旋挖钻机成孔在变电站桩基工程中的应用与分析

刘清泉

（江西诚达工程咨询监理有限公司， 江西 南昌 330006）

0 引 言

桩基础是各类工程建设中重用的基础形式之一。由于施工工艺成熟、承载力高、成本相对较低等优点，常用于变电站工程填方区重要建构筑物或设备的基础。但是由于人工挖孔桩存在人工劳动强度大、安全风险高、施工效率低，而传统的钻孔机械(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特点，钻进成孔速度较慢、占用场地大、耗用资源多，并且在施工过程中循环泥浆、噪声等的污染较大。

1 旋挖钻机原理

旋挖钻机将整体置于履带式车盘上，以自备柴油发动机提供动力，桶式钻斗借助动力头带动钻杆旋转方式，通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻头内，然后再由钻孔机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，到达持力岩层后更换岩心钻头嵌岩，最终形成桩孔。

2 旋挖钻机成孔工艺

旋挖钻机成孔的工艺流程为：施工准备→测量定位→旋挖机就位→埋设护筒→旋挖成孔→岩心钻嵌岩→清孔及成孔检验。

2.1 施工准备

复测场地平整范围、标高、平整度，查验回填土密实度试验报告是否符合要求，实地检查场平土石方回填施工质量，做好场地的验收交接手续。组装旋挖钻机，测试其性能，准备全站仪、钢尺、测绳、检孔器等测量工器具，组织作业人员进行安全技术交底，并开展试成孔检验，检验旋挖成孔工艺的可行性和可靠性。

2.2 测量定位

(1)根据业主提供的控制点，用全站仪在桩基施工区域建立一个轴线测量控制网。该测量网须距离施工区一定距离且满足放线便捷，同时便于坐标点之间互相校核，然后用混凝土或钢管加以保护，定期进行检查复测，控制网的精度应符合《工程测量规范》规定。

(2)按照桩位布置图用全站仪坐标法进行桩位中心放样，并用钢尺复核桩位之间的平面距离，放样后在周围设护桩，轴线偏差控制在 20 mm 以内。

(3)所有测量仪器在施工前必须进行校核，并按要求提供检验报告。

2.3 旋挖机就位

(1)就位前对各连接部位进行检查，钻机平台底座必须座落在较坚实的位置，否则用钢板垫平或采取硬化措施，防止施工中倾斜。

(2)旋挖钻机底盘为伸缩式自动整平装置，驾驶室内配有数字仪表，操控便捷，钻头对准桩位中心时锁定数据。

2.4 埋设护筒

(1)桩位测放后，先用 φ8 钢筋作四角护桩标志，经复测后，据此埋设护筒，并把四角控制桩引到护筒上并用十字线标明钻孔的中心，钻机据此对正孔位。

(2)护筒孔位采用旋挖钻机桶式钻头打开扩孔器旋挖形成，护筒常用 4 mm～8 mm 厚的钢板加工制成，护筒内径比设计桩径大 100 mm～200 mm，高出场地面 0.30 m。护筒埋深应根据土质情况，土质密实时较浅，当土质疏松时较深，通常在 1.2 m～4 m。保持护筒垂直，使护筒中心与桩位中心重合，用拉线法检查桩位偏差，偏差不大于 70 mm。

(3)护筒上口开设溢浆口，护筒周围采用土体回填并夯实，以防护筒发生偏移。

2.5 旋挖成孔

(1)开钻前找准桩位并拉好十字线，对准桩位后，经现场技术人员检查合格并报请现场监理验收认可后方可开钻。钻进系统采用液压动力头带动钻杆，钻头切削土体，将岩土旋转装入钻头，然后伸缩钻杆提出钻斗卸土，通过循环取土卸土直至到达设计要求持力岩层。

(2)根据不同土质结构选择不同的转速和进尺进行控制，由软地层进入硬地层时因土层太硬会引起钻锥跳动及偏斜、加大钻杆摆动，应减速慢进。相反，当由硬地层进入软地层时，可适当加速钻进。

(3)通过旋挖钻机驾驶室内配置的数字仪表显示并调整钻进时的垂直度，采用电子控制和人工观测两方面来保证钻杆垂直度，从而确保桩孔的垂直度。

(4)钻孔过程中，按试成孔确定的参数进行施工，并安排专人记录成孔过程中的各项参数，如钻进深度、地质特征、障碍物等情况。

(5)钻孔作业应连续进行，因故停钻时应将钻头提出孔外，孔口加盖防护措施。

(6)钻孔过程中发生地质变化时要及时捞取渣样，检查并记录土层变化情况，与地质剖面图进行比对，及时报告监理、地质工代等相关人员，分析原因，及时处理。

(7)施工过程中对磨损超标的钻头应及时更换，以保证成孔质量。

2.6 岩心钻嵌岩

经监理、地质工代确认旋挖钻进到达设计要求持力岩层后，随即将取土钻头更换成岩心钻头，低速钻进，保证达到设计要求全断面入岩的深度。

2.7 清孔及成孔检验(见表1)

为确保桩孔深度达到设计要求，成孔过程中除钻机自身仪表显示的深度外，还须经常用测绳测量孔深，尤其是入岩后的钻孔深度，确保桩身全断面入岩深度。嵌岩完成后换回前期取土钻头进行清底，充分研磨孔底较大颗粒石块，并将其清理出孔内，实现一次清孔排渣原则。时间一般不少于15 min。严禁用增加钻孔深度代替清孔。

清底后及时报请监理及地质工代到现场进行验孔，检查孔径、孔深、垂直度等是否符合设计及规范要求。

在成孔验收合格后，应随即进行下钢筋笼、浇灌混凝土作业，否则在下钢筋笼前还应进行二次清底，确保沉渣不超标，检查符合要求为止。

表1 成孔检验项目

3 在工程中的应用分析

3.1 优 点

(1)效率高。旋挖机钻进速度快，在强夯后的土层中每小时钻进达 10 m，正常情况 2 h～5 h 之间就可以成孔，效率是传统钻孔机械的数倍效率。

(2)移动灵活。旋挖钻机采用履带式底座，机身自身调平装置，移动行走灵活、速度快。

(3)定位准确。旋挖钻机配置有自动化控制仪表，可通过驾驶室操控各项技术参数，保证旋挖钻机孔位、孔径、孔深、垂直度等各项技术指标达到规范或设计要求，也可以根据地层情况自动调整扭矩，实现自动化操作。

(4)适应性强。旋挖钻机适用于黏性土、粉土、砂土、填土、碎石土及风化岩层，只是在遇到超规格漂石且含量过多时才会造成钻进困难。另外旋挖钻机构造简单、组装方便，钻进嵌岩只需更换岩心钻头。

(5)环保性。旋挖钻机噪声小、污染少，旋挖钻采用非水介质取土，只需少量的泥浆护壁。当土体密实时如经过机械碾压或强夯处理，可不需要泥浆支护，实现干法成孔，极大改善施工环境。

3.2 缺 点

(1)价格比较昂贵。1 台动辄几百万，一次性投入比较大，且运营、维修保养等费用较高。

(2)旋挖钻机自重较大。钻机平台的稳定也是个不容忽视的问题，不注意的话，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。

(3)钻进过程中反复提升钻头，抽吸作用下使钻头下方孔内易产生负压，不利用孔壁稳定。

3.3 常见质量问题及处理对策

3.3.1 坍 孔

在湿法旋挖过程中如发现井孔护筒内泥浆位忽然上升溢出护筒随即骤降并冒出气泡，应怀疑是坍孔征象，可用测深锤探测。如测深锤未取出或被埋不能上提，或测深锤探测达不到原来深度，均可证实确为坍孔。坍孔不严重时，可用土回填至坍孔位置以上并采取改善泥浆性能、加高水头、埋深护筒等措施，继续钻进。坍孔严重时，应立即将钻头提出，采用低标号水泥砂浆回填后重钻。

在干法旋挖过程中遇坍孔状况时，钻机辅助人员通过观察孔壁及钻头顶部是否带有岩土来发现判别。坍孔不深时可埋深护筒、回填水泥拌土措施后继续钻进。坍孔严重时应立即将钻孔全部用低标号砂浆回填后重钻。

3.3.2 填方区局部漂石多，成孔困难

场地平整过程中应严格控制块石含量，粒径不得超标，石料不得集中填埋，超过 0.3 m 块石须破碎处理。当遇到漂石较多时，由于变电站工程桩基大多是群桩承台式，可采取挖掘机翻挖换填土层后将护筒周围土夯实后重新钻孔，也可采取人工挖孔桩穿过漂石区后再采用旋挖机钻进。

3.3.3 窜 孔

旋挖钻机成孔的孔壁比较粗糙，稳定性较差。当相邻桩孔间距过小时，易发生窜孔现象。因此，所有作业点必须跳挖，且跳挖相邻孔距须大于 4 倍孔径，此外钻斗卸出岩土距孔口应大于 6 m。

3.3.4 场地松软，钻机自重产生孔身偏斜

当场地松软时，应对场地进行硬化或采取铺垫钢板或对松软部位挖除换填处理，雨季施工应事先做好场地排水。开钻后，一旦发生钻机偏斜情况应停止钻进，整平调直后再开钻。

3.3.5 缩 孔

遇有缩孔时应采取防止坍孔和防止钻锥摆动过大的措施。缩孔是钻锥磨损过甚、焊补不及时或因地层中有遇水膨胀的软土、黏土泥岩造成的。对钻锥磨损应注意及时焊补，对地层软土泥岩应采用失水率小的优质泥浆护壁。已发生缩孔时宜在该处用钻锥上下反复扫孔以扩大孔径。

3.3.6 卡 钻

卡钻后只宜轻提不宜强提。轻提不动时可用小冲击钻锥冲击或用冲、吸的方法将钻锥周围的钻渣松动后再提出。

4 变电站桩基工程应用实例

福州 1 000 kV 变电站工程本期建设 3 000 MVA 主变 2 组及 1 000 kV 出线 2 回和 500 kV 出线 4 回。站址地处丘陵山区，场地高差较大，站区土石方就地平衡，填方按 8∶2 土石比分层进行强夯。场平后形成厚度 0～30 m 不等的回填区。1 000 kV 构架、1 000 kV GIS、主变及高抗等重要构筑物及设备基础经过强夯地基处理后，采用 φ800 机械旋挖成孔灌注桩。桩基总量 738 根(其中本期 330 根，远期 408根)，设计混凝土强度等级 C35，抗渗等级为 S8，以 ⑤-3 中等风化凝灰岩为桩基持力层，桩身全断面进入持力层的深度不小于 0.5 m，实际桩长在 5.15 m～31.45 m 不等，平均桩长17 m。该桩基工程于 2014 年 1 月 7 日开始施工。为满足上部土建施工需求，该项采取了“分期施工，分期检测，分期移交”策略。2014 年 4 月 10 日完成本期 330 根桩基施工任务。经过福建省建筑工程质量检测中心有限公司按规定进行取芯、高应变、低应变检测，单桩承载力、桩身完整性均能达到规范和设计要求，按期移交上部土建队伍进行基础承台施工。远期 408 根桩基于 2014 年 5 月 1 日完成了施工。福建省建筑工程质量检测中心有限公司在 2014 年 7 月 11 日完成了取芯、高应变和低应变检测项目。单桩承载力、桩身完整性指标均符合规范和设计要求，满足了上部土建队伍施工节点工期要求。桩基工程施工共投入旋挖钻机 2 台，全过程历时115 d，满足了工期要求。经过检测Ⅰ类桩数占 97%，Ⅱ类桩仅为 3%，优质高效完成施工任务，确保了工程质量。

5 结 语

旋挖钻机已在其他行业工程建设桩基施工中得到广泛应用。旋挖钻机虽然在设备价格方面比较昂贵，成本较高，但其具有适用性强、自动化程度高、劳动强度低、钻进效率高、成桩质量好、噪声小、环境污染小等诸多优势。用于变电站桩基工程成孔施工同样优势明显：能显著地提高工程施工效率，保证工程质量，改善文明施工环境，促进和谐施工；在合理选取施工方法与施工工艺时，能最大限度地节省人力、物力、时间等资源，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。