公路桥梁桩基础施工中旋挖钻机成孔工艺的应用

米晓丽

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

旋挖钻机是一种智能化水平较高的施工机械，该机械主要的应用领域是建筑物或者构筑物地基处理工程的成孔作业。旋挖钻机在青藏铁路二期工程和北京奥运会工程的成功应用，使其获得了市场的认可。近年旋挖钻机的功率和扭矩都在提高，继而保障了处在岩石地层区域的桥梁桩基础成孔需求。旋挖钻机成孔过程中可以根据施工区域地质条件的变化更换不同类型的钻具，来实现干式成孔作业、湿式成孔作业以及岩层成孔作业。活跃在各类大小工程项目上的旋挖钻机最大额定功率通常为450 kW，最小的额定功率也要在125 kW 以上；最大的动力输出扭矩一般为400 kN·m，最小的动力输出扭矩也在120 kN·m以上。通过以上数据可知，旋挖钻机相比其他成孔机械具有大扭矩、大功率以及施工效率高的特点。在大扭矩、大功率优势下，旋挖钻机几乎可以适用于黏性土、粉土、砂土、碎石以及风化岩层等所有地质条件下的成孔作业。旋挖钻机的最大成孔直径可达到4 m，最大的成孔深度可达90 m。

在旋挖钻机应用之前，公路桥梁桩基础工程成孔作业过程中如若遇到岩石等坚硬地质条件时，通常采用的成孔方法是人工钻孔爆破和冲击钻。人工钻孔爆破技术落后且施工周期非常长。人工爆破作业导致施工安全难以保证，存在安全隐患，该施工方法现在已基本上被淘汰。另一种常用成孔方法—冲击钻成孔法在坚硬岩石施工过程中最为突出的问题有以下几点：遇到坚硬岩石地层，冲击钻施工法可能很长时间没有任何进尺，导致施工周期无限延长。如果地层发育有熔岩地质，容易出现卡钻现象，冲击钻出现卡钻后，处理的一根桩至少要1 个月时间，无论是施工周期还是施工成本都大大的增加，损失严重。

当采用旋挖钻机成孔后，施工效率大幅度提升的同时，施工质量和施工安全也得到了有效保障。与此同时，虽然旋挖钻机成孔单价要高于其他钻机成孔单价，但是其成孔作业的高效率使得施工总成本降低。以辽宁省某立交桥项目为背景，介绍了旋挖钻机在公路桥梁微风化硬质岩和中风化硬质岩地层中进行成孔作业的施工工艺。

1 旋挖钻机施工工艺分析

根据辽宁某立交桥桩基础项目勘察报告可知，该桥梁基础项目所处地层大部分为微风化硬质岩和中风化硬质岩。依据微风化、中风化岩石的力学性能和机械设备破碎岩石成孔的基本原理，进行了该立交桥桩基础项目不同机械设备条件下试验桩参数的设定，对不同成孔机械施工工艺的技术经济指标进行比对分析后，确定了该立交桥桩基础项目采用旋挖钻机进行成孔作业。由于该立交桥桩基础施工项目场地地下水位较低，为避免成孔过程中出现塌孔等不良现象，决定采用旋挖钻机成孔水下灌注混凝土施工方法，采用泥浆护壁施工方法。该立交桥桩基础项目旋挖钻机施工工艺的具体工艺流程如下：

（1）施工场地的平整。该立交桥项目桩基础工程的施工场地表面坚实程度不足，不具备旋挖钻机底盘直接接触进行施工的条件。根据该立交桥桩基础项目勘察报告可知，整个施工区域地下水位较低，所以在场地平整并清除场地杂物后，要进行旋挖钻机施工区域的筑岛作业，筑岛顶面标高要至少高出旋挖钻机施工作业时场地水位的1 m 以上，旋挖钻机安置在筑岛顶面进行成孔作业。

（2）桩位的测量放样。该立交桥项目远离市区且周围有高大山脉阻隔，GPS 信号较弱，使用RTK 进行测量放样精度无法保障，所以该项目桩位的测量放样采用NTS-391R10 型南方全站仪进行施测，施测后在桩位四周设置护桩并根据现场布置好的控制网进行复测，确保桩位放样误差控制在5 mm 以内。

（3）旋挖钻机就位与护筒埋设。根据该立交桥项目地质勘察报告和施工现场地质条件，采用厚度为6 mm 钢板进行施工护筒的制作。为了提高施工安全系数，场地内所有护筒的长度按照3 m、直径按照1.7 m 的规格制作。该立交桥桩基础施工项目将护筒长度定位3 m，主要是基于高出桩基施工期间地下水位2 m和护筒高出地面0.5 m 来考虑的，其中护筒高出地面0.5 m 的目的主要是防止施工场地泥水流入孔内影响施工质量。

（4）泥浆制备。根据该立交桥桩基础项目勘察报告可知，施工区域地层除中风化硬质岩外还夹杂着粉质砂土，且地下水位较低。通过勘察报告可以确定，该立交桥旋挖钻机成孔工艺的泥浆主要起到平衡水位、防止钻孔塌孔、沉渣运输以及降低钻头钻进因摩擦产生的高温。根据以往施工经验，满足以上目的的泥浆三大指标通常如下：泥浆的黏度控制在18～22 s，泥浆的相对密度在1.05～1.10 g/cm3，泥浆的砂率小于4%，且泥浆的pH 值大于7。

（5）旋挖钻机成孔。在旋挖钻机成孔的过程中，现场技术人员和钻机操作人员要时刻关注钻机钻杆是否处于垂直状态，钻孔深度除了钻机深度计算器控制外，现场技术人员要用测绳对成孔深度进行校验。根据勘察报告展示的地层情况，采用分级扩孔策略进行成孔作业，先用小直径取芯钻头和捞砂钻头配合钻至设计孔深，再用较大直径钻头和捞砂钻头配合进行二级扩孔钻进，直到满足设计桩径和设计孔深后，二级扩孔钻进工序结束，继而实现旋挖钻机成孔作业的最终目的。在安设钢筋笼和下设导管前要进行第一次清孔，将已经达到设计深度的终孔内沉淀物进行清理。

（6）钢筋笼运输和现场吊装。钢筋笼运输过程中重点控制项目是确保钢筋笼骨架在运输过程中不出现弹性变形，由于该立交桥项目钢筋笼加工区域与桩基施工区域有一定距离，所以采用汽车运输钢筋笼。为了确保钢筋骨架在运输过程中不出现弹性变形，在每一个加筋位置均设置高度相同的支撑点。采用汽车吊进行钢筋笼下设，钢筋笼采用三点起吊，第一吊点设置在钢筋笼下部箍筋处，第二和第三吊点设置在钢筋笼1/3 长度和钢筋笼1/2 长度之间的同一个箍筋圈的对称位置。起吊过程要缓慢完成，确保钢筋笼在起吊过程不出现任何变形。在孔内下放钢筋笼的过程应徐徐放下且不能出现左右旋转的动作，切记不可以碰触孔壁。如果在下设过程中出现钢筋笼卡顿或者停止下落的情形，要立即查明原因后采取有效处理措施，不能提高钢筋笼后猛然下放。用孔口标高来控制定位钢筋的长度，该立交桥项目采用螺纹钢筋悬挂护筒的方式来进行钢筋笼定位，其目的是为了防止钢筋笼出现掉笼或者将来正式灌注时出现浮笼的情形。安设好的钢筋笼中心要与桩位中心一致，校对二者中心位置一致后再焊接定位钢筋进行固定。

（7）导管下设与安装。在钢筋笼安设完毕后紧接着进行导管下设工作，同样是用下设钢筋笼的汽车吊对每段导管进行起吊安装并下设，安设完毕后的导管最下端距离孔底距离为0.5 m。当导管安设完毕后要第一时间进行孔底沉渣测量。如果孔底沉渣超过规范要求，要立即进行二次清孔，经现场技术人员和旁站监理工程师确认后方可进行灌注作业，灌注前要拆除吸泥弯头。为了防止塌孔，在导管下设完毕后的6 h 内要完成混凝土灌注作业。

（8）混凝土灌注。混凝土灌注开始后要持续灌注直到灌注结束，中途不能停止灌注，如确需等料，也不能超过混凝土初凝时间。灌注过程中要勤测量孔内混凝土面深度，每隔0.5 h 测量一次最佳。根据每次测量的混凝土面深度，及时准确指导施工人员进行导管的拆除工作。此外，混凝土的初灌量控制情况是灌注工作成败的关键，根据该立交桥桩基础施工项目特点，工程初灌后导管埋在混凝土内的深度不能少于0.8 m，根据要求设计了一个体积为4.5 m3的大料斗来保证该项目的初灌量要求。

2 旋挖钻机成孔工艺特点分析

通过旋挖钻机在该立交桥桩基础施工项目的成功应用，可以得出旋挖钻机在公路桥梁桩基础施工过程中具有以下3 个特点：

（1）旋挖钻机成孔速度快。该项目成孔采用分级成孔，其中第一级成孔采用的是岩石取芯钻头，该钻头无论是钻齿的布置设计还是钻齿的结构设计均参考岩石破碎原理，可以对岩层进行直接施工钻进，所以大大提高了施工效率。

（2）旋挖钻机施工质量控制的优势突出。该立交桥桩基础施工项目为旋挖钻机配备了3 m 长的护筒，在施工人员辅助的前提下，旋挖钻机可以自行埋设护筒，这就将桩孔四周的回填土对孔口的不利影响降到最低。旋挖钻机具备较为成熟的水下灌注混凝土的施工工艺，可以将成孔过程中的沉渣阻挡在护筒外，即便成孔过程中出现少量沉渣，水下灌注前的清孔作业也会将沉渣通过泥浆运输到孔外。旋挖钻机本身集合了较为先进的科学技术，在成孔过程中可以自行精准控制钻杆的垂直度、成孔深度以及桩底岩层情况检验等。旋挖钻机成孔过程产生的沉渣较少，节省了大量的清孔时间，保证了混凝土灌注桩的成桩质量。

（3）旋挖钻机机动能力强，履带底盘可以在各种复杂地层行走。旋挖钻机的施工现场较为干净，旋挖钻机除了湿作业法外，只要地下水位满足要求，在岩层地区还可以进行干作业法。旋挖钻机的干作业法不仅降低了水资源的浪费还避免了泥浆对施工区域的污染。

3 结束语

根据旋挖钻机在辽宁某立交桥桩基础施工中的成功应用，充分体现了旋挖钻机在桥梁桩基础数量多且分散情况下的机动优势。经过施工完毕后的桩基检测结果可知，旋挖钻机的成孔质量较高。旋挖钻机可以根据不同地层情况，选用不同类型的钻具进行钻孔作业。此外，根据地下水情况，可以选用旋挖钻机干作业法和旋挖钻机湿作业法，为不同地质条件提供了更加经济安全的施工作业保障。