ2000mm鑽孔灌注樁單樁長90.00m,6棵φ1800mm鑽孔灌注樁單樁長70.00m。工程樁位于津濱輕軌高架橋下,高架橋的底高程爲10.00m(大沽高程,下同),地面高程爲3.00~3.50m。淨空距離僅有7.00m左右,托換基礎距離原有339#和340#橋墩僅7.50m(見下圖1)。施工後經自平衡法對試樁進行承載力檢測,達到設計要求。
  1.1場地岩土工程條件
  根據建設單位提供的鑽孔柱狀圖。場地地層分爲9個工程地質層:
  ①人工填土層(Qml)
  ②新近沈積土層(Q43Nal)
  ③第Ⅰ海相沈積土層(Q42m)
  ④第Ⅱ陸相層(Q41al)
  ⑤第Ⅲ陸相沖積土層(Q3eal)
  ⑥第Ⅱ海相沈積土層(Q3dmc)
  ⑦第Ⅳ陸相沖積土層(Q3cal)
  ⑧第Ⅲ海相沈積土層(Q3bm)
  ⑨第Ⅴ陸相沖積土層(Q3aal)
  場地地下水主要爲第四系孔隙潛水,靜止水位埋深約2.00m左右。
  1.2設計要求
  根據建設單位提供的資料
  1.3工程特點和難點
  (1)因距原有輕軌高架橋基礎較近,絕不允許出現塌孔或井內事故危及正在運行的輕軌。
  (2)因受施工環境的限制,對現有的鑽機設備必須進行改造,改造後的設備必須滿足施工技術要求。
  (3)鑽孔的垂直度要求特別高,因自平衡靜載試驗荷載箱的內徑φ0.60m,因此除考慮鋼筋籠的因素外,必須考慮由于荷載箱的存在導漿管下放、提升的難度。荷載箱位置在孔深60.00m,導漿管最大外徑φ0.37m,實際要求孔的垂直度1/500。
  (4)鋼筋籠的制作及孔口對接,受施工場地的限制每節鋼筋籠有效長度爲4.50m,共20節;鋼筋籠孔口對接後的垂直度的要求≤1/500。孔口的對接時間盡量縮短。
  (5)由于土層較軟,采用泥漿護壁和沖渣,加上由于多節鋼筋籠孔口對接的時間較長(從提鑽杆到導漿管下放完畢約60h),第一次清孔後對孔壁的穩定性、沈渣的厚度、泥漿的性能要求較高。
  (6)因鋼筋籠較重(含檢測管及檢測設施),理論重量36.54t,受施工場地影響大型吊車無法使用,只能利用鑽塔負責鋼筋籠孔口對接、下放。
  2施工設備的選擇
  根據本工程地層情況和在橋下施工的特點,選用改造後的GW-25型鑽機和GW-25B型鑽機進行施工,采用泥漿護壁正循環成孔、氣舉反循環清孔、多節鋼筋籠井口直螺紋連接、導漿管水下灌注砼成樁工藝。改造後的GW-25及GW-25B鑽機,扭矩120kN·m,提升能力達到30t,鑽塔的總高度爲7.00m,鑽塔的有效高度爲5.50m,機上鑽杆的總高度爲4.50m,經改造後的設備滿足本工程施工技術要
  求(見圖2)。其它主要設備有:120kW發電機組(備用);750E空壓機;φ300導管200m;KE-200測斜儀;16t吊車等。
  3施工工藝及質量控制
  3.1施工准備
  3.1.1測量放線定位、布設沈降觀測點
  工程樁的位置由建設單位測放。爲及時掌握樁孔施工對原橋墩的影響,在兩側的三個橋墩上分別布設三個沈降觀測點,孔深40.00m前每天進行一次沈降觀測,孔深40m後每天進行兩次沈降觀測,發現情況及時采取補救措施。
  3.1.2鑽頭的選擇
  爲保證樁孔垂直度,開孔采用配重合金鑽頭或滾刀鑽頭施工(至孔深30m左右),選用雙腰帶四翼梳齒式合金鑽頭鑽進至終孔。
  3.1.3地面的硬化
  由于表層土較軟,承載力不能滿足鑽機施工要求,對上部1.5m進行碎石墊層換填處理,在立交橋的下方開挖施工槽,長15m,寬6m,深1.5m左右,碎石和砂鋪設墊層,上鋪30㎝厚C25砼,周圍放坡,預留孔口位置。
  3.1.4護筒的埋設
  本工程選用壁厚10mm護筒,其內徑
  分別爲2400mm、2000mm,護筒的長度不小于3.00m。護筒埋設注意以下幾點:
  (1)護筒中心應與樁體中心重合,偏差小于50mm,斜度小于1%;
  (2)護筒周圍用粘土分層夯實,護筒比地表高200~300mm。確認樁孔位置無地下管道時再開孔。
  3.2設備的安裝和泥漿的預制
  3.2.1設備的安裝就位
  先鋪設好導軌,在空曠的地帶把鑽機安裝在導軌上,然後在導軌上移動鑽機對准樁位點,鑽機底座基礎要牢固。鑽機轉盤水平;樁位點、轉盤中心、天車中心在同一垂線上。
  3.2.2泥漿配制
  開孔前制備一定數量的優質泥漿,以確保鑽進順利進行。
  泥漿的制備和檢測設有專人負責,嚴格控制性能指標。
  泥漿配方:鈉質膨潤土:100kg/m3(泥漿)
  火堿:按膨潤土重量的1%摻入
  CMC:按膨潤土重量的1%摻入
  泥漿性能:比重:1.10~1.25
  粘度:22~28S
  膠體率:>95%
  現場制備方法:先將攪拌機內注入定量水,後將按規定計算出的袋裝幹式膨潤土倒入水中攪拌,同時將已按規定計算出的火堿和CMC摻入其中,攪拌均勻放入泥漿儲備池中即可。
  3.3鑽進成孔
  (1)開孔采用減壓鑽進,本工程φ2000mm樁選用滾刀鑽頭開孔(滾刀鑽頭鑽頭體的長度爲2.00m,重量約6t),φ1800mm樁采用加配重的雙腰帶鑽頭鑽進。確保樁孔垂直度。
  (2)鑽進過程中隨時檢查機上鑽杆的垂直度、轉盤的水平、地基沈降和護筒標高情況,仔細觀察孔內泥漿和排渣情況,發現問題及時處理。
  (3)提鑽加鑽杆前必須把鑽頭提離孔底200~300mm,沖孔10~20min左右,再提鑽加鑽杆。加鑽杆前認真檢查鑽杆的彎曲度、法蘭盤的焊接、鑽杆的磨損情況等,杜絕不合格的鑽杆下入孔內。
  (4)鑽孔的垂直度測量每孔不少于3次,孔深40m、80m、終孔各一次。
  (5)泥漿指標控制:在鑽進過程中應根據地層情況選擇不同性能指標的泥漿,現場配置泥漿測定儀器,隨時測定泥漿性能。
  不同地層泥漿性能指標詳見下表3。
  (6)鑽孔中出現輕微漏漿及坍塌,及時整泥漿的性能,並在施工中保持好泥漿的性能指標。
  (7)如果出現嚴重的漏漿事故,及時回灌泥漿,查明原因,再處理。
  (8)如果出現比較嚴重的坍塌,首先回灌泥漿,用鏟車進行回填,待回填土密實後再重新鑽進。
  3.4一次清孔
  (1)鑽孔達到設計深度後,先用正循環清孔,把鑽頭提離孔底200~300mm左右,反轉慢掃幾次,把孔底和鑽頭上的塊狀泥塊攪碎。
  (2)用氣舉反循環進行一次清孔根據現有的設備(正循環鑽進設備)自制混合室。具體的操作如下:①先用正循環沖孔,然後把孔內的鑽杆提出,把混合室加到離孔口深40m左右的位置上,在往下加鑽杆的同時,綁紮好孔內的風管;②檢查風管安裝情況。先啓動回灌泵,後開風管閥門,調試風量正常工作;③要有專人負責孔內的水位情況,保證泥漿的水頭高度;④一次清孔泥漿性能要求:因鋼筋籠井口對接時間較長(約20個接頭,60小時左右),必須保持孔壁的穩定性及孔內沈渣厚度。下放鋼筋籠前泥漿須保持如下性能:密度:1.15~1.20;漏鬥粘度:20~22S;含砂率:不大于3%;PH值:8~10;膠體率:95%;失水量:14~20ml;泥皮厚度:小于2mm。同時應保持孔內水頭高度。
  3.5鋼筋籠的制作、對接安放
  3.5.1主筋連接工藝的選擇
  φ2000mm的樁鋼筋籠配筋54D32,鋼筋籠長83.4m,需制成21節,在孔口直螺紋連接,每個籠需1134個節頭;φ1800mm的樁鋼筋籠配筋46D32,鋼筋籠長63.4m,需制成14節,每個籠需644個節頭。
  主筋數量多,間距小、接頭數量多、采用對焊或焊接難以操作、耗時很長,因此,筋筋籠連接采用直螺紋連接。每節的長度爲4m或9m。加強筋內加“△”型內支撐,超聲波檢測管每樁3根,最下端封堵,超聲波檢測管綁紮在籠子內側和鋼筋籠一起下入孔內。
  3.5.2鋼筋籠制作
  (1)鋼筋加工必須在水平地面上進行。鋼筋籠加工程序:鋼筋進場→鋼材試驗→單根加工→鋼筋籠成形→鋼筋籠驗收→井口打接、固定鋼筋籠。
  (2)單根主筋加工:進料鋼筋在單根鋼筋加工前,經切割、調直,成爲符合圖紙要求成型鋼筋,然後分型號分別堆放在成型鋼筋堆放場,以備取用。鋼筋調直,表面不能有油汙及鐵鏽。
  (3)主筋在同一截面接頭數量不得超過50%,兩接頭間隔>1120mm。
  (4)加勁筋按要求彎圓,環筋拉直後纏圈備用。
  (5)鋼筋籠擺放要平整,不能有著力點不均,出現籠身架空彎曲現象。
  (6)鋼筋扶正器用φ8mm鋼筋穿φ100mm砼圓柱體制成,每4m一組6塊等間距焊在主筋上,保證籠子居中。
  3.5.3鋼筋籠對接
  (1)高架橋下鋼筋籠孔口對接時,先把鑽機工作台移開。
  (2)預拼裝技術:爲克服直螺紋連接工藝對主筋長度偏差和平面偏差的特殊影響,保證孔口對接順利,故在鋼筋籠制作時采取預拼裝技術。
  (3)在直螺紋對接鋼筋籠的同時電焊對接檢測管。檢測管焊接部位不能進泥漿,每焊完一節檢測管,管內注滿清水,最上端封堵好.
  (4)鋼筋籠導正墊塊按要求焊好。
  (5)嚴禁墩籠、撞籠、扭籠及人爲壓籠。
  (6)鋼筋籠定位采用四根φ32的鋼筋固定。
  (7)由于鋼筋籠噸位大、且高度受輕軌的影響,采用鑽機進行吊放,並采用本單位研制的釣鈎,既能保證鋼筋籠下放不變形,又能保證下籠的安全。具體操作過程如下:
  待成孔及第一次清孔工作完成後,將鑽機轉盤後移,然後將特制的插杆板放置于機枕上,保證插杆板中心與孔口中心重合。先將第一節鋼筋籠骨架采用兩點起吊法放入孔內,待第一骨架加勁箍下至孔口位置時同時將4根插杆推入,將插杆扣住加勁箍,保證鋼筋籠骨架垂直。然後在孔口進行鋼筋籠骨架對接。在對接工作完成後將鋼筋籠吊起,抽出插杆,再將第二節鋼筋籠骨架下至孔內,重複以上步驟。爲保證鋼筋籠骨架不從插杆上滑落,將插杆端部設置爲鈎形;爲保證插杆能承受鋼筋籠重量,在插杆後端部設置插杆套筒。
  3.6導漿管的安放
  導漿管直徑φ300mm,壁厚8mm,絲扣連接。
  (1)導漿管的內壁要光滑,內徑要大小一致,連接要可靠,要有足夠的抗拉強度和良好的密封性。
  (2)在導漿管使用前要作導漿管的密封性能試驗,壓力不小于1.2MPa,不合格的導漿管不准下入孔內。
  (3)導漿管的下放安裝必須按密封試驗的順序自下而上依次編號,標明導漿管的長度,加好密封圈上緊絲扣,不能混亂使用。
  (4)導管的底部離孔底300~500mm。
  (5)派專人負責導漿管的清冼和管理。
  3.7灌注砼前的二次清孔
  由于鋼筋籠的搭接時間較長,鑽孔較深,孔內的沈渣可能較厚(以具體測量爲准),用正循環清孔難以達到設計要求,故采用氣舉反循環清孔。詳見下圖4。
  (1)混合室一般下到離孔口35.00m左右,導管下完後,出漿管和風管一起下入導管內,出漿管、風管一起和導管帽上的出漿管、風管連接好,然後導管帽和導管連接一起,把地表的出漿管、風管連接好。
  (2)開動空壓機送風,清孔達到要求後,把出漿管、風管撥出,安放灌漿鬥。
  3.8混凝土灌注
  (1)初灌量控制
  根據《公路橋涵施工技術規範》,首盤砼的容量最小應滿足下式所需的V:
  V=h1×3.14d2/4+Hc×3.14D2/4
  式中V-首盤砼最小容量(m3)
  經計算初灌量V=10m3。
  (2)初灌量選用提蓋板壓球旦法,即用球旦作隔離塞。自制一個3m3的儲料鬥,在灌注時,先把儲料鬥灌滿,把裝滿8m3砼車開到儲灌鬥旁,提起儲料鬥蓋板的同時,連續放出砼車內的砼,中間不得中斷。保證導管的初埋深度。
  (3)在灌注過程中,保持灌注砼的連續性,現場備用砼車不少于2輛。
  (4)用細鋼絲繩作爲測繩。專人負責探測砼上升高度,每次拔管前必須探測砼上升高度,保持導管埋深2~6m,嚴禁導管拔出砼面。
  (5)每車砼必須檢查砼的坍落度,坍落度不合格嚴禁使用。
  (6)爲防止大塊粗骨料卡管,在漏鬥上安裝50mm×50mm網格的篩子。
  (7)樁頂標高的控制:最後一次控制砼的灌注高度必須多測量幾個砼面點,同時采用自制砼打撈筒進行控制。
  4施工中容易出現的問題及預防措施
  4.1成孔部分
  4.1.1孔口坍塌
  孔口附近的載荷較重,土質較松散,長期被水浸泡;護筒太短,護筒底部沒有埋沒在粘土層(粉質粘土層);護筒周圍的土沒有填密實,或護筒太薄被土擠壓變型。
  預防措施:確保護筒的厚度不小于10mm,護筒底部埋沒在粘土層(粉質粘土層),護筒的長度不小于3.00m。護筒周圍用粘土填密實,護筒高出地表200~300mm。
  4.1.2鑽孔坍塌
  因鑽孔的直徑較大,施工鑽孔的時間較長,加上地層的因素,在鑽進的過程中往往出現坍孔現象;施工中長時間外部停電也是造成坍孔的原因。
  預防措施:①在施工過程中保持鑽孔內的水頭高度,專人看管泥漿,泥漿密度大于1.15,漏鬥粘度大于20S;②針對砂層、粉砂層配制優質的泥漿,控制進尺速度;③儲備一定數量的優質泥漿,發現孔內漏失及時補漿。④備用鏟車及時回填,備用柴油發電機組及時提供動力。
  4.1.3孔斜
  由于鑽孔較深,加上地層、操作工藝、鑽頭的加工精度、鑽杆的彎曲度等因素常常使鑽孔的垂直度達不到設計要求。
  預防措施:在成孔施工中除保持鑽機三點一線,保持鑽杆、鑽具垂直外還應采取以下措施:①提高鑽頭的加工精度,通過工裝工法加工精確的鑽頭。彎曲的鑽杆杜絕下入孔內;②開孔必須采取滾刀減壓鑽進。
  4.1.4斷鑽杆
  孔內斷鑽,除鑽杆的質量因素、鑽孔深度、孔內阻力、工作時間長外,還與操作方法有關。
  預防措施:①在下鑽具、鑽杆時認真檢查鑽具鑽杆的質量,不合格的鑽具鑽杆不准下入孔內;②仔細觀察鑽進參數,發現異常及時停止鑽進,提鑽檢查孔內鑽具、鑽杆的情況;③根據以往的施工經驗,在孔深40m米時,必須上鑽檢查鑽頭、鑽杆在孔內使用情況,同時檢測其垂直度。
  5結束語
  天津濱海新區輕軌基礎托換工程除樁徑較大、鑽孔較深的因素外,因受場地的限制,施工難度增大,風險大。大口徑深孔鑽孔灌注樁是隱蔽工程,而且工序繁多,出現質量事故難以補救。本工程在施工過程中通過對鑽機的改造,加強質量控制,認真研究新的施工方法和工藝流程,嚴格各項工序的質量管理,保證了鑽孔灌注樁的質量,施工期內339#和340#墩的沈降量均不到1mm,單樁承載力和樁身質量滿足設計要求,取得了良好的經濟效益和社會效益。

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