浅谈旋挖钻机在熔岩地区的施工工艺

田国清

【摘要】新华高架桥属广花盆地北部冲积平原地貌区，该桥多次跨公路及京广铁路，地面高程7.0～19.0m之间。地层岩层性主要为石炭系下石炭统石磴子组（C1ds）灰岩。桥址区地层主要为第四系填土、冲积层和下石炭统石磴子组（C1ds）灰岩。基岩为下石炭统测水组（C1dc）炭质灰岩、炭质页岩、砂岩、泥质粉砂岩和石磴子组（C1ds）灰岩，此段基岩岩溶很发育，多处发现溶洞，揭露溶洞大小1.5～5.8m。溶洞顶板埋深13.90～31.90m。入岩后，岩溶发育，根据现有地质钻孔资料，全桥溶洞桩基81根，见洞率18%。在勘探深度范围溶蚀现象的溶洞高度最小为0.06m，最大达18.4m，且有部分桩基础溶洞数量为1-3个呈串珠状分布，地质条件较复杂，临近高铁和房屋。如何保证溶洞处理施工工艺的有效性和安全性是桩基施工的难点。

【关键词】新华高架桥；熔岩；选挖钻机；处理

一、桩基施工方案确定原则

1.1鉴于考虑到该段地质条件复杂，岩溶发育完全，溶洞多，周边建筑物分布密集，且紧挨老桥（运营中）施工。因此桩基础成孔采用对周边震动较小的旋挖钻成孔加钢护筒跟进施工工艺。此工艺能有效减少地层扰动、防止孔内坍塌造成地表沉降以及坍塌等不良现象出现从而最大程度地保证旧桥结构安全性能，且施工效果良好，能有效地保证桩基成桩质量。

1.2桩基成孔采用先转压护筒、后钻进掏渣直至设计孔底标高的施工方法，第一次及第二次清孔泥浆循环均采用正循环法处理，钢筋笼报检合格后使用平板汽车运输至施工现场，采用汽车吊按规定两点位置起吊吊装，声测管的布置及数量必须符合设计规范相关要求。桩基础砼灌注前泥浆指标及孔底沉渣厚度必须经检查符合规范及设计要求方可进行桩基础水下砼灌注作业，且在灌注过程中应严格控制导管埋深以及拔管机操作等关键施工工序，规范施工现场管理。

1.3虽然刃角斜岩及溶洞已明确按抛填挤密护壁处理，且抛填材料挤密护壁工艺中已明示相关投放比例及投料顺序，但具体实际施工时间效果如何，护壁成形厚度及力学性能如何，能否保证抛填挤密护壁能完全抵抗住孔内泥浆压力、孔内泥浆不流失造导致内外压力不平衡出现孔位坍塌、以及能否有效保证在施工过程中不出现砼灌注过程中、护筒外覆盖层挤破已抛填处理挤密护壁出现桩基夹层造成断桩、或灌注过程中由于砼灌注标高的加高压力过大、施工扰动等相关因素，以至于抛填挤密护壁失效、桩身混凝土挤破已抛填处理挤密护壁造成桩身砼方数流失扩孔过大以及桩身出现不同程度蜂窝、麻面散落等不良质量现象等尚无具体指导意见，也无法形成最终有效的护壁措施。故对于单个溶洞高度大于5m的大溶洞或无填充空溶洞以及串珠状溶洞中有单个溶洞高度大于5m者建议采用预注浆处理措施、此举对于溶洞中的砂、砾等土体，浆液是通过渗透作用板结砂和砾的；而对于溶洞中的稀土、亚粘土等土体，浆液是通过劈裂、挤密作用加固土体的；且对于无填充物和半填充溶洞的空间，浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在土体中的渗透扩散方向是往小主應力面方向，浆液固化后，小主应力面得到加固，而原次小主应力面变成小主应力面。这样，通过对小主应力面反复不断的加固，一方面渗透、挤密溶洞中的土体的空隙，充填溶洞的空间，在桩体周围形成防水帷幕，防止流砂和保证护壁泥浆不流失；另一方面，提高溶洞中土体的承载力和抗剪力形成挡土墙，防止坍孔，从而有效保证桩基成孔质量。

1.4 综合2.3条所述以及现场勘探资料，针对溶洞的大小和充填情况应选择不同的处理方式，对有刃脚斜岩处以及高度0 .5 一5 米之内有填充溶洞确定采用钻穿岩顶板后直接抛填挤密进行处理（每2m为一单位高度须处理一次），必要时可采用回填混凝土的方式进行填充挤密，形成有效的护壁。每次回填应对回填物的标高和泥浆浓度进行测量，以判定回填物的挤密效果。单个大溶洞（有填充）或无填充空溶洞以及串珠状溶洞中出现单个溶洞高度大于5m建议皆采用预注浆处理。

二、施工工艺与方法

2.1 测量放样：在桩基施工前，应对墩台桩基位坐标图进行复核，并根据墩台桩位图准确地放样出各桩位。

2.2 场地准备：清除淤泥，软基地段先换除软土，平整场地，清除杂物，回填后碾压、夯打密实，旋挖钻机行走于坚实的地面上，以保证成孔质量。

2.3泥浆循环系统

2.3.1本工程采用钻孔泥浆护壁，以保持孔壁在钻进过程不坍塌，因受施工现场场地限制及考虑到文明施工要求，现场设单个大型泥浆箱，泥浆箱尺寸为6×2.3×1.7m（长×宽×高），箱中设有隔板分两池以满足沉淀池及泥浆池循环功能，设置的泥浆循环使用，废土渣由运输车运往指定的弃土区废弃。

2.3.2现场泥浆处理系统由泥浆沟、泥浆沉淀池、泥浆池、泥浆泵以及旋流除砂器等组成，其中具体处理工艺为桩孔内泥浆先通过泥浆沟流入沉淀池、经自然沉淀再流入泥浆池，泥浆池内放置泥浆泵、泵送至旋流除砂器分砂处理、然后再压入孔底内置换泥浆，不过有所区别的是，在第一次清孔时，因导管尚未安装，泥浆是通过泥浆管接入一节短无缝钢管直接下放到孔底实现泥浆正循环置换清孔，而在第二次清孔时，导管已安装完毕，泥浆是通过泥浆管接入一节短无缝钢管且与导管直接相连实现泥浆正循环置换清孔。

2.4 现场应急物资、机械设备准备及旧桥沉降观测：准备好定量粘土、片石、水泥、水玻璃等抛填挤密护壁处理材料、同时铲车、挖掘机、水车等相关机械设备相应到位，并在施工过程中指定专人对旧桥做好沉降观测记录。

2.5驱动器连接器转压钢护筒系统与钻杆钻进系统独立，可以实现单独进尺，即可以先转压钢护筒后钻杆钻头钻进，也可以后转压钢护筒先钻杆钻头钻进，考虑到砂层等覆盖层自立性较差以及现场高地下水位影响等不利因素、并出于施工安全性考虑、现场操作必须严格按照先转压钢护筒，后钻头钻进掏渣先后顺序交替进行。且每次钻进掏渣完成面不得超过护筒底，以防止钻进过程钢护筒内出现孔内坍塌等不良现象、从而有效保证成孔质量。

2.6首节钢护筒下放原则：桩中心定位完毕之后便，先用双底泥岩钻斗钻进2.5m深，掏渣完毕，然后在双底泥岩钻斗安装扩孔器、扩孔2m深，在安装套管靴并与首节护筒相连（套管靴总长度共计0.589m，、为增加其入土能力设刃角、安装后与首节护筒后相连外露有效长度为0.5m），然后开始进行护筒转压作业。在其中的扩孔施工目的是为了方便护筒准确对中心位。钢套筒下至距地面上5Ocm 时停止钻进，以便下节钢护筒连接。在连接第二节钢护筒时，必须用特制的钢护筒管孔口夹持器夹牢钢护筒，防止钢护筒因本身护筒自重下沉。

2.7第二节钢护筒下放，旋挖机套紧3 米钢护筒与第一节对位（每节钢护筒设有4 个定位槽和4 个定位剑，以便定位剑插入定位槽来定位），接口处用螺栓销连接拧紧（注意对称均拧）；旋挖机转压钢护筒，下放钢护筒的方式是通过驱动器和连接盘连接在动力头实现转压驱动，下完第二节标准护筒后继续吊装下钻第三节及以后的标准护筒。

2.8在下放最后一节钢护筒时，应根据地质资料和现场下套筒深度计算需要发放钢护筒长度，选择合适的非标准钢护筒下放。

2.9钻孔时，起、落钻头的速度均匀，不得过猛或骤然变速。钻进过程中应保证泥浆面始终不低于护筒底部100cm以上，并应严格控制钻进速度，避免进尺过快造成坍孔埋钻事故。钻斗的升降速度宜控制在0.75～0.80m/s；在粉砂层或亚砂土层中，升降速度应更加缓慢，同时应经常注意检查钻机位置，保持其位置准确和平台稳固。钻孔作业宜连续进行，并详细填写钻孔施工记录，因故停钻时，将钻头提出孔外，防止埋钻。并随时观察进浆口处泥浆标高，防止漏浆引起塌孔。

2.10钻孔过程中，应经常对泥浆进行检测，保持孔内泥浆稠度，注意地层变化，随时根据地质情况调整泥浆比重，在地层变化处抽取渣样，判明地层情况并与地质剖面图比较，如实写入钻孔施工记录，当钻孔地质与设计明显不同时，必须及时上报。根据地质资料，对于每层地质更换不同钻头钻进及每层地质均要测定泥浆的各项指标（包括泥浆比重、粘度和含砂率），并做好记录。

2.11施工钻孔时先通过显示器按钮直接进入主工作界面，明确相关情况后方可进行钻孔作业。钻孔时可先将钻斗着地，通过显示器上的清零按钮进行清零操作，记录钻机钻头的原始位置，此时，显示器显示钻孔的当前位置的条形柱和数字，操作人员可通过显示器监测钻孔的实际工作位置、每次进尺位置及孔深位置，从而操作钻孔作业。在作业过程中，操作人员可通过主界面的三个虚拟仪表的显示一一动力头压力，加压压力、主卷压力，实时监测液压系统的工作状态。开孔时，以钻斗自重并加压作为钻进动力，一次进尺短条形柱显示当前钻头的钻孔深度，长条形柱动态显示钻头的运动位置，孔深的数字显示此孔的总深度。当钻斗被挤压充满钻渣后，将其提出地表，操作回转操作手柄使机器转到土方车的位置，将钻渣装入土方车，完毕后，通过操作显示器上的自动回位对正按钮机器自动回到钻孔作业位置，或通过手动操作回转操作手柄使机器手动回到钻孔作业位置。此工作状态可通过显示器的主界面中的回位标识进行监视。

2.12钢护筒应一直下放到岩面，下放未完成前应用夹持器套牢鋼护筒，防止钢护筒自重引起的自动下沉。旋压钢护筒之前以及钢护筒下放到岩面后，必须断开夹持器与钢护筒之间的联接。

2.13对于刃角封堵处理，必须先用双底泥岩钻斗钻进及捞渣土砂等覆盖层作业至刃角底部50cm左右才开始挤密护壁处理，对于有填充溶洞，必须先用双底泥岩钻斗捞渣深度1m左右，给护壁挤密处理预留出一定空间。施工过程中刃脚及溶洞抛填护壁挤密处理材料投放顺序及相关比例如下：水泥6 包 水玻璃10kg （用薄膜袋装成两袋分两次下） 小块石lm3 （用挖机斗于孔中心半斗下一次，下料应小心勿碰钢套筒） 粘土lm3，按以上顺序下两次后，旋挖机带压浆钻斗（挤压钻头）下至孔底慢钻搅20 至30 转左右（钻杆不停地上提下钻和左右摆动，以利侧挤至孔外），反复多次往孔外侧扩挤，操作机手感到钻头能轻易下至下端岩顶面后即提起钻头，继续按以上顺序抛填水泥、水玻璃、小块石，并酌情添加加粉红粘土，此次应抛填较大量材料，其顶面应基本与溶洞顶面持平或略高（刃角斜岩地区应按超出刃角2m以上），然后用旋挖机按以上方法搅动挤压，搅挤到一定时间后（孔底有2 米左右混合料），即停止作业2 一3 小时左右，待孔底下2 米左右混合料护壁形成一定强度后，再进行循环渐进作业施工，反复多次可填封溶洞或刃角斜岩孔壁；多次处理后，再加以观测孔内泥浆水头变化，以堵漏和检验孔壁处理效果。重复以上方法直至护壁稳定为止，方可开始下层岩板钻进作业。

2.14每次处理完后，旋挖机须正反转钢套筒不少于10 转，以防止抛填挤密处理材料粘结钢护筒底部，造成事故。若按以上方法多次补处理仍漏浆，则须用低标号混凝土灌孔至刃角底以上1.5 米；待混凝土有一定强度再次下钻施工。

2.15 终孔验收、清孔

2.15.1成孔达到设计标高并经四方现场确认后方可终孔，并对孔深、孔径、垂直度等进行检查，不合格时采取措施处理。成孔检查方法根据孔径的情况来定，直接采用测绳测量孔深，用圆筒检孔器械配合检查桩孔中心偏位，桩孔直径及桩孔垂直度。

2.15.2清孔采用泥浆泵压入孔内置换正循环法，清孔时合理控制泥浆的粘度与含砂率，在清孔过程中，不允许无故长时间停止泥浆循环。现场施工管理人员应该检查孔底沉渣厚度，直至达设计要求或施工规范。清孔后桩底沉淀层厚度应符合有关要求，嵌岩桩沉淀层厚度<50mm，灌注前泥浆比重为1.03-1.10，粘度为17-20（s），含砂率<2%，胶体率>98%。

2.15.3第一次清孔完成后，测定泥浆指标，报请监理工程师验收钢筋笼合格后，准备钢筋笼和声测管下放。

2.16第二次清孔：由于安放钢筋笼及导管准备浇注水下混凝土，这段时间的间隙较长，孔底有可能产生新碴，待安放钢筋笼及导管就序后，若桩基础砼灌注前泥浆指标及孔底沉渣厚度经检查不符合规范及设计要求时必须进行二次清孔，清孔采用泥浆置换正循环法，以达到置换清渣的目的。施工中应勤摇动导管，改变导管在孔底的位置，保证沉渣置换彻底。待孔底泥浆各项技术指标及孔底沉碴厚度复检时均达到设计及规范要求清孔完成后，立即进行水下混凝土灌注。

2.17钢护筒上拔拆除

2.17.1在终孔确认后且第一次清孔之前，根据拔管机的尺寸和拟安放位置于地面上放好边线位置并用石灰做好具体标记，且为保证钢护筒上拔时传递给地基的反力符合承载力施工要求，先在护筒周边铺设设30cm碎石垫层共计超出拔管机安装范围以外50cm，并用小型机具夯实，其上再铺设20cm砂垫层，铺设范围同碎石垫层，夯实找平后上铺50mm厚钢板、拨管机放置在钢板上。将拨管机抱紧油缸松至最大，用吊车吊装拔管机对位，将钢护筒套入拔管机中间，并按需垫方条或厚木板以利于调整拔管机的水平度，安装对位后液压卡环环保钢护筒并进行调试，在确保拔管机能安全可靠操作作业后开始灌注混凝土。

2.17.2拨管初始时问与混凝土初凝时间密切相关，一定要在初凝前开始起拔。在开始灌注后，及可开启微动开关，抱紧钢护筒—分钟大约提升1cm左右。已避免人为延时造成的事故。需要快速拔管时，将微动开关关掉，开启大泵开关，与吊机配合依次快速将钢护筒拔出。整个钢护筒拔除视具体桩长而言必须分两次及两次以上操作完毕，施工过程中还应注意拔除钢护筒后，必须保持护筒埋入混凝土顶面以下最小深度不得小于1m，且保持护筒内水头稳定

2.17.3在拨管时，钢筋笼与钢护如果同时上浮，可以采用旋挖钻机用钻杆和钻头将钢筋笼压住，然后起拨钢护筒，使其发生相对位移即可。同时还必须严格控制护筒上拔高度，切记不可上拔过高，这样易使旋挖钻杆及钻头无法提出钢护筒外。

2.17.4上拨完毕拆卸钢护管时，若钢护筒有下滑情况，可以使用下夹紧液压卡盘，使其将钢护筒抱住，拆卸完后，将抱管缸（上夹紧）抱住钢护筒后，将下夹紧松开，然后继续上拔作业。

2.17.5机械卡盘放置位置与液压卡盘相同，机械卡盘的四个夹爪在对应的起拔油缸位置，为防止起管或者放置入抱管缸与钢护筒之间过程中，下卡盘被带起或顶起，必须在底座上焊压板将其压住，防止其上行。机械卡盘在拔管过程中，卡爪始终贴着钢护筒，一旦钢护筒发生下滑，会自行将其锁住，而在起拔时，会自动解锁，不需要人为操作。

2.17.6当压力小于5MPa，或经吊车提试，钢护筒可提起，此时可不需要拔管机起拔，只需在卸连接销时，拔管机将钢护筒抱住即可，主要由吊车完成拨管作业。

2.17.7钢护筒完全拔除完毕后，关闭泵站电源，将油管与拔管机卸下，清理泵站表面，将拔管机移离孔口，清理表面。拔管机活动部分每台班都应注入润滑油清洗，且将拨出的钢护筒用水清洗干净，并清理干净鋼护筒接头部分沉淀的泥沙、混凝土等杂物，在连接销外表上润滑脂已做防护。

三、结束语

选挖钻机在路桥施工中的作用将越来越明显，特别是市区改扩建工程施工中。对熔岩地基进行处理的方式种类较多，其原理和方式也存在着一定的差异，因此，需要根据工程建设的实际情况，对处理方法进行科学选择，以保证处理方式的合理性及有效性。