旋挖钻机硬岩钻进施工工艺探究

华桦

摘 要：目前旋挖钻进技术中对钻进硬岩、极硬岩常规办法是采用旋挖钻机筒钻进行“硬磨”。为解决上述问题，本文通过不对旋挖本身进行改变，而是利用组合外部设备的方式大幅提高了对高强度岩钻进的入岩效率。

关键词：道路桥梁工程;基础工程;桩基施工

0 前言

旋挖钻机是建筑工程中成孔作业的现代化施工机械，它具有自动化程度高、劳动强度低、装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工率高等特点。目前已广泛应用桥梁、市政设、高层建设等基础的钻孔灌注桩工程。但是在硬地层如岩石或极硬岩中，嵌岩式的桩基施工技术仍处于不断探索和完善阶段，在应用和施工经验方面的资料也很有限，为了适应城市化发展的要求，随着越来越多的超高层建筑、大桥梁的建设，将会有更多的桩基，需要嵌入中、微风化硬质岩或极硬岩层施工。

目前旋挖钻进技术中对钻进硬岩、极硬岩常规办法是采用旋挖钻机筒钻进行“硬磨”。

为解决上述问题，本文通过不对旋挖本身进行改变，而是利用组合外部设备的方式大幅提高了对高强度岩钻进的入岩效率。

1 旋挖钻机的优越性及工作原理

旋挖钻机采用动力头装置，具有轴向压力及扭矩大的特点。施工时，钻机根据不同地层可自动调整，使各项钻进参数达到最佳，自有的行走功能和桅杆变幅机构使得钻具能正确的就位到桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头，钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直钻符合设计深度。节省大量人力。作业人员在安全的环境下作业，实现本质安全。旋挖钻进为干式或无循环泥浆钻进，护壁泥浆为可重复利用，无需外运，大大减少环境污染，挖出的土直接装车外运，保持现场清洁平整;旋挖钻机采用原装进口柴油机，噪音小、功效高，能耗是完成相同工作量钻（冲）孔桩机的1/4。据统计，在相同地层旋挖钻机的成孔速度是传统（冲）孔钻机的3～5 倍左右。

2 潜孔钻机的工作原理

潜孔钻机一般用于钻凿岩石锚索孔、锚杆孔、爆破孔、注浆孔等钻凿施工。其工作原理是，潜孔钻的风动冲击器连同金刚石钻头装在钎杆的前端，钻孔时，推进机构使钻具连续推进并将一定的轴向压力施加于孔底，使钻头与孔底岩石相接触;回转机构使钻具连续回转，安装在钻杆前面的冲击器，在压缩空气的作用下，使活塞往返冲击钻头，完成对岩石的冲击;压缩空气从回转供风机构进入，经中空杆直达孔底，把破碎的岩粉从钻杆与孔壁之间的环形空间排至孔外。由此可见，潜孔式凿岩的实质是，在轴向压力的作用下，冲击和回转两种破碎岩石方法的结合，其中冲击是间断的，回转是连续的，岩石在冲击和剪切力作用下不断地被压碎和剪碎，可见潜孔钻机对岩石的破坏性是显著的。行走装置由行走架、液压马达、多级行星式减速机、履带、驱动轮、从动轮及张紧装置组成，可适应大多数地型自由行走。

本项目则集合以上两种机械特点，采用潜孔钻机配合旋挖钻机的方法进行施工，快速突破硬质或极硬岩层，从而提高机械使用效率、降低施工成本、提高施工效率。

3 工程概况

重庆市某工程项目处于滑移带上，需成孔数十根基础桩。场地地层结构相对复杂，主要分布有人工填土、滑坡堆积层、石英砂岩、量碳质泥岩等。设计要求桩端嵌入中、微风化石英砂岩层，且桩端以下支承岩层的3倍桩径或5 m深度范围是完整石英砂岩层。该项目浅层石英砂岩与碳质泥岩交替发育，故需多次穿过石英砂岩完成嵌岩。石英砂岩天然强度达85 MPa～135 MPa。属于坚硬岩层，如采用普通SR420旋挖机在中风化层钻进缓慢，在微风化层甚至无法钻进。

4 主要施工难点

（1）成孔垂直度偏差大，深距离钻进地层阻力大，易使钻杆弯曲偏斜。软硬地层交替易致钻头偏钻，形成斜孔。

（2）成孔孔径难保证上软下硬地层易使桩径出现上端大、下端小的现象，原因是上端桩穿越软土地层，成孔时间久，孔壁扰动影响大，易出塌孔等不良问题，造成孔径扩大。

（3）在软硬层过渡区域，钻机钻进困难，钻头偏向较软地层，从而使钻头不断向各个方位钻进，但一旦进入硬岩层，钻头握裏力强劲，就不再扩孔，所以易造成孔径大小不一的情况发生。

（4）成桩工效低，成本高，由于桩径大，入岩深，岩层单轴抗压强度高，钻齿磨损严重，钻头进尺缓慢，成桩式效过低，造成施工成本高。

5 施工技术要点

根据本项目特点和施工难点分析，本文提出的组合式施工工艺不但要实现桩底硬岩破碎，保证成孔垂直度、孔径质量，需且要保证施工工效高、成本低。

（1）平整场地，测量放样将施工位置夯实、整平，一般开发部坡度不大于3度，地基承载力特征值不小于200 kPa，以适宜旋挖、潜孔钻机、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）潜孔钻机使用方式：1）在原地面延桩内壁均匀布孔，每孔间距10 cm，垂直钻进至设计深度，孔间间距是为保证孔壁厚度，防止轻微偏心后动能过大而导致串孔。然后再由旋挖钻机开孔，钻进至设计高程。此种方式优点：是在旋挖开孔前施工，即提高了潜孔钻机的使用率，也不影响旋挖机正常施工，同时对旋挖筒钻钻齿垂直范围内的岩层造成破坏，保证成孔垂直度，提高了施工工效。缺點：是由于从原地面开钻，每单孔施工周期相对延长，且需严格控制潜孔钻成孔垂直度，防止串孔。可用钢板自制模具提高效率。2）在旋挖钻机钻进至硬岩时停止，在桩孔口平放一根工字钢作为潜孔钻机钻架的作力点，由潜孔钻机在岩层上施钻，布孔以蜂窝状更为有利，起到破坏孔内岩层结构的作用，突破该层或钻进至设计高程，再替换为旋挖钻机施工。优点：是潜孔钻机单孔施工周期短，可利用旋挖钻机多孔施工中的间隙交替作业。缺点：是钻头需加长至岩层施钻，由于高度过大，且钻杆无束缚，摆动大，无法实现延桩内壁均匀布孔，破坏的是桩中心部分的岩层结构，所以布孔数较第一种方式多。但同样能提高成孔工效。

6 结语

本文提出的应对坚硬岩旋挖施工工艺，是采用潜孔钻和旋挖钻机的组合施工。潜孔钻机具有钻孔、导孔以及破坏桩基内部岩层结构的作用，旋挖钻机利用筒钻可反复突破岩层夹层，到达设计深度，从而满足桩基有效长度和设计嵌岩要求。 该新工艺方法具有以下优点：

（1）潜孔钻机和旋挖钻机的组合能适于层岩硬度超过120 MPa硬岩中。

（2）本工艺结合了潜孔钻和旋挖钻机设备特点，潜孔钻即可在桩基位置先施工到桩基设计深度，也可在开孔进入岩层后把岩石打成蜂窝状，用以破坏桩基底部岩石结构，然后再使用旋挖钻机施工，提高入岩效率，节省施工时间。有效地降低施工成本，同时能够有效地降低施工现场噪音污染，保护环境，特别适用于市区等对于噪音环境要求较高地段。

（3）本工艺对潜孔钻机使用方式进行改进，使原本仅用于成孔锚杆、爆破孔等的机械器具提供了新的使用方式，即提高了机械使用率又可为成孔质量和成效率提供帮助。

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