旋挖钻机在软土地基基础施工中的应用

文｜ 江苏省水利建设工程有限公司 顾永明

1 工程概况

七浦塘江边枢纽工程是七浦塘与长江交汇口的重要口门控制性建筑物，泵站工程位置选择在长江堤防以西的荡茜河河线上，距老江堤约250m，距长江主流约1.2km。泵站主要建筑物座落于③1层或④1层淤泥质粉质粘土上，饱和、流塑状态，高压缩性，力学强度低，地基承载能力较差，必须进行基础处理。采用混凝土灌注桩进行地基加固处理，应用了旋挖钻机泥浆护壁成孔施工技术。

图1 旋挖钻机现场施工图

2 旋挖钻机的主要功能和特点

2.1 操作简便，施工便利

目前市场上的旋挖钻机基本都由液压驱动，其操作程序也实现了自动化控制，部分进口机械还能依靠先进的陀螺仪和全站仪实现自动定位、自动扶正桩位等功能。

2.2 占用临时用地较少

旋挖钻机在成孔过程中，不会排出较多的泥浆，可以相应减少泥浆沉淀池的尺寸，从而减少工程在用地方面的投入。

2.3 环保特点突出，施工现场干净

旋挖钻机一般都采用无循环或者干式泥浆钻进的方式，使用的泥浆量为普通循环钻进的1/10～1/2O，不会对施工现场造成严重污染，可以有效降低排污费用，并提高文明施工水平。

2.4 灵活性强

旋挖钻机使用履带底盘承载，接地压力小，适合于各种工况，在施工场地内行走移位方便，机动灵活，对桩孔的定位非常准确、方便。

3 旋挖钻机桩基施工

3.1 施工准备阶段

（1）测放桩位

为了确保后期桩位的准确性，施工前用全站仪、水准仪等进行桩位放样。放样结束后可使用白灰或设置标记桩等进行定点，并提请监理现场确认。

（2）设置护筒并注入泥浆

待钻机安设完毕后可使用吊机将钢制护筒吊装时所需钻孔的桩位上，鉴于软土基础的稳定性较差，可适当增加护筒的长度。吊装时应确保护筒的中心点与桩的中心点重合，并保证垂直度，以免钻进作业时桩位出现偏移。当护筒固定就位后可利用螺栓或钢筋对其进行加固，从而避免后期钻进作业中各类施工机械和人员对护筒的位置产生不利的破坏和影响。

3.2 施工阶段

（1）旋挖钻进

图2 现场钻进作业

钻进作业的准备工作全部就绪后，施工人员应当立即着手准备钻进作业所需的泥浆。起初钻进作业的速度应当有所降低，并随时对钻孔的位置和垂直度进行检测，一旦发生问题应及时予以纠正。但钻进作业达到一定深度后便可将泥浆灌注到钻孔内从而起到支护钻孔壁的作用。

（2）清孔

待钻机钻进至施工图中所要求的深度后，为确保钻孔底部泥浆能够通过灌浆来排除，可利用钻头在钻孔底部适当进行扩孔作业。随后，利用适当比例的泥浆对钻孔进行清理，以确保后期钢筋笼吊装与混凝土灌注的施工质量。

（3）钢筋笼吊放

待钻孔深度、直径和位置等因素满足设计要求后，便可将事先绑扎完成的钢筋笼进行吊装，吊装作业时应时刻保持钢筋笼与钻孔面保持垂直和居中，以便其在下放的过程中对孔壁进行刮擦。

（4）二次清孔

由于钢筋笼在吊装过程中难免会对孔壁进行碰撞，为了进一步降低钻孔内砂石对于混凝土灌注施工质量的影响，可利用压缩空气对钻孔进行二次清空，其具体做法如下。将连接有空气压缩机的导管放入钻孔底部，使其能够被吹出钻孔。

（5）灌注混凝土

混凝土灌注作为旋挖钻施工工艺的关键工序之一，其施工质量的好坏直接关系到工程质量，为此施工人员必须将其施工过程实施全程监管。首先，施工前应按照施工图纸要求联系混凝土供应商和运输车辆，以保证施工期间混凝土供应量的充足。其次，灌注作业必须在天气晴好的状态下进行，尤其是避免出现降水降雪等不利气候条件，以免地面积水流入基坑内导致施工质量问题。再次，在灌注期间可采用专门的混凝土泵送车进行混凝土的转运和输送，大量施工案例显示使用混凝土泵送车相对于直接采用混凝土倾倒法施工的灌注作业，其出现断桩和混凝土沉淀分层的机率大大降低。最后，在灌注期间应严格控制混凝土泵送的速度，以免其内部出现空泡及空洞，一旦泵送混凝土的压力过大容易导致钻孔内的钢筋笼出现顶起和上浮的问题。同时，始终将泵送车的导管控制在混凝土液面以下0.5-1m之间，随着灌注深度的上升，其泵送的速度可逐步降低。另外，鉴于部分施工现场距离混凝土加工厂路程较远，为了保持混凝土的和易性可适当在其中调加部分水量；而在气温较高的夏季进行施工时可在混凝土中加入缓凝剂来延缓混凝土初凝的时间。

（6）起拔导管

待混凝土灌注到设计标高后可利用吊机将混凝土导管进行拔除，由于混凝土导管长度通常在3-5m之间，为了确保在起吊的过程中导管不对已经安放的钢筋笼造成损坏从而影响桩基质量，应始终保持其在钻孔居中的位置。吊装作业速度不可过快，以时刻留意钻孔内混凝土液位，一旦发现吊装过程中有液位突然下降和上升的趋势立即停止吊装作业。

（7）拔除护筒

在混凝土浇注完成后，须立即将护筒拔除。护筒的拔除要平、稳，不可对护筒周边地层或桩头混凝土造成过大扰动，产生桩头部位缩径或夹渣现象。

4 旋挖钻机在软土地基施工存在的主要问题

4.1 在淤泥等地层中易发生孔壁坍塌

当旋挖钻机在淤泥等地层中钻进时，可能由于护筒的埋深位置不合适、土层中有较强的承压水、钻斗上下移动速度过快以及泥浆性能不能满足要求等原因，会造成孔壁坍塌。

4.2 易出现轴线偏位的情况

受地质条件限制和操作技术水平影响，施工中有时不能正确的确定钻进轴线，发生偏位现象或使钻孔倾斜。

4.3 埋钻现象偶有发生

由于部分桩位在地质勘探阶段未进行有效的布点取样，从而造成了局部区域存在未曾查明的淤泥层、流沙层，一旦钻孔期间施工人员处置不当或钻进速度过快，极其容易产生埋钻。

5 原因分析

5.1 护筒的埋深位置不合适。例如护筒埋设在粉细砂或粗砂层中，水压漏水后砂土容易坍塌；另外，由于振动和冲击等影响，使护筒的周围和底部地基土松软造成坍塌。

5.2 地质勘探不够全面。鉴于旋挖钻在施工过程中所有的施工内容均在地表以下，而一旦施工开始整个钻进作业无法停止，如果在前期地质勘探阶段未能够有效和全面地对施工区域下地质情况进行分析和研究，将会导致大量埋钻、孔壁坍塌、地下承压水涌出等重大施工事故的产生。

5.3 钻斗上下移动速度过快，致使水流以较快的速度由钻斗外侧和钻孔之间的空隙中流过，冲刷孔壁；有时还在上提钻斗时在其下方产生负压而导致孔壁坍塌。

5.4 泥浆施工管理存在问题，致使泥浆性能满足不了施工要求而造成孔壁坍塌。

5.5 为保证钻斗钻进时不跑偏，钻斗都设有定心。但定心顶尖太高、太宽，遇到软地层，黏泥又容易将“顶尖”糊住；两者都可能造成钻斗打滑，钻头跑偏，发生非正常倾斜。

6 旋挖钻机在软土地基施工中的控制措施

6.1 护筒埋设

鉴于在旋挖钻作业时护筒不仅起到了定向的作用，而且其也可以作为所开挖的钻孔护壁，大大减少了钻孔在钻进及后期混凝土灌注期间垮塌的机率。同时，为了降低旋挖钻在混凝土灌注时出现“漏浆”和“跑浆”的问题，安放护筒时必须采用机械或人工的方式对护筒接口进行夯实加固。如果在钻进作业期间发现钻孔上部的土质较为松软或地下水位较高而对上层土质产生冲刷效果，则可在施工时适当加长胡红长度，并在混凝土灌注时适当提高所灌注的混凝土标号，以提高成孔质量。

6.2 泥浆配比

泥浆作为旋挖钻施工过程中重要的施工材料，其不仅起到了支撑钻孔壁的支护作用外，其还能将钻孔内的部分垃圾和残渣通过泥浆所具备的和易性和浮力冲刷出钻孔内，从而提高后期混凝土灌注的效果。因此，在不同地质情况与钻孔孔径、钻孔深度的情况下应当事先调制出合适的泥浆配比。

6.3 钻孔沉积物控制

鉴于旋钻机的工作原理和作业方式与普通钻机的方式有着较大的区别，旋钻机是通过其钻头的旋转将钻孔内的图纸切割成条形并将其装入钻头内提升出钻孔，而其他钻机通常是利用钻头直接将钻孔底部的泥土打磨至粉状，并使其与钻孔内的水体相接触从而形成泥浆，以便后期通过混凝土灌注而将其顶出钻孔。鉴于旋钻机特殊的工作机理，其在钻进作业时对于钻孔周边的土层扰动较少，而且其未出现普通钻机作业中常见的超钻和超挖现象。因此，在后期混凝土灌注时应注意扣除部分超挖量计算的混凝土方量。

图3 现场施工图

6.4 复测孔深及稳定液比重

为了确保后期混凝土灌注的施工质量，施工人员必须在关注前重新检测混凝土砂浆的泥水比，如检测结果发现不合格者必须停止灌注作业立即更换混凝土砂浆。同时，必须对钻孔的深度进行检查，并注意护筒是否存在扭曲、开裂等问题。

6.5 对混凝土灌注工具的要求

导管作为混凝土灌注作业必要的施工工具，混凝土导管也必须在施工前进行检查，确保其密封性、导流性满足施工要求。而在施工中应当注重对导管的观察，一旦发现有部分混凝土料堵塞导管，立即对其进行清理以便后续灌注工作的开展。

6.6 浇筑混凝土的要求

为了避免出现断桩等重大施工质量事故的发生，在灌注混凝土期间应确保混泥土的连续供应，施工人员必须提前联系好相关混泥土的供货商并安排专业运输车辆按时运输到位。在灌注时切勿使用搅拌棒对混凝土进行搅拌，必须依靠其自身的密度自然下坠到钻孔内。同时，混凝土导管始终保持在混凝土砂浆的液面以下0.5-1.0m处，切勿提升过快从而导致混凝土砂浆内出现断层和气泡。

6.7 轴线偏位和钻孔倾斜的处理

（1）在完成钻进作业后必须采用全站仪对现场的桩位进行复核，同时利用测深仪对钻孔的深度进行复核。

（2）开始钻进作业前必须反复使用水准仪、水平仪等设备对钻头的水平与垂直位置进行复核和纠偏，部分有条件的施工班组甚至可以采用更为精准的激光定位技术，从而确保钻进作业期间钻头始终保持在正确的位置

（3）钻进作业期间除了对钻头要保持时刻的关注外，鉴于钻进所使用连杆的垂直度也会随着作业期间地质、土层深度以及钻进速度的变化而产生变化，尤其是遇到地表下土层在较短的距离内出现流沙层、黏土层、岩石层、地下承压水层等不同地质形态之间的变化将会造成钻杆受力的不规则波动，从而引发钻杆垂直度的变化。为此，钻进作业期间应依照前期地质勘探情况合理安排不同深度与不同地质情况下钻进作业的速度。

（4）一旦钻进作业期间遇到了十分坚硬的花岗岩层，如无法通过调整钻头类型等方法进行作业，则须立即停止作业改为爆破等方式予以清除。

7 结语

在粘土、粉土、砂土、淤泥质土等软土地基成孔施工中应用旋挖钻机，是一种理想的施工工艺，有着相当可观的经济效益和社会效益。随着旋挖钻机应用的不断增多，其所具有的优越性也日益凸显，一定会在未来有着良好的发展趋势。