浅谈旋挖钻机的施工应用及常见问题处理

2010-08-21戴振洋

山西建筑 2010年8期

戴振洋

1 工程概况

津(天津)秦(秦皇岛)铁路客运专线下邬蓟运河特大桥位于天津市汉沽区境内,该桥全长19 200 m,包括7联连续梁和559孔简支箱梁,基础设计均为C30高性能混凝土钻孔灌注桩,桩径分别为1.0 m,1.25 m和1.5 m,桩长60 m左右。该桥桩基共计6 962根,每个墩位桩基数量为8根～16根,成行列布置的群桩基础。本工程具有线路长、工程量大、工期紧、技术含量高的特点,是全线控制性工程之一。本桥经过地区主要是滨海冲海积平原,地形平坦开阔,地层分布由上至下为全新统杂填土、素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、黏土、粉砂及细砂,厚度大于30 m,基底欠稳固。地下水深6.4 m～12.3 m,第四系孔隙潜水。

2 钻孔设备

2.1 钻孔设备选择

为高速优质完成近7 000根钻孔桩施工,必须采用具有成孔速度快、施工效率高、施工质量好、移动灵活方便、使用循环泥浆少、对环境污染小等优点的较为先进的钻孔设备,传统的旋转或冲击钻机很难满足本工程的需要,而旋挖钻机恰好符合这个要求,并且旋挖钻机还特别适合于本工程较为松软的地层,所以钻机采用以旋挖钻机为主[1],旋转钻机为辅的施工方案。

2.2 采用旋挖钻机类型及主要技术参数[2]

本工程共投入了24台旋挖钻机,主要有中联重科研制的ZR200型钻机、北京经纬巨力生产的ZYR200型钻机、三一重工生产的SR系列钻机以及德国宝峨钻机等,其主要技术参数见表1。

表1 各种旋挖钻机主要技术参数

2.3 旋挖钻机成孔原理

各型旋挖钻机均为全液压履带自行式,主要结构大同小异,都是由主机、履带式底盘、钻架、钻杆、钻头、加压液压缸和主副卷扬等部分组成,并全部安装组合在履带式底盘上。其成孔原理是:在钻杆的扭矩作用和加压系统的合力作用下,让带有活门的桶式钻斗旋转进尺,在钻斗旋转过程中旋起的钻渣从钻斗下方的底口进入钻斗内,当钻斗内装满钻渣时,扭矩反力显著加大,并通过操作室内传感装置反映出来。随后在机组人员操作下,使钻杆反向旋转,由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土。如此循环反复,不断取土、卸土,直钻至设计深度。

2.4 旋挖钻机施工特点[3,4]

1)机械化程度高。旋挖钻机集机、电、液于一体,操作灵活方便,机械自动化程度高,施工现场可自行移动,自立桅杆,孔位对中方便,施工中采用的伸缩钻杆节省了人力和辅助时间,工效大增。另外,自身有起吊功能,在无吊车时,能自行完成钢筋笼吊装就位、吊接导管;施工后,又可将护筒及时拔出倒用。

2)钻进速度快。钻头直接从孔内提取岩土,成孔速度快,在土层和砂层的钻进速度可达10 m/h,在黏土层可达4 m/h～5 m/h,钻孔速度比普通回转钻机快2倍～3倍。

3)成孔质量好。旋挖钻孔施工中采用人工造浆护壁,泥浆性能好,成孔后孔底沉渣少,对桩底质量控制有保证;旋挖钻机对地层扰动小,所生成的孔壁泥皮薄,生成的孔壁相对于回转钻机施工生成的孔壁相对要粗糙,有利于保证设计桩基承载力。

4)环境污染小。旋挖钻孔施工中不需要进行泥浆循环,所掏出的土层利于整体堆放外运,施工现场整洁,浆体可以循环利用,施工产生的噪声低,对环境污染小。

5)施工局限性。旋挖钻机设备自身重大,施工场地要求平整开阔。适用于土层、砂层以及较松散的卵砾石层,在粉质黏土、黏质粉土等土层钻进效果最佳,而在硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层施工较为困难,钻头磨损大,成本高,与旋转钻机不同的静态护壁容易造成坍孔。

3 旋挖钻孔施工主要工艺

3.1 施工场地布置

施工场地根据现场地形情况进行合理安排,平整场地,修筑施工便道,水、电运输及机械设备材料要到位,泥浆排放、钻渣外运也要进行布置安排,必须全面满足施工要求。

3.2 钻机就位、护筒埋设

旋挖钻机底座场地应平整、夯实,确保在钻进过程中钻机不产生基础沉陷。钻机为自行式,就位方便。护筒埋设主要由人工、机械配合完成,利用旋挖钻机的动力头把护筒压入地面,护筒由厚度8 mm～16 mm钢板制成,护筒直径比桩基孔径大100 mm～150 mm,每节护筒长度1.5 m～3.0 m。护筒顶至少高出地面30 cm,同时要满足比地下水高出2 m的要求,以保证水头压力,并防止杂物、泥水流入孔内。

3.3 泥浆制备

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质量的关键。选用优质膨润土,加入纯碱等配制出高质量的复合泥浆,这种泥浆颗粒悬浮均匀、沉淀少、性能稳定,能满足钻孔要求。泥浆由拌浆机搅拌后存于泥浆池内,钻孔施工时随着孔深的增加向孔内及时、连续地补浆,维持护筒内应有的水头,防止孔壁坍塌。为了回收泥浆原料和减少环境污染,现场设置泥浆循环净化系统,在钻孔结束和灌注混凝土时,将泥浆排入固定的泥浆池中,循环净化后可重复利用。

3.4 钻孔施工

钻斗中心与桩位中心对正后,调整钻杆垂直度,将钻杆走行臂位置锁定,注入调制好的泥浆,然后进行钻孔。当钻头下降到预定深度后,旋转钻斗并施加压力,将土挤入钻斗内,仪表自动显示筒满时,钻斗底部关闭,提升钻斗将土卸于堆放地点。钻机施工过程中保证泥浆面始终不得低于护筒底部,保证孔壁稳定性。通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土和泥浆护壁,反复循环直至成孔。

钻进过程中配备专人清理钻头四周夹带的泥块,确保钻头下入孔底有泥浆通道使下钻顺利。由于钻孔速度快,为确保孔壁稳定不出现坍塌,由专人对地质情况进行复查并经常进行泥浆指标的测定,及时调整泥浆指标。

在开始钻进或穿过软硬层交界处时采用低速钻进,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。在钻孔过程中,应根据具体情况对钻杆进行竖直度检测,防止钻杆因不可控制因素而变动,影响成孔质量。

根据不同的地层选配不同的钻头钻进,在黏性土层选用长钻筒,在砂、卵石含量较高的地层可选用短钻筒,控制泥浆质量和钻速,对于含孤石、漂石和较硬岩石地层时,换用长、短螺旋钻头进行处理,松动后换钻筒继续钻进。

3.5 清孔

当钻进至设计高程时,终止钻进,钻头空转无进尺掏渣,同时向孔内注入经泥浆处理器处理过的泥浆,换出孔底沉渣及浓度较大的泥浆,直至泥浆各项指标、孔底沉渣等符合设计及规范、验标的要求为止,严禁采用加深孔底深度的方法来代替清孔。

3.6 安放钢筋笼、安装导管、灌注水下混凝土

与一般钻孔桩相同。需要指出的是,由于旋挖钻机成孔速度非常快,钢筋笼的制作、安装、水下混凝土的灌注能力等必须与之配套适应,否则,不能充分发挥该钻机的优势。

3.7 旋挖钻孔灌注桩施工工艺流程图

旋挖钻孔灌注桩的特别之处在于制备符合性能指标的泥浆,同时要及时补充泥浆。其主要工艺流程见图1。

4 施工过程中问题处理

4.1 埋钻原因及预防措施

引起埋钻的原因主要有以下几种:挖钻钻进时进尺太长或孔壁坍塌,造成钻头和钻杆埋入孔中;孔口塌陷或机械操作失误使孔口的钻头掉入;提钻时受阻或施工中钢丝绳拉断,造成钻头和钻杆埋入孔中;工作扭矩过大,造成钻杆断裂,连接销或提引器损坏造成的掉钻。

预防措施:控制钻进进尺长度,钻进过程中根据地层情况调整泥浆特性,确保孔壁稳定;将钻头等杂物远离孔口放置,护筒顶口周边夯实,封闭地表水;提钻时加强监视卷扬压力表,钻进时确保垂直度,提钻时发现压力突变时,及时调整方向;经常检查钢丝绳状况,勤更换;班组施工过程中对连接销、钻杆和提引器等设备勤做检查保养。

4.2 埋钻处理方法

发生掉钻事故后,要及时了解掉钻深度、钻头形式、地层情况、水位高低等情况,制定相应的处理方案。具体处理方法分以下几种[5,6]:钻头上焊有打捞环的,可以下打捞钩将钻头捞出;如果是钢丝绳拉断引起的,钻杆外还有残留钢丝绳,则重新连接钢丝绳,若没有残留钢丝绳,则用两台吊机结合副卷扬交叉拔起钻杆和钻头;若钻头掉入孔中较深的位置且与孔壁卡紧,先采取措施扩孔,再下长护筒护壁进行打捞。