旋挖钻机在桩基工程中的应用

拓伟民

（兰州市政建设集团有限责任公司，甘肃兰州 730030）

0 前言

旋挖钻机的英文为Rotary Drilling Rig，旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美国CALWELD首先研制出回转斗，短螺旋钻机。二十世纪五十年代，法国BENOTO将全套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。钻孔灌注桩是目前桥梁工程中常用的重要基础形式之一，由于施工工艺成熟、安全性高、地层适应性强等优点，被广泛应用于桥梁工程施工中。但由于传统的钻孔机械主要为回转循环类钻机和冲抓类钻机，受钻机自身结构特点及施工工艺制约，钻进速度较慢，并且在施工过程中循环泥浆、噪声等对环境污染较大。

1 工程概况

兰州市南山路道路九标工程位于西固区，是解决兰州市交通拥挤、改善沿线环境的东西大通道。为保证工期，加快南山路施工进度，桥梁下部构造大部分灌注桩采用旋挖钻机施工。

其地层岩性特征分述如下：

（1）素填土（Q4 ml）:以粉土为主，含有碎石、角砾等，结构松散，人工回填而成，层厚1.50～3.50 m，稍密、稍湿：

（2）黄土状粉土（Q4al+pl）:褐黄色,以粉粒为主，土质均匀，纯净，含白色钙质斑点及条纹，下部含有角砬，碎石等，冲洪积成因，层厚2.10～2.20 m，稍密、稍湿。主要分布在脑顶沟沟西侧。

（3）黄土状粉土（Q2al+pl）：褐黄色,以粉粒为主，含有角砾，略显水平层理，冲洪积成因。层厚13.30～17.2 m；第 4层细沙层，深 17.1～18.2 m；第5层卵石层，深17.1～18.2 m，稍密—中密、稍湿—湿。

（4）土夹石（Q2al+pl）：杂色，以碎石、角砾及粉土为主，含有大量混砂，夹块石，均匀性较差，层厚0.90～14.0 m，稍密—中密、稍湿—湿。

（5）泥岩（N）:顶板埋深 17.60～21.60 m,相应标高介于1 558.54～1 563.78 m。褐红色,块状构造,半成岩状,属第三系软质岩石.遇水、空气易软化，形成于干旱气候条件下的氧化环境中。

2 旋挖钻机施工工艺

旋挖钻机施工工艺与常规钻机部分相同，但由于旋挖钻机自身的特点和成孔方式，在一些方面又有较大差别，施工基本流程如下。

2.1 旋挖钻机施工工艺步骤

（1）桩位放样、埋设护筒，放入泥浆。按照工地现场土质情况，放下一定长度的护筒。护筒直径一般应比桩径大100 m m，以便钻头在孔内自由升降。按现场土质情况，调配泥浆。如果现场土质都是比较好的粘性土，可以考虑不注入泥浆或清水，直接钻进。

（2）旋挖钻机就位。

（3）钻头轻轻着地，旋转，开钻。最好以钻头自重作为钻进压力，以更好的保证桩基精度。

（4）当钻头里装满土砂料，提升出孔外。注意孔内地下水位情况，及时补充水，以防坍塌。

（5）旋挖钻机旋回，将钻头内的土砂料倾倒在土方车或地上。

（6）关上钻头活门，旋挖钻机旋回到原位，锁上钻机旋转体。

（7）放下钻头。

（8）钻孔完成，进行第一次清孔，并测定深度。

（9）放入钢筋笼。

（10）放入导管；进行第二次清孔；进行水下混凝土灌注；拔出护筒，清理桩头沉淤，成桩。

2.2 施工要点

2.2.1 护筒施工

护筒埋设工作是旋挖钻孔机施工的开端，护筒平面位置与竖直度准确与否，护筒周围和护筒底脚是否紧密不透水，对旋挖钻孔机成孔、成桩的质量有重大的影响。

护筒的制作及埋设的原则：

（1）护筒采用钢护筒，长度4 m以内采用厚4～6 mm的钢板制作，长度大于4 m的采用厚8～12 mm钢板制作。护筒埋置较深时，采用多节护筒连接使用，连接形式采用焊接，焊接时保证接头圆顺同时满足刚度、强度及防漏的要求。

（2）护筒内径大于钻头直径，具体护筒直径按设计要求选用。

（3）护筒埋设深度满足设计及有关规范要求，河流中将护筒埋置在较坚硬密实的土层中0.5m以上。

（4）护筒顶高出施工水位或地下水位1.5～2.0 m，并高出施工地面0.3 m。

（5）护筒埋设前，先准确测量放样，保证护筒顶面位置偏差不大于5 cm，埋设中保证护筒斜度不大于1%。

2.2.2 泥浆

（1）制备泥浆是旋挖钻机能否成孔的关键，也是影响钻孔进度和桩基混凝土质量的关键。泥浆过稀时不能浮渣影响钻进，过稠时泥浆附在孔壁和钢筋上，影响桩基混凝土的质量。

（2）泥浆性能指标。制浆前，应先把粘土块尽量打碎，在井孔外以泥浆搅拌机制成泥浆后使用。为了回收泥浆原料和减少环境污染，均应设置泥浆循环净化系统。

（3）泥浆性能参数。泥浆池可根据现场实际条件开挖或采用砌筑，也可以用钢板焊制。浆液材料以优质膨润土、纯碱为主，泥浆制备用水直接采用施工场地附近河水。泥浆制备完毕后，进行各项性能指标的检测，不符合要求的重新调制。

2.2.3 钢筋笼制作

因旋挖钻机成孔速度较快，正常情况下，2～5 h即可成孔，因此，强制要求钢筋笼必须在桩孔开钻前制作完成并验收合格，防止成孔静置时间过长出现坍孔等各种意外情况。钢筋笼制作的具体要求与其他桩基的要求相同。

2.2.4 合理控制钻斗的升降速度

在开始钻进或穿过软硬层交界处时，为保持钻杆竖直，宜缓慢进尺。在钻进过程中如发现钻杆摇晃或难钻进时，可能是遇到硬石、石块或硬物等，这时应立即提钻检查，等查明原因并妥善处理后再开钻，以免导致桩孔严重倾斜、偏移，甚至使钻杆、钻具扭断或损坏。

2.2.5 钻进出渣

开钻前各项准备工作就绪后，即可开始钻孔施工。旋挖钻机钻孔施工中，泥浆为单向供应，在孔口注浆即可，与常规钻机泥浆循环系统有较大的区别，部分泥浆随筒钻出渣而排出，损耗较大，需要随时观察孔内泥浆标高。

2.2.6 成孔验收

钻进到位后，将孔口附近的钻渣及泥浆等全部清除干净。对成孔进行验收，主要检查泥浆性能指标、复核护筒中心偏位及标高、成孔深度、孔径、孔斜等。由于旋挖钻机的钻进是桶型钻头的上下往复的循环过程，孔内泥浆上下基本均匀，故取上部泥浆代替孔底泥浆进行测试，性能指标控制值同钻孔过程的泥浆性能指标。

2.2.7 下钢筋笼、导管安装、清孔、沉渣测量

下钢筋笼、导管安装、清孔、沉渣测量（旋挖钻机正常情况下成孔孔底较干净，孔壁稳定性好，经适当清孔后，孔底沉渣能满足设计要求）、水下混凝土灌注等施工工序基本与其他桩基施工相同。

3 旋挖钻机与传统的钻孔机械相比的优缺点及应用前景

3.1 优缺点

（1）旋挖钻机效率高、方便灵活、成孔速度快、扩孔率小、正常情况下2～5 h就可以成孔，是传统钻孔机械的10～20倍以上。举例说明，桩径1 500 mm，桩长20 m的成孔时间，冲击钻需要72～96 h，使用功率260 kW旋挖钻机仅需要4～5 h，效率高达20倍。这是在相同条件下的对比情况。因此旋挖钻成孔技术是市政建设、房建工程、铁路、公路桥梁等理想的基础施工设备。

（2）噪声小、污染少，特别适用于闹市区的工程建设。

（3）适用于填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、沙土层以及短螺旋不能钻进的含有部分卵石、碎石的地层。采用岩心钻头，还可嵌入岩层。

（4）旋挖钻机及施工工艺在我国北方地区已经得到了很快普及，原因是北方地区受地下水的影响小，桩基设计浅，地质坚硬，地质稳定性好。在南方沿海地区由于地层较软，地下水位高，地质稳定性差，桩一般较大较深，旋挖钻机成孔困难，目前仍以正反循环钻机为主。

（5）旋挖钻机自重（50～80 t）较大，钻机平台的稳定，也是个不容忽视的问题，否则容易发生孔斜超标的质量问题，严重的甚至导致钻机倾覆的安全事故。

（6）降低成本。旋挖钻机与其他成孔设备相比，按孔径1 000～1 500 mm计算，每米节约成本约400～600元，经济合理，成本较低。

3.2 应用前景

旋挖钻机因其具有装机功率大，输出扭矩大，轴向压力大，机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，能够适应我国大部分地区的地质条件，从而成为适合建筑桩基工程中成孔作业最理想的施工机械。近年来，在我国许多大型基础设施建设工程的施工中得到了广泛应用，旋挖钻机高效、环保、效益高的优势得到了公认。旋挖钻机具有一系列传统钻机无法比拟的优点，在桩基工程施工中的推广和广泛运用势在必行。

[1]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

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