旋挖钻机施工工艺及质量控制

要彦波

【摘要】随着我国社会经济的快速发展和技术的不断进步，大型工程建项目建设不断竣工，工程建设技术含量越来越高，桥梁施工技术得到极大的发展，大桥、特大桥的不断涌现，以往的施工机械及技术显然已不能满足需要，近年来出现的旋挖钻机施工，较冲击钻、循环钻等显现出了极大的优越性；现结合绍兴滨海产业集聚区钱清至滨海工业区公路工程第1标段桥梁桩基工程，就旋挖钻机的施工工艺、特点、注意事项及优越性进行简要阐述。

关键词：旋挖钻；工艺；优越性；注意事项

中图分类号：K928文献标识码： A

引言：随着我国社会经济的快速发展和技术的不断进步，大型工程建项目建设不断竣工，工程建设技术含量越来越高，桥梁施工技术得到极大的发展，大桥、特大桥的不断涌现，桩基施工越来越多，以往的施工机械及技术显然已不能满足需要，近年来出现的旋挖钻机施工，较冲击钻、循环钻等显现出了极大的优越性；现结合绍兴滨海产业集聚区钱清至滨海工业区公路工程第1标段桥梁桩基工程，就旋挖钻机的施工工艺、特点、注意事项及优越性进行简要阐述。

一、工程概况

1、工程概况

绍兴滨海产业集聚区钱清至滨海工业区公路工程第1标段，主线起讫桩号K0+000~K5+300，除主线外另含一条连接线，即连接线I。主线起点杭金衢连接线与柯袍线平交处，起点K0+000，路线自南向北，跨越东小江，经遗风村、蜀风村东侧穿过，利用规划稽山路北延走廊北至徐家畈后，路线走向转向由西向东，跨越盛陵江后，于李家溇北侧至合同设计终点，桩号K5+300，合同段主线长5.3km。

连接线I起点位于绍兴县安昌镇徐家畈北侧与主线平交处，起点LIK0+000，路线自东向西，跨越九墩直江，至安昌镇鼎丰铝业南侧村道，终点桩号LIK1+098.246，全长1098m。

工程由路基、路面、桥梁涵洞组成，其中桥梁8座，大桥5座，中桥2座，小桥1座，东小江大桥为本工程的关键工程；路基由软基工程和路基填筑组成；路面由水稳层、沥青路面及附属工程组成。工程总造价4.227亿元。

2、工程地质

本合同段位于海积平原区，为软土路段，表层为硬壳层，厚度0.5～4.7m，局部夹海积粉土层，厚度较薄，沿线地表填土分布较为广泛；下伏为厚层海积淤泥质土层，流塑，厚度6.4～35.9m，近山前厚度急剧变小，压缩性高，性质差；中部为厚层海积淤泥质土层，流塑～软塑，厚度2.8～28.5m，压缩性高，性质差，其下为海积流塑～软塑粉质黏土，局部夹冲湖积硬土层；下部为冲湖积硬土层、冲积粉细砂、砾砂、含黏性土圆砾（卵石）层，性质较好。

二、工程试桩及方案比选

工程正式开工之前，项目部从保证工程建设工期、工程建设质量、工程实施安全等方面进行了充分的准备工作；由于整个标段地质变化不大，为避免试桩过程中相互干扰，致使数据采集失真，因此试桩选择在蜀风2#桥和九墩直江大桥分开进行，蜀风2#桥和九墩直江大桥分别采用正循环钻机和旋挖钻机进行了试桩。

试桩数据对比

三、旋挖钻机的应用

旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。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，近年来随着材料科学的进步，已经在更广泛的地质中使用，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用，旋挖钻机的额定功率一般为125～450kW，动力输出扭矩为120～400kN·m，成孔直径可达0.8～4m，最大成孔深度为60～90m，可以满足各类大型基础施工的要求。

1、旋挖钻机的发展以及国内现状

旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展，1948年意大利迈特公司首先开始研制，接着意大利、德国开始发展，到了70～80年代在日本得到快速发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（EarthDriII），在德国、日本这类工法相当普遍。中国在80年代初从日本引进过工作装置，配装在KH-125型履带起重机上。1984年，天津探矿机械厂引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收。1987年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司（SOILMEC）产品，1988年北京城建机械厂根据土力公司的样机开发了1.5m直径的履带起重机附着式旋挖钻机。

2、应用

目前旋挖钻机在土建、市政、高铁等方面已经广泛应用，如京沪高铁、沪杭高铁的施工中各主要施工单位在桥梁桩基中得到大规模使用，并取得的不错的效果；广州地铁建设中地铁站中也得到了广泛应用，主要用于围护结构的施工，如地铁小北站、五羊邨站等。绍兴地区的公路工程中使用的案例较少，据了解在绍诸高速中使用过，并取得不错的效果。

四、旋挖成孔桩的工艺特点与循环钻机成孔桩工艺区别

1、旋挖钻成孔工艺原理

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或螺旋式钻头施加压力，钻头在负载条件下通过钻杆的旋转使其旋挖钻进，当筒式钻头或螺旋式钻头盛满钻渣后，钻杆收缩，将筒式钻头或螺旋式钻头提出孔外，打开筒式钻头底部封盖或通过钻杆带动螺旋钻头旋转以清除钻头内的钻渣。同时用泥浆泵向孔内注入泥浆，在孔壁快速形成一层薄膜，保持孔内的水头高度。

2、湿孔作业法旋挖成孔灌注桩工艺流程

3、与循环钻机成孔桩工艺区别

1）、成孔速度快、效率高。旋挖钻机平均钻进速度为：8m—15m/h。循环钻机平均钻进速度为0.5米/h（本工程中蜀风2#桥采集的数据）。

2）、既可干孔作业 ，亦可水中钻孔。干孔作业主要适用于地质条件好、地下水匮乏、桩长较短的条件下作业，主要适用地区在北方。本工程中的地质条件适用于湿孔作业（泥浆作业）。

3）、成孔内沉渣少，钻孔时用泥浆量少。循环钻钻机施工中的泥浆主要功能为浮渣、护壁（保持孔压）；循环钻机成孔中泥浆以护壁保持孔压为主要目的。由于成孔内的沉渣少，大幅降低了桩基清孔时间。

4）、旋挖钻机成孔中，由于成孔位于钻机外侧，旋挖钻机自重大于循环钻机，因此对于桩孔产生的测压大于循环钻机对于桩孔产生的侧压力，为保证桩基成孔质量，护筒深度不同于循环钻机，循环钻机的护筒深度为5～8m，循环钻护筒深度为2～3m。

五、旋挖钻机成孔操作要点

1、场地平整：将旋挖钻机位置夯实、现场整平，适宜施工机械旋挖钻机、吊车、混凝土罐车出入施工现场。施工现场水、电、路三通，达到施工要求。

2、测量定位：开工前对图纸提供的所有桩基坐标进行复合，测量仪器应按规定进行检验合格后使用。测量其地面标高，根据施工需要定出施工平台标高。准确测量定出桩基中心位置。护筒埋设好后应复核桩位，设置十字护桩。

3、钻机就位对中：履带式旋挖钻机有自动行走系统，旋挖钻机行走就位对中，对中完成后设置并锁定桩基中心相对坐标，设定桩基中心护筒顶坐标为（0，0，0），并将其输入旋挖钻机电脑系统。用全站仪或经纬仪复核钻杆垂直度。

4、埋设护筒：护筒宜用10—12mm的钢板制作，内径大于桩径30—40cm，护筒高200—250cm，用旋挖钻机将护筒压入土层中，使护筒中心与桩设计中心一致，中心偏差不大于5cm，倾斜度偏差不大于1%护筒顶面标高宜高于地下水位1.5～2.0m高出地面0.3m。

5、泥浆池、沉淀池开挖及泥浆调制

（1）、泥浆池、沉淀池开挖：施工前选定泥浆池及沉淀池的位置，泥浆池宜低于沉淀池，泥浆经过沉淀后流入泥浆池，以便泥浆能循环利用。根据桩基的直径及孔深 确定泥浆池及沉淀池的大小，泥浆池的体积宜为井孔体积的1.5倍。沉淀池宜位于易清理沉淀物的位置，其体积宜大于井孔体积。在水源不方便的位置，应开挖清水池。

（2）、泥浆调制：根据地质条件尽可能使用原土配置，在原土不能满足泥浆要求时，选择泥浆护壁速度快、效果更好膨润土进行配置。配置参数通过试验取得。

在造浆过程中对泥浆池中的相对密度、粘度、酸碱度、胶体率等性能指标进行检测，泥浆的各项指标符合上表中的要求后投入使用，泥浆池中的泥浆循环使用前适检测其含砂率、相对密度、粘度、酸碱度胶体率等性能指标，泥浆池中泥浆的含砂率不宜超过0.5%。否则泥浆应经过沉淀后将沉淀物清理干，对泥浆池中的泥浆重新进行调配。砼灌注过程中快速聚集、分层而加速沉淀，沉淀后的泥浆用泥浆泵抽到泥浆池中，经调制后再循环使用。

6、钻孔

（1）、用全站仪或经纬仪复核钻杆垂直度，开始旋挖钻进时，在护筒刃脚处，宜低档慢速钻进，使刃脚处有牢固的护壁。钻至刃脚下1m后可按土质以正常速度钻进，旋挖钻机挖出的钻渣等用装载机装车清理出施工现场。

（2）、每钻进5m或地层变化处应从钻筒取样查明土质并记录，与设计资料核对。

（3）、桩基在旋挖钻进过程中要对桩位进行复测，在孔深1/2及终孔时，用检孔器（检孔器用钢筋做成，其外径为钻孔桩钢筋笼直径加100mm，长度等于孔径的4～6倍）检查垂直度、孔径，以便及时调整钻头直径。

（4）、在钻进过程中，宜检测泥浆的主要指标，主要是检测泥浆的比重和含砂率。

（5）、边旋挖钻进边用泥浆泵从泥浆池中向孔内注入泥浆，保持孔内的水头高度。

7、成孔检测：桩基成孔后，用检孔器检查孔的中心位置、孔径，用筒式钻头清除孔底沉淀，用测绳查测孔深，同时宜用钢尺复核测绳的长度。

8、清孔：检孔完成后用筒式钻进行掏渣清孔，清孔过程中速度不宜过快，同时保持孔内的水头高度。

9、钢筋笼制作、焊接安装

（1）钢筋笼制作：首先对施工图中各种规格的钢筋长度、数量核对，其次对圆盘条钢筋进行调直，钢筋表面应保持洁净和平直。钢材进场后用垫木或其他方法垫起，工地临时保管钢筋时，应选择地势高，地面干燥的露天场所，根据天气情况，在雨雪天气，必要时加盖雨棚布。钢筋加工时，按照施工设计图纸结合钢筋原材料尺寸进行配料、加工、制作、安装、不得随意改变钢筋长度和构造形式，所有钢筋加工、焊接都应符合《公路桥梁工程验收标准》要求。钢筋焊接前根据具体施工条件（特别是对焊施工）进行试焊，然后进行大批量施工。

（2）钢筋笼焊接安装：钢筋笼安装前应检查钢筋根数、直径、间距、钢筋笼是否变形，焊接点、焊接长度、宽度、厚度满足规范要求。为避免钢筋笼起吊过程中局部受力发生变形。在吊车安放钢筋笼时，每节钢筋笼保证有三个吊点，且吊车大小钩配合使用将钢筋笼吊起。在孔口焊接，采用搭接焊，确保其上、下成一直线，均匀入孔，并随时调整钢筋笼位置，避免碰挂孔壁及发生塌孔现象。

（3）检测管安装：检测管安装在钢筋笼内侧，成等边三角形分布。钢管下端与桩底平齐，上端要露出钻台作业平面。检测管安装顺直、牢固，接缝无接茬，用套管焊接密封，不漏浆，套管长度不小于20cm.检测管两端用3mm钢板焊接密封。

（4）安装完钢筋笼后宜量测孔底沉淀厚度，根据沉淀后计算此阶段的沉淀速度。

10、二次清孔：导管安装完成后，宜进行二次清孔，用扬程不小于20m的泥浆泵配导管进行正循环清孔，以降低泥浆比重及含砂率，二次清孔时间以1—2小时为宜。在泥浆比重及含砂率符合施工要求（泥浆比重1.08—1.10之间、粘度18-22S、含砂率≤2%）后立即进行桩基水下砼灌注。

11、灌注混凝土

（1）砼拌和供应：浇注混凝土前检查水泥、砂石料质量和数量，混凝土拌和严格按试验室提供配合比进行，混凝土拌和前检修拌和设备，检查计量系统的准确性，特别要经常检查用水计量系统，否则将会影响混凝土强度。同时混凝土拌和前精确测量骨料含水量，以调整拌和用水量。混凝土的出盘坍落度应符控制在180—220mm之间，混凝土坍落度每10m3—20m3测定一次。浇注混凝土的数量由现场技术人员作记录，并随时测量并记录导管埋置深度和混凝土的表面高度。

（2）首批砼灌注数量：用混凝土罐车连续将砼送入储料斗，首灌混凝土方量不小于应使首灌混凝土后导管埋置深≥1.5m。

（3）连续灌注

A、混凝土浇注过程中，提升储料斗和导管的钢丝绳以及吊车的吊装能力不小于16t，吊车靠孔口安放。

B、砼运送至灌注地点时，由现场技术员对每一车混凝土的均匀性、坍落度进行检测，符合要求后进行砼灌注。砼灌注开始后，应连续进行，并尽可能缩短拆除导管的时间。当导管内砼不满时，应徐徐地灌注混凝土，防止在导管内形成高压空气囊。

C、在灌注过程中拆卸导管时，用测深锤测井孔内砼混凝土面位置，及时调整导管埋深，导管埋深在2-6m范围内。

D、当灌注至桩顶时，适当用吊车提升导管（提升时导管在混凝土内埋深大于2m）。

E、灌注的桩基顶标高预加0.5m-0.1m。预加高度在开挖完承台基坑后凿除，凿除时防止损坏桩身。在水下混凝土灌注完毕后24小时内，距离桩位5m以内不进行钻孔桩施工或其他具有振动性的作业，以保护新浇注的砼。

12、桩基无破损检测：混凝土浇注完成15天后即让有相应资职的检测单位进行桩基无破损检测。然后进行下道工序承台、系梁的施工。

六、质量控制

(1)桩位放样

在进行场地整平后，组织有资格的测量放样人员将所有桩位放出，钉好十字保护桩，做好测量复核，并记录放样数据备案。

(2)成孔

采用钻头钻进，根据不同层次的土质结构选择不同的转盘转速和进尺进行控制。在砂层钻进和进入强风化层后，因土层太硬会引起钻锥跳动及偏斜、加大钻杆摆动，故应选择低档慢速，转盘转速参数取值 13～40v/ min,成孔深度按设计要求进行控制。

(3)孔内事故预防措施

①选择有经验、责任心强的施工队伍，保证操作人员的素质。

②加强钻具检查，对加工不良的钻具严禁使用。

③对孔内水头高度，泥浆的相对密度和粘度经常观察和检测，发现问题及时解决，尤其在钻孔排渣、提锥除土或因故停钻时应保持孔内规定水位和规定的泥浆性能指标，以防坍孔。

④钻孔作业应分班连续进行，在土层变化处捞取渣样判明土层，并与地质资料核对，根据土层情况采取相应措施，保证施工质量。

⑤升降钻锥须平稳，钻锥提出井口应防止碰撞护筒或孔壁,防止钩挂护筒底部，钻杆的拆装应迅速。

六、旋挖钻机在施工中遇到的问题及解决办法

旋挖钻机施工作为一种新兴的施工工艺，是一种适合建筑基础工程、桥梁桩基、维护结构中成孔作业的施工机械。在建筑行业中应用越来越广泛，施工中遇到问题也越来越多，为保证成桩质量，为后期施工奠定基础，我们需要了解钻机施工中遇到的问题，知道如何解决，总结分析了旋挖钻机在施工遇到的各种不良的成因及其防治措施。

1、坍孔

在灌注过程中如发现井孔护筒浆内泥浆位忽然上升溢出护筒，随即骤降并冒出气泡，应怀疑是坍孔征象，可用测深锤探测。

坍孔原因可能是护筒底脚周围漏水，孔内水位降低，不能保持原有静水压力，以及由于护筒周围堆放重物或机器振动等均可引起坍孔。

发生坍孔后应查明原因，采取相应的措施，如保持或加大水头、移开重物、排除振动等，防止继续坍孔，然后用吸泥机吸出坍入孔中的泥土，如不继续坍孔可恢复正常灌注。坍孔不严重时可回填至坍孔位置以上，并采取改善泥浆性能、加高水头、埋深护筒等措施，继续钻进。坍孔严重时应立即将钻孔全部用砂或小砾石夹粘土回填，暂停一段时间后查明坍孔原因，采取相应措施重钻。坍孔部位不深时可采取深埋护筒法，将护筒周围土夯实重新钻孔。

2、孔身偏斜

遇有孔身偏斜、弯曲时应分析原因，进行处理。一般可在偏斜处吊住钻锥反复扫孔，使钻孔正直；偏斜严重时应回填粘性土到偏斜处，待沉积密实后再钻进。

3、扩孔、缩孔

遇有扩孔、缩孔时应采取防止坍孔和防止钻锥摆动过大的措施。缩孔是钻锥磨损过甚、焊补不及时或因地层中有遇水膨胀的软土、粘土泥岩造成的，前者应注意及时焊补钻锥，后者应采用失水率小的优质泥浆护壁。已发生缩孔时宜在该处用钻锥上下反复扫孔以扩大孔径。

4、卡钻

卡埋钻具是旋挖钻进施工中最容易发生的、也是危害较大的事故，因此在施工过程中一定要采取积极主动的措施加以预防，一旦出现事故，要采取有效措施及时处理。

发生的原因及预防措施：

①、较疏松的砂卵层或流砂层，孔壁易发生大面积塌方而造成埋钻。在钻遇此地层前，应提前制定对策，如调整泥浆性能、埋设长护筒等。

②、软弱层一次进尺太深孔壁易缩径而造成卡钻。所以，在这类地层钻进要控制一次进尺量，一次钻进深度最好不超过40cm。

③、钻头边齿、侧齿磨损严重而无法保证成孔直径，钻筒外壁与孔壁间无间隙，如钻进过深，则易造成卡钻。所以，钻筒直径一般应比成孔直径小6cm以上，边齿、侧齿应加长，以占钻斗筒长的2／3为宜，同时在使用过程中，钻头边齿、侧齿磨损后要及时修复。

④、因机械事故而使钻头在孔底停留时间过长，导致钻头筒壁四周沉渣太多或孔壁缩径而造成卡埋钻。因此，平时要注意钻机本身的及时保养和维修，同时要调整好泥浆性能，使孔底在一定时间内无沉渣。

5、掉钻落物

掉钻落物时宜迅速用打捞叉、钩、绳套等工具打捞，若落体已被泥沙埋住，应按前述各条，先清除泥砂，使打捞工具接触落体后再打捞。

在任何情况下，严禁施工人员进入没有护筒或其它防护设施的钻孔中处理故障。当必须下护筒或其它防护设施的钻孔时，应检查孔内无有害气体，并备齐防毒、防溺、防坍埋等安全设施后方可行动。

对于旋挖钻机施工这种新的工艺来说，我们还需要积累更多的经验，特别是对于施工中遇到的各种问题，都需要我们认真的总结，分析，确保以后遇到相同情况不会茫然不知所措。相信随着旋挖钻机的深入推广，我们学到的会越来越多，处理问题会越来越来简单，工作也会越来越顺利。

七、效益分析

利用旋挖钻机施工将最大在限度地加快施工进度，从钻机就位、埋设护筒、至开始钻进只需30分钟，对于一般化土层，平均每钻进速度8～15m/小时，是一般冲击钻进尺速度的10～15倍。由于旋挖钻机自带动力，节省了大量的线路费用及电费，同时还节省了大量清除泥浆的费用。施工现场低泥浆污染，无噪音，现场整洁。施工进度快，成孔质量优良，有着较好的经济效益和社会效益。

参考文献 :

[1] JTJ 041-2000，公路桥涵施工技术规范[S]. [2] JFJ F80/1—2004，公路工程质量检验评定标准.

[2]徐维钧 ,桩基施工手册.

[2]杨文渊，徐犇.桥梁施工工程师手册.