浅析复杂地质情况下旋挖钻机施工技术

（福建省闽宇建设工程有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程概况

泉州市第十中学教学综合楼项目位于福建省泉州市丰泽区泉州市第十中学校内，结构体系为框架结构，地上8层，地下1层。桩基采用钻孔灌注桩，桩径为1000mm，桩长为27～31m，总桩数为101根。设计要求桩端进入碎块状强风化花岗岩≥3m，桩身混凝土强度为C30。

2 地质情况和水文条件

本工程岩土层名称、揭示厚度和特征如表1所示。

表1 拟建场地岩土层名称、揭示厚度和特征

根据地勘资料得知本工程地下水位埋深为3.30～4.60m，地下水的补给主要来自孔隙裂隙水、大气降水和周边河流的径向补给。

3 施工难点剖析

（1）本工程地质复杂，淤泥层和粗砂层在成孔过程中容易出现塌孔或者缩颈现象，粗砂容易沉淀到孔底，导致孔底沉渣厚度过大，施工难度较大。

（2）周边环境复杂，施工场地北侧约4m为5层的已建教学楼，南侧约4.8m为7层的小学教学楼，西南侧约8m为污水池，施工场地狭小，工期紧张。

（3）施工场地位于校园内部，对桩基施工产生的噪音和粉尘的要求较高。

（4）岩土层中局部存在孤石，为坚硬岩，进尺困难，对施工工期影响较大。

4 成孔桩机的比选与确定

4.1 潜孔锤钻机

该桩机利用压缩空气来驱动潜孔锤钻头将质地坚硬的岩层冲击破碎，采用空压机产生的风量将岩屑吹出孔外，粉尘污染较大[1]，对周边教学楼正常运行影响较大，另外高压气流不断冲刷孔壁，不利于孔壁的稳定与安全。单桩成孔时间约4～6d，成孔时间长，工期难以满足要求。综合环保与工期等因素，该桩机不考虑。

4.2 冲击钻机

该桩机利用桩锤的冲击功对岩层进行冲击成孔[2]，采用泥浆护壁，遇到孤石时，由于孤石岩质坚硬，进尺困难，另外坚硬岩层冲击时噪音污染较大，振动厉害，对周边环境影响较大。桩机需要电力系统来供电，施工成本增加。单桩成孔时间约6～8d，施工周期长，难以满足工期需求。因此，该桩机不考虑。

4.3 旋挖钻机

该桩机自带动力系统，行走灵活，本工程地质复杂，需要采用泥浆护壁，施工时无粉尘污染，噪音较小，对周边环境影响较小。另外旋挖钻机能够实现自动校正垂直度和自动定位等功能，成孔质量可控性较高[3]。单桩成孔时间约为1～2d，工期有保证。

鉴于工期、环保、成孔质量及对周边环境影响等因素考虑，本工程桩基成孔桩机选用旋挖钻机。

5 旋挖钻机施工技术

5.1 施工工艺流程

旋挖钻机施工工艺流程如图1所示。

图1 旋挖钻机施工工艺流程

5.2 埋设钢护筒

旋挖桩的桩位采用J2级全站仪测放出来，桩位的偏差≤50mm，以桩位为中点拉十字控制线设置控制桩。本工程钢护筒的内径为1200mm，高度为3m，壁厚为8mm。采用钻头将钢护筒压入土体，护筒露出地面高度为0.4m，钢护筒的轴线偏差≤50mm，护筒中心与桩心应重合，垂直度偏差≤1%，钢护筒四周采用粘性土回填夯实到位。

5.3 泥浆制备

淤泥层和中粗砂层在旋挖钻进过程中容易出现塌孔和卡钻现象，应制备固壁能力高和黏度好的优质泥浆。本工程泥浆采用优质膨润土、自来水和聚丙烯酰胺按照一定比例进行人工造浆，聚丙烯酰胺的掺量为20～30kg/m3，制备好的泥浆黏度为26～33s，泥浆比重为1.2～1.4。

5.4 旋挖成孔

桩基所在区域的岩土层存在孤石，全程采用单一钻具进行成孔的话，钻具磨损较大，进尺速度慢，普通钻具难以钻穿孤石，因此，根据地质情况不同应选用合适的钻具进行成孔，提高成孔效率。

5.4.1 素填土、粉质粘土、淤泥、中粗砂、全风化与强风化花岗岩等岩层成孔方案

该岩层钻具采用带斗齿的双层底旋挖钻斗，素填土层旋挖时应慢速钻进，待切土成孔至钢护筒以下1m后即可加快旋挖速度，采用钻头下端的斗齿将土体切削回旋装入钻斗内，带桶式钻斗装满土体后提升至孔外卸土。岩土层上部的素填土和粉质粘土层采用干孔作业，旋挖钻进至淤泥层应注入优质泥浆，泥浆比重为1.4，慢速钻进。旋挖钻进至中粗砂层时，为了防止出现缩颈现象，应增加扫孔次数，旋挖钻进速度应适当降低，泥浆比重调整为1.4。全风化和强风化花岗岩岩层采用带截齿的短螺旋钻头将其碎裂之后再采用双层底斗齿旋挖钻斗进行捞渣。在软硬交接地方，应降低旋挖速度，并适当增加扫孔次数[4]。旋挖钻进至碎块状强风化花岗岩时，应上报监理工程师，根据持力层渣样判定标准来确定持力层，随后旋挖钻进3m即可终孔。

5.4.2 孤石成孔方案

该岩层钻具采用环切滚刀钻头，钻头下端带有子弹头截齿，在桶式钻斗内安装合页片来夹住岩芯。采取取芯钻进的方式进行成孔，当岩层的强度不是特别高时，采用直径为1000mm取芯筒式钻头以大扭矩慢速钻进，每次钻进的深度为0.8～1.0m，加压操作利用钻杆的扭力将岩芯掰断后采用合页片抱紧提出孔外卸岩，施工效率≥0.5m/h，直至成孔至设计高程。由于孤石的岩质较为坚硬，齿刃前角度设置为25°～45°。如果岩层强度特别高，孤石的成孔方式为分级钻进，采用直径为800mm的筒式钻头按照分层厚度为0.5m进行分层取芯，加压加大扭矩掰断岩芯，当扭矩突然剧减和钻速突然剧增且钻杆有振动现象，证明岩芯已被扭断，取出岩芯后继续成孔直至设计桩底高程。然后更换直径为1000mm取芯桶钻以钻进深度为0.5m进行环切取芯，将岩芯提升到孔外卸除，反复操作直至成孔至设计桩底高程。如果遇到岩层倾斜度大的情况下，利用主卷扬机吊住钻杆，取消钻杆浮动，采取轻压慢进的钻进方式，待穿过倾斜面后再正常旋挖钻进。

5.5 清孔

清孔方法为气举反循环法，下钢筋笼前后各清孔一次，气举反循环清孔时应重点控制风压，根据泥浆比重、压力损失测算和孔深来确定风压，计算后确定本工程风压为0.3～0.4MPa。二次清孔后要求沉渣厚度≤50mm。

5.6 钢筋笼制作与安装

由于施工场地狭小，本工程桩基钢筋笼统一在场外钢筋加工场制作完成后再运至现场进行安装。钢筋笼按照实际桩长分节加工与制作，两节钢筋笼对接采用单面焊形式，搭接长度为10d，钢筋错开50%，错开距离应≥0.5m且≥35d，主筋与箍筋采用点焊进行固定。加劲箍的设置间距为2m，十字支撑的设置间距为4m，注浆管采用无缝钢管，直径为25mm，注浆管采用铁丝与主筋绑扎牢固，注浆管采用专用套管进行对接，对接位置应严密不漏水，注浆管上端应伸出地面高度为0.5m，下端采用胶布缠绕数圈，钢筋笼下放后注浆管内应注满清水，上口采用管帽盖住。采用吊车将钢筋笼吊起，下放时应缓慢，钢筋笼接长时焊缝应饱满连续，待焊缝自然冷却后再下放至设计高程。根据桩位控制桩拉十字线来复核钢筋笼的轴线，复核合格后采用2根吊筋将钢筋笼固定在护筒上。

5.7 导管安装

导管采用螺纹快速接头，导管间加设O形橡胶密封圈，导管直径为300mm。导管安装之前应按照规定做密封性试验，导管的抗拉力和密封性应满足施工规范要求[5]。导管底节长度为4m，下口与孔底的距离为0.3～0.5m，中间节长度为3m，最上面一节根据孔深情况采用长度为0.5～1.5m的短节导管。

5.8 混凝土灌注

混凝土应严格按照配合比设计下料搅拌，由于夏季气温较高，混凝土中应掺入适量的缓凝剂，进场的每车混凝土质量必须严格检查，坍落度为180～220mm，混凝土颜色应均匀一致，不得有离析现象。根据桩位混凝土数量和运距做好混凝土供应计划，确保混凝土灌注的连续性。根据首灌后导管埋入混凝土深度来计算料斗的容量，本工程料斗的容量为1.5m3。将隔水栓拉起后要求罐车司机加大马力将混凝土倾注入料斗内，直至第一车混凝土全部卸料完成，确保导管埋入混凝土深度符合施工规范要求。采用测锤测探混凝土液面高度，根据导管埋入混凝土深度对导管拆除节数进行计算，混凝土灌注过程中，导管埋入混凝土深度控制为2～6m。为了避免混凝土等待时间过长导致断桩事故发生，混凝土灌注应连续不间断。由于桩顶混凝土与泥浆混合，为了确保桩顶混凝土强度满足设计要求，本工程要求混凝土超灌1m。

5.9 后注浆施工

成桩后2d采用清水进行加压开塞，成桩后7d采用水灰比为0.5的纯水泥浆进行桩底后注浆施工，水泥强度为42.5，设计总注浆量为1.3t。注浆顺序为外围桩往内围桩，初始注浆压力为1.5MPa，注浆时应观察桩周和桩侧等冒浆情况，如果出现冒浆情况应立即停止注浆，待间歇30min后重新注浆。当注浆压力达到3MPa时停止加压持续注浆3min或者注浆量达到设计总注浆量即可终止注浆。

6 结束语

旋挖钻机成孔速度快，单桩成孔时间约18～24h，再加上桩机保养维修、钻具更换与修理以及交叉施工等时间，单桩平均成孔时间约为28～34h，施工效率较高。旋挖钻机在成孔时能够对孔壁垂直度进行自动监测，一旦发现孔壁垂直度超标就会发出报警信号，操作人员及时采取措施进行纠正，孔壁垂直度偏差应≤1%。由于地质中存在淤泥层和中粗砂层，桩基施工容易出现缩颈和塌孔现象，通过制备聚丙烯酰胺优质泥浆来保证孔壁的稳定性。根据不同的岩土层性质采取不同的旋挖钻具和泥浆比重，旋挖成孔过程中未出现缩颈、塌孔和卡钻等质量问题，成孔垂直度满足施工规范要求。成桩28d按照设计要求进行桩身完整性检测和静载检测，检测结果均满足设计及施工规范要求。