旋挖钻机在不良地质地带钻孔灌注桩施工中的关键技术

来源:高速铁路与轨道交通
关键字:旋挖钻机,钻孔桩
发布时间:2015-10-14 09:18

　　摘要：旋挖钻机具有移位便捷、成孔速度快、施工质量好、施工噪音小等特点，采用旋挖钻机进行钻孔灌注桩成孔在近年来被广泛推广。本文结合武咸城际铁路石月湾特大桥工程实例，简要介绍了旋挖钻机施工桥梁钻孔灌注桩的技术特点、工作原理、适用范围及其工艺方法和施工要点。通过与其他钻孔机械成孔形式的比较，分析了旋挖钻机施工钻孔桩的效果及应用价值。

　　【关键词】：旋挖钻机；原理；钻孔桩；效果【分类号】：U445.31

　　1 工程简介

　　武咸城际铁路是武汉城市圈内一条连接武汉和咸宁的快速城际铁路。该铁路位于湖北省南部，北连“九省通衢”武汉，南接鄂南著名的生态城市咸宁，自武汉枢纽武昌站引出，途经东湖新技术开发区、庙山经济开发区、江夏区纸坊镇、于贺胜进入咸宁市境内。全线运营长度90.12公里，设计时速200公里/小时。武咸城际铁路石月湾特大桥，桥长1200米，是全线控制工期的重点工程。本桥桩基为直径1.25米钻孔灌注桩，桩长最长56米、最短33米，载力形式为摩擦桩。全桥桩基共计232根，总延长米9280米。全桥桩基处于不良地质地带，从地表向下分别为沙层、粉细沙层、湿陷性黏土层、黏土层、卵石层，钻孔时极其容易塌孔，成桩比较困难，按照总工期要求，桩基必须在两个月内完成。为了保证工程质量并按照工期要求完成钻孔桩施工，经研究论证，采取旋挖钻孔成桩工艺。

　　2 旋挖钻机工作原理

　　旋挖钻机又称钻斗钻，它是利用钻杆和钻头的旋转及重力使土屑进入钻斗，土屑装满钻斗后，提升钻斗出土。这样，通过钻斗的旋转、削土、提升和出土，多次反复而成孔。

　　3 旋挖钻机特点及技术指标

　　旋挖钻机常为履带式全液压自行式钻机，由操作系统、动力系统、行走系统、钻进系统组成。其操作系统为全自动智能型，电脑控制、液压传动，能自动液压锁杆，配备常式刹车装置，电子深度计数器，电子倾斜仪，自动垂直调节系统等。

　　动力系统由柴油机提供钻进、行走动力。履带式行走系统，其履带间距可调整，最大间距可达4.3米。钻进系统由钻头和钻杆组成，钻头由螺旋钻和掏渣桶组成。钻杆采用轴芯片带动钻头旋转传递钻头钻进所需压力和扭矩。另外，钻机还配有竖向及横向调平系统，确保成孔的垂直度，并能随时显示钻孔的深度，方便掌握钻孔的状况。

　　可适用包括杂填土层、黏土层、粉土层、淤泥层、沙土层、弱风化岩层及含有部分卵石或碎石的地层。对于地质较好或长秒年冻土地区，可采取干挖形式，不需护壁。钻头形式多样，有20多种，可根据不同的地质情况采用不同形式的钻头。是目前国际工程界特别是基础工程领域比较通用的先进钻孔设备之一。以德国产BG18旋挖钻机为例，介绍其主要技术指标，见下表一：

　　4 方案实施

　　4.1 施工准备

　　将便道引至桩位附近，清除杂物，整平场地，采用全站仪利用坐标法放出桩位中心，并在中心桩附近适当位置，在纵横方向各设置两排保护桩。配制钻孔泥浆：旋挖钻机主要采用优质化学泥浆护壁，主要材料为：膨润土粉、纯碱（碳酸钠）、纤维素、水。一般重量配和比为水：膨润土：纤维素：碳酸钠=1：0.1：0.00095：0.022。

　　配制顺序：水、膨润土粉、碳酸钠、纤维素。泥浆指标见表二。

　　4.2 施工顺序及工艺流程

　　1旋挖钻机就位；2钻头或短螺旋钻开孔；3提钻、埋设孔口护筒；4向孔内注入稳定液（泥浆）；5开始钻进；6钻孔完毕后，将钻斗加装挡砂板，排除井孔的沉渣，并测定沉渣；7进行孔深、沉渣厚度、粘度、密度检测，检测合格后进行二次清孔，合格后下放钢筋笼和导管；8下放钢筋笼和导管后，测定孔底沉渣厚度，若沉渣厚度超标，用泵吸法进行二次清孔；9灌注水下混凝土；10拔出导向护筒。

　　4.3 主要施工方法及要点

　　4.3.1 埋设护筒

　　准确测设桩位，并在中心桩位周围埋设护桩，依据护筒直径挖至地面以下0.5-1.0米，采用人工配合旋挖钻机埋设，确保护筒位置的准确及稳定，护筒的顶端高出地面50㎝。在护筒周围对称、均匀的回填粘土，分层夯实，就位后再次校对桩中心位置。

　　4.3.2 钻机就位

　　钻进前先调整钻机的水平、垂直仪，使气泡居中，然后伸缩钻杆，使钻头底部导向尖对准桩位中心，钻头自然放松，根据护桩到钻头外壁的距离进行对位校核，严格控制孔位偏差在允许误差范围内。

　　4.3.3 钻孔

　　钻进时，缓慢旋转放下钻杆，当进尺在护筒顶以下2米深度，进行孔内注浆，以防止钻进过深影响钻孔质量，在钻进过程中及时向孔内补充泥浆，泥浆面确保低于原地面约20厘米左右，以维护孔壁稳定，同时保证文明施工，不致泥浆外溢。

　　4.3.4 特殊地质钻进

　　遇到砂层时，由于泥浆在使用过程中不断受到污染，致使含砂率增大，泥浆指标不易控制，因此在钻进过程中要经常检测各项泥浆指标，及时补充性能指标合格的泥浆，以防止坍孔。适当调整泥浆配比，增加纤维素，增强泥浆的附着能力，同时要变档换速，利用液压缩进装置加压，要求轻压慢转，这样能维护孔壁稳定减少钻头的磨损。每钻进3-5回次后应调整一次水平、垂直一次，使气泡居中，能有效保证成孔质量。

　　钻至砂砾石层，为保证孔壁稳定性可事先向孔内投入适量粘土球；下入孔内的钻斗，装闭合阀板，以防提钻时砂砾石从低部漏落。

　　4.3.5 施工要点

　　根据地层正确选择钻斗类型结构，软土层选择楔形齿、小切削角、小刃角、齿宽梢大；硬土层（包括砂层、砾石层、软岩层等）则选用较大切削角、较窄的弯曲齿套；粘土层的齿间距宜大些，以免“糊钻”。钻进过程中要经常检查钻斗，尤其在中粗砂较密和砾石层，更要加大检查力度及频率，对于磨损较严重的钻点要及时更换，以确保钻孔孔径。

　　钻斗升降速度的控制：钻斗在孔内提升过程中泥浆在孔壁和钻斗之间流动，若升降速度过大，则泥浆流动将加大对孔壁的冲刷，容易造成孔壁坍塌，因此需要控制钻斗在空中的提升速度。在试桩过程中按规范、手册要求进行操作，并根据工程的地质情况，一般情况下的各种钻进参数见下表三。

　　当钻至离桩底设计标高约2-3米时，技术人员要及时验孔，孔深控制在以测绳测出的周边四点平均值为准，钻进至设计孔深时，钻斗底部加装挡砂板，捞取残存散落的原状土及砂。终孔后，检测泥浆各项指标，及时下放钢筋笼和导管。在灌注水下混凝土前，检测孔底沉渣厚度，若沉渣厚度超标，用泵吸法将孔底沉渣抽出。

　　成孔检测：探孔器用外径等于钻孔桩直径、长度等于桩径的4~6倍的钢筋检孔器，吊入钻孔内检测，检测结果应报请监理工程师复查，得到监理工程师同意后采用换浆法清孔，清孔时，保持孔内水位在地下水位或河流水位以上1.0~1.5米，防止坍孔。清孔后，以开口铁盒提取孔内不同部位的泥浆进行检测，孔内沉淀指标达到规范和设计规定标准。检测合格后，吊放钢筋笼，灌注水下混凝土。

　　5 效果比较

　　5.1 工期效果

　　采用旋挖钻机施工钻孔桩的方法，其优势明显：成孔快、施工效率高。相同条件下，它的效率是回旋钻机的3-5倍，是冲击钻机的4-8倍。本工程计划工期两个月，采用旋挖钻机只用一个月就完成了施工任务，工期缩短一个月。

　　5.2 经济效果

　　由于旋挖钻机施工时使用油料作为动力源料，节省电能，与其它型号钻机相比，虽然耗油量大，但工期短，从整体资源消耗比较，成本费用低，节约能源。同时护壁泥浆回收利用率高，施工经济。本工程计划采用回旋钻机，施工计划费用280万元（不含材料费），实际费用240万元，节约成本14.3%。

　　5.3 技术质量效果

　　旋挖钻机施工技术，自动化程度强，操作简单，成孔质量好。本工程采用旋挖钻机施工，桩基检测Ⅰ类桩达到98%，无Ⅲ类桩。工程质量优良，受到建设单位和监理单位好评。

　　5.4 环保效果

　　旋挖钻机施工钻孔桩挖出的土能及时清出场地，泥浆循环系统设置简单，场地占用小，无污染，较其它钻孔形式环保。

　　参考文献：

　　[1]祝景寰；BG系列旋挖钻机钻孔桩施工技术[J]；铁道建筑技术；2004年04期34-35页

　　[2]王波；武广客运专线（DK1294+900.78-DK1295+216.27）段钻孔桩旋挖施工技术[J]；科技资讯；2008年17期21-22页