旋挖钻进技术在硬岩层围护桩施工中的应用

2012-06-21樊延祥

城市轨道交通研究 2012年5期

樊延祥

（中铁十九局集团第五工程有限公司，116100，大连／／高级工程师）

1 工程概况

1.1 总体概况

宁夏路站是青岛地铁3号线五标明挖车站。为地下双层双跨矩形框架结构，为标准岛式站台车站，车站全长154.75m，车站站台中心里程为K9＋431.479，顶板覆土3.3m，底板埋深16.45m左右，标准段宽度18.8m，设备用房外挂段结构净宽44.6 m。车站主体采用明挖顺作法施工，基坑采用钻孔灌注桩＋钢支撑复合支护措施，钻孔灌注桩采用φ800＠400灌注桩，桩长为19～21m，混凝土为C30。

1.2 地层概况

宁夏路车站主体结构施工范围内第四系上部土层为人工填土（素、杂）、粉质黏土，下伏基岩为燕山期花岗岩，主要为燕山晚期（γ53）侵入花岗岩为主，部分燕山晚期侵入脉岩，岩性为煌斑岩，呈脉状穿插其间，于不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩。强风化带风化厚度较大，中、微风化岩面起伏较大，依次为强风化花岗岩上亚带、强风化花岗岩中亚带、强风化花岗岩下亚带、中风化花岗岩和微风化花岗岩（见表1）。

表1 岩石厚度统计表

2 施工方法

2.1 成孔设备的选型

根据车站围护结构、硬岩地层、地下水和周边环境条件，通过对硬岩地层成孔工艺的钻进难度、安全风险、设备资源、工效、成本等方面进行比选分析，推荐采用旋挖钻机或MZ系列摇动式全套管钻机作为成孔设备。由于MZ系列摇动式全套管钻机成孔成本高、设备资源较少，最终决定采用旋挖钻机作为成孔设备进行围护桩施工。

2.2 施工流程

旋挖钻机在硬岩地层成孔的基本流程为：桩位放样，埋设钢护筒，旋挖钻机初步就位，然后在技术人员的指挥下进一步调整钻机垂直度，并使钻头中心与桩孔位中心重合，桩机定位要准确、水平、垂直、稳固，钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持同一直线，启动泥浆泵向护筒内补充优质泥浆，钻头入孔开始钻进，钻进过程中适时补充孔内的泥浆，转动钻杆桅杆，将取出的渣土弃于孔外，然后由挖机集中清理堆放。本工程围护桩均采用泥浆护壁。

2.3 施工过程控制

钻机施工前，必须对钻头直径、钻头磨损情况以及护筒直径进行检查，施工过程中设专职管理人员对钻机钻进施工进行记录，包括钻进深度、地质情况、施工中出现的问题（如漏浆、塌孔）、机械设备状况等。记录必须认真、及时、准确、清晰，能为下一步施工提出指导性建议。

旋挖钻机配备电子控制系统显示并调整钻杆的垂直度，同时在钻杆的两个侧面均设有垂直度仪，在钻进的过程中有专人负责观察两个垂直度仪，同时在平行于基坑一侧设置测量仪器，由测量人员负责校核钻杆垂直度，随时指挥机手调整钻杆垂直度。通过电子控制和人工观察两个方面来确保钻杆垂直度，从根本上保证了围护桩成孔的垂直度。

旋挖钻进是一个短进尺、多回次的重复循环过程，旋挖钻机在硬岩地层相对于软岩地层有回次进尺短、回次时间长的特点，钻头随着钻入岩层的深度及地层的变化，回转阻力有增加；由于旋挖钻机传动系统中液力变矩器的作用，随回转阻力增大其转速降低，内外钻杆传递扭矩的槽、键接触面上的压力也随之增大，这时操纵加压油缸对钻杆柱加压，其压力可传到钻头，增大钻头切入深度；钻进负荷随之增大，转速进一步降低，在很短时间内是切入深度回转阻力矩逐渐增大，负载和转速在很大范围内波动的钻进过程，这也是旋挖钻机钻进的显著特点。当钻进至进尺困难的硬岩时，在负荷增大到一定程度后，操纵加压液压缸，通过动力头对钻杆柱短时间加压，加压操作可视情况，重复进行1～2次，当加压后钻头切入量也很小甚至不切入时，应立即提钻，故钻进过程中，操作手应密切注视工作舱内的压力、转速仪表以及钻进负荷变化情况，适时加压、提钻。

钻进过程中当钻进深度从软岩层变化至硬岩层时，要减速慢进，防止地层变化处出现扩孔现象。

3 旋挖钻机成孔施工分析

3.1 大功率钻机施工效率较高

基坑围护桩分别采用两台钻机施工，型号分别为XLG180型以及SANY SR200型，根据现场施工情况以及施工记录统计结果分析（见表2），在成孔过程中扭矩小的XLG180型钻机（最大输出扭矩＝178kN·m）与扭矩大的SANY SR200型（最大输出扭矩＝200kN·m）相比，成孔时间平均长0.5～1h，在硬岩地层范围钻头进尺的时间普遍较长，在硬岩地层中成孔时应尽量选择大功率钻机进行钻孔作业施工，成孔时间和质量都可以得到保障。

表2 不同功率钻机成孔时间表

3.2 不同地层旋挖钻头的选用

围护桩成孔过程中共采用了3种旋挖钻头，针对宁夏路站特殊地质情况3种钻头均能发挥不同的工效（见图1）。

图1 旋挖钻头类型照片

耐磨合金钢铲式斗齿旋挖钻头在现场施工中主要使用于埋深0～11、12m土层，因为此范围土层基本为回填土层和强风化岩层，所以成孔施工进尺较快，钻进至中风化石层时，由于其铲式斗齿不具备切削、压碎岩石功能，必须更换耐磨合金子弹头截齿旋挖钻斗继续钻进，耐磨合金子弹头截齿可将大块岩石切削、碾碎成可进入钻斗的小块；由于本地层岩石抗压强度较大对钻头的磨损情况非常严重（成孔一根桩平均需要更换3～4个合金子弹头截齿（见图2），而耐磨合金子弹头截齿装配、更换比较容易，为施工提供了便利；耐磨合金子弹头截齿螺旋钻头主要使用于旋挖钻头进尺困难、岩石块径较大且抗压强度非常高的硬岩地层，当旋挖钻头每回次进尺的切入量非常小时，就需要更换螺旋钻头，由于螺旋钻头的回转阻力小，可将孔下堆积在一起的大粒径石块搅散并利用螺旋钻头的叶片及叶片间隙部位将大块石卡住提出，螺旋钻头的使用频率不高，每孔1～2m可能使用螺旋钻头一次。

施工过程中通过对比发现，耐磨合金钢铲式斗齿旋挖钻头在硬岩层施工进尺速度比耐磨合金子弹头截齿旋挖钻头并没有显著的提高，而铲式斗齿磨损后更换比较困难，而且磨损的速度较快，故后期施工一直采用耐磨合金子弹头截齿旋挖钻头作为旋挖钻机的主要成孔钻头。

图2 钻头使用情况照片

3.3 施工质量好

普通钻机的机架和钻杆都比较单薄，旋挖钻机的钻杆比普通钻机粗很多，机架稳固，且旋挖钻机有自动侧斜装置，钻塔垂直度及钻孔深度均有仪表显示，钻机底盘可伸缩并可自动整平，因此钻进时非常稳定，可随时监视并调整钻孔的垂直度，能有效地保证钻孔垂直度。

围护桩施工完毕后，取主体结构基坑北侧东西端的围护桩作为研究总结对象，对宁夏路站围护桩施工进行总结。主要统计了40根围护桩的顶部、底部偏移量，并选取了7根桩对桩身偏移量进行了详细统计。根据桩顶、桩底的偏移量统计结果以及土方开挖后桩体实际剔凿情况得出，桩身垂直度施工时整体控制得较好，有个别桩桩体倾斜较大，统计得出桩体倾斜度平均为1.62cm（约1‰，规范要求不大于3‰），根据桩身偏移量的统计结果发现，桩位中心均仅有1～2cm的误差（规范要求允许偏差为：顺轴线方向±50mm，垂直轴线方向＋30－0mm）。

根据统计结果分析得出，围护桩施工过程中施工人员对旋挖钻机钻头就位、钻杆垂直度围护桩桩体尺寸（桩径）控制措施到位，成桩后质量较好，土体开挖后围护桩剔凿量较小，为下一道施工工序节省了时间提高了施工效率。

3.4 适应性强及环保性好

旋挖钻机是一种适合建筑基础工程成孔作业的桩工机械。该类钻机以柴油机为动力，全液压驱动，履带行走，底盘可360°回转，塔架可自行起落，钻具为4～5层的伸缩钻杆和钻斗、螺旋钻及扩底钻头等，具有噪声低、振动小、扭矩大、多功能、成孔速度快、机动灵活、施工效率高、多种速度调节、电子自动监控、环境污染小等特点。在岩石地层，由于传统钻机的自重有限，不可能给钻头施加更大的压力，而旋挖钻机由于采用动力头装置，动力头的给进力加上钻杆的重量，钻进能力强，适于各种土层及硬质岩层，本场地地质条件复杂，但通过精心组织、科学管理，保质保量地完成了施工任务。旋挖钻机在施工过程中，噪音低、振动小、泥浆用量少，因为该机仅用泥浆护壁，而不用泥浆排渣，钻渣流动性小，可进行集中堆放，利于现场文明施工，机械化程度高，便于管理。施工现场无需提供大功率电源，钻机的所有动力来源于随机的柴油发动机，钻机的行走移动全部由自带的柴油发动机输出动力完成，因整体置于可自动行走的履带式底盘上，机动性大，移位迅速独立作业性高。