旋挖钻机进行灌注桩施工技术应用

2012-08-31张程勇赵北辰中国水利水电第十一工程局有限公司

河南水利与南水北调 2012年22期

□张程勇 □赵北辰 □李翔（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1.工程概况

焦作1段第II标段南通路、民主路、沁阳路、焦东路4座跨渠公路桥的桩基均采用钢筋混凝土灌注桩。南通路跨渠公路桥位于总干渠设计桩号IV34+319.8处，桩径为1.8 m(12根，L=41 m)和 1.5 m(10根，L=41 m)两种，桥面长 75 m，桥宽 31.0 m，桥面高程110.002～110.169 m；沁阳路跨渠公路桥总干渠设计桩号 IV36+322.8，桩径为 1.8 m(8根，L=40 m)和 1.2 m（16根，L=38 m）两种，桥面长75 m，桥宽27.0 m，桥面高程108.992～109.749 m；民主路跨渠公路桥桩号IV35+520.2，桩径为1.8 m(16根，L=44 m)和 1.2 m（32根，L=40 m）两种，桥面长 75 m，桥宽48.5 m，桥面高程109.88 m；焦东路跨渠公路桥桩号IV37+454.6，桩径为 1.9 m(14根，L=42 m)和 1.3 m（14根，L=42 m）两种，桥面长75 m，桥宽36.0 m，桥面高程109.659 m。桩基采用C25混凝土。

2.成桩方式选择

为了保证工程的工期、质量和安全文明施工，本工程沁阳路、民主路选择旋挖钻机成孔的方法。旋挖钻机比较适用于粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层的成孔；该标段地层中含有人工填土、杂填土、壤土、粘土，砂、泥卵石，采用旋挖钻机钻进是较理想的施工机械。通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土，反复循环而成孔，具有功率大、钻孔速度快、移位方便、控制参数准确、工作效率高、噪音小、环保等特点。

第一，成孔速度快，效率高：与传统的循环钻机相比优势明显，旋挖钻每6-12 h可成一孔,每天可成孔1～2个,是冲击钻、循环钻工作效率6倍之多。

第二，环保特点突出：旋挖钻机可以循环使用泥浆，而传统循环钻机时不断产生泥浆。

第三，行走移位方便：旋挖钻机的履带机构可将钻机方便地移动到所要到达的位置，而不像传统循环钻机移位那么繁琐、费时、费力。

第四，机械化程度高：电脑能精确定位钻孔坐标，并能显示钻孔垂直度和钻孔深度，成孔质量高，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，孔内沉碴较少，噪声低，并对施工环境的适应能力强。

3.旋挖钻孔工艺特点

一是旋挖钻机采用动力头形式，利用短螺旋钻头或旋挖斗，在强大的扭矩作用下，直接将土或砂砾等钻碴旋转挖掘，然后快速提出孔外。本标段地下水丰富、水位较高，需要泥浆护壁，以便对孔壁起支护作用，旋挖钻钻进中的泥浆含量相对低，这使污染源减少，降低了施工成本，改善了施工环境，且噪音低、振动小，适于在市区内施工。

二是伸缩式钻杆的使用，避免了钻杆的频繁装配，减轻了劳动强度，加快了工程进度。钻头的拆卸方便，根据土层的变化和钻进的需要随时更换钻头，加快了钻进速度。

三是由于旋挖钻机的特殊成孔工艺，仅需要静压泥浆作护壁，在孔壁不形成厚的泥皮。加之钻头的多次上下往复，使孔壁粗糙，不易产生缩径，旋挖钻孔灌注桩的承载能力有所提高。

四是钻机的安装比较简单，在施工场地移动比较快捷方便。

4.机械性能及参数

本工程选用中联ZOOMLIONZR250B型旋挖钻机，其机械性能及技术参数表见表1。旋挖钻机由底盘、钻桅、自行起落架、主副卷扬、动力头、钻杆、发动机系统等结构组成。

5.旋挖钻机钻孔施工工艺

5.1 工艺流程

灌注桩是一项施工工序多、质量要求高、精度要求高、工作不间断的地下隐蔽工程。采用旋挖钻进行钻孔灌注桩施工的工艺流程见图1。

表1 机械性能及技术参数表

图1 旋挖钻机钻孔灌注桩施工工艺流程图

5.2 施工准备

5.2.1 平整场地

施工前应进行场地平整，清除杂物，对局部松软、淤泥进行换填夯实处理，保证钻机位置处平整、夯实，避免在钻进过程中钻机产生不均匀沉陷。

5.2.2 测量定位

场地平整后进行桩位放样，采用全站仪根据坐标进行放样，桩位放出后，钉好十字护桩，做好测量复核。

5.2.3 制作、埋设护筒

钢护筒采用6～10 mm的钢板卷制后焊接而成，节长一般为2 m。护筒内径比设计桩径大20 cm。

护筒埋置深度视现场的地质情况而定。护筒埋设采用旋挖钻机开孔埋设，人工进行辅助配合。首先使用与设计桩径匹配的钻头进行钻孔，钻孔深度应超过护筒埋设深度1.0 m以上时，及时换用扩孔钻头对埋设护筒段进行扩孔，扩孔深度至护筒设计埋设深度处，然后用钻斗将护筒压入。根据十字护桩控制桩位偏差。护筒至少高出地面30 cm，以防止杂物、泥水流入孔内。

5.2.4 钻机就位、安装

钻机钻孔的作业平台应基本水平，使主机左右履带板处于同一水平面上。钻机钻孔时的站位一般应对准孔桩位置，动力头施工方向应和履带板方向平行，钻机侧向应留有排碴场地。开钻前调整好机身前后左右的水平。

5.2.5 泥浆制备及指标控制

泥浆在钻机施工过程中可防止孔壁坍塌、抑制地下水以及悬浮钻碴等，因此泥浆是保证孔壁稳定的重要因素。旋挖钻机施工一般采用化学泥浆护壁，化学泥浆采用优质膨润土、火碱、纤维素及渗水防止剂等按一定比例配制。为了有利于膨润土和羧甲基纤维素完全溶解，应根据泥浆需用量选择膨润土搅拌机，其转速宜>200r/min。泥浆拌制材料的投放顺序：应先注入规定数量的清水，边搅拌，边投放膨润土，膨润土大致溶解后，均匀地投入纤维素，然后投入分散剂，最后投入增大比重剂及渗水防止剂。泥浆性能指标见表2。

表2 泥浆性能指标表

施工过程中经常检查泥浆的各项性能指标，确保泥浆对孔壁的撑护作用。

5.3 钻进成孔

5.3.1 开孔钻进的控制

钻机就位后，调整钻杆垂直度，注入调制好的泥浆，然后进行钻孔。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。

5.3.2 旋挖钻进的成孔工艺

旋挖钻机成孔工艺是通过底部带有活门的桶式钻头利用动力头驱动钻杆、钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻斗内，然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土这样循环往复不断地取土卸土，直至钻至设计深度。钻进过程中，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。当钻头下降到预定深度后，旋转钻头并施加压力，将土挤入钻斗内，仪表自动显示筒充满时，钻头底部关闭，提升钻头到地面卸土。开始钻进时采用低速钻进，钻进护筒以下3 m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，150 MPa压力下，进尺速度为20 cm/min；200 MPa压力下，进尺速度为30 cm/min；260MPa压力下，进尺速度为50 cm/min。钻进过程中严格控制钻进速度，避免进尺过大，造成埋钻事故。

钻进过程中要保证桩孔内泥浆标高，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底面以上为标准。

钻孔前先用水准仪确定护筒标高，并以此作为基点，按设计要求的孔底标高计算孔深，以钻具长度确定孔深，孔深偏差不短于设计深度，超钻深度≤50cm；孔径用孔径仪测量，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。

5.3.3 扩孔率的施工控制

成孔过程中，操作人员随时观察钻杆是否垂直，钻斗进入孔内要匀速缓慢，控制钻斗提升速度，避免钻斗下产生较大负压作用，造成孔壁坍塌；钻斗挖土时转杆不能转动过快，使桩径增大。

5.3.4 泥浆的回收及排碴处理

在现场设置泥浆循环系统，设置储浆池、沉淀池，浆池容量根据桩长、桩径确定，浆池池壁及池底采用砂浆抹面处理。新拌制的泥浆存放在储浆池内，从桩孔内抽排的泥浆存放在沉淀池内。防止泥浆污染场地，泥浆排放均采取泥浆泵抽排。泥浆在使用过程中要经常检查其各项性能指标，及时清理沉淀池内的沉碴，超标的泥浆采用泥浆处理器分离处理后循环使用。

钻孔过程中，桩孔内挖出的弃碴，由装载机转运至临时存放点，然后用自卸车运至指定弃土场。

5.3.5 终孔时的清孔方法及验孔标准

当钻孔达到设计高程后，及时组织有关人员对孔径、孔深、孔位、竖直度进行检查，孔径及孔形检查用检孔器检查，孔深和孔底沉碴用标准测锤检测，检查确认合格后应立即进行清孔。清孔采用捞砂钻头将沉淀物清出孔外，要求沉碴厚度满足设计或规范要求。钻孔桩成孔的质量标准见表3。

表3 钻孔成孔质量标准表

5.3.6 钻孔异常的预防及处理

施工前，应掌握施工地段地层的性质、结构、稳定状况及以往发生事故的经验教训，针对具体情况采取预防措施；工作中随时注意事故征兆，发现事故苗头，必须立刻采取预防措施；施工现场必须备有常用的事故处理工具，发生意外事故，及时进行处理。

5.3.6.1 坍孔

发生坍孔事故时，应将钻具提离孔底，并尽快将钻杆钻具提出孔外。处理坍孔事故前，应先弄清桩孔坍塌的深度、位置、塌孔部位的地层、孔内泥浆指标、淤塞情况等，查明塌孔原因，针对具体情况进行处理。当坍孔发生在井孔上部土层时，应迅速加长钢护筒，并用粘土回填封闭，然后清除井孔下部的坍塌物，继续增大孔内泥浆的密度和粘度，继续钻进。当坍孔发生在井孔下部土层时，一般可加大泥浆的密度和粘度的方法处理。若调整泥浆指标不能排除事故，则应添入粘土，将坍塌部分全部填实。然后加大泥浆密度，再重新开孔钻进。

5.3.6.2 缩孔

缩孔是局部桩径小于设计孔径。发生缩孔时，可提高孔内泥浆面或加大泥浆比重，将钻头提到缩孔位置采用上下反复扫孔的方法恢复孔径。

5.3.6.3 钻杆扭裂（断）

打捞断落钻具前，必须详细摸清事故钻具的位置、深度、靠壁情况及有无坍塌淤塞等情况，必要时可下入打捞器探测。根据事故的不同的情况，进行钩挂、拧套打捞。再接上或套住断落钻具之后，应先轻轻提动，确定套牢后再提升。断落钻具倒靠孔壁时，打捞工具上应带有导向器或先下入扶正器扶正后，再下打捞工具套取。当打捞工具已套上断落钻具而又提拔不动时，宜视孔内具体情况可先用空气压缩机或泥浆泵清除上部沉淀物后，再强行提拉。钻杆如有裂伤，应及时更换。

5.4 吊装钢筋笼

旋挖钻孔灌注桩的显著特点就是成孔快，且成孔后孔底沉碴少。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碴厚度，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。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。

5.5 灌注混凝土

在混凝土浇筑前，应按照具体情况拟定浇注计划，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。混凝土开始浇注后，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。在浇注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。浇注过程中要根据规范要求，对混凝土抽样检查，以保证灌注桩的抗压强度满足规范要求。

6.质量保证措施

施工前技术部门向施工作业队进行技术交底，详细讲解施工工艺、方法及施工中的控制要点，要求施工人员和技术人员掌握施工方案和技术规范。开工前各项准备工作必须完善，施工机具必须检修处于完好状态，必要时准备施工辅助预案，比如：施工中停电要配备发电机，以确保桩基混凝土浇注连续。严格实行“三检制”，未经验收合格不得进入下一道工序的施工。终孔验收完毕后，应根据实际验收的终孔深度配制导管，仔细检查导管有无破损和变形，并记录每节管子的长度和顺序，为了便于隔水塞排出，导管下口距孔底以25～40㎝为宜，不得过大，避免孔底的混凝土与孔内泥浆混合，造成混凝土内混进泥浆。开浇时，料斗必须储足一次下料能保证导管埋入混凝土0.6 m以下，以免因导管下口未被封埋入混凝土内造成管内反泥浆现象，导致混凝土开浇的失败。混凝土浇注要保持连续，如因故中止且超过混凝土初凝时间，按事故桩处理。

为了保证桩身的混凝土质量，在浇注过程中，一定要严格控制导管埋入混凝土的深度，导管埋深以混凝土2～6 m为宜，以防止泥浆及水冲入管内或由于阻力过大造成混凝土质量，过大或过小都会在不同外界条件下出现不同形式的质量问题，直接影响桩的质量。

7.旋挖钻机钻孔总体评价

从2010年8月1日至2010年11月4日采用旋挖钻机钻孔完成56根桩(下雨:15 d，混凝土耽搁10 d，钻机坏10 d)，平均每天1根。对于土层夹杂碎石土、漂石土等采用旋挖钻机效率高、方便灵活、成孔速度快、扩孔率小、正常情况6-12 h就可完成1孔，是传统的钻孔机械（反循环和冲击钻）的6倍以上。

2010年11月5日进行桥梁灌注桩声波检测，检测后成孔泥皮薄、孔径规矩、波速稳定。