旋挖钻技术在特大桥桩基施工中的应用探讨

刘 磊

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100000）

旋挖钻是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工工艺，近年来，随着我国大扭矩旋挖钻机技术的不断成熟以及成功的工程施工案例，旋挖钻技术已经广泛应用于城市基础建设、道路交通建设等多方面基础施工工程[1-3]。旋挖钻工艺是将挖土、卸土作业流程集聚一身的施工方法，大大提升了钻孔效率，在施工过程中，钻头在孔底和地表区间往返，形成的孔壁较为粗糙，孔内护壁注浆后，浆体和孔壁之间的相互咬合作用强，桩空稳定性高。多项工程实例验证，旋挖钻施工工艺对岩性强度的适应性强，甚至可以满足80 MPa 以上岩石地层施工需求，且成孔质量和成孔效率高，已成为大型桩基施工最为主流的工程设备[2-4]。

1 工程概况

本文以安徽阜阳某特大铁路桥施工为例，大桥总长近4 220 m，位于黄泛冲积平原区、山前冲积平原区，由历年黄河泛滥泥沙沉积而成，地势较平坦开阔，略有起伏，地势由西北向东南倾斜，地面高程20~32 m，后期受黄河故道影响较大，沿线基本为农田，村舍、水塘、沟渠零星分布，水系、河渠纵横。地层为素填土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、黏土、黏土包含了能反映标段钻孔桩的地层，具有代表性。由于工程施工及生产井混合取水影响，故各含水层已混合水位，水质趋同，按照设计图说明，勘察期间测得钻孔内混合地下水位埋深1~6 m，高程20.11~30.14 m。管段内主要负责桥梁下部结构、83 m+128 m+83 m 连续梁、6 m×32 m 道岔连续梁、5 m×32 m 变宽连续梁、部分桥面系、附属工程。主要工程数量：钻孔灌注44 500.5 m/934 根，承台18 371.575 m3/112 个，墩台身19 952.5 m3/112 个，特殊结构11 831.56 m3/3 联（83 m+128 m+83 m 连续梁1 联、6 m×32 m 道岔连续梁1 联、5 m×32 m 变宽连续梁1 联）。

2 旋挖钻施工工艺及流程管控

本次施工采用YTR230D 型号旋挖钻4 台，YTR230D 型号履带式旋挖钻机是宇通重工旋挖钻机创新的产品之一，最大钻孔直径2 000 mm、最大钻孔深度52/68 m、最大输扭矩230 kN·m、最大转速35 r/min、最大起拔力230 kN，是集冲击入岩、高速甩土、螺旋钻机和多档控制等多种功能于一体的入岩旋挖钻机。该钻机施工能力较强，适用范围较为广泛，可以针对不同施工区域和环境进行相应配置的调节。旋挖钻施工工艺流程，如图1 所示。

图1 钻孔桩施工工艺流程图

2.1 场地平整及测量放线

旋挖钻机就位底部垫平，保持稳定，不得产生位移和沉陷，采用松软地基换填法，换填砖渣，钻机履带底垫钢板，钻头在桩位中心偏差不得大于20 mm。旋挖钻机垂直度控制主要利用自动控制系数对中，控制参数显示屏显示，当液晶显示屏上红点位于十字丝中心时，锁定机身，钻孔过程中根据对中情况控制垂直度。

2.2 护筒埋设

1）护筒采用钢板制作，护筒内径大于等于桩径0.2～0.3 m。护筒长度宜保证钻孔桩稳定为标准，壁厚一般为8 ～12 mm。岸滩上砂类土应不小于2 m，如果岩层较为松软，需将护筒压深致松软层下的坚硬土层内，至少0.5 m。岸滩上埋设护筒时，应在护筒四周回填黏土并分层夯实。

2）水中筑岛时，护筒宜填埋入河床面以下1 m，对有冲刷影响的河床，护筒底宜进入一般冲刷线以下不少于1.0 m。必要时打入不透水层。在水中平台上下护筒时，应有导向设备控制护筒位置。

3）护筒顶面中心与设计桩位偏差不得大于5 cm，其倾斜度应不大于1%。

4）护筒顶标高，应高出施工水位或地下水位2 m，在旱地或筑岛时还应高出施工地面0.5 m。

5）以1.25 m 直径桩基为例，选用的钢护筒壁厚为8 mm，长度为3 m，直径为1.5 m，利用旋挖钻1.25 m 的钻头对准桩位中心，调整好机械，从原地面往下钻进2 m，用旋挖钻吊住钢护筒放入坑内，过程中利用护桩与护筒周边距离控制护筒的垂直度，徐徐下放，对中后，用旋挖钻把护筒压入土层内，外漏50 cm 高。钢护筒就位完成后，再用钢卷尺复核一遍，若仍存在偏差大于1 cm，则按以上步逐重新进行调整。完成后用挖机把护筒压下0.5 m，护筒顶高于原地面50 cm，防止钻进过程中杂物落入孔中。

2.3 钻机安装就位

旋挖钻机就位时与平面最大斜度小于等于1%，钻杆中心与护筒中心偏差不得大于5 cm。钻机平台周围必须平整、密实。钻机就位后的底座和顶端必须平稳，在钻进过程中不得产生位移或沉陷，否则应及时处理。钻桅的垂直度要控制在0.2°以内。动力头和钻桅的间隙不能太大。钻杆的随动架中心应与动力头中心保持一致。钻杆和钻头的方向不能倾斜。钻桅垂直度通过钻机自身垂直检测系统控制，并辅以人工测量倾斜量。

2.4 泥浆制备

泥浆池分循环池与沉淀池，尺寸能满足单根桩排浆量的需求为准，尺寸暂按工艺试验确定的7m×6m×2 m开挖，具体尺寸根据实际排浆量来确定。对松散易坍地层因无法放坡采用钢套箱作为泥浆池，泥浆池外防护采用1.8m×1.2 m 黄色制式栅栏网封闭，栅栏网用膨胀螺栓固定于硬化地面上，泥浆池内M20 砂浆，并悬挂安全警示牌。

泥浆的性能指标对钻孔中的护壁效果和成孔质量有很大影响，在施工中应严格控制泥浆性能指标，选用优质膨润土或黏土等配制优质泥浆。根据地层情况及时调整泥浆性能，泥浆性能指标如下。

1）泥浆比重：一般地层为1.05~1.15，松散易坍1.1~1.15。

2）黏度：一般地层16~22 s，松散易坍地层19~28 s。

3）含砂率：新制泥浆小于等于4%。

4）胶体率大于等于95%。

5）pH 大于6.5。

泥浆池考虑两墩桩共用，就近布置，用挖掘机开挖泥浆池，泥浆池和沉淀池应分开，但泥浆池和沉淀池互相连通，并于护筒口处开挖泥浆沟通至沉淀池。

2.5 钻孔

1）旋挖钻机钻头在黏性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土地层可选用回转钻头。

2）旋挖钻机开孔施工应轻压慢进，钻头转速应小于等于10 r/min，待主动钻杆全部进入孔后，方可逐步加速进行正常钻进。

3）渣样留取土层每2 m 和地层变化处取样一次，渣样用透明塑料袋装好贴好标签，记录钻孔深度、渣样名称、桩号等信息。钻孔过程中应详细及时记录并对设计地质与实际地质进行对比，记入记录表，并与设计提供的地质剖面图相对照，如有地质不符，及时与监理设计联系，核查地质，确认后再进行下步施工。渣样应编号储存，以便分析备查。钻进过程中还应经常抽取检查泥浆指标，注意地层变化，以便及时对不同地层调整泥浆比重。泥浆比重、含砂率、黏度的标准按照泥浆性能参数进行。

4）旋挖钻机钻进过程中需遵循的相应规定：①在钻孔过程中，应当根据现场钻孔地质条件的变化及时调整钻进速度、增加扫孔次数等，以免出现卡钻和埋钻等异常情况，不同层位钻进速度、钻进要求等应当符合设计要求。②除了控制钻进速度，还应当对钻头升降的速度进行严格控制，降低钻头在钻进升降过程中对钻孔的扰动，保证钻孔成孔质量以及一次成孔。

2.6 成孔

1）桩孔达到设计标高后，成孔后由测量员校验孔位中心是否符合设计要求，用检孔器对孔径和倾斜度进行检查，检孔器长度为桩基础直径的4～5 倍且不宜小于6 m，两端宜制成锥形，锥形高度不宜小于检孔器半径。孔深采用标准测绳直接测量，孔深沿孔周进行测量。钻孔桩钻孔允许偏差见表1。

表1 钻孔桩钻孔允许偏差

2.7 清孔

1）现场对钻孔垂深进行及时量取，当垂深达到设计规定后，为了保证钻孔质量，必须及时进行孔内沉渣清理。

2）清孔标准符合设计及规范要求：清孔完成的质量把关是基于孔内排除或抽出的泥浆不含较大颗粒的砂岩，且黏结度符合设计要求；以不大于5 cm 控制，摩擦桩在连续梁处沉渣厚度不大于5 cm，在简支梁处不大于20 cm。

3）清孔时，注意保持孔内泥浆面高度始终在地下水位或河流水位以上1.5～2.0 m，以及泥浆比重是否合适，防止坍孔缩孔。

4）当从孔内取出泥浆（孔底、孔中、孔口）测试值的平均值与净化泥浆相近，测量孔底沉渣厚度不大于设计要求时，即停止清孔作业，放入钢筋笼进行水下混凝土灌注。

2.8 声测管和导管安装

完成钢筋笼制作安装，对桩基进行声测管和导管安装。

1）桩基声测管采用Φ50 mm×3.0 mm 的无缝钢管，每根桩基埋设3 根声测管，用∩筋固定于主筋上，沿加强箍筋内侧等间距均匀布置，每根声测管下端距桩底5 cm，伸出桩顶50 cm，声测管接头及底部应密封好，顶部采取措施防止砂浆杂物堵塞管道。

2）导管直径采用D300 mm，中间节长度3 m，底节为4 m。导管安装前应检查其内壁光滑度，灌注前做导管抗拉及水密性试验，试验合格后方可使用。导管组装后轴线偏差不宜大于孔深的0.5%，亦不宜大于10 cm；试压的压力宜为孔底静水压力的1.5 倍。

首批混凝土灌注前导管底口距孔底一般为30～50 cm。要保证混凝土在漏斗和储量斗内的初始存储量，这就要求两者需要有足够的混凝土存储容量，并且能够使导管在初始混凝土灌注后埋入深度在1~3 m。首批灌注砼的数量公式（桩径D=1.25 m），见式（1）

式中：h1＝Hwrw/rc；导管底口与孔底的距离为0.3~0.5m，H1表示砼桩底到导管底口的高度，取0.4 m；H2表示首批灌注砼的最小深度（导管底口到砼面的高度）为1 m；h1表示泥浆底部到砼面的高度，保证导管埋入砼中的深度不小于1 m；Hw为井孔内水或泥浆的深度；rw为井孔内水或泥浆的重度；rc为砼拌和物的重度。

2.9 二次清孔及灌注

二次清孔的目的是弥补在首次混凝土灌注后，导管的孔底沉渣厚度没有按照设计要求施设。在清孔过程同时向护筒内及时补充灌注设计泥浆，完成后应当对清孔质量进行样本检测，检测合格后方能进行混凝土的水下灌注。为了保证泥浆在灌注之前不发生因长时间静止出现沉淀等现象，在泥浆的运输和灌注等待时间内，应当保持泥浆一直处于旋转运动状态。混凝土最少数量由计算确定，满足导管初灌埋深不小于1.0 m的要求。后续灌注采用搅拌车连续不断地送料，导管埋深控制在2～6 m。

3 质量控制

3.1 桩基检测

桩身强度达到设计强度的70%及以上且桩身强度不低于15 MPa，可按设计要求进行桩身完整性检测，检测方法采用超声波检测或低应变检测。桩基检测分为2 种检测方式，桩径大于等于2 m 或桩长大于40 m采用超声波检测，桩长小于等于40 m 采用低应变检测。

3.2 质量控制标准

钻孔灌注桩钻孔允许偏差和检验方法见表2。

表2 钻孔灌注桩钻孔允许偏差和检验方法

3.3 施工过程易发生情况及应对措施

1）旋挖钻机钻孔过程中扰动大，容易发生塌孔情况。旋挖钻孔采用的泥浆护壁方法属于静态护壁，钻孔壁上所依附形成的泥浆壁较薄，所以对钻孔的保护效果较差，尤其在钻孔岩层属于砂卵层的时候这种现象尤为明显，再加上旋挖钻孔工艺钻孔施工效率高、采用旋挖钻斗直接出渣，所以本身钻孔内土层的稳定性就相对较差。为此，应当针对钻孔设计要求及地质条件采取相应的预防措施：首选做好钻孔钻进速度的控制和优化调整；选择符合地层地质条件要求的泥浆配比材料；及时调整钻孔护筒的长度，确保护筒长度能够深入到基岩层内，对钻孔起到抗干扰的作用；降低孔内、孔外周边环境的施工干扰。

2）成孔后软土地层易发生缩孔。软土层内钻孔成型度较弱，钻孔初始成型后，软土层因其自身地质属性容易造成钻孔周边围岩向钻孔侵蚀；旋挖钻机成孔采用的泥浆相对其他钻机来说比重低，故对孔壁产生的力相对较小。预防措施：①在软土层施工，应当提前考虑软土层对初始钻孔的侵蚀，选择合适的钻头尽量扩大钻孔开挖直径，在初始钻孔受地层侵扰后仍旧满足设计需求；②适当加大泥浆比重；③尽可能地缩短浇注前的操作时间。

4 结束语

旋挖钻机应用于桩基成孔施工，可以有效提升钻孔效率和质量，但旋挖钻机成孔各项指标要求较高，且钻机成孔抗扰动能力差：必须严格按照设计规范标准进行清孔，若孔底沉碴厚度不满足设计要求，利用导管进行二次清孔；必须对桩基强度及桩径、桩长等进行检测；泥浆指标要求较高，在钻进过程中选择合适的钻进速度及控制好泥浆配比，避免发生坍孔事故。除此之外，在施工过程中，要做好施工平台监测、钻头磨损监测、施工工艺管控等工作，以免成孔倾斜、孔位偏移、孔弯及扩孔等现象发生。