旋挖鉆機進行灌注樁施工技術應用

□張程勇 □趙北辰 □李 翔（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1.工程概況

焦作1段第II標段南通路、民主路、沁陽路、焦東路4座跨渠公路橋的樁基均采用鋼筋混凝土灌注樁。南通路跨渠公路橋位于總干渠設計樁號IV34+319.8處，樁徑為1.8 m(12根，L=41 m)和 1.5 m(10根，L=41 m)兩種，橋面長 75 m，橋?qū)?31.0 m，橋面高程110.002～110.169 m；沁陽路跨渠公路橋總干渠設計樁號 IV36+322.8，樁徑為 1.8 m(8根，L=40 m)和 1.2 m（16根，L=38 m）兩種，橋面長75 m，橋?qū)?7.0 m，橋面高程108.992～109.749 m；民主路跨渠公路橋樁號IV35+520.2，樁徑為1.8 m(16根，L=44 m)和 1.2 m（32根，L=40 m）兩種，橋面長 75 m，橋?qū)?8.5 m，橋面高程109.88 m；焦東路跨渠公路橋樁號IV37+454.6，樁徑為 1.9 m(14根，L=42 m)和 1.3 m（14根，L=42 m）兩種，橋面長75 m，橋?qū)?6.0 m，橋面高程109.659 m。樁基采用C25混凝土。

2.成樁方式選擇

為了保證工程的工期、質(zhì)量和安全文明施工，本工程沁陽路、民主路選擇旋挖鉆機成孔的方法。旋挖鉆機比較適用于粘土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地層的成孔；該標段地層中含有人工填土、雜填土、壤土、粘土，砂、泥卵石，采用旋挖鉆機鉆進是較理想的施工機械。通過鉆斗的旋轉(zhuǎn)、削土、提升、卸土，反復循環(huán)而成孔，具有功率大、鉆孔速度快、移位方便、控制參數(shù)準確、工作效率高、噪音小、環(huán)保等特點。

第一，成孔速度快，效率高：與傳統(tǒng)的循環(huán)鉆機相比優(yōu)勢明顯，旋挖鉆每6-12 h可成一孔,每天可成孔1～2個,是沖擊鉆、循環(huán)鉆工作效率6倍之多。

第二，環(huán)保特點突出：旋挖鉆機可以循環(huán)使用泥漿，而傳統(tǒng)循環(huán)鉆機時不斷產(chǎn)生泥漿。

第三，行走移位方便：旋挖鉆機的履帶機構可將鉆機方便地移動到所要到達的位置，而不像傳統(tǒng)循環(huán)鉆機移位那么繁瑣、費時、費力。

第四，機械化程度高：電腦能精確定位鉆孔坐標，并能顯示鉆孔垂直度和鉆孔深度，成孔質(zhì)量高，對施工現(xiàn)場污染小。旋挖鉆既可干式鉆進作業(yè)，亦可在水中鉆孔，孔內(nèi)沉碴較少，噪聲低，并對施工環(huán)境的適應能力強。

3.旋挖鉆孔工藝特點

一是旋挖鉆機采用動力頭形式，利用短螺旋鉆頭或旋挖斗，在強大的扭矩作用下，直接將土或砂礫等鉆碴旋轉(zhuǎn)挖掘，然后快速提出孔外。本標段地下水豐富、水位較高，需要泥漿護壁，以便對孔壁起支護作用，旋挖鉆鉆進中的泥漿含量相對低，這使污染源減少，降低了施工成本，改善了施工環(huán)境，且噪音低、振動小，適于在市區(qū)內(nèi)施工。

二是伸縮式鉆桿的使用，避免了鉆桿的頻繁裝配，減輕了勞動強度，加快了工程進度。鉆頭的拆卸方便，根據(jù)土層的變化和鉆進的需要隨時更換鉆頭，加快了鉆進速度。

三是由于旋挖鉆機的特殊成孔工藝，僅需要靜壓泥漿作護壁，在孔壁不形成厚的泥皮。加之鉆頭的多次上下往復，使孔壁粗糙，不易產(chǎn)生縮徑，旋挖鉆孔灌注樁的承載能力有所提高。

四是鉆機的安裝比較簡單，在施工場地移動比較快捷方便。

4.機械性能及參數(shù)

本工程選用中聯(lián)ZOOMLIONZR250B型旋挖鉆機，其機械性能及技術參數(shù)表見表1。旋挖鉆機由底盤、鉆桅、自行起落架、主副卷揚、動力頭、鉆桿、發(fā)動機系統(tǒng)等結(jié)構組成。

5.旋挖鉆機鉆孔施工工藝

5.1 工藝流程

灌注樁是一項施工工序多、質(zhì)量要求高、精度要求高、工作不間斷的地下隱蔽工程。采用旋挖鉆進行鉆孔灌注樁施工的工藝流程見圖1。

表1 機械性能及技術參數(shù)表

圖1 旋挖鉆機鉆孔灌注樁施工工藝流程圖

5.2 施工準備

5.2.1 平整場地

施工前應進行場地平整，清除雜物，對局部松軟、淤泥進行換填夯實處理，保證鉆機位置處平整、夯實，避免在鉆進過程中鉆機產(chǎn)生不均勻沉陷。

5.2.2 測量定位

場地平整后進行樁位放樣，采用全站儀根據(jù)坐標進行放樣，樁位放出后，釘好十字護樁，做好測量復核。

5.2.3 制作、埋設護筒

鋼護筒采用6～10 mm的鋼板卷制后焊接而成，節(jié)長一般為2 m。護筒內(nèi)徑比設計樁徑大20 cm。

護筒埋置深度視現(xiàn)場的地質(zhì)情況而定。護筒埋設采用旋挖鉆機開孔埋設，人工進行輔助配合。首先使用與設計樁徑匹配的鉆頭進行鉆孔，鉆孔深度應超過護筒埋設深度1.0 m以上時，及時換用擴孔鉆頭對埋設護筒段進行擴孔，擴孔深度至護筒設計埋設深度處，然后用鉆斗將護筒壓入。根據(jù)十字護樁控制樁位偏差。護筒至少高出地面30 cm，以防止雜物、泥水流入孔內(nèi)。

5.2.4 鉆機就位、安裝

鉆機鉆孔的作業(yè)平臺應基本水平，使主機左右履帶板處于同一水平面上。鉆機鉆孔時的站位一般應對準孔樁位置，動力頭施工方向應和履帶板方向平行，鉆機側(cè)向應留有排碴場地。開鉆前調(diào)整好機身前后左右的水平。

5.2.5 泥漿制備及指標控制

泥漿在鉆機施工過程中可防止孔壁坍塌、抑制地下水以及懸浮鉆碴等，因此泥漿是保證孔壁穩(wěn)定的重要因素。旋挖鉆機施工一般采用化學泥漿護壁，化學泥漿采用優(yōu)質(zhì)膨潤土、火堿、纖維素及滲水防止劑等按一定比例配制。為了有利于膨潤土和羧甲基纖維素完全溶解，應根據(jù)泥漿需用量選擇膨潤土攪拌機，其轉(zhuǎn)速宜>200r/min。泥漿拌制材料的投放順序：應先注入規(guī)定數(shù)量的清水，邊攪拌，邊投放膨潤土，膨潤土大致溶解后，均勻地投入纖維素，然后投入分散劑，最后投入增大比重劑及滲水防止劑。泥漿性能指標見表2。

表2 泥漿性能指標表

施工過程中經(jīng)常檢查泥漿的各項性能指標，確保泥漿對孔壁的撐護作用。

5.3 鉆進成孔

5.3.1 開孔鉆進的控制

鉆機就位后，調(diào)整鉆桿垂直度，注入調(diào)制好的泥漿，然后進行鉆孔。開始鉆進時，采用低速鉆進，主卷揚機鋼絲繩承擔不低于鉆桿、鉆具重量之和的20%，以保證孔位不產(chǎn)生偏差。

5.3.2 旋挖鉆進的成孔工藝

旋挖鉆機成孔工藝是通過底部帶有活門的桶式鉆頭利用動力頭驅(qū)動鉆桿、鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖土，并直接將其裝入鉆斗內(nèi)，然后再由鉆機提升裝置和伸縮鉆桿將鉆斗提出孔外卸土這樣循環(huán)往復不斷地取土卸土，直至鉆至設計深度。鉆進過程中，操作人員隨時觀察鉆桿是否垂直，并通過深度計數(shù)器控制鉆孔深度。當鉆頭下降到預定深度后，旋轉(zhuǎn)鉆頭并施加壓力，將土擠入鉆斗內(nèi)，儀表自動顯示筒充滿時，鉆頭底部關閉，提升鉆頭到地面卸土。開始鉆進時采用低速鉆進，鉆進護筒以下3 m可以采用高速鉆進，鉆進速度與壓力有關，采用鉆頭與鉆桿自重摩擦加壓，150 MPa壓力下，進尺速度為20 cm/min；200 MPa壓力下，進尺速度為30 cm/min；260MPa壓力下，進尺速度為50 cm/min。鉆進過程中嚴格控制鉆進速度，避免進尺過大，造成埋鉆事故。

鉆進過程中要保證樁孔內(nèi)泥漿標高，泥漿補充一般采用泵送方式，其速度以保證液面始終在護筒底面以上為標準。

鉆孔前先用水準儀確定護筒標高，并以此作為基點，按設計要求的孔底標高計算孔深，以鉆具長度確定孔深，孔深偏差不短于設計深度，超鉆深度≤50cm；孔徑用孔徑儀測量，若出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象應進行掃孔，符合要求后方可進行下道工序。

5.3.3 擴孔率的施工控制

成孔過程中，操作人員隨時觀察鉆桿是否垂直，鉆斗進入孔內(nèi)要勻速緩慢，控制鉆斗提升速度，避免鉆斗下產(chǎn)生較大負壓作用，造成孔壁坍塌；鉆斗挖土時轉(zhuǎn)桿不能轉(zhuǎn)動過快，使樁徑增大。

5.3.4 泥漿的回收及排碴處理

在現(xiàn)場設置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，設置儲漿池、沉淀池，漿池容量根據(jù)樁長、樁徑確定，漿池池壁及池底采用砂漿抹面處理。新拌制的泥漿存放在儲漿池內(nèi)，從樁孔內(nèi)抽排的泥漿存放在沉淀池內(nèi)。防止泥漿污染場地，泥漿排放均采取泥漿泵抽排。泥漿在使用過程中要經(jīng)常檢查其各項性能指標，及時清理沉淀池內(nèi)的沉碴，超標的泥漿采用泥漿處理器分離處理后循環(huán)使用。

鉆孔過程中，樁孔內(nèi)挖出的棄碴，由裝載機轉(zhuǎn)運至臨時存放點，然后用自卸車運至指定棄土場。

5.3.5 終孔時的清孔方法及驗孔標準

當鉆孔達到設計高程后，及時組織有關人員對孔徑、孔深、孔位、豎直度進行檢查，孔徑及孔形檢查用檢孔器檢查，孔深和孔底沉碴用標準測錘檢測，檢查確認合格后應立即進行清孔。清孔采用撈砂鉆頭將沉淀物清出孔外，要求沉碴厚度滿足設計或規(guī)范要求。鉆孔樁成孔的質(zhì)量標準見表3。

表3 鉆孔成孔質(zhì)量標準表

5.3.6 鉆孔異常的預防及處理

施工前，應掌握施工地段地層的性質(zhì)、結(jié)構、穩(wěn)定狀況及以往發(fā)生事故的經(jīng)驗教訓，針對具體情況采取預防措施；工作中隨時注意事故征兆，發(fā)現(xiàn)事故苗頭，必須立刻采取預防措施；施工現(xiàn)場必須備有常用的事故處理工具，發(fā)生意外事故，及時進行處理。

5.3.6.1 坍孔

發(fā)生坍孔事故時，應將鉆具提離孔底，并盡快將鉆桿鉆具提出孔外。處理坍孔事故前，應先弄清樁孔坍塌的深度、位置、塌孔部位的地層、孔內(nèi)泥漿指標、淤塞情況等，查明塌孔原因，針對具體情況進行處理。當坍孔發(fā)生在井孔上部土層時，應迅速加長鋼護筒，并用粘土回填封閉，然后清除井孔下部的坍塌物，繼續(xù)增大孔內(nèi)泥漿的密度和粘度，繼續(xù)鉆進。當坍孔發(fā)生在井孔下部土層時，一般可加大泥漿的密度和粘度的方法處理。若調(diào)整泥漿指標不能排除事故，則應添入粘土，將坍塌部分全部填實。然后加大泥漿密度，再重新開孔鉆進。

5.3.6.2 縮孔

縮孔是局部樁徑小于設計孔徑。發(fā)生縮孔時，可提高孔內(nèi)泥漿面或加大泥漿比重，將鉆頭提到縮孔位置采用上下反復掃孔的方法恢復孔徑。

5.3.6.3 鉆桿扭裂（斷）

打撈斷落鉆具前，必須詳細摸清事故鉆具的位置、深度、靠壁情況及有無坍塌淤塞等情況，必要時可下入打撈器探測。根據(jù)事故的不同的情況，進行鉤掛、擰套打撈。再接上或套住斷落鉆具之后，應先輕輕提動，確定套牢后再提升。斷落鉆具倒靠孔壁時，打撈工具上應帶有導向器或先下入扶正器扶正后，再下打撈工具套取。當打撈工具已套上斷落鉆具而又提拔不動時，宜視孔內(nèi)具體情況可先用空氣壓縮機或泥漿泵清除上部沉淀物后，再強行提拉。鉆桿如有裂傷，應及時更換。

5.4 吊裝鋼筋籠

旋挖鉆孔灌注樁的顯著特點就是成孔快，且成孔后孔底沉碴少。因此在鋼筋籠制作和安裝時應當采取合理措施，避免安裝鋼筋籠時刮傷孔壁，這樣可以大大降低沉碴厚度，并有效防止塌孔的發(fā)生。這就要求嚴格控制鋼筋籠的制作質(zhì)量，重點是控制鋼筋籠外徑和直線度，且主筋搭接以及縱橫筋交叉點的焊接質(zhì)量必須滿足要求，要做到同一根主筋不得有兩處駁接接頭，同區(qū)段內(nèi)接頭數(shù)不超過鋼筋總數(shù)的50%。在制作鋼筋籠過程中，要有足夠的混凝土墊塊保護層厚度，這樣既可避免鋼筋籠在安裝時碰撞孔壁，又可保證混凝土保護層厚度均勻以及鋼筋籠在灌注樁體內(nèi)的位置正確。鋼筋籠的吊裝應采用3點起吊，并保持籠軸線重合，鋼筋籠要緩慢落入樁孔就位。

5.5 灌注混凝土

在混凝土澆筑前，應按照具體情況擬定澆注計劃，并根據(jù)導管布置以及混凝土澆灌量，確定導管與混凝土高度上升量的關系，預先擬定好泵送混凝土量以及拔出導管的時間，保證鋼筋籠在灌注過程中不出現(xiàn)上浮和下沉的現(xiàn)象。混凝土開始澆注后，應保證混凝土連續(xù)灌注，隨著樁中混凝土不斷上升，做好灌注記錄，并緩慢將導管向上提升。在澆注過程中禁止將導管拔出混凝土面，并保持導管做幅度為30cm的上下運動，且不宜過劇。澆注過程中要根據(jù)規(guī)范要求，對混凝土抽樣檢查，以保證灌注樁的抗壓強度滿足規(guī)范要求。

6.質(zhì)量保證措施

施工前技術部門向施工作業(yè)隊進行技術交底，詳細講解施工工藝、方法及施工中的控制要點，要求施工人員和技術人員掌握施工方案和技術規(guī)范。開工前各項準備工作必須完善，施工機具必須檢修處于完好狀態(tài)，必要時準備施工輔助預案，比如：施工中停電要配備發(fā)電機，以確保樁基混凝土澆注連續(xù)。嚴格實行“三檢制”，未經(jīng)驗收合格不得進入下一道工序的施工。終孔驗收完畢后，應根據(jù)實際驗收的終孔深度配制導管，仔細檢查導管有無破損和變形，并記錄每節(jié)管子的長度和順序，為了便于隔水塞排出，導管下口距孔底以25～40㎝為宜，不得過大，避免孔底的混凝土與孔內(nèi)泥漿混合，造成混凝土內(nèi)混進泥漿。開澆時，料斗必須儲足一次下料能保證導管埋入混凝土0.6 m以下，以免因?qū)Ч芟驴谖幢环饴袢牖炷羶?nèi)造成管內(nèi)反泥漿現(xiàn)象，導致混凝土開澆的失敗?；炷翝沧⒁３诌B續(xù)，如因故中止且超過混凝土初凝時間，按事故樁處理。

為了保證樁身的混凝土質(zhì)量，在澆注過程中，一定要嚴格控制導管埋入混凝土的深度，導管埋深以混凝土2～6 m為宜，以防止泥漿及水沖入管內(nèi)或由于阻力過大造成混凝土質(zhì)量，過大或過小都會在不同外界條件下出現(xiàn)不同形式的質(zhì)量問題，直接影響樁的質(zhì)量。

7.旋挖鉆機鉆孔總體評價

從2010年8月1日至2010年11月4日采用旋挖鉆機鉆孔完成56根樁(下雨:15 d，混凝土耽擱10 d，鉆機壞10 d)，平均每天1根。對于土層夾雜碎石土、漂石土等采用旋挖鉆機效率高、方便靈活、成孔速度快、擴孔率小、正常情況6-12 h就可完成1孔，是傳統(tǒng)的鉆孔機械（反循環(huán)和沖擊鉆）的6倍以上。

2010年11月5日進行橋梁灌注樁聲波檢測，檢測后成孔泥皮薄、孔徑規(guī)矩、波速穩(wěn)定。

8.結(jié)語

旋挖鉆機是鉆孔灌注樁施工中一種較先進的施工機械，具有快速成孔，設備功率大、自動化程度高、施工效率高，另外噪音低、污染小，適合在市區(qū)施工特點。配合不同的鉆具，旋挖鉆機可適應不同的地質(zhì)條件，已成為樁基工程施工中較理想的施工機械。