旋挖钻在跨河道桥梁工程卵石地层中的成功应用

张佳

（中铁十五局集团第四工程有限公司，河南郑州450000）

0 引言

为提高跨河道桥梁工程施工效率和成桩质量，可采用旋挖钻施工技术，其间需科学选择钻机、钻杆、钻头，合理配制泥浆材料，这样才可以顺利穿越卵石土地层，提高钻孔效率。在河南省新郑市郊跨河道西关桥工程中，采用旋挖钻钻孔施工方式穿越卵石土层，大大提高了钻孔效率，且成桩质量好，环境污染小，该工程得到业主肯定。

1 工程及地层条件

新郑市西关桥是市郊跨越河道的一座重要桥梁，处于承东启西重要交通节点，河道宽度约120m。因建设年代久远，该桥梁已不能满足防洪和城市发展需要，需在原址实施新建桥梁工程。桩基为摩擦桩，采用钻孔灌注桩施工技术，最大桩径1.8m，桩长60m。

桥梁场地处于第四纪晚更新世冲积形成地层，主要为粉细砂、粉土、粉质黏土层，中间夹有一定厚度的卵石土地层，且粒径较大，卵石最大粒径达15cm。由于受河道地下水的不断渗透，卵石土地层比较松软，钻进施工过程中冲击荷载过大，容易导致卵石土层塌方，这为桩基成孔带来了很大难度。

2 钻机、钻杆、钻头选择

2.1 钻机

根据西关桥所处位置的地质条件，可以选用冲击钻和旋挖钻。因该桥处于承东启西的重要交通节点，故政府高度重视，对环保要求较高，工期紧，任务重。为尽早打通交通咽喉西关桥，满足业主要求，需选择设备性能先进、自动化程度高、劳动强度低、钻进效率高、成桩质量好、环境污染小的钻孔设备。

旋挖钻机虽受地层地质情况的制约较大，面对硬岩层，较致密的卵砾石、孤石层，钻孔施工比较困难，但可以针对硬岩层、粒径超过100mm的卵石层、直径大于200mm的漂石地层，配备筒式取芯钻头、冲抓锥钻头及螺旋钻头，克服施工困难。

2.2 钻杆

根据不同的钻进加压方式，钻杆分为两种类型，即摩擦加压式钻杆和机锁加压式钻杆。

摩擦加压式钻杆一般用于较软地层的钻孔施工，这类钻杆可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层；机锁加压式钻杆可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层和强风化岩层。

2.3 钻头

常见的钻头有旋挖斗筒式取芯钻头、螺旋钻头、冲击钻头、扩底钻头、冲抓锥钻头等。接下来主要介绍适用于该项目的旋挖斗筒式取芯钻头和螺旋钻头。

2.3.1 旋挖钻斗

按开门数量旋挖钻斗可分为双开门斗和单开门斗。双门钻斗适用地层范围较大，单门钻斗只适用于大直径的卵石及硬胶泥。

2.3.2 螺旋钻头

直螺旋钻头：双头双螺，适用于砂土，胶结差的小直径砾石层；双头单螺，适用于砂土层；单头单螺，适用于胶结差的大直径卵石，黏性土及硬胶泥。

锥形：双头双螺，适用于坚硬基岩；双头单螺,适用于风化基岩、卵石含冰冻土等。

2.4 选择

根据现场实际情况，选择使用三一重工生产的SYR-200型旋挖钻机，动力头最大扭矩200kN·m，转速8～27r/min，不带钻杆时整机重量60t，最大钻孔深度65m，最大钻孔直径2m。采用机锁式钻杆，同时由于该地层较为致密，且卵石粒径较大，采用双门平底单层底钻斗、单门平底双底板旋挖钻斗和短螺旋钻斗配合使用。

3 钻孔灌注桩施工技术分析

3.1 护筒埋设、钻机就位

护筒能对桩位进行固定，可对钻头进行引导，同时能够引导地面水体进入孔内部，防止孔内部水位超出标准范畴，从而避免孔壁发生坍塌等问题，可保证成孔质量。要确保护筒具有较强的刚度，且护筒的内径要超过桩径200～400mm。埋设护筒时要将接头位置密封好，以免发生漏水问题，埋设深度要控制在2～4m，竖向倾斜度≤1%，以保证护筒中心线和桩中心重合。埋设后要用黏土对护筒周边进行回填，并设置好坡度，防止护筒受到水的浸泡[1]。

钻机就位时底架要足够水平且稳定，避免发生位移及沉陷等问题，以确保钻杆的竖直性，钻头中心和孔中心偏差需≤2cm。钻机就位后要对其实施试转，确保其可正常使用才能进行钻进。

3.2 泥浆制备

制浆时要利用钻机旋转搅动优质黏土，并按照钻进区域具体地质情况调整泥浆比重。同时，在钻进过程中要对多次循环使用的泥浆关键指标（比重、黏度、含砂率、胶体率等）进行定期检查，并对其进行完整记录。此外，应定期打捞泥浆池内沉渣，并将其运输到指定区域进行堆放。

3.3 钻孔及垂直度控制

采用智能化旋挖钻机，钻机上有车载电脑系统，可以自动显示和调节旋挖钻机的钻孔深度、垂直度。为保证钻孔施工的质量和效率，钻孔施工前要充分考量施工区域实际的地质情况，进而确定最合适的钻孔施工方式，施工过程中要将钻孔机固定到灌注桩一端。如果钻孔过程遭遇大阻力影响，需要将黏土表层垫平后进行钻孔。钻孔时要对整个过程进行完整的观察、记录，确定好土层变化情况。为保证钻孔灌注桩施工质量，一定要严格控制钻孔施工流程[2]。

为了保证钻孔垂直度达到要求，钻孔时一定要保证钻机的稳定性，尽量确保按照垂直90°的方向施工。在钻孔时还要定期利用测量钢丝对钻孔深度、角度等指标进行动态测量，从而确保钻孔垂直度满足标准。除此之外，钻孔时要明确泥浆位置并及时灌浆，从而确保表层平稳。

可根据地层情况为旋挖钻机配置不同的钻头，在黏性土层可使用长钻筒，以加快钻进速度；在砂卵石含量较大的地层，可使用短钻筒，辅以泥浆护壁，控制钻速；在含孤石、漂石及较硬岩石的地层可换用长、短螺旋钻头进行处理，土壤松动后再换上钻筒继续钻进。此外，要注意提高泥浆浓度，除采用膨胀土泥浆外，还应储备一定量的黄泥，必要时将之加入泥浆内，以提高泥浆黏度，增大泥浆池体积，增加泥浆储备。

3.4 清孔、检孔、成孔验收

清孔：实际施工时灌注桩的质量常常会受到承载力、孔底地基、沉渣等方面因素的影响，所以完成钻孔之后需要对孔底进行清理。清孔过程中，因泥浆流动会产生一定的冲击力，故可以充分借助此冲击力搅动孔内底部沉渣，使其形成悬浮状，此种情况下，向孔内注入泥浆就能利用其吸附性能将沉渣清除到孔外。由于清孔的最终效果对钻孔灌注桩基础施工质量有非常大的影响，因此要严控泥浆的性能。可以结合具体的施工情况进行泥浆制备，一般情况下，泥浆的黏度测定17～20min为宜，泥浆的含砂量≤6%，泥浆的胶体率≥90%。

检孔：要利用笼式检孔器[外径≥设计桩径、长度=（4m～6m）外径]检查孔径、孔深、孔垂直度等指标，检孔时要将测绳零点系在检孔器顶部，同时确保“三中心”（检孔器中心、孔中心和吊钢丝绳中心）一致，缓慢地将检孔器下放到孔中，通过“测绳刻度+检孔器长度”来判定下放位置。若是检孔器可以顺利到达孔底，说明成孔质量合格，若是此过程中发生阻碍则表明存在缩径或者孔偏斜的问题，需要重新下钻头进行处理[3]。利用检孔器对钻孔倾斜度进行检测时，在孔顶将检孔器对准护筒中心下放之后，要在护筒顶部观察吊绳相对竖直垂线的偏移情况，以此计算成孔之后发倾斜度。

将检孔器下放到设定位置后，在吊点位置系上垂球，之后利用毫米尺在吊绳上标定出距离垂球系点1m左右的位置，垂球静止之后，利用毫米尺对垂球吊绳到检孔器吊绳距离（E）进行测量。另外，可以利用公式（i=E×100%/1000）对检孔器位置桩孔倾斜度进行计算，检验成孔是否满足设计标准。

3.5 钢筋笼制作及吊装

钢筋下料之前要对其端部进行检查，确认其是否存在弯曲的情况，若存在弯曲，需要在下料时利用砂轮机进行切平处理，不能以热加工或气割方式进行处理[4]。对钢筋进行处理之后，要通过专用钢筋丝头保护帽或者连接套筒对其加以保护，避免螺纹受到损坏，同时防止丝头表层发生锈蚀或破损。一般要按照如下流程对丝头进行加工处理：对钢筋端部进行切平处理—螺纹加工—检查丝头情况—对其进行保护及存储。

利用定型钢筋笼加工设备制作桩钢筋笼骨架，此环节要根据工程的具体情况分段制作，保证接头位置错开布置，同时需保证同一截面上主筋接头数量不超过50%。为确保钢筋笼安装的准确性，要在其外部对应加强筋周围设置定位钢筋，在设置有螺旋筋的区域，每一根加强筋周围设置4根定位钢筋，非螺旋筋区域，每一根加强筋周围设置3根定位钢筋，保证桩基钢筋笼保护层厚度符合设计标准。

利用吊车（二点起吊方式）对钢筋笼进行吊装，将首吊点设置在钢筋笼顶端加劲箍位置，次吊点设置在骨架长度的中间偏下位置。起吊过程中，先对首吊点进行起吊，骨架有所提升之后进行次吊点起吊。确保整个骨架全部悬空到一定高度后才可以停止次吊点起吊，同时持续保持首吊点的提升，提升到合适高度之后将次吊点放松，确保骨架和地面呈90°角后暂停起吊。接下来，通过人工的方式将钢筋笼扶正、对准孔位，而后逐步将之放入孔内，并解除次吊点。其间若遇到阻碍要及时调整起吊位置、高度等，以免骨架与孔壁碰撞引发塌孔等事故。将骨架下放到钢筋笼顶端加劲箍区域后，将型钢穿过加劲箍的下端，确保骨架可以牢固支撑在孔口临时平台区域，之后利用同样的方式进行第二节钢筋笼吊装，保证其与首节钢筋笼轴线对准后，进行钢筋接头连接。同时要顺着轴围相隔120°设置D57×1.8的钢管作为声测管，利用管卡将各个接头连接好，保证连接位置的光滑性，并且要确保套管上下端和声测管连接紧密。另外，为避免发生渗水情况，需要在上端加上盖子，并将声测管和通长主筋绑扎在一起，以保证声测管的稳定性。

在对骨架进行定位时一定要通过测定孔口标高计算吊筋的长度，对其进行多次核准之后进行焊接定位，同时要将两个工字钢插入定位筋的顶吊圈之内，并将工字钢设置在孔口位置的垫木之上。在钢筋笼下放过程中，为了防止出现塌孔等问题，需要对孔内水位变化情况进行动态监控，发生异常时要马上暂停下放。钢筋笼入孔之后要牢固定位，确保钢筋笼底部处于悬吊状态，进行水下混凝土灌注，避免混凝土灌注时发生钢筋笼下落或被混凝土顶托上升的情况。

3.6 水下混凝土灌注

混凝土灌注施工是十分重要的环节，其间需要做好施工记录。采用φ300钢管作为导管，根据不同的部位设置不同的长度，其中底部导管长4m，中间每节长2～3m。正式应用前要对导管进行必要的试验（水密试验、承压试验、接头抗拉试验等）。要对每一节导管都进行仔细检查，包括是否存在孔洞、导管密封圈是否完好等。在适宜的场地对导管进行平整对接，并按照顺序对各管进行编号。

混凝土灌注之前，要计算好漏斗的容量，即混凝土的储存量，保证首次混凝土灌注后，导管埋入混凝土的深度不小于1m。灌注混凝土时，导管下端距孔底30～40cm。之后要核对钢筋笼标高，同时要明确孔壁是否存在坍塌问题，也要确定好孔深、孔底尺寸等指标，若是不满足标准要及时进行处理，确保其符合要求后才可进行灌注。

将混凝土拌和物运输到施工区域后，要对其均匀性、坍落度指标进行检查，若不满足标准严禁使用。开始灌注后要确保灌注过程匀速、连续，避免发生泥浆沉淀及塌孔等情况。灌注时要将导管埋设深度控制在2～6m，灌注过程中需要关注孔内混凝土面的高度，一般根据混凝土灌注量进行计算，同时按照计算数据及时调整导管埋深，埋管深度超过6m就要进行提管，从而确保导管埋深和导管内混凝土下落深度相匹配。在导管拆除过程中，要利用吊车缓慢提升漏斗及导管，待其达到适宜位置，通过卡环卡住不拆除导管的接头位置，用扳手拧松接头，拆除导管后，重新拧紧，并垫好密封垫，确保导管接头处无渗漏水现象。

为避免钢筋笼受到混凝土作用而上浮，混凝土灌注面距离钢筋笼底1m左右时就要严控混凝土灌注速度，为保证混凝土灌注顺利开展，混凝土灌注面升高到骨架底口4m以上时，要及时提升导管，使导管底口高于骨架底部2m以上，之后可按正常速度进行混凝土灌注。若是灌注速度过快，会造成漏水现象，灌注速度过慢则会导致导管埋入过深，容易因提管困难而引发断桩问题。要确保灌注桩的桩顶高出设计标高1m，这样便于清除桩头浮浆，进而保证钻孔桩质量。

混凝土灌注快完成时，导管内部混凝土高度下降、压力减小，但导管外部的泥浆密度较大，容易出现混凝土顶升阻碍。此时可以缓慢上下提动导管，从而保证混凝土灌注的通畅性。为避免桩顶泥浆进入导管内部形成泥心，在拔出最后一段长导管时，要放慢拔管速度。

4 结语

旋挖钻孔灌注桩施工技术能有效克服卵石土地层的钻进困难问题，以新郑市郊跨越河道桥梁工程为例，阐述了该施工技术的大体流程和施工关键点，以期为同类工程提供一定的参考，同时促进我国桥梁工程质量不断提高。