申维刚
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旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩桩孔的成孔设备，可以实现桅杆垂直的自动调节和钻孔深度的计量；近年来，旋挖钻机以其机动性大、成孔质量高、适应地层能力强、独立作业性好、施工技术先进等优点被越来越多地应用于钻孔灌注桩施工，本文以云湛高速TJ30标桩基施工为依托，现对旋挖钻机施工钻孔灌注桩在页岩地区的施工工艺做一简要介绍。
一、项目概况
云湛高速公路TJ30标桥涵布设位置分散，桩基共804根，其中桩径1.2m~1.3m桩基为598根，占总数的75%，平均桩长25m左右，砼27897方，792根为摩擦桩，12根为嵌岩桩。其中搭平台水上施工36根（雷州青年运河2个墩12根，永红大桥6个墩24根），岸上施工768根。本标段桩基施工主要有以下特点：（1）、桩基数量多，桩径小，桩长短（平均25m左右）；（2）、桥梁位置分散于13.3Km范围；（3）、大部分为摩擦桩，嵌岩桩仅16根；（4）桩身地层大多数为：上层粉质粘层，下层强风化页岩层。
二、旋挖钻成孔施工的主要特点
采用旋挖钻机的主要特点是：（1）旋挖钻机效率高、方便灵活、成孔速度快、扩孔率小；（2）孔壁泥皮薄，有利于增加桩侧摩阻力，保证桩基设计承载力，孔底沉渣少，易于清孔，故成桩质量好；（3）使用较少的泥浆即可满足钻孔护壁的需要，因而施工现场整洁，对环境造成的污染小，并且节省造浆和排污费用，降低施工成本。
在页岩地层采用旋挖钻机进行桩基施工的特点有：（1）成孔速度快，有效保证了工程进度；（2）对地质情况适应性强；（3）对钻孔深度、垂直度等操作能自动控制；（4）钻机自带动力，施工时不受场地、供电限制；（5）操作简单、安全、震动小、噪音低；（6）钻渣可通过钻斗旋挖直接装车运走，节约用地和减少施工环境污染。
三、旋挖钻机成孔工艺
旋挖钻机成孔工艺：旋挖钻机就位→埋设护筒→钻头轻着地后旋转开钻，当钻头内装满土砂料时提升出孔外→旋挖钻机旋回，将其内的土砂料倾倒在土方车或地上→关上钻头活门，旋挖钻机旋回到原位，锁上钻机旋转体→放下钻头→钻孔完成，清孔并测定深度→放入钢筋笼和导管→进行混凝土灌注→拔出护筒并清理桩头沉淤回填，成桩。
1、旋挖钻机就位
旋挖钻机就位前需进行各项检查工作，包括场地平整与加固、主要机具的检查与安装、配套设备的就位及水电的供应等。
将旋挖钻机行驶到要施工的孔位，调整桅杆角度，操作卷扬机，将钻头中心与钻孔桩孔位中心对准，放入孔内，调整旋挖钻机垂直度。旋挖钻机的平面位置通过钻机行走实现，钻机桅杆的角度通过液压千斤顶调整，四个长行程的液压千斤顶可实现桅杆空间角度的调整。
2、泥浆配比与控制
（1）泥浆配比
对于旋挖钻成孔情况，成孔过程中泥浆性能指标按规范要求控制，见下表。
在实际施工过程中，相对密度可通过适当增加或减少膨润土比例而使之增加或减少；对于泥浆PH值偏小的情况，可按一定的比例（如黄土：纯碱=1:0.018）加入纯碱（Na2CO3），拌和均匀后可使泥浆PH值提高到9左右；对于含砂率偏高的情况，可利用泥浆处理器除砂，使含砂率降低到2%以下；对于粘度值，随着搅拌时间的延长，其值就越大，否则越小；对于胶体率偏小的情况，在搅拌时间加长情况下，且在加入纯碱后，胶体率会大幅提升，提高至98%以上。
（2）泥浆控制与管理
1）泥浆的制备、使用、管理、性能测试严格按操作工艺施工，并及时进行记录。
2）保持护筒内水头的高度始终高于地面或地下水位1m以上，以保持护壁压力，并低于护筒顶面0.3m以防泥浆溢出。在清孔时保持孔内水头高度，以防坍孔。
3）根据不同的地质情况及时调整泥浆配合比，使泥浆指标满足要求。
4）在钻进过程后认真测定和记录泥浆的性能指标，为泥浆性能的维护提供可靠依据。成孔过程中钻桩班每两个小时测定进浆口和排浆口泥浆的相对密度、黏度、含砂率、pH值等指标。试验人员早、中、晚各检测一次泥浆的主要控制指标，均留下详细的记录。停钻时每天测定一次泥浆指标。
5）因为泥浆中的水分在压差作用下，不断的渗失，粘土和钻渣不断的分散，侵入泥浆，使泥浆中的固相物质含量提高，所以在钻进过程中，应根据泥浆性能和地质情况适当的补充失去的水分，以保证泥浆中固相物质的含量在合理的范围。加水时，慢慢加入，严禁在短时间内大量加水，使泥浆在短时间内性能出现大的变化，从而使孔壁不稳定。
6）完善泥浆循环系统设备，减少泥浆流失和污染。 当泥浆指标接近规定限值时必须及时处理。考虑到护筒内泥浆体积大，要选择好处理时机。
7）清孔后的泥浆性能指标以平均值为准，在钻孔的顶、中、底部取样检测。
3、旋挖钻机钻进
当旋挖钻机就位准确，泥浆制备合格后即开始钻进。刚开始要放慢旋挖速度，并注意放斗要稳，提斗要慢，特别是在孔口5～8m段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度，如有偏差及时进行纠正。必须保证每挖一斗的同时及时向孔内注浆，使孔内水头保持一定高度，以增加压力，保证护壁的质量。
在钻孔过程中，根据不同的地质情况，主要采用以下四种钻头：
挖土钻头：是最常用的钻头。在钻头底部有两扇仅可向斗内方向打开的合叶门。当钻进时，斗齿切削孔底土，经合叶门将土压入斗中，进尺完成提升钻头时，斗内的土在自重作用下将两扇门关紧，防止土掉入孔内。出孔口后，通过钻杆上挤压钻头上弹簧螺杆，使合叶门打开倒出斗中土体。
挖砂钻头：用于钻进砂性土地层，也可用于孔底清渣。整体结构与挖土钻头基本一样，只是在底部为双层，双层底可以相对旋转，实现进土口的打开与关闭。钻进时进土口为打开状态；进尺结束，钻头反向旋转进土口关闭。
筒钻：整体结构与挖土钻头基本一样，只是底部没有封口。主要用于施工胶结岩层，该岩层整体性好，强度大，利用筒钻的剪压作用，破坏岩层的整体性，从而达到进尺的目的。
螺旋钻头：依靠螺旋叶片之间的空间收集从孔底切削的土体，主要用于钻进胶结层，由小及大，循序渐进，达到破坏胶结层的整体性，从而达到进尺的目的。与筒钻配合使用效果更佳。
各类钻头示意图
钻进速度可以根据地质情况进行调整，在黏土层可以适当加快进尺速度，砂土层中适当减慢，以免塌孔。钻进过程中要对钻进速度进行控制，若钻头提升过快，钻头下方会形成负压区，若地下水位过高，则会造成地下水渗入孔内，造成塌孔。同时，钻头上部的泥浆通过钻齿之间的空隙快速回流填充因钻头上提而出现的空间，也会严重冲刷泥浆护壁。钻头提出及下放时注意泥浆的补充和外溢，确保孔内水头。冲进过程中要经常通过桩位放样时埋放的复桩对钻杆中心进行复测，发现偏斜及时处理。
进入岩层或岩层发生变化时要立即通知质检人员与监理工程师进行现场查看，并与地质勘探资料进行对比，捞取岩样，以小塑料袋装存，贴好标签进行密封。标签要标好捞取时间、孔内进尺、岩样风化程度、岩层标高等。
四、成孔过程技术和质量安全措施
1、技术措施
①按工期要求，认真领会设计文件精神，编制实施性施工组织设计，理顺各工序内在的关系，在施工组织安排上突出做好重点、难点工程的详细施工技术方案。
②发挥施工技术工作的龙头作用，提前做好各阶段的施工安排和技术交底工作，实现信息化施工，确保工程顺利进行。
③充分发挥我公司通过三十多年来施工所积累掌握的成套施工技术优势，积极改进施工工艺和施工技术，采用先进的旋挖钻机施工方法。
④针对合同段施工环境，做好施工应急预案，确保工程建设的顺利进行。
2、质量安全环保措施
①建立健全安全、环保、质量管理体系，完善安全、质量管理等各项规章制度，制定各项作业操作规程、标准，加强安全、质量教育宣传。
②推行标准化和精细化管理，要求管理人员必须跟班指导作业，杜绝各种质量、安全事故的发生，避免返工、窝工现象，提高施工效率。
五、成孔过程事故预防与处理
1、发生坍孔
发生坍孔的主要原因由泥浆护壁质量差、内外水头压力差不够、钻锤等冲撞回填砂和粘质土（或沙砾和黄土）混合物到坍孔处以上1m～2m，另外旋挖钻机钻头提升过快也会造成塌孔。如坍孔严重时应全部回填，待回填物沉积密实后再行钻进。若发现平台在塌孔时受到影响，应立即停止作业，撤离人员并切断电源，等待进一步研究处理方案。主要预防措施有：
①清除钻渣后及时调整泥浆性能，旋挖钻机应使用优质的膨润土进行造浆；
②遇见易坍地层，采用小冲程进尺，使粘土、膏、石等挤入孔壁起到护壁作用；
③旋挖钻机在施工过程中要加强泥浆指标的控制，及时进行除砂，同时泥浆指标达不到规范要求时，必须进行补浆或添加造浆材料，直到泥浆满足施工规范要求。
2、缩孔或扩孔
发生缩孔主要原因有软弱地层进尺过快，钻头提升过快引起直径减少、遇见特殊地层等。发生扩孔主要原因是钻头直径大于桩径、施工地层易坍塌、钻锤向四周摆动大、岩层断裂加大孔径等。
发生缩孔主要处理及预防措施有：
①及时修补磨损的钻头，发现缩孔时进行上下扫孔，确保孔径满足要求；
②发现地层易产生缩孔时小进尺，适当回填加固孔壁等。
发生扩孔的预防措施有：
①钻具直径应以设计及规范规定为准，修补时量测钻锤直径，防止超出规定；
②施工中及时调整钻机，保持其位置准确及平稳，减少钻锤的摆动；
③岩层断裂带发育时，不宜采取大的进尺速度，防止岩层发生断裂。
3、孔位偏斜
发生孔位偏向的主要原因有导向装置如护筒垂直度不满足要求、钻机施工中发生位移、覆盖层不均匀、基岩倾斜等原因。对发生偏斜的孔位必须回填修孔至满足设计及规范要求。
主要的预防措施有：
①导向装置垂直度必须满足要求，必须预先检查，不满足时必须调整处理；
②钻机保持固定、平稳。每个台班检查一次钻机平面位置，不符合要求则及时调整；
③遇见覆盖层不均匀或基岩倾斜时，通过反复回填黄泥、片石混合物、水泥砂浆等进行修正，使落锤面平整，及落锤面各部位材质强度差别不大。
施工过程中要严格按照施工方案进行成孔施工，加强事先预防，过程监控，及时改善，确保施工质量。
六、结语
本项目以汕（头）湛（江）高速公路云湛段TJ30标桩基工程为依托，钻孔过程中严格控制泥浆性能指标，注意旋挖钻机施工中采用合适的性能参数，整个施工过程中未发生塌孔、缩孔、扩孔等孔内事故，桩基施工过程顺利，桩基质量优良，全部桩基经超声波无损检测，所施工的桩基均为合格桩，桩基检测I（A）类桩比例93.5%，通过公路工程质量检验评定，形成一套完善、可行的旋挖钻机在页岩地层的桩基施工技术。
论文作者:申维刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/9
标签：泥浆论文; 钻机论文; 钻头论文; 桩基论文; 进尺论文; 岩层论文; 地层论文; 《防护工程》2018年第18期论文;