香港西铁兆康站桩基工程施工工艺.docx
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香港西铁兆康站桩基工程施工工艺
收稿日期:
20021205
作者简介:
李世全(1969—),男,工程师,1994年毕业于中国科学院
新疆分院,理学硕士。
香港西铁兆康站桩基工程施工工艺李世全
(中铁十四局集团有限公司海外部 山东济南 250014)
摘 要 介绍香港西铁兆康站的工程地质条件、桩基工程的特点、采用的各种钻孔灌注桩施工工艺的优势与不足。
关键词 香港西铁 桩基工程 施工工艺
香港西铁工程自九龙半岛西部的南昌站起,至新
界西南部的屯门站,全长30多km。
沿线共有9个站,
依次为南昌站、美孚站、荃湾西站、锦上路站、元朗站、
郎屏站、天水围站、兆康站及屯门站,如图1所示。
兆
康站又称屯门北站,距屯门约2km,总投资13.86亿
港元,它是西铁沿线仅有的2个建在屯门河上的车站
之一。
兆康站主要包括:
车站区,南、北接驳站,南、北
高架桥,南、北连接桥及35区结构工程等。
600多根
不同直径(0.30~2.5m)的钻孔灌注桩构成了兆康站
的基础工程。
图1 香港西部铁路一期工程平面
1 兆康站工程地质条件概述
兆康站建在屯门河上,其地质钻探资料见表1。
表1仅为该区地层典型描述,兆康站的实际地质
状况要复杂得多。
坚硬的轻微风化岩石、较硬的中风
化岩石及软弱的强风化岩石间互层现象十分普遍。
预
钻探时,有时还发现岩石之中存在因风化、侵蚀引起的
空洞。
钻孔灌注桩的桩底确定在岩芯获得率大于
85%的Ⅱ/Ⅲ类轻微风化岩石中风化岩面上。
若出现
强、弱岩层的互层现象,则应加深至稳定的Ⅱ/Ⅲ类岩
面上。
表1 典型地质描述
岩层类别地层描述
100~300mm厚混凝土Nullah河底板
灰黄色砂及灰色中粗角砾回填层
中等密实,灰黑色淤泥质中砂或灰黑色淤泥(海相沉积)
灰色、浅褐色含粘粉砂质细中砂(冲积相沉积)
剖面A剖面B剖面C
Ⅴ
灰色、浅褐色完
全风化安山岩
完全风化火山碎屑角
砾岩
灰绿色完全风化细粒火山凝灰岩
Ⅳ强风化安山岩
强风化火山碎屑角砾
岩
强风化火山凝灰岩,松散,褐色粉
砂夹棱角次棱角,细中砾火山
凝灰岩碎屑
Ⅲ
中风化安山岩,
灰色、浅黄褐色,
中密节理
中风化火山碎屑角砾
岩,浅黄褐色夹灰白
色斑点,中密节理
中风化火山凝灰岩,灰绿色夹白
色斑点,密集节理
Ⅱ
轻微风化安山
岩,灰色、浅褐
色,中密集节理
轻微风化火山碎屑角
砾岩,灰色夹白色斑
点,有时有石英脉,中
密节理
轻微风化山凝灰岩,灰绿色夹白
色变质斑点,中密集节理,节理
面有石灰质浸染及钙化
2 兆康站的桩基工程各种成孔工艺及其优缺点
在兆康站分布着600多根不同直径的钻孔灌注
桩,桩径有330、600、800、1200、1500、1800、2500
mm,桩长从10多m至80多m,最长的桩达80.10m,
桩底高程为-74.11m。
在兆康站钻孔灌注桩的各种施工工艺中,清孔、钢
筋笼绑扎、吊装钢筋笼、混凝土浇筑等工艺基本相同,主
要区别在于成孔工艺。
不同成孔工艺各有其优缺点。
2.1 振锤式全套管冲抓钻机成孔
(1)成孔工艺:
①挖掘机进行初步开挖,以便安装
临时钢护筒;②吊机、振锤安装、固定,并逐步压入第1
节护筒,边用锤式抓斗挖掘,边用振锤振动、压入护筒;
③安装、焊接第2节护筒,重复第2步工序,遇到孤石
或风化岩石层时,则使用十字冲击锤先将其击碎;④依
次连接、振动、压入其他节护筒,直至护筒下到桩端持
力层为止;⑤挖掘完毕后,即刻测定挖掘深度,确认是
否已至桩底设计高程,然后进行清孔,清孔采用内风管
空气吸泥机。
(2)优点:
①无需大型机械设备,成孔造价低;②若
桩底设计埋深较浅,而且地层简单,无软硬岩石之间互
层现象,该成孔工艺在施工进度上也有优势。
(3)缺点:
①由于采用吊机和振锤安装、固定、振
动、压入钢护筒,在控制护筒的垂直度时有很大困难,
随着护筒节数增多,垂直度控制也越困难,多次往复纠
偏花费相当长时间;②遇到软硬岩石互层时,由于使用
十字冲击锤,若岩层倾斜,则会导致井孔倾斜,产生“香
蕉桩”;③由于多次往复使用十字冲击锤冲击岩层,使
用振锤进行垂直度纠偏,使得桩端持力岩层受到扰动、
破坏,在采用内风管空气吸泥机进行清孔时,很容易出
现护筒底部“漏底”现象,使得清孔十分困难,甚至失
败,浪费工时。
在兆康站地质状况十分复杂,坚硬的轻微风化岩
石、较硬的中风化岩石及软弱的强风化岩石之间互层
现象十分普遍,有时还发现岩石之中有因风化、侵蚀引
起的空洞。
而钻孔灌注桩的桩底持力层要求确定在稳
定的Ⅱ/Ⅲ类岩面上,故此,该成孔工艺在兆康站桩基
施工中是失败的,甚至可以说是灾难性的,平均单桩工
时为2.5周~3周,而且次桩率高,甚至有“香蕉桩”。
2.2 摇动式-附着式全套管冲抓钻机成孔
(1)成孔工艺:
①以挖掘机进行场地平整及初步开
挖,以便安装摇动式附着式装置及临时钢护筒;②利用
摇动装置固定、摇动钢护筒,减少护筒与周围土体之间
摩阻力,边摇动,边压入,同时用锤式抓斗挖掘;③安装、
连接第2节护筒,重复第2步工序。
遇到孤石或风化岩
石层时,则使用十字冲击锤先将其击碎。
由于护筒顶底
都有精加工的公母接头,护筒间连接借助于内六角螺
丝,则省去护筒切割、焊接;④依次连接、摇动、压入其他
节护筒,直至护筒下到桩端持力岩层为止;⑤挖掘完毕
后,即刻测定挖掘深度,确认已至桩底设计高程,然后进
行清孔,清孔采用内风管空气吸泥机。
(2)优点:
①噪声低,振动小;②由于摇动装置是附
着在履带式吊机上,在摇动、压入护筒时,其位置固定,
运作稳定,护筒垂直度容易控制;③护筒顶底部都有精
加工的公母接头,护筒间连接借助于六角螺丝,则省去
护筒切割、焊接;④护筒插入整个井孔,孔壁不会坍落。
(3)缺点:
①施工需大型机械设备,全孔长护筒,要
求较大场地;②成孔造价较高;③由于多次往复使用十
字冲击锤冲击岩层,使得桩端持力岩层受到扰动、破
坏,在采用内风管空气吸泥机进行清孔时,可能会出现
护筒底部“漏底”现象。
该成孔工艺在兆康站桩基施工中是较成功的,平
均单桩工时为4~5d,而且成桩质量较好。
然而,当桩
身较长时,其优越性则大大降低,当桩长超过45m时,
单桩工时增加至6~8d,当桩长超过60m时,该成孔
工艺基本上不宜采用。
2.3 旋挖钻机成孔(德国Bauer公司BG钻机系列)
(1)成孔工艺:
①挖掘机进行初步开挖,以便安装
临时钢护筒;②吊机、振锤安装、固定,并压入护筒(3~
6m),护筒顶要高出地面0.3~0.5m;③用BG钻机
系列配以尖底、平底或耙式螺旋钻头,分别进行护筒内
粘土、散土及杂填土挖掘,对于黑色海相沉积淤泥,则
采用筒式钻头;④护筒内开挖至距筒底0.5m时,向护
筒内注入膨润土泥浆,然后继续螺旋钻头或筒式钻头
挖掘至岩石露头,同时要确保护筒内膨润土泥浆水头
压力;⑤岩石露头后,则采用各种筒式钻头进行风化岩
石层的挖掘,如用锅底式钻头开挖软弱的强风化岩石
或用滚刀式钻头开挖坚硬的轻微风化岩石或较硬的中
风化岩石等;⑥挖掘至桩底设计高程后,开始清孔,清
孔采用膨润土泥浆置换法,将孔内沉渣悬浮、携带出
来,再通过脱砂机将其从泥浆中分离出来,用自卸车运
出工地。
泥浆可以再循环利用。
当膨润土泥浆的重度
<1.10g/ml,含沙量<5%,pH值为8~12时,清孔完
毕。
(2)优点:
①噪声低,振动小;②钻进速度快,成桩
时间短,当桩长不超过40m时,平均单桩工时仅为3
~4d;当桩长不超过50m时,平均单桩工时为5~7
d;③造价低;④场内施工机械移动方便;⑤由于只有1
节护筒,节省了安装、连接及纠偏时间;⑥机械安装简
单;⑦采用膨润土泥浆护壁,不易出现坍孔及护筒底部
“漏底”现象;⑧可以钻较大深度的桩孔,当桩长超过
60m时,其优越性更明显;⑨由于采用多种旋挖钻头,
对于复杂地层有广泛适应性。
(3)缺点:
①当膨润土泥浆管理不当时,有时会坍
孔;②膨润土泥浆置换不可能绝对保证将孔内泥沙全
部悬浮、携带出来,在桩孔底部有时会有残留,影响成
桩质量;③当地层中有承压水时,施工困难;④作为端
承桩,成桩检测优质桩率低(优质桩要求桩底与持力岩
层间无杂物),缺陷修补工作较多。
2.4 复合工艺成孔
(1)施工工艺:
全套管冲抓钻机+气举式反循环
回旋钻,这种复合工艺成孔用于桩孔深度较大(H>
40m),地层十分复杂,软硬岩石互层时,其结合了2种
施工工艺。
①用摇动式(或旋转式)附着式全套管冲
抓钻机挖掘至首层坚硬的轻微风化岩石或较硬的中风
化岩石(薄层,未至桩底设计高程),临时钢护筒也下至
该层;②用气举式反循环回旋钻挖掘至桩底设计高
程,钻头采用牙轮钻头、楔齿滚刀式、球齿滚刀式钻头
等,用空气吸泥机排除钻渣,用清水清孔。
(2)优点:
①全套管冲抓钻机的所有优点;②无须
泥浆护壁;③桩端持力岩层不会受到扰动、破坏,无护
筒底部“漏底”现象;④成桩质量好,优质桩率高;⑤可
以钻较深的桩孔,适应复杂地层。
(3)缺点:
①施工需较多大型机械设备及护筒,要
求较大场地;②成孔造价很高。
2.5 冲击回转钻机成孔(潜孔锤钻)(MUSTANGA-
66系列)
冲击回转钻机用于兆康站的各种小直径钻孔灌注
桩施工,如北高架桥74号墩的12根直径为600mm
的H桩;兆康站的162根直径为330mm的小型钻孔
桩。
该钻机为液压控制,装配有偏心铰孔装置及潜孔
锤钻。
(1)施工工艺:
①首先用反铲挖掘2~3m深,除去
表层障碍物,再用指定土料回填;②测量放样后,安置、
固定钻机及护筒;③利用偏心铰孔装置压入第1节永
久性钢护筒,同时进行筒内土体挖掘;④安装、焊接第
2节永久护筒,重复工序3,直_________至岩石露头;⑤从孔中除
去偏心铰孔装置,安装潜孔锤钻,挖掘3.7m的嵌岩孔
槽。
潜孔锤钻冲击旋转于孔底,经钻杆供给压缩空气
使潜孔锤往复冲击,使刃口破岩;⑥挖掘至桩底设计高
程后,进行清孔,对于直径为330mm的小型钻孔桩,
其桩径很小,在开挖时,偏心铰孔装置及潜孔锤钻均由
压缩空气驱动,孔内钻渣被同时冲刷出来,即使有少许
残留,在进行高压注浆时也可被带出,无须再次清孔;
对于直径为600mm的H桩,则用空气吸泥机排除钻
渣,用清水清孔。
(2)优点:
①钻进速度快,成桩时间短,平均单桩工
时仅2~3d;②场内施工机械移动方便,机械安装简单;
③至岩石露头都有永久性钢护筒,无须泥浆护壁;④不
会出现塌孔及护筒底部“漏底”现象;⑤可施工斜桩。
(3)缺点:
①噪声高,振动大;②孔内钻渣易于飞
溅,污染环境;③埋设永久性钢护筒,成本增加。
3 成桩质量检测
在兆康站桩基施工中,对成桩质量检测十分严格,
主要采用如下方法:
超声波检测,全桩长抽芯检测,桩
底与岩石界面抽芯检测,扇形超声波检测,芯样抗压强
度试验及荷载试验。
(1)超声波检测:
采用四管超声波检测法,检测率
为100%,可根据管超声波检测柱状图,判断成桩混凝
土的连续性及质量好坏。
(2)全桩长抽芯检测:
采用装有半合管的3层取芯
管抽芯,钻孔直径为100mm,由桩顶抽芯至桩底以下
入岩700~800mm,抽测率为3%。
(3)桩底与岩石界面抽芯检测:
用取样钻机,在预
埋的直径为100mm的超声波管内钻孔抽芯,孔径为
77mm,由超声波管底至入岩700~800mm,用以观察
桩底与岩石界面的结合状况,抽测率为3%。
(4)扇形超声波检测:
在桩底与岩石界面抽芯检测
或全桩长抽芯检测完成后进行,方法与超声波检测相
同,只是将发射器放入直径为100mm的超声波管内,
直至抽芯孔底;而接收器放入其他3个直径为50mm
的超声波管内至管底。
这样,可获得扇形超声波检测
图,判断桩底与岩石界面的结合状况,抽测率为3%。
(5)芯样抗压强度试验及荷载试验:
这些都是常规
性的,这里不再叙述。
总之,香港西铁兆康站工程地质条件十分复杂,桩
基施工质量要求很高,需要先进的设备及施工工艺。
对于不同的地质条件,不同桩长、桩径的钻孔灌注桩,
应采用相应的施工工艺。
知识窗
山岭铁路隧道衬砌的类型
衬砌是沿隧道开挖周边修筑的永久性支护结构物,国内采用的衬砌类型主要有下列几种。
·整体式衬砌———用模筑混凝土或砌体施作的衬砌。
该衬砌内轮廓形状、尺寸与截面厚度,百余年来虽经多次改变,
但至今在山岭铁路隧道中仍占主导地位。
·装配式衬砌———由预制构件在隧道内拼装成的衬砌。
我国1958年曾在黔桂线张家山1号隧道和宝兰线29号隧
道扩建中试用过,拼装砌块前者为T形,后者为半圆形,均未设螺栓连接。
由于砌块接头防水问题未解决好、狭窄的洞口场地难以
满足砌块预制要求、现场制造砌块精度不够和成本较高等原因,未能得到推广。
·喷锚衬砌———喷锚支护用作永久衬砌时的通称,包括喷射混凝土衬砌、锚杆喷射混凝土衬砌、锚杆钢筋网喷射混凝土衬砌与
喷射钢纤维混凝土衬砌。
喷锚衬砌1965年在成昆线开始采用,现限于中等以上围岩的短隧道中应用。
·复合衬砌———按新奥法原理修建隧道,用喷锚作初期支护、模筑混凝土作二次支护组合而成的衬砌,在内外2层支护间根据
需要可设置防水层。
我国首座采用复合衬砌的隧道是建成于1979年的皖赣线下坑隧道。
·喷锚支护整体式衬砌———以喷锚支护(必要时可设钢筋网和格构拱)为施工支护的整体式混凝土减薄型衬砌。
它是20世纪
90年代以来,鉴于全面实行新奥法施工有困难,又无其他施工支护可使用的现实,根据国情设计的一种将喷锚施工支护作为结构受
力的一部分,与整体式衬砌相结合的衬砌新型式。
此种型式衬砌因厚度较以往所用整体式衬砌可减小,故称“减薄衬砌”,近年来已
改名为“喷锚支护整体式衬砌”,在南昆线、内昆线等新建铁路工程中得到大量应用。
(王效良 供稿)