旋挖钻机成孔工艺特点及在江西昌樟高速公路改扩建药湖大桥桩基施工中的应用
2017-03-20
旋挖钻机是一种适合在建筑基础工程中成孔作业的施工机械，具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高等特点，适应我国大部分地区的土壤地质条件。它广泛应用于铁路、公路桥梁、市政建设、高层建筑等地基础钻孔灌注桩工程。
一、旋挖钻机在国内的应用情况
旋挖钻机是在第二次世界大战后发展起来的新型钻孔设备。我国从上世纪80年代始引进吸收，但一直没有取得太大的进展。直到2001年国家重点工程青藏铁路大规模施工启动后，由于青藏铁路施工地层很多是永冻的土层、砂砾、不规则泥页岩、还有软硬互层灰岩，有的冻土层厚度达百米以上，适宜用旋挖钻成孔工艺进行施工，中铁集团开始在青藏铁路上大面积推广应用旋挖钻进行桩基成孔。至此，旋挖钻成孔施工工艺在国内较大范围内迅速推广，但由于旋挖钻成孔施工工艺尚属新推广应用的工艺，至今尚无统一的施工技术规范。
二、旋挖钻机的机械构造简介
目前，国内生产旋挖钻厂家十余家，主要有徐工科技、湖南山河智能、三一重工等。国外主要生产商有德国宝峨、意大利土力、日本日立等。国内产品同发达国家的同类产品相比还有一定的差距，如钻桅垂直度自动控制技术、孔深荧屏显示系统等智能控制技术等，但其机械构造大同小异。其大体构造见下图。
三、旋挖钻机的主要工艺性能简介
旋挖钻机一般适用于粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含部分卵石、碎石的地层，对于大扭矩动力和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩石的施工，如德国宝峨BG20旋挖钻机地层适应能力就比较强，使用嵌岩钻头可钻进单轴抗压强度超过100Mpa的岩石，在国内已有多次钻进强度超过70Mpa的岩石。目前旋挖钻机的最大钻孔直径为3米，最大钻孔深度可达120米。尤其值得一提的是通过将护筒与钻杆联结后，旋挖钻机可将护筒旋沉到所需位置，这对于解决南方厚淤泥层或流沙地质条件下的桩基础成孔施工有重大意义。
旋挖钻成孔是通过动力系统带动底部带有活门的桶式钻斗的回转或螺旋钻头的旋切，直接将土旋入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，如此循环往复，直至成孔。旋挖钻机主要是通过科学选择钻头及合理使用钻头来适应不同地层的施工。旋挖钻机的钻头种类主要有以下几类：螺旋钻头、旋挖斗、筒式取芯钻头、扩底钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头和液压抓斗等，同时每类钻头又可根据不同的构造细分成若干种。
四、旋挖钻机在药湖大桥桩基成孔的应用情况简介
药湖大桥桥墩桩基桩径均为φ150的摩擦桩，桩长从26m至35m不等。水上桩施工平台采用填土筑岛围堰。本标段路线展布于南昌市新建县与丰城市梅林镇交界处，桥址为冲湖积平原地貌，地层结构简单。主要地层为淤泥质粘土、粉质粘土、细砂、粗砂、圆砾；下伏基岩为泥质砂岩夹泥岩。
（1）淤泥：灰色，饱和，流塑状，含少量粉细砂，含腐殖及铁锰氧化物。
（2）粘土：黄色，湿，硬塑状，粘性强，手感细腻，刀切面光滑，含铁锰质结核。
（3）砾砂：灰褐色，砂质不纯净，含较多粘性土。
（4）圆砾：灰黄色，亚圆状，成分以砂岩为主，充填砂和少许粘性土。
（5）中风化泥质砂岩：褐红色，粉砂质结构，中厚层状结构。遇水易软化，风干易开裂，岩心多呈柱状夹短柱状、碎块状。
4.1旋挖钻机与冲击机或回转机性能比较
与传统的冲击钻或回转钻进、泥浆循环护壁成孔技术相比，旋挖钻进无论从技术上还是设备上都具有很多优点。
（1）设备性能先进，自动化程度高，劳动强度低旋挖钻机为履带式全液压自行式钻机，采用全套液压系统，有些还配备先进的电脑操作系统，钻杆盘配备有两条钢丝绳，可以吊运一定的重物。旋挖钻机机、电、液一体化高度集中，结构紧凑，操纵灵活方便，时间利用率高。
（2）钻进效率高，旋挖钻机可根据地层情况配置不同的钻头，在粘性土层可使用长钻筒，加快钻进速度；对于砂卵石含量较大的地层可使用短钻筒，配置泥浆护壁，控制钻速；对于含孤石、漂石及较硬岩石地层可换用长、短螺旋钻头进行处理，松动后再换上钻筒继续钻进。一般情况下，在土层、砂层的钻进速度可达8m/h，在粘土层可达4.6m/h，是普通回转钻进的3.5倍，甚至更高。在强风化岩层（如强风化砂岩、强风化泥岩，强度不超过800KPA），与普通回旋钻相比，优势更加明显，旋挖钻的钻进速度可达1～2米/小时。
（3）成孔后不须清孔，可直接安装钢筋笼，进行砼浇注。
（4）成桩质量好，旋挖钻进对地层扰动小，孔壁泥皮薄，形成的孔壁为粗糙，有利于增加桩侧摩阻力，保证桩基设计承载力。孔底沉渣少，易于清孔，提高桩端承载力。
（5）环境污染小，旋挖钻进为干式或无循环泥浆钻进，所用泥浆量仅为正反循环钻进的l/10―1/20。因而，施工现场整洁，对环境造成的污染小。同时旋挖钻进振动小，噪声低。
当然旋挖桩机与回旋桩和冲击桩相比也有其不足之处：
（1）设备价格昂贵，通常情况下，一台旋挖钻机的价格都在400万元以上，进口钻机达上千万元。
（2）运行成本较高，设备价格昂贵，其运行成本自然就会较高。根旋挖钻机的全负荷正常工作寿命为6300h，维修费用高，尤其是卷扬系统、液压系统主泵、动力头以及钻杆等，这些部件都比较贵，损坏后更换时间也较长。这就使得旋挖钻机在实际使用中的运行成本大大增加。
（3）施工场地的制约，旋挖钻机施工的工程场地要开阔、平整。旋挖钻机设备较重，一套设备一般要达到几十吨甚至上百吨，所以对场地要求比较高，场地须有一定硬度，以免钻机沉陷。不能在地表松散、泥泞、没有夯实的场地施工。 （4）施工地层的制约，旋挖钻进适宜于土层、砂层，以及较松散的、粒径较小的卵砾石层，在粉质粘土、粘质粉土等粘性土层钻进效果最佳。而在淤泥层、硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层施工比较困难，并容易发生孔内事故和机械事故，体现不出旋挖钻进的优越性。
4.2实例说明
为了能更好地说明旋挖钻在药湖大桥桩基成孔施工中体现出来的优势，现以药湖大桥428-Z号墩桩基成孔实例进行说明。428-Z号墩桩基设计桩长30米，其中428-Z-A用旋挖钻施工，428-Z-B用冲击钻施工。
（1）地质情况见下表
（2）挖钻与冲击钻钻进效率对比
旋挖钻与冲击钻钻进效率对比如下表
结论：就成孔速度对比，旋挖钻的成孔速度约为冲击钻的17.9倍。
（3）旋挖钻与冲击钻费用对比表
说明：旋挖钻成孔费用为500元/米（综合单价包电费），配套机械主要指转运弃渣用的机械。冲机钻成孔费用为402元/米（综合单价不含电费）。
通过以上费用对比，在药湖大桥的施工中，旋挖钻的成孔费用要比冲击钻高约0.4%左右。
从效益和经济上考虑，旋挖钻都有利于冲击钻机施工。效率高，经济适用。
4.3旋挖钻成孔施工注意事项
旋挖钻成孔后的浇注工艺与普通水下灌注桩工艺基本相同，在此不再详细介绍。
旋挖钻成孔施工工艺通过在药湖大桥的应用，我们总结了以下施工须关注的施工注意事项：
4.3.1场地平整硬化。旋挖机自重达60-100t左右，对作业平台的地基承载力要求较高，开钻前须对作业场地进行必要平整硬化。本工程施工平台采用填土筑岛围堰，旋挖机施工处须垫上2-3cm的钢板，否则钻进过程中极易造成平台下沉从而导致将桩位挤偏，垂直度也难以保证。垫上钢板也能确保施工安全。
4.3.2护筒埋设及拔除。旋挖钻机有成孔效率高的特点，而且是钻心取土，孔内护壁不比冲击钻机的密实，成孔后留置时间不宜太长，容易造成塌孔，为此药湖大桥特选用钢护筒作为孔内松散土质的孔内护壁。药湖大桥护筒内直径为1.6m，采用厚度10mm的钢板制作，长度为2～3m一节。本工程淤泥层一般在1～5米之间，所以采用的护筒长度在2～6米。钢护筒的长度可随着淤泥层厚度的加深而加深，并可专门配置一台振动锤进行钢护筒的振入和拔除回收工作，以解决厚淤泥层的施工问题。护筒埋设钢护筒时，采用较大口径的钻头先预钻1m～2m后，提出钻头再振动锤将护筒压入，在压护筒时，需随时监控护筒的垂直度以及护筒的偏位情况，已保证钻机成孔后的孔的垂直度，并保证桩基偏位在设计规范内。
在砼浇注完成后，须立即将护筒拔除。拔除护筒时须做到平、稳，避免对桩头砼造成太大挠动或对护筒周边地层造成太大挠动导致桩头部位出现夹渣或缩径现象。
4.3.3钻头的选用。旋挖钻机主要是通过科学选择钻头及合理使用钻头来适应不同地层的施工。如果钻头选择不当，会导致进尺效率低下，甚至无法成孔。例如粘土层宜选用单层底的旋挖钻头；淤泥、粘性不强的土层、沙层、胶结较差粒径较小的卵石层宜选用双层底的旋挖钻头；硬胶泥层宜选用单进土口的旋挖钻头或头齿直螺钻头；胶结好的卵砾石或强风化基岩，宜选用锥形螺旋钻头或双层底的旋挖钻头等。
同时在钻至较硬的岩层时，需注意调整钻头锥角的角度，以加快钻进速度。另外在施工淤泥层或软塑层时，应量采用带有通气孔的钻头或对钻头进行改进，增设导流槽，以降低在提升钻头过程中产生的内外空气压力差，避免产生吸钻现象导致孔壁缩径、坍塌。
4.3.4泥浆的配制。药湖地下水丰富，地表层为回填土、淤泥、砂岩、泥岩等，钻机钻进过程中孔壁不稳定，在钻进过程中需制作泥浆护壁。制备泥浆是旋挖钻机能否成孔的关键，也是影响钻孔进度和桩基混凝土质量的关键。泥浆过稀时不能浮碴影响钻进，过稠时泥浆附在孔壁和钢筋上，影响桩基混凝土的质量。泥浆材料选用膨润土或粘土、聚丙烯酰胺以及烧碱，泥浆从制浆机中制作后流入泥浆池内，为了防止泥浆沉淀须用泥浆泵将泥浆池中的泥浆不停的循环。泥浆池中的泥浆立方米泥浆需膨润土450―500kg，加入适量烧碱可提高泥浆的粘度，实验证明：这样的泥浆粘土颗粒悬浮均匀，沉淀少，性能稳定，满足了钻孔需要。
制浆前，应先把粘土块尽量打碎，泥浆用搅拌机制成泥浆后流入泥浆池中再使用。泥浆可循环使用。为了回收泥浆原料和减少环境污染，均应设置泥浆循环净化系统。在钻进过程中，须根据地层不同情况，来调节泥浆稠度。同时应选择造浆能力强、粘度大的粘性土进行造浆，以提高泥浆稠度，确保钻进过程不塌孔，不缩孔。
以下是可供参考的泥浆指标：
泥浆的合理配制对于孔底沉渣的控制具有非常重要的影响。在药湖大桥施工过程中，刚开始时由于泥浆配制不合理，导致成孔后孔底沉渣达到1～2米左右，经过用专用的捞渣钻斗捞渣后，经过1个小时左右的静置，沉渣仍可达到0.5米以上。虽然理论上经过反复的捞渣可以将孔底沉渣控制设计要求的30cm内，但随着泥浆浓度的降低，其护壁的稳定性也越来越差，会导致坍孔现象的发生。因此只有泥浆浓度能够满足悬浮细渣时，孔底的沉渣才能得到有效的控制。
实践证明当泥浆适合时，成孔后浇注前孔底沉渣可以控制在15cm以内。在成孔过程中应根据进尺及时补浆，将泥浆水头始终保持在一定的高度。
4.3.5钻进速度的控制。旋挖钻机在钻进过程中应根据不同的地层情况来确定钻机的钻进速度， 在开始钻进或穿过软硬层交界处时，为保持钻杆竖直，宜缓慢进尺。同时在钻进过程中应严格控制钻进速度，避免钻进尺度较大，造成埋钻事故。在钻进过程中如发现钻杆摇晃或难钻进时，这时应立即提钻检查，等查明原因并妥善处理后再钻，以免导致桩孔严重倾斜、偏移，甚至使钻杆、钻具扭断或损坏。钻孔时要合理控制钻斗的升降速度。若钻机升降钻斗时速度较快，钻斗外壁和孔壁之间的泥浆冲涮孔壁，再加上钻斗下部产生较大的负压作用，造成孔壁颈缩、坍塌现象。所以钻斗提升时应严格控制其速度，经现场实践，钻斗升降速度宜保持在0.75～0.80m/s。当在粉砂层或亚砂土层进尺时，其升降速度应更加缓慢。
4.3.6成孔后的紧后工序作业。由于旋挖钻成孔速度比较快，因而其孔壁的泥皮较薄，稳定性比较差，所以成孔其后续的钢筋笼安装、砼浇注等工序必须紧凑，否则如果成孔后等待浇注砼的时间太长，则容易出现坍孔现象。一般情况下如果泥浆悬浮能力比较好，则等待浇注的时间长度可控制在10小时之内，最长不宜超过24小时。如果地层中存在较厚粉细砂层时，则等待浇注的时间应进一步缩短。在安装钢筋笼时应谨慎操作，尽量减少对孔壁造成的挠动和破坏，避免因钢筋笼挂伤孔壁造成局部坍塌甚至大面积塌方。同时在钢筋笼安装好后应试立即进行砼浇注，因为在安装钢筋过程中及安装后，如果等待浇注的时间太长，一但孔底如果出现沉渣超过规范及设计要求时，将很难处理，一般情况下采用小型号的专用捞渣钻斗进行孔底清渣，但钢筋笼根部的沉渣则很难清除干净。同时在等待浇注的过程中应保持泥浆的浓度和均匀性，可按一定的时间间隔用钻斗对孔内的泥浆进行搅动，必要时进行补浆。
五、结语
药湖大桥桩基础施工历时5个月，完成桩基施工共投入22台冲击钻和1台旋挖钻机。投入悬挖钻机后平均每天成孔从之前的4个提高到8个，大大的提高了桩基础的施工进度，为下部结构的施工奠定了坚实的基础。根据我部实际施工情况对比度，在旋挖钻可施工的地质条件下，旋挖钻在不大幅增加成孔费用的情况下，能极大地提高施工效率，值得进一步推广。
