中国交建福清二期工程总经理部
摘要：本文通过对浙江杭州市石大快速路改建工程中使用新型旋挖钻机施工钻孔灌注桩的施工工艺、施工特点及施工过程中出现问题的处理方法进行了分析总结，着重介绍了新型旋挖钻机的机械性能和实际工程应用中的优缺点。
关键词：旋挖钻机；钻孔灌注桩；泥浆；钻孔；施工
1.概述
1.1 工程概况
杭州市石大快速路工程位于杭州市区内，属城市快速主干道，分为石大主线高架桥、主线公铁立交改造桥、同协路互通匝道桥三大部分。主线高架桥起点桩号K1+366.323，终点桩号为K2+142.360，与主线公铁立交改造桥相接，全长776.037m，跨越同协路联采用主跨为68m的变截面预应力混凝土箱梁，其余联基本跨径采用30m整体式等截面预应力砼箱梁。主线公铁立交改造段起点桩号为K2+142.360，终点桩号K2+254.360，全长112.0m。B、C匝道桥上部结构为整体等截面预应力混凝土箱梁，A、D匝道桥上部结构为16m空心板。下部结构：钻孔灌注桩基础、矩形承台、矩形墩身，本工程合同段共有直径为1.5m桩基124根，直径1.2m桩基91根，桩长从47m到60m 不等，入岩深度为2～4m。
1.2水文条件
本工程地区属于钱塘江水系，本场地存在一潜水含水层和一承压水含水层。潜水含水层主要为粉砂土层，潜水埋藏较浅，在国家高程的3.01～4.50m之间，该层潜水主要受大气降水和河水补给，地下水受季节性有所变化，深层承压水层分布范围较小，其水动力较弱，对本工程施工影响较小。
1.3 地质情况
根据区域地质资料及勘探结果显示，本场地上部地层主要为浅海相沉积物，中部为河湖相沉积物，下伏基岩主要为白垩系粉砂质泥岩、侏罗纪凝灰岩、安山玢岩。
2. 旋挖钻机简介
2.1旋挖钻机选择及工作原理
根据本工程的具体情况，选择了由“三一重工”生产的2台SR220C型和2台SR250型共4台旋挖钻机。旋挖钻机的工作原理是首先通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻斗内，然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。
2.2旋挖钻机施工的特点
使用旋挖钻机具有以下特点：
2.2.1适应地层能力强
在使用旋挖钻机施工钻孔桩可根据地层地质构造的不同选择适宜的钻头施工如：
1）粉质粘土层、细砂层，采用双底倒锥形旋挖钻头。
2）淤泥质粘土层，采用长螺旋钻、双底倒锥形旋挖钻头。
3）卵石夹漂石层，采用短螺旋钻头配冲击锤。
4）较薄的胶结砂岩层，采用桶式岩石钻头。
2.2.2安全、环保特点突出
整机采用全液压传动，整机调平和行走移位均借助液压马达或油缸，不仅过载保护性好，运转平稳，安全可靠，操作灵活轻快，震动小、噪音低，大大减轻了操作者工作强度，而且钻机还设置了主、副卷扬机的高度限位与动臂幅度限位以及驾驶室内液控开关等安全保护装置，从而促进了文明施工和安全生产；钻孔过程不用循环泥浆，使用的泥浆可以循环利用，钻渣可以通过提升旋挖斗时和泥浆分离后直接运走，减少了污染，施工现场较为整洁干净，而且占地很较少，在市政工程和受场地限制的工程中尤为适用。
2.2.3施工技术先进、机械化程度高
钻机钻杆直径大，刚性好，导向性可靠，同时配有微机电脑控制系统，保证了钻杆的垂直度和钻孔深度符合要求，钻孔深度、垂直度可自动检测及控制。因钻机自身自动化程度高，钻孔深度和垂直度可由电子系统控制并在荧屏实时显示，这样在钻进过程中可及时调整钻机，使其垂直度满足要求；另旋挖钻机成孔采用静态泥浆护壁，钻渣是通过旋挖斗提出，故沉渣量很小；经过实践证明使用旋挖机钻出的桩孔，成孔的孔径、、垂直度、孔深都比普通钻机成孔质量指标好。
2.2.4施工效率高、成孔速度快
旋挖钻机具有较强的动力性能，而且是自带动力，不受场地供电限制，对于电力紧张的工地尤为适用；旋挖钻机成孔速度可达到普通回旋钻机成孔速度的5倍以上，在石大路工程上桩径1.5m、深度46m的嵌岩桩成孔时间仅为7h左右，而普通回旋钻机需要2天时间，极大的加快了施工进度；另钻机拥有液压履带伸缩底盘，可以将钻机迅速灵活的移动到下个桩位，对比普通钻机这些都提高了桩基施工效率。
2.3钻机性能及参数
下面就石大快速路工程中使用的SR220C型和SR250型钻机的性能参数予以介绍。
3.旋挖钻机钻孔灌注桩施工
3.1 场地平整
由于石大快速路工程是在原石大公路基础上改建，桩位基本都在原公路上，因此先由测量人员放出桩基位置，及承台边线，再利用风镐机凿除承台边线内的原公路路面混凝土，再利用碾压机夯实。
3.2施工测量放样
开钻前在搭设好的钻孔施工平台上对桩位坐标点进行准确放样，放出桩基的十字线，旋挖钻机的钻头的钻尖准确对准桩中心十字线中心位置。钻孔进行中钻机提钻甩渣后的复位，在操作室中有仪表显示，该仪表对钻头复位对中的判断是根据桅杆的竖直度与机身的水平达至最佳时确定中心为依据。
3.3 钢护筒制作及埋设
旋挖钻机的钻头在钻孔过程中要反复提出钻孔，在钻头提出孔后，钻孔内的水位就会下降，在钻头重新放回孔内时又会将孔内的泥浆挤出护筒，为防止坍孔和保护环境需要，石大路工程钻孔桩采用3m长、直径为1.7m、壁厚1cm钢护筒，入土深度为2.7m。为确保护筒埋置过程中孔壁不坍塌，采用“压埋法”施沉钢护筒，根据桩位，用钻头（加大直径）开挖lm 深后，放入护筒，在护筒顶设枕木，用钻杆通过枕木给护筒垂直加压，使护筒下沉至设计位置，下沉过程中钢护筒平面位置和垂直度的控制采用两台经纬仪交会控制的方法进行控制，标高控制则采用一台水准仪进行控制。当下压不能达到设计位置时，用钻头在护筒内开挖，采用边挖边压的方法施工。
3.4 泥浆池设置、泥浆配置及反复利用
由于旋挖钻机施工钻孔桩时钻渣是使用钻头斗提升到地面，待少量泥浆分离后即用车运走，因此在场地上不需要配备大型的废浆池，但因泥浆需反复利用并要对泥浆进行多次调节，需建立小型的泥浆储存池，由于石大路路线较长，因此共建了4个砖砼泥浆池，每个泥浆储存池的容量约为200方，均布在整个路线上，在钻孔和灌注混凝土时分别利用泥浆泵送浆和排浆，在特殊情况下也可用于在浇注桩基混凝土时候的临时排浆，正常情况下，浇注桩基混凝土时排出的废浆直接用泥浆车运走。但不同工程可根据自身情况分别对待。
旋挖钻机施工成孔速度快，孔壁土层较普通钻机稳定性差，另旋挖钻泥浆护壁属静态泥浆护壁，孔壁泥皮薄，尤其在砂卵石层更为突出，普通泥浆不能满足施工要求，因此本工程选用了水化性能好，造浆率高，成浆快，含沙量少的膨润土用来造浆。并在不同的地质层及时调整泥浆稠度和比重，以防止塌孔。
旋挖钻机施工时泥浆可反复利用，当孔内泥浆性能降低时要及时进行调整，使泥浆的技术指标符合要求。孔内排出来的泥浆经泥浆泵抽入泥浆池，并用膨润土、纯碱、羧甲基颖维及水对其进行再调制，保证其性能达到要求。各阶段泥浆指标可参考下表：
同时为保证钻头提升后护筒内的水头压力，防止坍孔，在孔位边开挖一个小泥浆坑，坑内泥浆与护筒开口相通，当钻头未人孔时，孔内泥浆基本上与护筒顶相平，当钻头及钻杆伸入孔内时，溢出的泥浆流入小泥浆坑内暂时储备，提出钻杆小泥浆坑内泥浆则会自动补回孔内。
3.5钻头的选择
根据本工程的地质情况及实际钻进过程遇到的情况，在每个孔我们都为钻机配备了2个钻头，在上面的土层及砂层使用双底倒锥形旋挖钻头，在进入岩层后采用桶式岩石钻头。
3.6成孔钻进控制
钻机就位后，对钻机的钻杆要进行竖直度检测和调整。检测采用垂球检测，检测调整后将钻杆的调整系统锁住。并在钻进过程中随时对钻杆竖直度检测，如发现不符合要求则马上进行调整。
钻进速度可根据地质情况进行调整：在 粘土层内钻机的进尺可快些；在砂土层中，钻 机的进尺要减慢，以防塌孔。
钻进过程中对钻杆的提升速度应加以严格控制，以防止因钻杆提升过快，钻头下方出现负压区，因本工程地下水位较高，地下水会渗入钻孔内，冲刷护壁而造成塌孔；同时钻头上部的泥浆通过钻头齿板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，从而出现塌孔隐患。
钻头下降的速度也不可太快，尤其是刚入钻孔时，易造成泥浆四溅。在地下水位较高时，施工过程中要注意保证水头的高度，钻 头在提出泥浆面时，注意护筒内泥浆面的高度，随着钻头的上提，要及时往护筒内注入泥浆，以保持泥浆面的水头压力，在本工程中利用在桩孔边开挖小型泥浆坑，利用小泥浆坑补充和储存泥浆，取得了很好的效果。
3.7检孔
钻至设计标高后，要及时对桩孔进行检测。本工程旋挖钻机钻孔成孔指标检查直接利用钻机吊检孔器进行检查。同时旋挖机自带仪表也可显示成孔质量指标，可做为检测参照。
4．旋挖钻机施工中注意事项和经验总结
旋挖钻机具有地质条件适应力强、施工效率高、施工机械化程度高等特点，但正由于其自身的一些特点，在施工过程中如果控制不好，就会造成质量事故发生，这在软土和砂土层中更为突出。下面结合本工程实际予以阐述。
4.1旋挖钻机成孔抗扰动能力差，易发生塌孔事故
由于旋挖钻机成孔采用静态泥浆护壁，孔壁泥皮薄，其护壁效果差，另旋挖钻机成孔速度快，故孔壁土层稳定性较差。
因此在利用旋挖钻机施工时一定要根据不同地质层选择合适的钻进速度，同时严格控制钻杆的提升速度，并选用水化性能好，成浆快的膨润土做为造浆原料，并在钻进过程中根据不同地层地质情况调整泥浆稠度和比重。
在施工过程中注意尽量避免重型机械在孔附近走动，并在孔钻好之后尽快安排下道工序，尽快完成水下混凝土浇注工作，如因特殊情况来不及浇注水下混凝土，那么必须进行孔内泥浆循环，以增强泥浆的护壁功能。
4.2避免软土地层发生缩径现象
因为旋挖钻机钻进速度快，又是通过钻斗取渣方式除渣，因此其施工的孔壁不象普通钻机钻孔时有挤压作用，孔壁的稳定性相对较差，另外其泥浆护壁是静态作用，不如循环泥浆护壁作用明显，这些都容易造成利用旋挖钻机钻出的孔在软土层部位容易发生缩径现象，针对此现象本工程采取了如下措施：
（1）在软土层钻进过程中，放慢钻进速度，特殊情况下可反复在该层来回钻进。
（2）在软土层部位适当加大钻头尺寸，以保证缩孔后的孔径仍能满足设计要求。
（3）在个别容易发生缩径的孔内，加大泥浆比重。
（4）尽可能缩短其他施工工序时间，尽快完成该孔的混凝土浇注工作。
（5）如发现有缩孔现象则马上进行重新下钻头进行扫孔工作。
4.3选择合适的钻斗直径
旋挖钻机工作原理与普通钻机工作原理不同，它是利用钻头斗取渣，再反复提升，下降钻头，把孔内钻渣取出，这就造成了在提升钻头时容易造成钻头下方与钻头上方的泥浆不流通，而在钻头下方形成负压区，容易造成钻头下方的塌孔事故。为防止该现象的发生，就必须选择合适的钻头直径大小，一般选择钻头直径要比孔径小6～8cm，以保证钻头上下的泥浆流通，而桩基孔径大小的保障可通过钻头下的锯齿板和钻斗外壁的调节块来完成。
4.4避免由于钻头磨损过快而造成的孔径达不到要求
正由4.2所阐述的原因，旋挖钻机在钻进过程中，主要是由锯齿板和调节块来保障孔径的大小，而旋挖钻机施工速度快，锯齿板和调节块磨损也比较快，特别是在砂石层中钻进过程中，磨损速度非常快，这就要求在利用旋挖钻机施工的过程中，施工人员要随时检查钻头锯齿板和调节块的直径，如发现达不到孔径要求，要马上进行修补和调换锯齿板和调节块。一般在施工过程中最好每台旋挖钻机都配备2套同样的钻头，这样就不会因为要修补钻头而耽误施工进度。
4.5针对特殊地层采取特殊成孔措施
本工程在利用旋挖钻机施工钻孔桩时，针对有漂石的地层，和在岩石中钻进时，采取了针对措施：
在有漂石地层时，旋挖钻斗挖不出石块时，改用冲击钻头将石块冲碎，利用冲击钻冲击钻孔时注意冲击扬程不宜过大，避免因此造成的歇孔和塌孔。
在钻进到岩石层时，采用了桶式岩石钻头，但本工程岩石较为坚硬，针对此层，我们采用了先用小直径岩石钻头先钻，再改用大直径钻头后钻的钻孔方式，这样分两次钻进的方式在本工程钻孔施工中取得了良好的效果。
5.结束语
石大快速路工程作为杭州市重点市政工程，工期要求非常紧张，仅为8个月时间，在工程开工初期钻孔桩工程原本是利用普通钻机进行施工，但在普通钻机不能满足施工进度要求的情况下，先后投入了4台旋挖钻机，利用旋挖钻机施工的桩孔，平均每根桩孔钻孔时间仅为7小时左右，而普通回旋钻机的钻孔时间为2天，施工效率提高了将近7倍。
旋挖钻机作为一种新型的钻孔设备，具有施工效率高、钻孔速度快、成孔质量好、施工技术先进、机械化程度高、安全、环保、适应能力强及降低施工成本等特点，是值得推广的新钻孔施工设备，但在利用选挖钻机施工的过程中，也要注意其不同于普通钻机的特性，做到扬长避短，发挥其优点。
论文作者:丁忠诚,陈林,刘伟
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/3/30
标签：钻机论文; 泥浆论文; 钻头论文; 钻孔论文; 钻杆论文; 工程论文; 过程中论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;