旋挖钻机干式成孔钻孔桩施工技术研究

吴燕子

摘 要：本文结合新建北京至张家口铁路土木特大桥钻孔桩施工案例，阐述铁路桥梁钻孔桩采用旋挖钻机干式成孔的适用条件及其优势，并从钻孔、钢筋笼安装、混凝土浇筑等几个方面探讨，干式成孔钻孔桩施工质量控制要点、注意细节，为以后同类型桩基施工提供参考。

关键词：钻孔桩；旋挖钻机；护筒；干式成孔；湿式成孔；沉渣；钢筋笼

1 前言

旋挖钻机的成孔原理是利用可闭合开启的钻斗旋转切削土层，使钻渣进入钻斗，提升出孔外，出土后再继续钻进，形成循环。它具有施工速度快、噪声低、振动低、环境污染小、机械安装和场内移动方便等优势，已成为钻孔桩施工的主要成孔设备，近些年在铁路与公路桥梁建设施工中得到广泛应用。

旋挖钻机适用于各种土质地层，砂类土，砾石、卵石，软白～中硬基岩。其钻孔根据不同地址条件可采用干式成孔和湿式成孔。对粘结性好的土层，可采用干式钻进工艺，无需泥浆护壁。

旋挖干式成孔桩与常规泥浆护壁钻孔桩相比具有一定的优势，但是如果施工过程质量控制不当，同样容易引起质量事故。下面以新建北京至张家口铁路土木特大桥钻孔桩施工案例进行探讨。

2 工程概况

新建北京至张家口铁路位于北京市西北、河北省北部，线路起自北京北站，西迄张家口南站，新建正线全长173.964km。

土木特大桥位于河北省怀来县土木村和官厅水库之间，桥位处地势平坦开阔，桥址区以村庄及耕地为主，其中心里程为DK105+156.210，全桥长3503.48m。本桥所有墩台均采用钻孔灌注桩，桩径有1.25m、1.5m两种，桩长17～43m，共898根，均为摩擦桩，设计要求桩底沉渣厚度小于10cm。桩基检测方法有超声波法和瞬态激振时域频域分析法。

根据野外地质调查及钻孔揭示，桥址区范围地层除人工填土外，主要有第四系人工填土、第四系全新统湖积层。其中第四系人工填土为素填土；第四系全新统湖积层有新黄土、粉质粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、细圆砾夹粉土薄层、粗圆砾夹粉土薄层，其中粗圆砾一般粒径20～60mm，最大粒径90mm；地层基本承载力值为120～350KPa。

无地表水，地下水埋深为7.20～22.8m。无不良地质。

3 施工方案选择

根据地质资料、桩基设计情况，兼顾工期计划，采用旋挖钻机施工，钻机型号为三一重工SR250。桩基施工前，在设计墩位附近进行了钻孔试验，并进行了15天跟踪观察。试验表明，本桥地质条件适宜采用旋挖钻机成孔，孔壁稳定、不易坍塌，实际地下水位低于设计桩底，可采用干式成孔，不进行泥浆护壁。

4 主要施工方案

4.1 护筒埋设

护筒具有控制桩位、导向、防止孔口坍塌和固定钢筋笼等作用，必须具有一定的刚度。护筒采用8mm厚钢板制造，内径比设计桩径大20cm，长度为2.0m～2.5m。

埋设护筒前，采用GPS放出桩位中心点，并用“十字交叉法”引出四个保护桩，以便后续施工中随时校核桩中心。护筒采用明挖埋设方法，沉设到位后，顶面允许偏差为50mm，倾斜度允许偏差为1%。

护筒埋设另外需要注意两点：第一，高速铁路和公路的桥涵相关施工技术规范对于护筒顶高出地面高度的规定略有不同，前者要求50cm，后者要求30cm，应视情况选用。

第二，常规泥浆护壁施工用的钢护筒，一般都开有泥浆口，使用时应注意焊接钢板将其封堵严密，以免施工过程中泥土掉落至孔内。

4.2 钻孔及成孔检测

旋挖钻机应停放稳固、保持水平，不得产生位移和沉陷。钻杆应保持竖直，钻头中心与孔位中心的偏差不得大于2cm，可采用四个“保护桩”进行校核。钻机就位后，将钻头底面与护筒顶面平齐，将进尺深度调为0。

由于采用干式钻孔，无泥浆护壁，为避免造成塌孔事故，钻孔过程中应注意以下几点：

第一，严格控制钻头升降速度，减小钻斗升降对孔壁的扰动，满钻斗提升速度控制在0.5m/s，空钻斗提升速度控制在0.8m/s。

第二，及时清运孔口附近的钻渣，钻渣堆放高度不宜超过1.0m。铲运钻渣时应细心操作，注意不要将钻渣推到孔内或覆盖护筒口。

第三，加强观察，钻孔作业过程中经常观察孔口地面变化情况，发现沉陷或变形现象，应及时停机处理。同时注意观察地层的变化，作好记录，并与设计提供的地质剖面图相对照，钻渣样应编号保存，以便分析备查。

当钻孔深度距设计值约1m时暂停钻孔，采用笼式检孔器上下多次扫孔，将孔壁上的虚土、松动砾石扫落到孔底，然后继续钻孔直至设计孔底。成孔后应进行成孔检查，检查内容有孔位、孔径、孔深、孔形及沉渣。因为提前进行过扫孔，一般情况下孔底沉渣很少，若沉渣较多，可用旋挖钻斗轻放至孔底，微压旋转几圈将渣土旋入钻斗内提出孔外卸除。

成孔后应加强对孔口的防护，防止杂物掉落至孔底，并及时安放钢筋笼，避免空孔闲置时间过长。

4.3 钢筋笼制作及安放

钢筋笼的分节长度应满足设计图纸要求，当设计图纸无要求时可根据加工、运输和起吊能力进行分节。本桥桩基均为摩擦桩，钢筋笼较短较轻，多为16m长、1.3t重。为加快现场安放钢筋笼速度，减少孔口闲置时间，钢筋笼均在车间全长制作成型，现场整体吊装入孔。

由于采用旋转钻机干式成孔，清孔比较困难，钢筋笼制作、安装应注意以下问题，以减少孔底沉渣：

第一，钢筋笼底部应适当内收，防止安放钢筋笼时剐蹭孔壁，使泥土掉落至孔底。

第二，钢筋保护层选用混凝土轮型垫块，减轻对孔壁的剮蹭。混凝土轮型垫块强度等级应不低于桩身混凝土强度，其纵向间距不大于2m，环向不少于4根，呈梅花形布置。钢筋笼运输过程中采取措施防止混凝土轮型垫块损坏，若有损坏予以替换。

第三，运输及吊装时，应采取措施防止钢筋笼发生变形，以免下放困难；钢筋笼起吊后应保持竖直状态入孔，以免剐蹭孔壁。

第四，钢筋笼安装到位，经检查无误后采取可靠定位措施，防止混凝土灌注过程中钢筋骨架上浮或下沉，难以处理。

钢筋笼安装到位后，混凝土灌注前，应再一次测量孔底高程，并与成孔时的孔底高程比较，计算出沉渣厚度，其值应小于设计和规范要求。沉渣厚度若大于规定值，可采用特制重锤在钢筋笼内小心锤击孔底，将松土锤击密实，直至沉渣厚度符合要求。

4.4 混凝土灌注及养护

旋挖钻机干式成孔的钻孔桩混凝土可按水下混凝土标准进行配制，即按较设计强度提高15%配制，坍落度宜为180mm～220mm，严格按照导管法干孔浇筑。

首批混凝土的数量应能满足导管首次埋置深度（≥1.0m）和填充导管底部的需要，经计算确定。

混凝土灌注过程中应经常测量孔内混凝土面高程，及时调整导管埋深。为增强混凝土密实度，导管较坚固并有足够的起重能力时，导管埋深可控制在4～8m。拆除导管时，导管应缓慢提升和下降，避免在已浇筑混凝土中形成空洞或将顶层浮渣卷入。

较水下混凝土，干孔浇筑的首盘混凝土更容易初凝，所以灌注中途不得停顿，拆除导管的间断时间应尽量缩短，每根桩的浇筑时间宜安排在首盘混凝土初凝前完成。

为节省材料，混凝土灌注高度可尽量少超出设计桩顶高程，但不得小于0.5m，且必须测量准确。桩顶4m范围内的混凝土应进行振捣，浇筑完毕后对桩顶部混凝土进行养护。

混凝土灌注后，混凝土强度的增长需要一定的时间，切记不得过

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早回填孔口，以免土石陷落混凝土中，影响桩头质量及外观。邻近桩钻孔时，应注意“跳孔”施工。

5 结语及建议

截止写稿，新建北京至张家口铁路土木特大桥钻孔桩采用旋挖钻机干式成孔完成732根，检测704根。检测方法有声波透射法和低应变反射波法，检测结果为除1根为Ⅱ类桩外，其余均为Ⅰ桩，符合规范及设计要求。

本次实践成功表明干式成孔钻孔桩与泥浆护壁钻孔桩相比具有以下优点：

第一，节省施工成本。干式成孔省去了制作和处理泥浆的费用，可节省约6%施工成本。

第二，减少施工污染。干式成孔无需泥浆护壁，施工现场整洁干净，有利于文明施工。

第三，加快施工速度。干式成孔速度快，孔底沉渣少甚至无沉渣，清孔快捷。

第四，提高施工质量。干式成孔无需泥浆护壁，避免泥浆污染钢筋，增强了钢筋与混凝土的粘结力；同時克服了孔壁泥浆泥皮对桩周摩擦力的不利影响。

但应用旋挖钻机干式成孔时，切不可认为比湿式成孔简单而麻痹大意，应高度注意以下事项：

第一，地质条件应无地下水（或地下水位低于设计桩底高程）、无地表水，且土层黏结性好，不易坍塌。

第二，需通过试桩成功，试桩内容应包括力学试验和工艺试验。

第三，桩径不宜过大，一般不大于2米。

第四，钻孔、下放钢筋笼、灌注混凝土等工序应严格遵守工艺要求，精心操作。本次实践产生1根Ⅱ类桩的原因经分析是混凝土灌注速度过快和导管提升过快导致少量沙石卷入所致。

对于干式成孔钻孔桩施工，目前铁路桥梁的相关技术规程叙述较少，特别是清孔还没有适用、统一的方法。也没有专用、规范的施工记录表格和验收记录表格，内业资料的编制存在不统一的问题。笔者相信，随着干式成孔钻孔桩施工经验的不断积累、施工技术的不断发展，相应的技术规程将进一步完善，干式成孔将得到广泛应用。

参考文献

[1]《高速铁路桥涵工程施工技术规程》（Q/CR 9603-2015） 北京 中国铁道出版社 2016年

[2]《铁路桥梁钻孔桩施工技术规程》（Q/CR 9212-2015） 北京 中国铁道出版社 2015年

[3]《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10752-2010）

[4]《公路桥涵施工技术规范》（FTG/T F50-2011） 人民交通出版社

[5] 黄锋 浅谈干式旋挖钻孔灌注桩技术 福建建设科技 2007.No.5

[6] 高玉龙 干式旋挖钻孔灌注桩质量控制对策 路基工程，2011年第6期