钻孔灌注桩旋挖工法几个关键问题的探讨

李红星 黄鹏 王佳

(中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040)

1 概述

为了经济稳定增加，提高人民生活水平，保障人们日常生活方便，在可预见的将来，大江大河上、岛礁之间的桥梁、城市之间的轨道交通及高层建筑等建(构)筑物会越来越多。钻孔灌注桩因具有“显著提高单桩承载力，减少桩和承台数量，降低成本;使用灵活、受力明确、计算简洁”等优点，在上述建(构)筑物基础中得到了广泛的应用，且桩直径、桩长越来越大。

作者从事跨江、跨海桥梁、轨道交通及高层建筑等建(构)筑物施工中机械生产和管理工作多年，对旋挖工法在钻孔灌注桩成孔方面的几个关键问题抛砖引玉，供同行在施工设备选型时借鉴与参考。

2 旋挖工法

旋挖工法是指以旋挖钻机为基础设备的成孔工艺。旋挖钻机的英文名称为Rotary Drilling Rig，是指能附带钻动套管的驱动机构、配备旋挖斗、短螺旋钻头、全液压驱动、具有大扭矩输出的履带式钻机。这种钻机在1947年由美国开发的回转斗钻机的基础上改进发展而来的。旋挖工法的优势如下:

1)在土层中成孔效率高。在坚硬、密实、卵石、碎石、漂石及块石地层中，由于传统钻机的自重有限，不可能给钻头施加更大的钻进压力。而旋挖钻机采用动力头装置(见图1)，动力头装置将加压力传递给钻杆，加压力加上钻杆的重量形成钻进压力。钻进压力大，钻进能力强。一般来说，在相同的地层中，旋挖钻机的成孔速度是回旋钻机成孔速度的5倍以上。

图1 旋挖钻机工作时加压力、弯矩及扭矩图

2)环保性好。传统钻机采用泥浆正、反循环方式，依靠泥浆携带钻渣而钻进成孔，因为成孔时需要泥浆，所以泥浆产生的污染处理成本高。而现在对工程建设的环保要求越来越严格，使得传统钻机面临要求严格的环保危机。旋挖钻机采用动力头形式，其工作原理是通过旋挖斗、短螺旋钻头，利用强大的扭矩直接将土、砂砾等旋转挖掘(见图1)，然后快速提到孔外。对于物理力学性能参数高的地层，不需要泥浆护壁实现干法成孔。即使需要泥浆护壁的土层，泥浆也只起到维护孔壁稳定性的作用。所以，旋挖工法中泥浆用量少，污染源大大减少，保护了环境，施工成本降低。正因为旋挖工法能干法成孔，从2001年6月开始的，在生态环境十分脆弱敏感的青藏铁路桩基施工中，主要采用旋挖工法中的干成孔工艺，保证了青藏铁路沿线生态环境的原始性。

3 旋挖工法关键问题的探讨

3.1 旋挖工法是否适合于岩层

从已有施工实践看，旋挖工法适合于粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的土层中钻进成孔。旋挖钻机单机价格高，一般起步价300万元，最佳使用年限5年，设备折旧费高，造成旋挖工法成孔单价高，但由于旋挖钻机的成孔速度是回旋钻机成孔速度的5倍以上，对于讲究高周转的房地产开发商来说，旋挖工法性价比高。同样，如果对钻孔灌注桩施工进度要求高的建(构)筑物工程，建议在成孔中使用旋挖工法。

桥梁、轨道交通及高层建筑等建(构)筑物的安全使用年限为百年，所以，桩端需嵌入中风化层甚至微风化层数米，可以用旋挖工法进行嵌岩段施工。但如果桩基础全孔段为软岩、较软岩及以上，则用旋挖工法成孔值得探讨。如图1所示，旋挖工法在孔口通过动力头，产生加压力。加压力、钻杆重量形成钻进压力。而钻杆重量仅占钻进压力的小部分，绝大多数的钻进压力由动力头产生的加压力承担。此时，在孔口产生的加压力和孔底产生的、阻碍钻杆嵌岩阻力的共同作用下，钻杆中产生弯矩(MB)。如果钻杆的刚度不够，则在成孔过程中，钻杆会弯曲。这种弯曲不仅难以测量，而且由于累积误差，导致孔壁倾斜，使孔壁垂直度偏差超过1%的规定。这种由于桩基础全孔段为软岩、较软岩及以上，导致孔底偏差超过数米的案例在施工实践中经常遇到。解决办法是回填，用另外成孔工艺重新成孔，不仅大大增加了施工成本，而且延误了工期。

3.2 旋挖工法破岩钻进理论计算

根据施工实践，旋挖钻机穿越第四系土层时，旋挖钻机旋挖斗活门底板或短螺旋钻头上的切削刃用斗齿。当旋挖钻机穿越岩石单轴饱和抗压强度20 MPa以内的岩层，活门底板或短螺旋钻头上的切削刃用截齿。旋挖钻机穿越岩石单轴饱和抗压强度20 MPa以上岩层，旋挖斗的边缘加切削刃，俗称筒钻，此时，岩石单轴饱和抗压强度60 MPa以内，切削刃用截齿;岩石单轴饱和抗压强度60 MPa以上，切削刃用牙轮齿。

无论用截齿，还是牙轮齿，破岩前必须齿尖先楔入岩层内，此时，钻进压力P按下式确定(见图2)。

其中，P为旋挖钻机提供的钻进压力;α为P1与水平面的夹角;P1为平行于截齿齿尖或牙轮齿齿尖的钻进压力分量;P2为垂直于截齿齿尖或牙轮齿齿尖的钻进压力分量;S为每个截齿或牙轮齿与混凝土接触的齿尖面积;fcu为岩石单轴饱和抗压强度。

当齿尖所受到的压强不小于岩石单轴饱和抗压强度时，齿尖楔入岩层表面进入岩层内部。因为岩石单轴饱和抗压强度大于岩石饱和抗剪强度，当齿尖随钻杆旋转时，在扭矩(MT)作用下，楔入岩层内部的齿尖在岩层内部进行切削作用，对岩层进行剪切破坏，把孔内岩层与孔外岩层分离开来。

由上式计算得到的钻进压力，减去钻杆重量，即为动力头装置所需要提供的加压力(FV)。

图2 截齿所受的钻压力分解示意图

3.3 旋挖工法时泥浆密度理论计算

在旋挖工法成孔过程中，当把桩直径范围内的土体清除时，相当于挡土结构离开土体的方向位移，此时，会在土体中产生主动土压力，可用朗肯土压力公式计算此时的土压力。在主动土压力作用下，引起孔壁坍塌或孔壁向孔内位移。另外，场地面上发育地下水，在地下水压力作用下，也会引起孔壁坍塌或孔壁向孔内位移。最后，桩位附近的成孔施工机械会增加地层的附加力，即地面荷载也会导致孔壁坍塌或孔壁向孔内位移。

为了确保成孔时孔壁的稳定性，人们通常在孔内补充泥浆。泥浆具有平衡主动土压力、地下水压力、地面荷载，从而阻止孔壁坍塌或孔壁土体向孔内位移、维持孔壁的稳定。另外，泥浆还具有悬浮携带钻渣、降低钻头温度、润滑钻头等作用。因此，泥浆是桩基础成孔时必备材料之一，在实践工程中，泥浆性能指标主要有密度、粘度、含砂率。在3个泥浆性能指标中，其中密度的参数可以通过理论计算获得。只要所计算地层底的泥浆压力≥主动土压力+地下水压力+地面荷载，则能确保整个所计算土层段孔壁的稳定。

其中，σak为土中竖向应力标准值，kPa;Ka，i为第 i层土的主动土压力系数;ci为第i层土的粘聚力，kPa;φi为内摩擦角，(°)。

其中，σac为淤泥自重产生的竖向总应力，kPa;Δσk，j为计算点所在地层上覆第j个土层附加荷载作用下计算点的土中附加竖向应力标准值，kPa;q0为成孔时，桩位附近场地面上均布附加荷载标准值，kPa。

为了确保成孔时孔壁的稳定性，必须满足如下公式:

其中，H为泥浆高度，m;γ泥为泥浆密度，kN/m3。

在实践中，采用水土合算，基于主动土压力、地下水压力及地面荷载的泥浆密度理论计算方法及计算公式得出的泥浆密度值偏大。应用时，应减去 0.3 g/cm3～0.5 g/cm3。

3.4 旋挖工法钻孔灌注桩的桩长、桩径

随着桥梁、轨道交通及高层建筑等建(构)筑物规模的日益扩大，桩长不小于90 m的超长、桩直径不小于2.5 m的大直径钻孔灌注桩越来越多。

旋挖钻机的钻杆分为两种:一种是互锁式钻杆，标准型3节～4节钻杆，允许每节钻杆传递全部扭矩，最大钻孔深度100 m;另一种是摩阻式钻杆，不可锁，标准型5节钻杆，在缩减扭矩模式下工作，最大钻孔深度120 m。钻孔灌注桩直径越大，旋挖斗或短螺旋钻头切削岩层所需要的扭矩就越大，而此时如果桩越长，所需要钻杆数量就越多。但容纳钻杆空间是有限的，所以，只能减薄钻杆壁。钻杆壁薄，如果钻杆的刚度没有相应增加，在成孔中易发生钻杆折断的事故。

桩越长，桩直径越大，切削刃楔入、剪切破碎岩层时阻力越大，需要增加扭矩和加压力。于是，势必增加动力头性能及钻杆的刚度，来输出、传递更大的扭矩和加压力。这样，设备的重量就会增加，导致对场地要求增加。表现在两个方面:如果在水上，则搭建钢栈桥的钢管桩的壁厚、埋入地层中的深度要增加，贝雷桁架的力学强度要增加，桥面板厚度要增加，上述做法皆要增加钢栈桥的成本;如果在陆地上，则对场地的承载力要求提高，自然也会增加提高场地承载力的费用。

对于超长、大直径钻孔灌注桩，用旋挖工法成孔时，加压力增大，会在钻杆中形成更大的弯矩MB，导致孔壁倾斜更加严重。

所以，总结作者多年旋挖工法施工实践，性价比最好的旋挖工法是对桩直径不大于2 m，不大于60 m的钻孔灌注桩。

4 结语

1)旋挖工法尽管施工单价高，但在土层中成孔效率高。

2)旋挖工法的钻进压力由动力头产生的加压力和钻杆重量产生。旋挖工法采用楔入、剪切破坏两种破岩方式钻进，前提是切削刃的齿尖压强不小于岩石单轴饱和抗压强度。

3)旋挖工法在孔口产生的加压力和孔底产生的、阻碍钻杆嵌岩阻力的共同作用下，在钻杆中产生弯矩，这种弯矩会导致孔壁倾斜。

4)采用水土合算，基于主动土压力、地下水压力及地面荷载的泥浆密度理论计算方法及计算公式得出的泥浆密度值偏大。应用时，应减去 0.3 g/cm3～0.5 g/cm3。

5)性价比最好的旋挖工法是对桩直径不大于2 m，不大于60 m的钻孔灌注桩。