一、概述

 

　　在铁路、公路等工程的钻孔灌注桩施工中，旋挖钻机以其对各种条件土层适应性强、无挤压效应、无振害、噪音小、无泥浆、成孔速度快等优点，得到了广泛应用。对于一般粘性土、淤泥质土、填土及砂性土、卵石土、泥岩、砂岩等，旋挖钻机穿越能力强，成孔效果好。

 

　　卵石土地质主要以河道和地质淤积平原较常见，可分为沙卵、泥卵、纯卵三种地质，共同特点为施工对钻具磨损极严重、易塌落、易漏浆、难钻进等。埋藏较浅的卵石层，主要出现在河道河滩两侧，施工常见问题有下护筒困难，孔口易坍塌等。新建兴保铁路岚漪河特大桥桩基施工实践表明，在厚层砂卵石土地层施工大口径、深孔灌注桩，通过合理有效控制，采取得力措施，使用旋挖钻机亦能取得较快的成孔速度，并且施工质量能够得到保证，进一步展示了旋挖钻机施工的优越性和适应性。

 

　　二、工程概况

 

　　新建兴保铁路岚漪河特大桥位于山西省兴县瓦塘镇，全长1147m，跨越处位于黄土峁梁区，冲沟发育。岚漪河为黄河中游支流，主河道平均坡度8.95‰，河床糙率0.04。本线路桥梁与岚漪河水流方向夹角为73°，河床宽度约600m，两岸地形起伏较大，与河道高差约80～90m，主河道深度3～5m，宽70～140m，河流左右摆动很不稳定。本桥5～11#墩位于岚漪河河道内，主要地质为卵石土及砂岩，桥址平面见图1。

 

　　9#墩处于河道中部，地质情况依次为卵石层、粗圆砾土、砂岩，卵石最大粒径为20cm，所处深度：0～14m；卵石层对成孔影响较大，塌孔现象严重；周边自然环境简单，对施工影响小；水位较浅，位于地表以下4m左右；旋挖钻机成孔存在塌孔隐患。地质素描见图2。

 

　　三、工艺比选

 

　　由于我标段工期压力大，距离周边村庄较近，通过对以上成孔工艺进行研究比选，决定部分桩基采用旋挖钻机成孔。如何在卵石土地层中既经济又安全地进行桩基施工，成为一个值得研究的课题。通过比选，为加快施工进度，我部决定在8#～15#墩采用旋挖钻机成孔。

 

　　四、工艺原理

 

　　静态泥浆旋挖钻机施工是通过旋挖钻机的液压系统及自重给筒式钻头施加压力，钻头在负载条件下通过钻杆的旋转使其旋挖钻进，当筒式钻头盛满钻渣后，钻杆收缩，将筒式钻头提出孔外，打开筒式钻头底部封盖清除钻头内的钻渣。同时用泥浆泵向孔内注入泥浆，在孔壁快速形成一层薄膜以减小失水率，保持孔内的水头高度。旋挖钻机适用于粘性土、沙类土，含量较小的砾石、卵石层，软石层，强风化岩层、等地质情况，地势平坦的地理环境条件下作业。旋挖钻机工艺流程见图3，它具有以下特点：

 

　　a.就位灵活，对位准确，成孔垂直度高。

 

　　b.可利用护筒驱动器安放护筒，保证下护筒时速度快、偏差小、定位准确；

 

　　c.成孔速度快，对地层扰动小；

 

　　d.各项操作皆由电脑控制，故施工准确度高、安全度高、灵敏性强。

 

　　五、旋挖钻机成孔难点及对策

 

　　1、工程难点

 

　　旋挖钻机施工对地层的适应性较差，粒径超过0.3m卵石钻进困难，遇到较大粒径的卵石层或漂石较难适用。本工程特点主要是砂卵石层中机械成孔较为困难机械成孔特别是旋挖钻机成孔难度较大，主要存在以下影响：

 

　　a.卵石层对钻头磨损较大；

 

　　b.大粒径卵石影响旋转钻机施工，桩径为1.5m的旋挖钻施工、卵石粒径超过0.2m施工极为困难，粒径超过0.3m时必须将石块破碎方可钻进；

 

　　c.卵石层漏浆现象严重；

 

　　d.卵石层中容易塌孔。

 

　　2、塌孔原因分析

 

　　众所周知，泥浆比重调再大也护不住纯卵石层，因为泥浆的比重远不如卵石的比重大。尤其卵石层的厚度在15m以上时，就大大增加了施工中事故发生的风险，通过对本工程实际钻孔进行研究，总结了以下几点原因：

 

　　（1）钻进速度过快

 

　　原因分析：

 

　　a.旋挖钻机采用的是静态泥浆护壁，钻机钻进速度过快，有时会由于泥浆护壁不及时从而造成塌孔；

 

　　b.钻机钻进过程中进尺速度过快，出现泥浆进入孔内的方量小于挖出孔口的渣方量，造成孔内泥浆水头高度不足而导致坍孔；

 

　　c.钻机提钻出孔的过程中，提钻出渣时的速度过快，会出现孔内泥浆剧烈涌动，从而造成护简底部受到冲刷而导致护筒下沉最终坍孔；

 

　　d.钻进速度过快，有时受地质条件限制造成由于外运弃渣不及时，孔位周边土体压力过大造成塌孔。

 

　　控制措施：

 

　　a.钻机就位开钻前，根据孔的大小计算并配制足够数量的泥浆，以确保孔内泥浆水头高度.

 

　　b.在钻机开始钻进时应低速钻进，一般钻头切入土体的速度控制在20cm/min左右；待钻头进入护筒以下3m时，方可加速钻进，一般钻头切入土体的速度控制在30～50cm/min。

 

　　c.钻进过程中安排专人及时向孔内补浆，保持水头压力。遇较大卵石或漂石时换用小钻头进行破碎后再用1.5m钻头继续钻进。

 

　　d.在钻孔施工过程中，配备相应数量的运输设备外运弃渣，并保证道路畅通。在确保钻机施工进度的前提下，及时外运弃渣以减轻其对孔位周边土体造成的压力。

 

　　（2）泥浆指标不合格

 

　　原因分析：

 

　　a.泥浆比重过小造成塌孔。泥浆护壁的原理是通过增大泥浆比重从而增大泥浆对孔壁土体的压强而达到土体的压力平衡。如果泥浆比重太小，泥浆对孔壁产生的压强不足以支撑孔壁外界压力就会造成塌孔.

 

　　b.泥浆粘度指标过小造成塌孔。泥浆粘度指标是反映泥浆护壁能力大小的一个指标，泥浆指标大，则泥浆粘度高，形成的泥皮厚，护壁能力强，反之，则泥浆粘度低，形成的泥皮薄，护壁能力差。

 

　　控制措施：

 

　　a.为提高泥浆护壁质量，旋挖钻机成孔一般采用化学泥浆。化学泥浆调制的好坏是钻孔桩施工是否顺利的一个关键指标。因此，在旋挖施工中调制出良好泥浆各项性能指标，确保泥浆对孔壁的撑护作用。

 

　　b.考虑泥浆的重复利用，为保证泥浆质量，根据需要现场分别设置沉淀池，净浆池和造浆池以组成泥浆净化和循环系统。

 

　　c.当化学泥浆循环使用时，及时调整化学泥浆中各种原料的用量，使其各项指标满足钻孔化学泥浆护壁指标要求。

 

　　（3）护筒埋置不当

 

　　原因分析：

 

　　a.护筒埋置深度不够抗扰动能力差造成塌孔；

 

　　b.护筒埋置后护筒周围没有夯实，经水浸泡后造成孔口坍塌。

 

　　控制措施：

 

　　a.为了避免扰动对孔的影响，施工时，根据孔口地层地质情况确定适当的护筒长度，尽量使护筒穿透卵石层，若孔口卵石层过厚护筒长度不得低于5m，以减少因地表上振动能量传递到无护筒孔壁。

 

　　b.在开钻前检查护筒四周土是否密实，如四周土较为松软，可利用钻杆对护筒四周进行捣实.

 

　　（4）成孔后放置时间过长

 

　　原因分析：

 

　　放置时间过长孔内上部泥浆中的细粒物质沉淀，导致泥浆比重降低，形成清水孔，从而造成塌孔现象发生。

 

　　控制措施：

 

　　a.成孔后及时吊装钢筋笼，导管和灌注砼。成孔符合要求后，一次清孔彻底，以减少二次清孔的时间。

 

　　b.在成孔结束前，做好灌注的各项准备工作，减少灌注的辅助工作时间。

 

　　c.加快下导管的速度，可以在下导管前将两到三节导管连接好，减少下导管时的连接次数，减少下导管的时间。

 

　　d.清孔后及时灌注水下砼，灌注时要确保各道工序机具完好，准备工作充分，砼灌注要连续。

 

　　e.现场安排具有灌注经验的人员灌注，并配备足够的劳动力。

 

　　f.成孔后若来不及灌注时，必须循环孔内泥浆，避免泥浆沉淀。

 

　　六、施工情况

 

　　根据工程施工实际进展情况，及时总结了施工中出现的问题，本项目使用的旋挖机械，存在漏浆和塌孔等严重问题。旋挖钻机对地层扰动较小，只用护壁稳定液即可施工。在孔口一定距离内挖设4m×6m×1.5m的泥浆池及循环水沟，并采用清水加膨润土制备护壁稳定液，加强试验，择优选择配合比，加强质量控制。泥浆比重控制1.1～1.3之间。泥浆重量配合比：膨胀土：火碱：黄土：水约5：1：2.5：100。

 

　　钻孔过程中，前10m钻进速度较快，地层为卵石土及粗圆砾土，施工过程中无明显漏浆现象。进入砂岩后，钻进较为困难；从混凝土浇筑来情况看，超方较为严重，考虑超灌部分及扩孔系数，基本超出设计方量的20%～30%；从混凝土浇筑看，桩基塌孔现象较为严重。

 

　　在后续施工中，我们及时总结教训，进行技术攻关，采取加长护筒、增大泥浆比重及改进钻进工艺等方法来克服。如桩径1.5m、设计孔深在30m，上覆15m泥卵或沙卵层时，施工时除使用专用泥浆剂造浆外，还可取较干燥的黄粘土，用220型挖掘机向孔内倒黄粘土3～4铲，用旋挖钻机的钻头下到孔内反转，使黄粘土被钻头强行抹到孔壁上，钻头正转一圈，提钻2～3m，完后再往下挖40～50cm，反复进行，直至挖过卵石层，而后更换1.25m钻头，向下挖至孔底，再用1.5m的钻头扩孔直至成孔。采用这种工法的原因是：小直径的钻头对孔壁的冲涮量小，降低塌孔和灌注超方的可能。在后续施上中，旋挖钻机在辅以适当措施能够克服一定困难，使用旋挖钻机作业对施工进度及环境污染均有明显改善。

 

　　图4塌孔后埋设护筒

 

　　七、结语

 

　　通过本次施工，旋挖钻机施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔效率高、环保的优点。由于旋挖钻机所形成的孔壁较粗糙，增加了桩侧摩阻力，克服了冲击钻机桩侧摩阻力低、孔底沉渣多、泥浆管理差的缺点。尽管旋挖钻机一次性投资较高，但适应性强，最终的经济效益综合指标还是在可以接受的范围内的，旋挖钻机在本标段是一种理想的施工方法，在本项目成功地解决了旋挖钻机在卵石层中成孔难的一个技术难题，对于加快施工进度、保证桩基质量有积极的促进作用，为以后同类项目的施工提供了参考。

 

　　参考文献：

 

　　[1]刘伟.《旋挖钻机的发展及应用》[J].建筑机械化.2004（11）

 

　　[2]谢永德.《浅谈旋挖钻孔灌注桩桩基施工质量控制》[J].科技创新导报.2012（20）

 

　　[3]段军朝，熊艳.《旋挖钻机在超厚卵石层中的应用及质量预防措施探讨》[C].建筑机械.1001-554X（2010）11-0093-02

 

　　[4]徐随安，马友利.《旋挖钻在卵石、泥岩地质条件下钻孔灌注桩施工》[A].科技咨询导报.I673-0534（2007）03（a）-0082-02