旋挖钻机在软弱地质条件下桩基施工技术的研究

盛寿桥

(杭州市公路管理局, 杭州 310004)

旋挖钻机在软弱地质条件下桩基施工技术的研究

盛寿桥

(杭州市公路管理局, 杭州 310004)

20世纪80年代，我国在地基桩基施工中开始引进国外旋挖钻机施工技术，但公路桥梁桩基在软弱地质中的应用经常出现成孔坍塌、缩孔、倾斜等问题。本文通过钱江通道南接线工程中，对在透水性强的粉砂层和强度低、含水量高淤泥质的软土地质构造复杂的条件下，采用旋挖钻机成孔的施工技术方法，在施工过程中对泥浆选择、施工技术、工艺、质量控制进行研究，解决了旋挖钻机在软弱地质施工中塌孔、缩孔、倾斜的难题，取得了很好的效果。

旋挖钻机；施工技术；桩基

0 引 言

钱江通道南接线工程起点钱江隧道南出口处，桩号为k15+850、终点桩号为k43+560与杭甬高速公路相接，全长27.71 km，其中高架桥里程27.2 km，桥梁宽33 m为六车道，设计车速为100 km/h，桥梁桩基共有7,257根，平均桩长85 m，成孔深度83-95 m，桩径为160～200 cm。工程地质走廊内为冲海积平原，地表浅层多为透水性强的粉土或粉砂，层厚2～10 m不等，其下层为强度低、含水量高11.6～39.5 m厚淤泥质粘土，再往下多为渗水性大圆、卵砂砾层。我们在分析本工程桥梁桩长、孔深、地质条件复杂、工期短的情况下，对工程使用XR280C、XR260D等型号旋挖钻机，采用了旋挖钻机泥浆护壁成孔施工技术方法，选用了中、高黏性化学泥浆，提出了相应施工技术措施。

1 软弱地质桩基施工

用常用的循环回旋钻机方法施工，存在施工周期长、易塌孔、缩孔、清底时间长、钻机移位难，易产生泥浆渗入混凝土隔层后断桩等缺点。我们对钱江通道南接线工程高架桥桩基施工技术中采用旋挖钻机施工技术，其特点:(1)成孔速度快，是普通循环回旋钻机的4倍以上，有效地保证了工程进度；(2)对不同地质情况的适应性强，适用广泛；(3) 为液压履带式伸缩底盘移位方便，具有良好的整机稳定性和机动性能；(4)配有电子自动控制系统装置，定位速度快、准确度高；(5)对钻孔深度、垂直度等操作能自动控制；(6)钻机自带动力，施工时不受场地、供电限制；(7)操作简单、安全、震动小、噪音低；(8)钻渣可以通过钻斗旋挖直接装车运走，无需沉淀，节约用地和减少施工环境污染。

2 钻孔施工

2.1 施工准备

(1)复核设计图纸对桩基定位是否正确;采用全站仪进行现场放样，并在现场对桩位建立测量控制网;(2) 施工前先对桩位周围场地进行平整，修建加固施工平台，防止钻机作业时产生沉陷;修通便道，确保施工机具、材料运送;(3)钻机定位。操作人员先将钻机行走至工作平台，利用电子控制系统对钻机桅杆与机身水平和垂直度进行调整定位；钻机定位后，对稳固性、竖直度、水平线、中心偏差进行检查，钻头中心与桩位中心误差在10 mm以内；(4)护筒制作、埋设。护简埋设主要是防止孔口、孔壁坍塌，隔离地面散落物。钻机定位后，钻头对准桩位中心，旋挖至埋设深度，提起钻头，下放护简。a护筒用8mm的钢板制作，其内径大于桩径的200～250 mm。护筒顶端高出地面30 cm；b护筒埋设位置准确、稳定、保持垂直。护筒周围1 m范围内的土体确保密实，防止外界地表水浸蚀孔壁；(5)针对旋挖钻机施工速度较快的特点，钻孔顺序安排与相邻墩位桩基跳开施工；无法避开时，待相邻钻孔桩混凝土强度达到2.5 MPa以上方可施工，避免损伤相邻桩基的养性期质量；(6)钻机开钻前，做好设备、泥浆配制、备料、保障措施等准备工作;钻进应根据不同层次的地质结构选择不同的转速和进尺;经常观察钻机工作状况；(7)编制对钻孔过程中出现的沉陷、倾斜、坍塌、缩孔等隐患的应急处理预案；(8)钻进过程中要防止欠挖和超挖，每进深2 m进行对成孔的孔位、孔径、垂直度、地质等情况的检查和记录；(9)钻斗出渣或停钻后应及时向孔内补充泥浆，保持孔内水头高度和控制泥浆比重及粘度。

2.2 旋挖钻机桩基施工流程图(见图1)

图1 旋挖钻机桩基施工流程图

2.3 泥浆选择

钻机成孔时，因地层压力的影响，孔壁发生变化，泥浆可以控制其变性，防止孔壁的缩径和坍塌。本工程针对地质情况选用了中、高黏性化学泥浆护壁，主要材料选用高性能钠质膨润土，助剂羧甲基纤维素纳(CMC)或聚丙烯酰胺(PHP)和碳酸纳(Na2Co3)。其特性：(1)有很好的护壁防塌和吸附钻屑的效果，加快沉淀速度和减小沉渣厚度；(2)粘稠度高、维持时间长；(3)能形成孔壁较厚的泥皮，增强孔壁稳定性和提高桩壁的摩擦承载力；(4)正常情况下不需二次清孔；(5)无毒、无味，对环境无危害。

2.3.1 泥浆配制

根据桩基及土层情况，经过反复试验，确定泥浆指标和配合比，实施时根据成孔进深土层地质变化，做到随时调整。

以助剂羧甲基纤维素纳(CMC)和碳酸纳(Na2Co3)配制的泥浆，其各项性能指标如下表1和表2。

表1 泥浆材料用量

泥浆各项指标如下表：

表2 泥浆性能指标

泥皮厚大于3 mm/30 min。

2.3.2 泥 浆

在循环使用中，对超过下例指标的泥浆应作废浆处理：粘度大于40s、比重大于1.4g/cm3、含砂率大于6%、PH大于13。

2.4 清 孔

钻孔结束后对孔底清渣也是保证桩基质量一道非常重要工序。清孔的主要目的是清除沉渣及调整泥浆指标，使孔底沉渣厚度达到规范和满足设计承载力的要求，一般沉渣厚度小于5 cm；当钻孔达到设计深度，即开始清孔，清孔时将钻头提离孔底25 cm左右，钻机慢速空转，保持泥浆正常循环，适当调整泥浆指标，粘度17～20 s，比重1.05～1.10，含砂率小于2 %，清孔后应检查孔位、孔深、孔径、孔形、垂直度和孔底地质、沉淀厚度，各项指标必须符合有关要求，检查合格后应在半小时内开始进行灌注桩基混凝土。

3 旋挖钻机施工过程预防措施

3.1 编制专项

施工技术、安全方案。由于旋挖钻机施工工艺、控制质量和安全环节多，一有不慎，会导致事故发生。尤其是在透水性强的粉砂层和强度低、含水量高淤泥质的软土地质条件下，地基施工时更为突出，因此，在施工前须编制专项施工技术和安全控制方案，并组织专家论证后实施，以确保工程顺利进行。

3.2 预防塌孔

旋挖钻机成孔处于静态泥浆护壁，尤其砂卵地层孔壁泥皮形成比较薄，孔壁土层稳定性差;又旋挖钻机成孔速度快，出渣方式通过钻斗旋挖后直接出渣，钻进时抗扰动能力差，在钻进和出渣提升或沉入过程中会扰动泥浆波动产生孔壁土体脱落、变形和坍塌，应根据不同的土质控制相应的钻进转速并须匀速进行。钻进速度控制在8～10m/h，每斗钻进深度在50 cm以内。(1)根据地层地质情况选择合适的钻头；(2)施工时选用中、高粘性化学泥浆；(3)在开钻前检查护筒四周土层是否密实稳定，埋设深度、平面位置、垂直度是否符合要求，护筒周边土体是否密实，钻机定位是否达到要求；(4)禁止堆放与桩基施工作业无关机械、材料在孔口周围，杜绝外部物体直接作用在护筒上;施工过程中尽量避免钻斗和钢筋笼擦伤孔壁；(5)由于钻机旋转半径小，钻斗倾卸钻渣离井口距离近，应避免钻渣就地堆方或重型车辆运渣，受侧压力影响而引起塌孔。

3.3 预防缩孔

(1)旋挖钻机以钻斗提升出渣方式，浆液比重小，成孔时对孔壁挤压力也小，孔壁依靠泥浆护理或孔内浆液压力维持孔壁稳定，且旋挖钻孔速度快，扰动度大，钻斗提升或入孔时对孔内浆液产生波动或起负压的作用，又在提升钻斗时产生吸附作用，容易产生孔壁缩孔变形。钻斗提升或入孔时视孔径大小及地质情况，应缓慢匀速，一般控制在40～60cm/s速度；(2)为防止造成孔壁颈缩现象，在开孔时结合地层地质情况确定钻斗直径尺寸，并加大钻斗直径尺寸，使成孔孔径保证满足设计要求；(3) 预防钻斗磨损，导致孔径变小。在钻进过程中，钻斗的斗齿及调节块磨损的速度很快，应经常对钻斗磨损进行检测，并及时对钻斗的斗齿及调整块进行调整或更换，以确保桩径满足设计质量要求。

3.4 预防孔位偏移、孔身倾斜

施工过程中，钻机工作平台由于受地基不良、振动及自重等影响，往往钻机产生不均匀的下沉移位，从而导致孔位偏移、孔身倾斜等现象发生，造成返工现象；(1)对工作平台软质地基应进行换填夯实加固处理，在钻机履带底部铺设枕木或钢板等加强措施，确保施工平台能够满足钻机工作需要的承载力，以使钻机作业时保持稳定；(2)施工过程中及时清除地面遗漏的渣土，避免渣土散落孔内及雨水污染，保持平台周边整洁；(3)测量放样时做好桩位控制网点，在施工过程中要随时观察其桩基中心的平面位置和孔身的垂直度、孔壁的变化情况，一旦发生变化，及时作出有效的校正措施。

4 旋挖钻机钻孔施工中注意事宜

(1) 及时填写现场检查情况和施工记录，严格交接班制度。

(2) 在钻进过程中，随时检查泥浆稠度、比重等指标，如不符合要求应及时进行调整，判明土层地质情况，并做好记录。

(3) 为防止钻斗内的土砂掉落到孔内而使泥浆性质变坏或沉淀到孔底，斗底铁门在钻进过程中始终保持关闭状态。钻进过程中及时排除钻渣和及时补充浆料。

(4)保持孔内具有规定的水位和泥浆稠度，防止意外塌孔。

(5)根据不同的土质评估钻进阻力和扭矩的大小，控制钻进转速。

(6)在桩端持力层中钻进时，由于钻斗的吸引现象使桩端持力层松弛，应缓慢上提钻斗，遇桩端持力层倾斜时，稍加压钻进入，以防止倾斜。

5 结 语

钱江通道南接线工程中，在透水性强的粉砂层和强度低、含水量高淤泥质的软土及渗水性大的砂砾层工程地质构造复杂的条件下，应用旋挖钻机泥浆护壁技术进行桥梁桩基成孔施工方法，主要针对施工过程中出现的孔壁坍塌、缩孔、倾斜的技术难度深入了分析研究，我们从泥浆选择配制、施工平台建设、工艺控制等方面提出了具体的操作技术措施。通过桩基施工的试验和应用，对全线桥梁7，200余根桩基的施工质量情况，经第三方检测结果，桩基合格率达到了100%，解决了旋挖钻机在软弱地质施工中易塌孔、缩孔、倾斜的技术难题，取得了很好的效果，为软弱地质条件下大直径超长桩基施工积累了技术经验。

[1]JTG/T F50-2011,公路桥涵施工技术规范[S]．

[2]JTG F80/1-2004,公路工程质量检验评定标准[S]．

[3]JTG/T F81-01-2004,公路工程基桩动测技术规程[S]．

Research on Pile Foundation Construction Technology of Rotary Drilling Rig on Soft Soil

SHENG Shou-qiao

(Hangzhou Highway Administration Bureau of Zhejiang ,Hangzhou 310004,China)

In 1980s，our country in the pile foundation construction of Foundation began to introduce foreign rotary drilling rig construction technology, but in the highway bridge pile foundation on Application in soft geological problems occur frequently in hole collapse, shrinkage, tilt. In this paper, the Qianjiang channel south line project, soft soil geological structure on the strong permeability of silty sand layer and low intensity, high water content and silt with complex conditions, the rotary drilling rig construction method of hole, selection of mud in the construction process, construction technology, process, quality control of research, to solve the weak geological construction of hole collapse, shrinkage, tilt problem of rotary drilling rig, and achieved very good results.

rotary drilling Rig;construction technolgy;pile

2014-05-26

盛寿桥(1955-)，男，浙江余杭人，高级工程师，E-mail：965564649@qq.com。

U445.551

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.03.009

1671-234X(2014)03-0043-04