旋挖钻机

旋挖钻在钻孔灌注桩中的应用

摘要：随着高速公路事业的迅猛发展，在高速公路设计中桥梁比重也日益增大。本文以辽宁省阜盘高速公路北延伸线规划区高架桥的桩基施工为例，从旋挖钻孔的工作原理、特点，旋挖钻头的类型、应用等各方面阐述旋挖钻在钻孔灌注桩中的应用。

关键字：旋挖钻，灌注桩，高速公路桥梁，施工

1、引言

阜新至盘锦高速公路北延伸线地处辽宁省西北部的阜新市境内，线路起于阜新市南部规划的南环路上，在建的阜新至盘锦高速公路起点处。向北呈弧形穿越阜新市西部，终点与铁岭至朝阳高速公路相交叉形成阜新镇枢纽互通立交。

阜新至盘锦高速公路北延伸线，实际上是阜新至盘锦高速公路的一部分，是阜新至盘锦高速公路延续，是对阜新至盘锦高速公路补充和完善。将目前已开工建设阜新至盘锦高速公路向北延伸与铁朝高速相交，完成辽宁省各条高速公路联网和高速公路网络内部和内部闭合及无缝连接。

以阜新至盘锦高速公路北延伸线项目路基工程施工第四合同段为例，该标段全部为桥梁工程，为规划区高架桥第38～54联。该标段起点里程为K6+717.5，终点里程为K8+765.281，本标段桥梁中心桩号为K7+763.5，桥梁设计角度为90°。本标段桥墩台共计134个。桩基228根，桩基直径分别为2m、1.6m、1.2m，均为支撑桩。桩长最深为23米。设计要求桩尖入微风化页岩大于6米。

地质条件

本项目所经主要地层为中朝准地台上，经历了多次构造运动，地质构造变形强烈，但地壳整体基本稳定。地层主要为第四系冲洪积粉土、粉质粘土、粉质粘土混碎石、砾石、中砂、角砾、细砂、粗砂、碎石、素填土、杂粘土、砾岩、页岩、煤层等。

2．旋挖钻孔的工作原理及特点

2.1旋挖钻孔的工作原理

旋挖钻孔首先转动底门镶嵌斗齿的钻斗切削岩土，并将岩土装入钻斗内，然后由利用钻机卷扬机以及伸缩钻杆提出卸土，如此循环往复，不断削土、取土、卸土，直至钻至设计深度为止。对粘结性较好的岩土层，可采用干式钻进工艺，不需泥浆护壁。而对于松散易坍塌土层，或有地下水存在导致孔壁不稳定时，必须泥浆护壁钻进工艺。

2.2旋挖钻孔的特点

①成孔速度快、效率高，可有效保证施工进度。施工时提钻以及换钻的时间短，平均钻进速度可达到5～8m／h。

②孔壁不产生泥皮。在成孔过程中孔壁受到钻斗的刮擦，在钻孔壁上形成明显的螺旋线，这加大了桩基成型后的摩擦力。

③钻机安装拆卸简单。钻机能自身行走，移位就位都较快，在施工场地能快捷到达指定地点。

④机械化程度高。钻机设备性能较好，电脑能精确定位钻孔坐标及显示钻孔垂直度和钻孔深度，成孔质量高。

⑤对施工现场污染小。旋挖钻既可干式钻进作业，亦可在水中钻孔，孔内沉渣较少，施工现场整洁，噪声低，并对施工环境的适应能力强。

3. 旋挖钻头的类型及应用

3.1旋挖钻头的类型

在灌注桩施工过程中，选用合适的钻头对减少钻头消耗、提高成孔速度和质量、节约能源以及提高施工效率都起着至关重要的作用。旋挖钻头实际上是个盛土的筒式容器，只是在下侧焊接切削土层的刀片。在施工中遇到硬岩基层以及卵砾石层等复杂地层时，应根据不同地质情况选用合适的钻头。钻头的类型有很多，常用的钻头可分为两大类：回转钻头，包括单底土斗和双底捞砂斗；嵌岩钻头，包括短螺旋钻头、嵌岩筒钻和牙轮钻头。

3.2旋挖钻头的应用

施工时要求钻头具有一定的刚度，在钻进过程中，钻头不产生移动或摇晃，其安装应符合生产厂家标准。在施工前，应详细勘察施工处的地质情况，并根据具体岩层合理选用钻头。回转钻头主要用于处于地下水位以上的粘性土、粉土、中等密实砂土、填土以及全风化岩层；岩心回转斗主要用于风化岩层以及有裂纹的岩石；嵌岩螺旋钻头主要用于碎石土、中等硬度岩石及半风化岩层。对于一般土层，可配用摩擦钻杆和回转钻头；而对于坚硬岩层，可选用岩心回转斗、嵌岩

钻头等。

4. 旋挖钻在钻孔灌注桩中的应用

.1工艺流程

灌注桩是一项施工工序多、质量要求高、施工时间短、精度要求高、工作不间断的地下隐蔽工程。要保证灌注桩的质量，就必须在施工前根据相应的地质情况，合理安排施工流程，以便指挥现场施工。

旋挖钻在钻孔灌注桩中的具体施工工艺流程如下图所示：

4.2施工准备

①、测量放样

A、开孔前，桩位应定位准确，在桩位外设置定位龙门桩。

B、桩位轴线采取在地面设十字控制网和基准点。钻机就位时，确保垂直度偏差不大于1%。

②、钢护筒的加工与埋设

A、钢护筒的制作

钢护筒分节加工，钢护筒采用1厘米厚钢板加工而成，顶部和底部各1m范围作加强箍。每节护筒连接采用坡口焊，以减少护筒振埋时的阻力。钢护筒运至施工现场后，相关人员须对钢护筒的直径、圆度和焊接质量进行验收，验收合格后方可进行施工。

B、钢护筒埋设

钻机就位后，在测量和施工人员的指导下，钻尖对准桩位中心，钻机旋挖至一定深度取出土后下放护筒。钢护筒埋置深度以能隔开流塑状地层为主要原则，本工程护筒埋深3米，根据现场情况护筒应高出地面30cm左右为宜，护筒埋设完成后测量护筒顶标高。

4.3成孔作业

①、场地平整及钻机就位

通过自身履带爬行至需钻桩位，由机械自身电脑控制进行钻机桅杆与机身水平和垂直调整。液压多功能旋挖钻机就位时与平面最大倾角不超过4°，现场地面承载能力大于250kN/m2，所以钻机平台处必需碾压密实。

进行桩位放样，将钻机行驶到要施工的孔位，调整桅杆角度，操作卷扬机，将钻头中心与钻孔中心对准，并放入孔内，调整钻机垂直度参数，使钻杆垂直，同时稍微提升钻具，确保钻头环刀自由浮动孔内。

②、钻进

在钻进过程中，采用连续性筒式取土钻进成孔。操作人员随时观察钻杆是否垂直，并通过深度计数器控制钻孔深度。当旋挖斗钻头顺时针旋转钻进时，底板的切削板和筒体翻板的后边对齐。钻屑进入筒体，装满一斗后，钻头逆时针旋转，底板由定位块定位并封死底部的开口，之后，提升钻头到地面卸土。开始钻进时采用低速钻进，主卷扬机钢丝绳承担不低于钻杆、钻具重量之和的20%，以保证孔位不产

生偏差。钻进护筒以下3m可以采用高速钻进，钻进速度与压力有关，采用钻头与钻杆自重摩擦加压，150MPa压力下，进尺速度为20cm/min；200MPa压力下，进尺速度为30cm/min；260MPa压力下，进尺速度为50cm/min。

③、泥浆配制

泥浆采用膨润土、火碱以及纤维素混合而制，在泥浆池中用搅浆机将泥浆搅拌好后，泵入孔内，旋挖钻均匀缓慢钻进，这样既钻进又起到泥浆护壁的作用。钻进时掌握好进尺速度，随时注意观察孔内情况，及时补加泥浆保持液面高度。泥浆制备应注意两个方面：一是泥浆的指标问题，其比重一般应控制在1.05～1.2之间，粘度控制在17～20s，砂率控制在4%以内。常用的泥浆材料，一般使用优质澎润土加烧碱、聚丙稀酰胺或纤维素等配置；二是补浆的速度，泥浆补充一般采用泵送方式，其速度以保证液面始终在护筒面以上为标准，否则有可能造成塌孔，影响成孔质量。

④、清孔、验孔

清孔是保证灌注桩质量的重要环节，通过清孔能确保桩孔的质

量、孔底沉渣厚度、孔壁泥垢以及循环液中含渣量等符合桩孔要求。当钻孔达到设计孔深后，应将钻斗留在设计深度处机械旋转数圈，尽量将孔底沉渣装入斗内。起钻后仍需对孔底沉渣进行再次清理，一般利用沉渣处理钻斗排出沉渣，若沉淀时间长，则采用水泵进行浊水循环。要求沉碴厚度不大于5cm。在灌注水下混凝土前，用高压水吹底翻渣，进一步减少桩底沉碴厚度。

清孔过程中及时测定进、出浆口的泥浆指标。终孔后移去钻机，按设计要求的孔底标高检查孔深，孔深偏差不短于设计深度，超钻深度不大于50cm；孔径用检孔器测量，若出现缩径现象应进行扫孔，符合要求后方可进行下道工序。

⑤、钻孔异常处理

A、坍孔处理

钻孔过程中发生坍孔后，要查明原因进行分析处理，可采用加深埋护筒等措施后继续钻进。根据现场情况也可在泥浆中加入大量的干锯末，同时增大泥浆比重（控制在1.15～1.4之间），改善其孔壁结构。钻头每次进入液面时，速度要非常缓慢，等钻头完全进入浆液后，再匀速下到孔底，每次提钻速度控制在0.3～0.5m/s。坍孔严重时，应回填重新钻孔。

B、缩孔处理

钻孔发生弯孔缩孔时，一般可将钻头提到偏孔处进行反复扫孔，直到钻孔正直，如发生严重弯孔和探头石时，应采用小片石或卵石与黏土混合物，回填到偏孔处，待填料沉实后再钻孔纠偏。

4.4吊装钢筋笼

旋挖钻孔灌注桩的显著特点就是成孔快，且成孔后孔底沉渣少。因此在钢筋笼制作和安装时应当采取合理措施，避免安装钢筋笼时刮伤孔壁，这样可以大大降低沉渣厚度，并有效防止塌孔的发生。这就要求严格控制钢筋笼的制作质量，重点是控制钢筋笼外径和直线度，且主筋搭接以及纵横筋交叉点的焊接质量必须满足要求，要做到同一根主筋不得有两处驳接接头，同区段内接头数不超过钢筋总数的50％。在制作钢筋笼过程中，要有足够的混凝土垫块保护层厚度，这样既可避免钢筋笼在安装时碰撞孔壁，又可保证混凝土保护层厚度均匀以及钢筋笼在灌注桩体内的位置正确。由于本工程桩长较短，因此，采用地面一次焊接成型，钢筋笼的吊装应采用3点起吊，并保持笼轴线重合，钢筋笼要缓慢落入桩孔就位。

4.5灌注混凝土

在混凝土浇筑前，应按照具体情况拟定浇筑计划，并根据导管布置以及混凝土浇灌量，确定导管与混凝土高度上升量的关系，预先拟定好泵送混凝土量以及拔出导管的时间，保证钢筋笼在灌注过程中不出现上浮和下沉的现象。混凝土开始浇筑后，应保证混凝土连续灌注，随着桩中混凝土不断上升，做好灌注记录，并缓慢将导管向上提升。在浇筑过程中禁止将导管拔出混凝土面，并保持导管做幅度为30cm 的上下运动，且不宜过剧。浇筑过程中要根据规范要求，对混凝土进行超声波检查，以保证灌注桩的抗压强度满足规范要求。

5. 本工程采取的方案

本工程桥梁桩基地质情况复杂，经过勘察得知该处土层依次为粘土、砂砾、细砂、页岩。该处地质条件较差。根据本工程具体情况，在进行桩基施工时采用旋挖钻机开挖灌注桩孔。在粘土、砂砾、细砂层采用摩擦钻杆和回转钻头。在页岩层钻进时，采用岩心回转斗、嵌岩钻头，并针对其具体的地层情况制定不同的斗齿焊接角度。在本次施工中，页岩层岩石坚硬，因此，钻斗的筒体和底板采用强度高、耐磨好的合金Mn板制作。并且，采用了小岩心回转斗钻进，后用大岩心回转斗扩孔，本工程在施工过程中，钻孔中在砂层钻进时出现塌孔现象，针对这个状况，在钻进时，发现砂层时采用护筒跟进，通过砂层后，停止护筒跟进，通过这个方法很好的解决了这一现象，使得施工能够正常进行。

6. 结论

近年来，灌注桩在我国高速公路桥梁桩基中的应用越来越普遍，其整个施工过程都是隐蔽的，每道施工工序都必须从严要求，其中任何一道工序出现问题都会带来严重的后果。旋挖钻孔克服了机械成孔时孔底沉渣较多，桩侧摩阻力小，泥浆管理差的缺点，以其成孔速度快、效率高、适应强、污染小的优点成为了灌注桩成孔设备中的佼佼者，越来越受到同行的认可，是一种理想的施工工艺。