旋挖钻机在钻孔灌注桩施工中的应用
时间：2022-08-12 08:28:08
摘 要：本文结合某高速公路高架桥钻孔灌注桩施工，介绍旋挖钻机在不同地层中的应用技术，特别对旋挖钻机在深埋硬质岩层中的钻进工艺进行了详细研究，对同类工程施工具有指导意义。
中图分类号：U443.15+4 文献标识码：A 文章编号：
0 引言：
随着我国经济的迅速发展，灌注桩基基础已在城市建设、公路建设等重大工程中广泛采用。桩基的施工中，比较常用和常见的钻机类型为正循环钻机、反循环钻机和潜水钻机，尤其是正循环钻机更为多见一些。但是近些年来，旋挖钻机以其对各种条件土层的适应性强、无挤压效应、噪声小、无振害、无泥浆、成孔速度快等优点，得到了广泛应用。但是，根据不同地质情况正确合理地运用钻进工艺，是保证旋挖钻机顺利施工的关键。本文结合某高速公路高架桥钻孔灌注桩施工，介绍旋挖钻机在不同地层中的应用技术，特别对旋挖钻机在深埋硬质岩层中的钻进工艺进行了详细研究。
1 工程概况
某高速公路高架桥里程K51+318~K52+060， 全长742m；孔跨布置为：15×30+(39.5+63+39.5)+5×30；上部结构类型为：预应力砼箱梁、连续箱梁，下部采用独柱式桥墩，桩基础。共有桩基147根直径1.8 m和2.0 m钻孔灌注桩，桩长63～74 m不等。
该地段存在的地层包括：（1）粉土，灰黄色，松散，饱和，厚层状，局部夹粉砂薄层，层厚12～17 m，容许承载力σ0＝110 kPa；（2）淤泥质粉质黏土，灰色，流塑，见云母碎屑，局部夹粉砂质薄层，层厚6～18 m，容许承载力σ0＝70 kPa；（3）粉质黏土，灰褐色，软塑，湿，夹粉土、粉砂薄层，层厚10～15 m，容许承载力σ0＝80～100 kPa；（4）圆砾层，灰色，密实，粒径0.5～2 cm，空隙填充中粗砂，层厚2～5 m，容许承载力σ0＝300～400 kPa；（5）强风化粉砂岩，青灰色，泥质结构，岩芯呈碎块状，层厚3～6 m，容许承载力σ0＝400～600 kPa；（6）中风化粉砂岩，青灰色，块状构造，岩质较硬，层厚15～30 m，容许承载力σ0＝1 300～1 500 kpa。
2 施工准备
2.1 研究分析工程地质
施工前对工程地质、水文情况进行研究，认真分析设计提供的地质勘察报告，对工程地质进行全面分析。对于地质硬度小于5 mPa以下的工程地质，分析时应了解水文地质结构参数等土性指标；对于岩性地质，需了解岩石的成因和种类，岩石颗粒的大小和形状、岩石构造及裂隙发育情况，胶结的性质及胶结形式等。
2.2 施工机械与设备配置
针对工程不同地质情况，对旋挖钻机的钻杆、钻具、斗齿、护筒、泥浆、清孔工具等施工机械与设备进行选择和优化。对于硬岩基层深埋下的嵌岩桩基施工，一台旋挖钻机至少要配置若干数量的不同规格和类 型的钻具、斗齿，以适应软土和硬岩基层的钻进。
2.3 技术参数设计
针对不同地质情况，优化钻进参数、质量控制措施等。如土壤切削、岩石钻削时加压方式、钻进扭矩、钻斗速度、进尺速度等控制指标。
2.4 钢护筒埋设
钢护筒采用12 mm厚钢板卷制而成，护筒内径比桩径大20 cm，护筒底应进入淤泥质黏土层，以免在粉土层引起护筒底塌孔，故本工程钢护筒长度采用12 m，用DZ60振动锤进行埋设，埋设过程中进行跟踪测量，以确保钢护筒的垂直度及平面偏位。
3 旋挖钻机施工
3.1 钻斗类型和选用
施工中根据不同地质情况，选用合适的钻斗和施工工艺。
在淤泥层、泥土、砂层、卵（漂）石层、风化岩层等较软地层钻进时，可采用回转钻斗，回转钻斗一般分单底钻斗、双底捞砂斗。
入硬岩基层时，需采用短螺旋钻斗、牙轮钻斗和嵌岩筒钻等钻斗。入岩旋挖钻机所用钻斗，通过合理布齿，使齿间相互为对方创造自由面，为高效入岩创造条件。从岩石破碎理论可知，自由面有利于岩石破碎，而自由面又要根据岩石硬度、脆性、分形维度和表面能综合考虑。对于相同地层使用同一钻进扭矩，采用不同的斗齿刃前角度，其钻进效率也是不同的。因此，选用合适的刃前角，才能提高进尺效率。对于硬度较小的第四层、强风化层，比钻较松软的地层时斗齿刃前角应稍大些，选取45°～65°；钻比较硬的地层时，斗齿刃前角稍小些，选取25°～45°。
根据岩性特性选择不同的钻斗。在脆性岩层钻进时，旋挖钻机选择截齿作为刀具，截齿在钻斗带动公转时自转，使截齿产生滑动，滑动的出现使岩石在剪切条件下碎岩。对于沉积岩等弹性基岩，则选择相应直径和齿数的嵌岩筒钻，以达到小截面做功而钻成大孔的目的。因此，对于硬岩基层，通过以上钻斗的交替配合钻进，再结合旋挖钻机先进的动静耦合加载模式控制技术，即可达到高效入岩的目的。
3.2 泥浆制备
根据旋挖成孔工艺，旋挖钻进时不易形成泥皮，护壁性相对较差，易缩径和塌孔。因此，在施工时，为防止坍孔，稳定孔内水位及便于挟带钻渣，通常采用澎润土、CNC羧甲基（纤维素钠盐）和纯碱（Na2CO3）制备泥浆。澎润土为泥浆的主要材料；CNC为泥浆增加黏性，具有使地基土表面形成薄膜而使之强化和降低失水率的作用，掺入量为膨润土的0.05％～0.1％；纯碱的作用可使pH值增大，使黏土颗粒进行分散，黏粒表面负电荷增加，为黏土吸收外界的正离子提供了条件，可增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水率，掺入量为孔中泥浆的0.1％～0.4％。
泥浆指标应根据工程地质具体情况进行合理配制，且泥浆应在高速搅浆筒中高速搅拌15 min，后放入泥浆池中24ｈ后才使用，新制备的泥浆由于未充分膨胀，护壁效果将大大降低。
3.3 不同地层施工
3.3.1 粉土层
由于粉土层均在钢护筒内，故可以采用双底捞砂钻斗快速钻进，在钻进过程中只需及时补充泥浆，保证泥浆液面高于护筒外河床1.5 m左右，因此钻进15 m深的粉土层只需1ｈ可完成。
3.3.2 淤泥质粉质黏土层淤泥质黏土层强度小，胶结性差，钻进容易，但由于护筒底进入该土层约2 m，如快速钻进则会引起护筒底渗漏及塌孔，因此在进入淤泥质黏土层时需减速慢进，控制钻斗提升速度、泥浆比重及水头。注意钻斗提升速度：因为旋挖钻机的自身造浆能力较差，泥浆质量较普通钻机要差得多；且满斗土粒的快速提升会形成活塞作用，出现孔内负压和较高的泥浆流速，容易产生塌孔。所以一般提升速度应严格控制在10～20 m／min，含砂土、软土的提升速度应小于10 m／min。
控制泥浆比重及水头：由于旋挖钻采用钻斗上下活塞式运动，钻斗下放和提出后，泥浆上下落差1.0～2.0 m，容易造成护筒之下的松散沙土遭受泥浆高速冲洗，护筒下方砂层被淘洗是导致护筒底塌孔的主要原因。因此，在出护筒底时，需慢速钻进，加大泥浆比重，该地层泥浆比重需在1.15～1.25 g/cm3之间，以形成较好的护壁。
3.3.3 圆砾层
圆砾层：灰色、密实、饱和，粒径以0.2～2.0 cm为主，含量为35％左右，卵石含量约30％，其余为黏性土，多为次圆状，岩性成分主要为中风化凝灰岩和石英砂岩，分选性较差，胶结较差。圆砾层由于地基承载力低，可用双底捞砂钻斗直接钻进，但圆砾层由于存在空隙，易出现跑浆现象，且在钻斗取土后易引起塌孔，因此，在钻进时泥浆比重需加大，泥浆液面适当加高，在空隙大的圆砾层中可适当回填部分黄土，慢速旋转钻斗，形成一定厚度的泥皮。
3.3.4 中风化粉砂岩层
该岩层由于强度高，入岩深度深，嵌岩深度达15～30 m，饱和强度达50 mPa，钻进困难，特别是旋挖钻机从国内施工的情况看基本不适合该岩层钻进。本工程为加快工程进度，必须采用旋挖钻机进行钻孔桩施工，故需选用合适的钻斗及钻进工艺至关重要。针对本深埋硬质岩层，经过不断的总结及试验，开发研究了深埋硬质岩层旋挖钻机施工工艺，为顺利完成钻孔桩施工提供了保障。
基于岩石破碎机理，成孔前，先采用小直径嵌岩筒钻（不取芯）钻进，对孔内岩芯圆周进行松动，增加岩层自由面，以降低其应力水平，使之有利于大直径筒钻进一步钻进，提高其工作效率。换用嵌岩短螺旋钻斗入岩，破碎岩芯以构造孔底自由面。换用大直径不取芯筒钻以进一步松动岩面，最后用嵌岩旋挖钻斗钻进取渣。重复上述步骤，旋挖钻进至设计标高。
在本工程地质中，在进入强风化钙质泥岩一定深度后，钻进困难先用0.8 m的筒钻取芯，再用螺旋钻破岩，在同一截面选取3个位置进行取芯、破岩，后用1.2 m捞砂钻钻进，每次钻进深度为0.5m；再用1.8 m的筒钻取芯，后用短螺旋钻破岩，再用1.8 m捞砂钻钻进，每次钻进深度为0.5 m；反复按上述步骤循环钻进至桩底设计标高，
如图1所示。
图1旋挖钻机入岩钻进工艺
3.4 清孔
达到终孔深度时，用清底钻斗清理孔底沉渣，然后停20～30 min，使泥浆中的悬浮物沉淀，再用钻斗捞出，完成第一次清孔，并用测绳测定成孔深度。下完钢筋笼后，进行二次清孔。大口径二清采用气举反循环。孔底沉渣厚度按设计要求控制，一般摩擦桩不得大于15 cm，端承桩孔底沉渣不得大于10 cm。
3.5 浇筑水下混凝土
混凝土通过搅拌运输车运至桩位处，灌注水下混凝土采用直升导管法，导管在使用前先对其进行预拼和充水试验，充水试验时的压力不小于灌注混凝土时导管壁可能承受的最大压力的1.5倍。经试验合格后在导管外壁进行编号，按编号顺序安装导管，并安装初灌斗。混凝土灌注时，在初灌斗颈部设置阀门，初灌斗灌满混凝土后开启阀门，混凝土与浮球下落挤出导管内的水，使混凝土顺利通过导管灌入桩底，并把导管下口埋在混凝土内，以保证后续浇筑混凝土的质量。再连续浇筑剩余混凝土完成整根桩基。
3.6 成桩检测
桩基混凝土浇筑完成后，及时清理桩顶浮浆，检查桩基声测管是否通畅，待桩基混凝土达到养生期后，进行超声波检测。所成桩孔孔深、孔径和孔斜度均在规范要求之内，钻孔检查验收均一次性通过，均为Ｉ类桩，合格率为100％。
4 结语
本工程充分利用旋挖钻机施工质量可靠、成孔速度快、成孔效率高、适应性强、移动方便等特点，很好地满足了不同地层桩基的施工要求，施工质量优良。尽管旋挖钻机一次性投入费用高，但适应性强，经济效益综合指标远大于其他钻机施工，是一种理想的施工工艺。同时，通过本次实践，可以得到以下结论。
旋挖钻机在不同地层钻进时，需结合各岩层的特性合理的选择钻斗、钻进工艺及钻速。
（2）泥浆比重及泥浆水头的控制是钻孔灌注桩施工的关键工序，且旋挖钻机成孔速度快，必须对泥浆比重进行严格的控制，在本工程岩层中泥浆比重需在1.15～1.25 g/cm3之间。
（3）对嵌岩深度深的硬质岩层，需筒钻、短螺旋钻及捞砂钻斗配合使用，先采用小直径嵌岩筒钻（不取芯）钻进，再换用嵌岩短螺旋钻斗入岩，破碎岩芯以构造孔底自由面，另换用大直径不取芯筒钻以进一步松动岩面，最后用嵌岩旋挖钻斗钻进取渣。
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