（泥浆护壁）旋挖成孔灌注桩的施工
2014-11-24赵长标
赵长标
摘 要：文章扼要介绍了旋挖钻机泥浆护壁成孔混凝土灌注桩施工。概述中简明的历史性比较阐明了旋挖成孔的原理，也寓意于传统工艺与现代技术的结合方向。文中较大篇幅系结合工程实践，对旋挖钻成孔工艺特点做了介绍，特别是重点提出控制钻斗升降速度，关注钻斗与孔壁间水动力状态，减少泥水对孔壁的竖向冲刷及粘附作用，从而确保成孔质量。文中结合现场实际，提出了部分参数参考值，有可借鉴之处。
关键词：旋挖；灌注桩；施工
旋挖钻成孔施工法，又称钻头施工法或土钻施工法。
现时采用的旋挖钻成孔施工法，其成孔原理是在一个可闭合开启的钻斗的底部及侧边，镶焊切削刀具，在伸缩钻杆旋转驱动下，旋转切削挖掘土层，同时使切削挖掘下来的土渣进入钻斗内，钻斗装满后提出孔外卸土，如此循环形成桩孔。现时一般认为：该方法成孔施工具有低噪音、低振动、扭距大、成孔速度快、无泥浆循环等优点；缺点是在粘性较大的粘土、淤泥土层中施工，回转阻力大，钻进效率低，容易糊钻。该施工法适用于填土、硬土、粉土、砂性土、砂卵砾石层、软—中硬基岩等地层，桩孔沉渣少，孔壁泥皮薄，桩侧摩阻力发挥好。
常用的旋挖钻斗有圆锥底（锅底）式、多刃切削式、抓岩式等。它又分为泥浆护壁成孔灌注和干作业成孔灌注两类工艺。干作业成孔灌注工艺系采用套管跟进干式旋挖成孔，并边拔套管边灌注混凝土，施工工艺控制一般认为比较容易。相对而言，泥浆护壁旋挖成孔灌注工艺较复杂一些，笔者根据上海至西安国家高速公路江都至六合段仪征一标段工程现场施工经验，特做总结分析如下，以期同行指正。
1 工程事例
仪征一标位于江苏扬州仪征新集镇，该标段长7.214Km。江六高速JL-YZ1标设计主线桥384.576m/3座，本合同段共有钻孔桩7827米，其中1.5m钻孔灌注桩38根1783延米、1.2m钻孔灌注桩166根6044延米。本项目所经区域跨长江漫滩地貌单元和丘岗间坳沟地貌单元。境内地形西高东低，仪征境内丘陵山区为最高，由仪征龙河向东呈扇形逐渐倾斜。地面高程一般在4～8m左右，地势平缓。位于仪征坳陷，界于江都隆起和宁镇隆起之间，是一东西向延伸的断坳。东部有茅山东侧断裂，该断裂是区内陆地地震活动最活跃的地壳断裂。沿线为冲积漫滩相～岗地地貌单元，地形相对平坦，河流两岸局部稍有起伏，工程地质性质变化也较大。沿线岩土层分布自上而下可概括为：上部全新统松散层类、更新统粘性土和砂性土类、自垩系基岩。
典型地质柱状图描述如下
素填土：顶高程6.12，底高程5.52，层厚0.6m。宜采用中速钻进，泥浆比重为1.1，粘度20Ps.s。
粉土：顶高程5.52，底高程3.12，层厚2.4m。宜采用低速轻压慢转钻进，泥浆比重为1.1，粘度19Ps.s。
粉砂夹粉土：顶高程3.12，底高程0.12，层厚3.0m。宜采用低速轻压慢转钻进，泥浆比重为1.1，粘度19Ps.s。
粉质粘土：顶高程0.12，底高程-9.68，层厚9.8m。宜采用高速增压钻进，泥浆比重为1.08，粘度18Ps.s。
粉质粘土：顶高程-9.68，底高程-20.38，层厚10.7m。宜采用高速增压钻进，泥浆比重为1.09，粘度18Ps.s。
卵砾质中粗砂：顶高程-20.38，底高程-27.58，层厚7.2m。宜采用低速轻压慢转钻进，泥浆比重为1.09，粘度18Ps.s。
根据工期要求与地质情况，现场投入了XR220全液压旋挖钻机1台。从现场使用效果看：设备易操作性突出、整机移动方便，施工进度快，旋挖成孔质量好，全部灌注桩均达到了A类桩标准。与同现场、同时施工的循环钻机相比较：单桩总能耗低；无（需要做处理的）大量废泥浆；特别是钻进速度快。
2 施工工艺
全液压旋挖钻机整机自动化程度高，其水平、垂直度和钻孔中心由指示灯控制，操作室配置钻进深度指示仪。由于其工作效率高，施工过程自始至终，均应做好各方面协调配合，确保工艺流程的连续均衡。并应根据旋挖成孔的成孔原理及其工艺要点，抓好关键工艺过程控制。
2.1 旋挖成孔（泥浆护壁）灌注桩施工工艺流程（见下图）
2.2 钻斗升降速度
旋挖成孔与循环钻孔的成孔原理明显不同：循环钻孔的成孔是依靠泥浆循环护壁，依靠泥浆携带渣土沉淀于地表而实现；而旋挖成孔则靠钻斗挖装岩土直接提升卸到地表，护壁采用稳定液（泥浆）或套筒（主要是干挖工艺采用）。稳定液（泥浆）护壁情况下，问题的要点在于钻斗的升降运动会带动浆水运动，从而冲刷与粘附作用于孔壁。从水动力学的角度而论，边壁（水力学意义的，而非指孔壁）急剧变形发生边界层分离，引起能量损失，且边壁变形程度不可改变的情况下，即钻斗大小、形状无法可变，则控制钻斗升降速度，是很自然的选择。
钻斗钻进截面积A与钻斗外侧切削刀具回转的截面积a之比例A/a，随桩径增大而增大，提升钻斗时，泥浆在钻斗与孔壁之间的流动速度加快，并产生压力激动，易造成孔壁坍塌。因此需要根据不同桩径控制钻斗升降速度，且桩径愈大愈应加强控制。
钻斗截面积A与外切刀回转面积a之比A/a
桩径 0.8 1.0 1.2 1.5
A/a 2.56 3.44 4.28 5.52
钻斗升降速度参考值
桩径
（mm） 空钻斗升降（m/s） 装满渣土钻斗升降（m/s）
粘土 砂层 粘土 砂层
1200 1.0 0.8 0.65 0.5
1500 1.0 0.8 0.55 0.4
2.3 稳定液（泥浆）
旋挖成孔采用稳定液（泥浆）护壁工艺时，为保证孔壁稳定和孔底沉渣符合设计要求，需采用优质化学泥浆护壁。旋挖作业时，保持泥浆液面高度，以形成足够的泥浆柱压力，并随时向孔内补充泥浆；而灌注混凝土时，宜适时做好泥浆回收，以再利用并防止造成环境污染。
本工程配浆材料及配比为：水：膨润土：碳酸纳=1：0.04：0.0002
配制程序为：水→膨润土粉→碳酸纳
性能：粘度18-22秒，比重10.5-11.5，含砂率<2%，PH=8-9
成孔后泥浆指标基本如下：
a）24小时后泥浆指标：
底部 比重：1.07 粘度：19
中部 比重：1.065 粘度：19
顶部 比重：1.06 粘度：19
b）泥浆流失量：终孔8小时泥浆面下降20-25厘米；终孔16小时泥浆面下降30-35厘米。
c）泥浆的粘着力：采用18米长螺纹钢放入成孔泥浆中，24小时后取出未发现有粘着泥浆。
2.4 旋挖作业其他要点
尽可能根据地层正确选择钻斗类型结构，软土层选择楔形齿、小切削角、小刃角、齿宽稍大；硬土层则选用较大切削角、较窄的弯曲齿套；粘土层的齿间距宜大些，以免糊钻。
钻进硬层，回次进尺深度太小，斗内钻渣太少时，可换用小直径筒形齿状钻斗，先钻一小孔，然后再用钻斗扩孔钻进。也可换用短螺旋钻钻进或松动硬岩土层，然后再下钻斗捞渣。现场钻进姜石层时，我们即采用短螺旋钻钻进又反转回钻，以减少对孔壁挠动，起松动作用。
钻进砂砾石层，为保证孔壁稳定可事先向孔内投入适量粘土球；下入孔内的钻斗，装闭合阀板，以防提钻时砂砾石从底部漏落。
2.5 清孔
旋挖钻进至设计终孔标高后，将钻斗留在原处继续旋转数圈，将孔底虚土尽量装入斗内，起钻后仍需在孔底虚土进行清理。下入钢筋笼后，再测孔底沉渣是否超标，如超标则进行二次清孔。从工程实际看，一般成孔24小时后，沉渣厚度为25厘米左右。
3 现场管理
诚然，全液压旋挖钻机设备自动化水平高，但同样离不开有效的现场管理。首先要重视施工的前期准备工作。特别是由于设备自重较大，总动力大，现场桩位的地基加固是一个重要的问题。其次，应重视现场的各项检测与记录，特别是地质层的判定与记录。由于钻进快，而各种资料是迅速调整其各工艺细节的当然依据。另外，钻斗升降速度的严格管理，稳定液（泥浆）的管理，钢筋笼及混凝土的作业管理都是现场管理的重点。
4 结语
通过泥浆护壁旋挖成孔灌注桩的施工实践，笔者深有体会：
4.1 现时旋挖成孔法，不仅具有低噪音、低振动、扭矩大、成孔速度快、无泥浆循环等优点，硬土地质条件下，单桩总能耗也较小。由此，可推论其推广前景极佳。
4.2 泥浆护壁旋挖成孔施工中，根据桩径与地质层情况，控制钻斗升降速度是成败的关键。
4.3 旋挖钻机作为现时性能突出的新设备，在使用时应做好相配套的现场管理，方可使其性能得到充分发挥。
4.4 旋挖成孔法，现时能再领风骚，可谓是传统工艺与现代科技结合的典范，确有方法论意义。
本工程配浆材料及配比为：水：膨润土：碳酸纳=1：0.04：0.0002
配制程序为：水→膨润土粉→碳酸纳
性能：粘度18-22秒，比重10.5-11.5，含砂率<2%，PH=8-9
成孔后泥浆指标基本如下：
a）24小时后泥浆指标：
底部 比重：1.07 粘度：19
中部 比重：1.065 粘度：19
顶部 比重：1.06 粘度：19
b）泥浆流失量：终孔8小时泥浆面下降20-25厘米；终孔16小时泥浆面下降30-35厘米。
c）泥浆的粘着力：采用18米长螺纹钢放入成孔泥浆中，24小时后取出未发现有粘着泥浆。
2.4 旋挖作业其他要点
尽可能根据地层正确选择钻斗类型结构，软土层选择楔形齿、小切削角、小刃角、齿宽稍大；硬土层则选用较大切削角、较窄的弯曲齿套；粘土层的齿间距宜大些，以免糊钻。
钻进硬层，回次进尺深度太小，斗内钻渣太少时，可换用小直径筒形齿状钻斗，先钻一小孔，然后再用钻斗扩孔钻进。也可换用短螺旋钻钻进或松动硬岩土层，然后再下钻斗捞渣。现场钻进姜石层时，我们即采用短螺旋钻钻进又反转回钻，以减少对孔壁挠动，起松动作用。
钻进砂砾石层，为保证孔壁稳定可事先向孔内投入适量粘土球；下入孔内的钻斗，装闭合阀板，以防提钻时砂砾石从底部漏落。
2.5 清孔
旋挖钻进至设计终孔标高后，将钻斗留在原处继续旋转数圈，将孔底虚土尽量装入斗内，起钻后仍需在孔底虚土进行清理。下入钢筋笼后，再测孔底沉渣是否超标，如超标则进行二次清孔。从工程实际看，一般成孔24小时后，沉渣厚度为25厘米左右。
3 现场管理
诚然，全液压旋挖钻机设备自动化水平高，但同样离不开有效的现场管理。首先要重视施工的前期准备工作。特别是由于设备自重较大，总动力大，现场桩位的地基加固是一个重要的问题。其次，应重视现场的各项检测与记录，特别是地质层的判定与记录。由于钻进快，而各种资料是迅速调整其各工艺细节的当然依据。另外，钻斗升降速度的严格管理，稳定液（泥浆）的管理，钢筋笼及混凝土的作业管理都是现场管理的重点。
4 结语
通过泥浆护壁旋挖成孔灌注桩的施工实践，笔者深有体会：
4.1 现时旋挖成孔法，不仅具有低噪音、低振动、扭矩大、成孔速度快、无泥浆循环等优点，硬土地质条件下，单桩总能耗也较小。由此，可推论其推广前景极佳。
4.2 泥浆护壁旋挖成孔施工中，根据桩径与地质层情况，控制钻斗升降速度是成败的关键。
4.3 旋挖钻机作为现时性能突出的新设备，在使用时应做好相配套的现场管理，方可使其性能得到充分发挥。
4.4 旋挖成孔法，现时能再领风骚，可谓是传统工艺与现代科技结合的典范，确有方法论意义。
本工程配浆材料及配比为：水：膨润土：碳酸纳=1：0.04：0.0002
配制程序为：水→膨润土粉→碳酸纳
性能：粘度18-22秒，比重10.5-11.5，含砂率<2%，PH=8-9
成孔后泥浆指标基本如下：
a）24小时后泥浆指标：
底部 比重：1.07 粘度：19
中部 比重：1.065 粘度：19
顶部 比重：1.06 粘度：19
b）泥浆流失量：终孔8小时泥浆面下降20-25厘米；终孔16小时泥浆面下降30-35厘米。
c）泥浆的粘着力：采用18米长螺纹钢放入成孔泥浆中，24小时后取出未发现有粘着泥浆。
2.4 旋挖作业其他要点
尽可能根据地层正确选择钻斗类型结构，软土层选择楔形齿、小切削角、小刃角、齿宽稍大；硬土层则选用较大切削角、较窄的弯曲齿套；粘土层的齿间距宜大些，以免糊钻。
钻进硬层，回次进尺深度太小，斗内钻渣太少时，可换用小直径筒形齿状钻斗，先钻一小孔，然后再用钻斗扩孔钻进。也可换用短螺旋钻钻进或松动硬岩土层，然后再下钻斗捞渣。现场钻进姜石层时，我们即采用短螺旋钻钻进又反转回钻，以减少对孔壁挠动，起松动作用。
钻进砂砾石层，为保证孔壁稳定可事先向孔内投入适量粘土球；下入孔内的钻斗，装闭合阀板，以防提钻时砂砾石从底部漏落。
2.5 清孔
旋挖钻进至设计终孔标高后，将钻斗留在原处继续旋转数圈，将孔底虚土尽量装入斗内，起钻后仍需在孔底虚土进行清理。下入钢筋笼后，再测孔底沉渣是否超标，如超标则进行二次清孔。从工程实际看，一般成孔24小时后，沉渣厚度为25厘米左右。
3 现场管理
诚然，全液压旋挖钻机设备自动化水平高，但同样离不开有效的现场管理。首先要重视施工的前期准备工作。特别是由于设备自重较大，总动力大，现场桩位的地基加固是一个重要的问题。其次，应重视现场的各项检测与记录，特别是地质层的判定与记录。由于钻进快，而各种资料是迅速调整其各工艺细节的当然依据。另外，钻斗升降速度的严格管理，稳定液（泥浆）的管理，钢筋笼及混凝土的作业管理都是现场管理的重点。
4 结语
通过泥浆护壁旋挖成孔灌注桩的施工实践，笔者深有体会：
4.1 现时旋挖成孔法，不仅具有低噪音、低振动、扭矩大、成孔速度快、无泥浆循环等优点，硬土地质条件下，单桩总能耗也较小。由此，可推论其推广前景极佳。
4.2 泥浆护壁旋挖成孔施工中，根据桩径与地质层情况，控制钻斗升降速度是成败的关键。
4.3 旋挖钻机作为现时性能突出的新设备，在使用时应做好相配套的现场管理，方可使其性能得到充分发挥。
4.4 旋挖成孔法，现时能再领风骚，可谓是传统工艺与现代科技结合的典范，确有方法论意义。
