旋挖钻机在多年冻土区桥梁桩基施工中的应用

张杰

(天津建华工程咨询管理公司，天津 300000)

0 引言

青藏高原地区施工，面临三大难题“高寒、高原缺氧、多年冻土”，其中“多年冻土”是桥梁桩基施工中最大的难题。现结合青藏铁路桥梁施工实际，对多年冻土区使用旋挖钻机的设备选择及其特点和施工技术进行研究和探讨，为类似多年冻土地区铁路、公路等工程的桥梁桩基使用旋挖钻机施工提供了参考。

1 工程概况

青藏铁路第十八标段长32.1 km，位于唐古拉山垭口南，线路经过标段海海拔高程4 900 m～5 072 m，是全线海拔最高的标段，属多年冻土区，年冻结期长达9个月(每年9月～次年5月)，其中高含冰冻土地段长15.5 km，占线路全长的47%，天然冻土上限在2 m～2.5 m范围。6月～8月地表水流丰富，沼泽遍布，在此路段的设计多以桥代替路基，由于工期缩短，要求以最快速度完成施工任务。青藏铁路建设另一项注意事项是环境，保护脆弱的生态环境也就成了施工的前提条件。

2 钻孔设备的选择

基于青藏高原的多年冻土特殊特点，桥梁桩基施工选择钻孔设备要对地质特点、工期要求等方面进行综合考虑。

1)青藏高原的特点，有效作业时间短，此标段每年有效施工期只有5个月，而工期要求紧，必须选择挖孔作业效率高，可以进行连续施工的设备。

2)环境保护方面要求高。青藏高原的生态环境特别脆弱，一旦被破坏恢复期将很长，有些将无法进行恢复，特别是冻土区，要考虑对冻土区的保护。

3)与其他钻机及常规施工方法相比，旋挖钻机能够适应青藏铁路多年冻土区的各种地质情况，具有行走方便，钻进速度快、环境污染小且可把对冻土热平衡的影响降低到最低限度等特点。旋挖钻机配有旋挖筒式钻头和螺旋勘岩钻头。螺旋勘岩钻头用于一般地层中钻进，尤其适用于冰层及岩层中钻进，筒式钻头用于地下水丰富的地质中钻进，二者皆可出渣、清孔，在钻进过程中不需要泥浆护壁，也不需要另配出渣工具。

4)基于青藏高原的多年冻土区特点、环境保护要求及旋挖钻机特点等综合考虑，青藏铁路第十八标段选用旋挖钻机进行桥梁桩基施工，选用的旋挖钻机型号为德国宝蛾BG-18和BG-25两种型号的旋挖钻机，每台钻机每个台班安排5人。

3 旋挖钻机的特点

3.1 可连续施工，效率高

旋挖钻机正常工作时只需一名主机驾驶操作人员，几名辅助操作人员即可完成钻孔作业。旋挖钻机采用大功率动力设备和高性能的钻头，在场地允许可以进行连续作业。钻机可自行安设护筒，在无吊车时能自行完成吊装钢筋笼、导管等工作。有吊车时，则可连续钻孔，施工进度快，孔位成型好。

3.2 技术先进，定位准确

旋挖钻机采用全液压操作系统，操作灵活，同时配有自动定位及保持水平、垂直系统，可以方便保证钻头定位准确，钻杆竖直;钻头定位后，设备自动锁定桩基位置，在作业过程若有偏位及时显示，这样操作人员根据显示偏差进行调整，保证了钻机定位的高精度。

3.3 作业安全，拆运方便

旋挖钻机自带的卷扬机提升结构带有自动锁紧装置，能保证吊装作业安全。钻机重心低，自重大，稳定性好，在钻较深、较大孔桩时能保证旋挖钻机作业时的稳定性与可靠性。旋挖钻机配履带式走行装置，在一般桩基施工区域，钻机能够自行移位。在转运工地时，钻杆、钻杆加压系统、钻杆走行臂、钻机平衡重等在吊车配合下组装与拆运方便。

4 桩基施工工艺

4.1 旋挖钻机桩基施工工艺

旋挖钻机桩基施工工艺流程见图1。

图1 旋挖钻机桩基施工工艺流程图

4.2 场地平整布置

在平地或低洼地段，一般以填代挖，填筑做成一个10 m的工作台，墩台之间修筑一条宽度6 m、坡度小于10°的施工便道。场地位于河中时，若条件允许，则采用改移河道法施工，若条件不允许则采用筑岛法施工，岛顶至少高出水面1.0 m。

4.3 地基加固处理

由于机身重，动力大，尽管钻机配有70 cm及90 cm两种宽度的履带以适应不同地层，但为保证施工过程中钻机的稳定性及水平度，在钻机就位前对软弱地层必须做好地基加固处理，一般采用顺铺枕木或抛填片石挤淤的加固方法，以增强地基承载力，保持机械的正常作业。

4.4 钻机就位

安装钻机时，底座应垫平，保持稳定，不得产生位移和沉陷。在钻机发动机散热部分预先铺设隔热板，一般采用聚苯乙烯泡沫塑料隔热板，在钻机作业时，发动机产生的热量不会影响其下的冻土层。钻头或钻杆中心与孔位中心的偏差不得大于30 mm。

4.5 护筒设置

1)在青藏多年冻土地区桥梁桩基通常采用钢制双护筒，在陆地及水中均可使用，钢制内护筒用厚4 mm～6 mm钢板制成，钢护筒采用焊接，上、下节钢护筒连接时应保持垂直，同时钢护筒满足一定的强度、刚度和抗渗等指标。每节护筒顶部焊有供吊装用Φ12钢筋吊环，底节护筒下端设刃脚，内径比桩径大20 cm以上。因青藏铁路第十八标段天然冻土上限在2 m～5.5 m范围，按设计施工要求一般护筒长度为5.5 m。

2)一般采用双护筒施工时，先做一个厚度在10 mm～15 mm的护筒(比桩径大50 cm～60 cm)，采用旋挖钻机的护筒驱动器旋转压入，外护筒起稳定孔口的作用。孔口基本稳定后再安放内护筒。内护筒一般安装至冻土上限以下大于0.5 m处，安装前在内护筒外侧涂渣油减少冻胀力对桩基的不良影响。成桩后内护筒留在地下，以减小冻土对桩基的上拔力。若孔口地质条件稳定，外护筒可及时拔出循环使用。若孔口地质不太稳定，桩基施工完毕后混凝土达到一定标号后再拔除外护筒。内护筒中心与桩中心对准，其误差不大于50 mm，内护筒上下要竖直，其误差不大于1%的内护筒长度。

3)在地质条件较差或地表水较大时，在两个护筒之间填塞膨胀水泥，控制渗水，可有效防止塌孔。水中筑岛施工桩基，护筒宜埋入河底以下1.0 m左右，护筒顶宜高出施工水位并高出施工地面0.5 m。内护筒安装完毕，需测量护筒顶标高，进而计算出钻孔深度。

4.6 钻孔作业

1)钻孔作业先准确安装护筒进行护壁。将钻头中心与桩位中心准确定位后，将钻杆走行臂位置进行锁定。运作钻机将钻头钻进一定深度，而后将扩孔器接入钻斗顶部的限位孔内进行扩孔，扩孔深度根据冻土上限深度及护筒长度来进行确定;扩孔完毕后即用旋挖钻机的起重装置将钢制护筒吊至桩位处，准确定位后利用钻机的加压装置将护筒平整压入预定位置，检查护筒准确定位后即可进行正常钻孔作业。

2)在没有硬岩的情况下，钻进是相当快的。钻孔深度则始终在钻机操作人员的控制中，因在其操作室内有钻孔深度计数器，精度为0.1 m;旋挖钻机另一显著特点是每次钻斗装满钻渣后都是提离桩孔后卸于地表的，由此可以根据钻渣进行观察钻孔桩的地质情况，必要时对其进行详尽、完善而准确的记录，并及时进行分析，这样将有助于旋挖钻机操作人员调整旋挖钻机各项操作参数，以便使旋挖钻机更加安全、有效作业，同时可以对后续各项工作进行提前合理安排。进行钻孔时，司机要操作设备保持钻杆竖直并及时掌握钻进深度，同时根据反向扭矩及地质变化情况调整钻进速度。

5 几点体会

1)旋挖钻机钻进的速度相当快，对地质适应面广。

在钻进施工过程中，桩基周围的冻土一般不发生大量融化，可以实现所谓的“旋挖干取土法”，不需要泥浆进行护壁。在钻进施工中，基底有少量积水一般也不会影响桩基洞壁坍塌。为了防止在钻进过程中遇到不良的地质情况，施工现场要配制一定体积的泥浆，一旦遇到不良地质桩基洞壁失稳的情况，要及时补充泥浆进行护壁。

2)为了降低成本，采用人工挖孔与旋挖钻机相互配合使用的办法。

由于气候恶劣、高原缺氧、冻土等原因人工挖孔的方法不被大量采用，但单价较低。地表至冻土上限部分土质较为松软人工挖孔可以施工。冻土上限至桩底部分，土质较硬冻土上限水和地下水发育采用旋挖钻机施工。严格控制旋挖钻机成孔质量，对成孔施工中出现的扩孔、超深等造成下步混凝土施工不合理超灌的混凝土要有明确的记录，分析原因，非地质等原因是由于操作不当造成的成本费用由旋挖钻机组进行承担，扣减相应的费用，以提高操作工人责任心，节省成本。

3)做好施工准备合理安排施工顺序，做到流水施工，并且连续施工。

在桩基施工中，桩基成孔是前提和关键，旋挖钻机的机械台班成本较高，所以使钻机连续不间断施工是很重要的。现在市场上的旋挖钻机多种多样、良莠不齐，各种钻机的成孔质量也有不同，旋挖钻机经常会出现斜孔、扩孔、超深的现象，造成桩基的混凝土浪费，因此选择好旋挖钻机的型号配制熟练的操作工人是非常重要的，同时做好施工准备及施工方案，统筹安排好各道工序。

4)青藏高原的生态环境特别脆弱，在施工中要做好环境保护工作。

在使用旋挖钻机施工中，各道工序要注意对原有冻土层的保护，尽量不要去破坏原有的动土结构。旋挖钻机振动小，噪声低，同时可以实现“旋挖干取土法”施工，减少了配制大量泥浆，实现对青藏高原的原有的生态环境扰动减少到最低程度。

［1］ 章新安，谭向军.多年冻土区钻孔灌注桩干法成桩施工技术［J］.山西建筑，2006，32(7)：76-77.

［2］ 熊勇军.旋挖钻机在青藏铁路的应用［J］.建筑机械，2003 (9)：88-89.