旋挖钻机在桥梁工程桩基施工中的应用探析

（福建省闽西交通工程有限公司，福建 龙岩 364000）

1 工程概况

福建省漳州至永安高速公路龙岩段路基土建工程A5合同段，全长7.631km，起于芦芝乡芦芝村，途径漳平南互通、内坑中桥、东坑大桥、和平枢纽互通后上跨莆永高速，终于和平镇和平村。其中和平枢纽互通位于漳平市北面和平镇和春村，是漳永高速公路与莆永高速公路进行交通转换的枢纽工程，共设置7座桥梁和8条匝道，其中主线2号桥、E、F、G、H匝道桥均上跨莆永高速公路，主线1号桥和3号桥分别上跨G、E匝道，A、C、D、F、G、H匝道路基与莆永高速并线连接。主线2号桥2#墩和E、F、G、H匝道桥1#墩均位于莆永高速公路中央分隔带内，共有12根桩径为1800mm的灌注桩，桩底岩层为中风化花岗岩，桩长为18～32m，均为嵌岩桩，设计要求砍岩3.6m。由于莆永高速公路已通车，桩基施工需要封闭莆永高速半幅车道及另半幅部分车道，为了减少高速运营损失和确保莆永高速行车安全，本工程桩基的工期为32d，工期紧张。

2 工程地质情况和水文条件

2.1 工程地质情况

桩基所在施工区域的地质情况从上到下分别揭示叙述如下：①粉质粘土，主要成分为粘粒和粉粒，夹杂少量碎石，呈可塑状态，层厚2.10～5.80m；②全风化花岗岩，主要成分为石英、长石和粘土矿物，灰黄色，属于极软岩，散体状结构，层厚5.30～13.50m；③砂土状强风化花岗岩，灰黄色，岩芯呈砂土状，属于软岩，散体状构造，基本质量等级为Ⅴ级，岩体极破碎，层厚3.60～15.10m；④碎块状强风化花岗岩，主要成分为石英、云母和长石，中粗粒结构，属于较软岩，裂隙发育，岩体较破碎，在E和H匝道桥1#墩承台位置揭露有孤石，厚度为2.5～4m，岩质为中风化花岗岩，层厚4.30～11.70m；⑤中风化花岗岩，青灰色，属于较硬岩，岩体较完整，中粒花岗结构，层厚6.20～10.10m。

2.2 水文条件

地下水主要以孔隙潜水和裂隙水为主，地下水较少，地下水对混凝土无腐蚀性。

3 工程施工难点剖析

（1）本工程桩基施工处于莆永高速公路中央分隔带内，施工场地相对狭小，交叉作业较多，对桩基施工部署的要求较高。

（2）桩基施工工期只有32d，工期非常紧迫。莆永高速公路的半幅部分车道仍处于通车状态，粉尘及噪音对行车安全影响较大，环保的要求较高。

（3）地质中存在孤石，孤石的岩质与桩端岩层一致，孤石厚度较厚，钻进较为困难。

（4）桩基为嵌岩桩，设计要求嵌岩深度为3.6m，桩端岩层质地坚硬，进尺较为困难，耗时长，极大地影响施工工期。

4 钻机方案比选

4.1 冲击钻机方案

该方案需要提供电力配套系统，在高速公路上需要准备发电机组。冲击成孔需要泥浆护壁，施工场地狭小，泥浆池的设置较为困难。遇到孤石和持力层岩层时，成孔速度慢，桩锤磨损厉害，桩锤与岩层的撞击产生的振动较大，噪音污染大，对高速公路行车安全造成一定影响。成孔后需要两次清孔，施工时间较长，单桩成孔需要时间为6～8d，无法满足施工工期的要求。

4.2 潜孔锤钻机方案

该方案利用潜孔锤产生的冲击能量将孤石和桩端岩层充分破碎，但是高压气流对孔壁的冲刷较为厉害，孔壁的稳定性不高，岩屑通过高压空气排出孔外形成粉尘污染，对行车安全影响较大。如果采用泥浆护壁，同样存在泥浆污染和施工时间长等问题，单桩成孔需要时间为4～6d，该方案环保和工期均不符合要求。

4.3 旋挖钻机方案

该方案行走灵活方便，设备自带动力，无需提供电力供应。根据土层性质不同选择不同种类的旋挖钻头，从而加快钻进速度。旋挖钻机利用自身独特的桁架式抗振桅杆和吸收振动能力，施工过程中噪音小，无粉尘污染，环保效果好。本工程岩土层黏结性好，可以采取干孔作业方式，无需泥浆护壁，省去清孔时间。旋挖钻机能够自动精准定位、自动测量孔深和自动校正钻孔垂直度，自动化程度高，成孔质量有保障。单桩成孔需要时间为1～2d，有效保证施工工期。

综合地质情况、施工工期、施工质量、对高速公路行车安全影响以及环保等因素，本工程桩基选用旋挖钻机方案。钻机选用国产的TR280D大孔径旋挖钻机。该钻机的最大输出扭矩为280kN·m，钻孔钻速为6～23rpm，钻机自重为66t，钻杆自重为12t，最大加压力为180kN，最大起拔力为200kN，最大钻孔直径为2500mm，最大钻孔深度为85m，满足多种地质桩基的施工要求。

5 旋挖钻施工原理

旋挖钻机步履式行走到桩位，由动力头装置将动力提供给钻杆，钻杆的底部为带有活门的桶式钻具，通过加压装置将压力作用于动力头装置，使得压力传递到钻杆和钻具，从而实现钻具按照既定的轨迹对岩土层进行回旋切削，将切削下来的土体回旋装入桶内，采用提升装置将钻具提升到孔外进行卸土。根据不同的土层更换相应的钻具，使得岩土层的切削或套取更为便利。循环反复操作，直至旋挖至设计桩底高程。钻进方式根据地质情况复杂程度采取干孔成孔或泥浆护壁成孔。

6 旋挖钻施工技术

6.1 施工流程

施工准备→测放桩位→埋设钢护筒→移机就位→旋挖成孔→清孔→下放钢筋笼→混凝土灌注。

6.2 施工准备

旋挖钻机的自重较大，施工场地应平整压实，避免钻机应软硬不均匀出现倾斜或沉陷现象。对施工场地的施工设备行走和材料运输路线进行规划，保证混凝土灌注和钻渣外运不发生冲突，临时用电和临时用水设施的布置应满足施工要求。相邻墩的灌注桩桩位采取交替施工顺序进行安排，减少交叉作业的相互干扰。

6.3 埋设钢护筒

钢护筒的高度为3m，壁厚为10mm，内径为2000mm，上下口外围均焊接一圈加劲环，钢护筒的强度应符合施工要求。钢护筒埋设时，采用旋挖钻头加压将钢护筒静压入土体，护筒顶部露出地面高度为0.4m。钢护筒四周采用粉质粘土均匀回填并夯实，钢护筒的垂直度偏差≤1%，平面位置偏差≤50mm。

6.4 移机就位

步履式旋挖钻机行走到桩位所在位置后，启动电气手柄将钻杆平稳起立，起立应缓慢，注意对钻杆的倾斜角度控制。钻杆起立后，利用旋挖钻机自带的调垂操作系统对钻杆的垂直度进行调整，当钻杆处于相对零位±5°的区域内采取自动调垂方式进行作业，钻杆超过上述区域则采取手动调垂方式进行作业。操作人员可以通过显示器来实时检查钻杆的位置状态，确保钻杆处于垂直状态。

6.5 旋挖成孔

由于场地地质条件中风化岩的厚度较厚，采用单一的钻具成孔的难度较大。根据不同地质情况采取不同钻具和成孔工艺相结合的方法进行成孔。

（1）粉质粘土、全风化花岗岩和强风化花岗岩等岩层成孔

该岩层采用带斗齿的旋挖钻斗切土成孔，利用钻头上的斗齿回旋切削岩土并将岩土转入钻斗内，钻斗装满岩土后由卷扬机和钻杆将桶式钻斗提升到孔外进行卸土，不断循环操作，取土卸土，直至钻至孤石或中风化花岗岩，施工效率≥5m/h。旋挖成孔过程中通过旋挖钻机自身的自动校正钻杆垂直度实现对孔壁的垂直度进行监测与校正，确保成孔的质量。刚开始旋挖时应低速慢进，待旋挖至钢护筒以下1m后方可加快旋挖速度。从软地层旋挖进硬地层时，应放慢旋挖速度，当从硬地层进入软地层时，则应加快旋挖速度。为了防止缩颈，在容易出现缩颈的岩土层中应增加扫孔次数。地面上卸下的钻渣及时采用装载机装上土方车，将钻渣运到弃土地方进行处理。

（2）孤石和中风化花岗岩成孔

该岩层采用环切滚刀钻头取芯成孔，该筒式钻头底端镶嵌子弹头截齿，筒体内布设合页片用于承托岩芯。当孤石或者中风化花岗岩的强度不高时，直接采用直径为1800mm的筒式钻头以低速大扭矩方式钻进，钻进深度为0.8～1.0m后，利用旋挖钻机强大的扭力将岩层掰断，提升钻斗到地面卸下岩芯。如此循环反复操作，直至钻至孔底，施工效率≥0.5m/h。根据岩层的硬度调整斗齿刃前角度，当岩层强度较低时，角度取值为45°～65°；岩层强度较高时，角度取值为25°～45°。当孤石或者中风化花岗岩的强度较高时，则采用分级钻进的成孔方法。先采用直径为1000mm的取芯桶钻进取芯，钻进深度≥0.5m时，当发现钻速突然剧增和扭矩突然变小，并有振动迹象时，即可判断岩芯被掰断，将岩芯取出地面，如此反复操作直至钻至孔底。接着采用直径为1800mm的筒式钻头进行环切钻进取芯，直至桩底高程。当岩面倾斜角度较大时，应采用主卷扬机将钻杆吊住，将钻杆浮动取消，接着轻压慢进，待切入岩体达到一定深度后再正常钻进。如果出现斜孔现象而无法修孔时，下导管灌注与岩层一致强度的混凝土至斜孔处，待混凝土达到一定强度后再采用取芯桶进行取芯钻进。

6.6 清孔

当旋挖钻进达到设计孔底高程时，量测孔径和孔深，采用测孔仪对孔壁垂直度进行检查，采用测绳对孔底沉渣厚度进行量测。当孔径、孔深和孔壁垂直度满足设计要求时，采用专用的清底钻斗对孔底沉渣进行清底，沉渣厚度≤30mm。

6.7 下放钢筋笼

钢筋笼加工与制作严格按照设计图纸进行分节制作，钢筋笼的接长采用单面焊形式，搭接长度为10D（主筋的直径），钢筋笼按照设计要求设置好保护层垫块和吊筋，钢筋笼采用吊车进行下放，下放过程中严禁触碰孔壁，钢筋笼下放到设计高程后将吊筋固定在钢护筒上。

6.8 干孔混凝土灌注

混凝土采用干孔导管法进行灌注，导管直径为250mm，底节长度为4m，其余采用标准节进行连接，导管下放之前应进行试拼和试压，确保导管不漏水。导管下口与孔底的距离为0.3～0.5m。采用管夹将导管固定在桩位中心，在导管内放置隔水球，由于孔深较深，混凝土下落高度较大，过大的落差容易对孔底产生较大的冲击振动，导致部分岩层出现掉落现象，隔水球能够有效地减缓混凝土下落的冲击力。混凝土的坍落度为180～220mm，根据施工时气候情况添加适量的缓凝剂，混凝土和易性应良好。首灌混凝土量必须封孔并确保导管埋入混凝土深度≥1m，为了确保混凝土的密实度，要求导管埋入混凝土深度≥3m，以保证有足够的压强。混凝土浇筑应连续，根据混凝土面的高程计算好拆管节数，及时拆管，桩顶混凝土应超灌1m，待灌注剩下5m时应插入振动棒进行人工振捣，提高混凝土的密实度。

7 结束语

本工程采用TR280D旋挖钻机单桩成孔约24h，综合考虑钻头修理、设备维修和交叉施工等因素，单桩成孔平均时间为36h，采用冲击钻机成孔则需要6d以上，旋挖钻机施工工效较高。旋挖钻机自带的垂直度自动监测系统，当孔壁垂直度超过偏差值时能够自动报警，孔壁垂直度偏差≤1%。清孔时采用专用的清底钻斗，能够确保沉渣厚度≤30mm。旋挖钻斗的牙齿在回旋过程中在岩土层上形成螺旋线能够有效增强灌注桩的摩阻力，进一步提高灌注桩的承载力。因此，采用旋挖钻机成孔能够有效保证桥梁桩基质量和工期。桩基全部施工完成后，按照设计要求进行检测，检测结果显示全部为Ⅰ类桩，取得良好的施工效果。