大截面矩形锚固桩机械旋挖成桩施工技术

桂青保 GUI Qing-bao

（中铁一局集团第五工程有限公司，宝鸡 721006）

1 锚固桩机械旋挖成桩技术市场需求

矩形锚固桩主要承受土体的侧向压力，截面一般为1.5～4.5m，深度一般为15～60m，传统施工方式均采用人工挖孔作业，具有安全风险高、作业效率低等特征：一是人工孔内作业时面临高空坠物、护壁坍塌失稳、涌水淹溺、触电、有害气体中毒窒息等安全风险，且作业空间狭小，通道唯一，伤害事故出现后施救难度极大，施工安全风险极高；二是人工开挖时多采用风镐锄头开挖、渣桶吊装出渣的方式，特殊地质条件时配合采用松动爆破、水磨钻等施工，因作业空间受限，一般只能容纳1～2人作业，加之深孔时渣桶吊装作业效率低，施工效率不高；三是人工开挖完成后钢筋在孔内绑扎，无法平行施工。

随着施工机械化水平的逐步推进和提高，尤其是对有限空间作业条件下人工挖孔桩的安全风险管控和刚性约束越来越大，采用机械施工矩形锚固桩的现场需求越来越强烈，机械旋挖施工矩形锚固桩的技术由此出现。

矩形锚固桩采用机械旋挖成桩时，钻机旋挖掘进、液压抓斗器配合清渣、矩形修孔器修孔、液压可调式吊装模具浇筑护壁、钢筋笼场外预先加工后在孔口分节连接吊装下放、导管浇筑桩身混凝土的方式进行施工，可实现孔内无人作业，适应各种复杂地质的深孔桩基施工，避免了孔内人工作业的安全风险，达到了工序间平行施工目的，单日单台班施工进尺为8～24m不等，较传统人工挖孔单日单班组0.3～1.5m的进尺有较大幅度提高，极大提高了施工工效。

2 工程概况

2.1 工程概况 施工区域内共计矩形锚固桩48根，其中：截面2.0m×3.0m的22根，桩身长度40m/根；截面2.5m×3.5m的26根，桩身长度45m/根。

2.2 水文地质情况 地下水位位于桩底3～5m范围内，主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。桩身自上而下地质情况依次为粗角砾土、绢云母板岩夹变质细粒石英夹砂岩（强风化）、绢云母板岩夹变质细粒石英夹砂岩（弱风化），实际开挖揭示中含有粒径约1m左右的漂石和卵石。

3 施工工艺流程

大截面矩形锚固桩旋挖成桩施工工艺流程如图1所示。

4 机具配套选择

4.1 旋挖入岩基本原理 岩石破碎的方法主要有三种，分别是冲击破岩、磨削破岩、剪切破岩。冲击破岩时只有当岩体上的压力达到岩石极限抗压强度的30%～50%时岩石才会破碎。磨削破岩时依靠钻具与岩石接触所产生的的摩擦力来研磨岩体。剪切破岩依靠压力将钻具截齿通过磨削的方式压入岩石，在扭力作用下，达到岩石极限抗压强度的10%时就会造成岩石因剪切而破坏。综上可知，截切破岩较其他方式具有动力需求小、适应性广的特点，因此现场采用旋挖剪切入岩，即：依靠动力头的旋转驱动钻杆，带动钻具旋转，在加压荷载和旋转扭矩的作用下，钻具的钻头与岩体接触面之间产生剪应力，当剪应力达到岩体的抗剪强度时，形成岩体贯穿裂纹，继而破碎坑，使岩体发生塑性变形或局部破碎，达到剪切入岩、破岩、清理的目的。

4.2 钻杆配套选择 钻机的钻杆一般分为摩阻式钻杆和机锁式钻杆。摩阻式钻杆内外层键条容易脱锁，钻杆提升较为方便，靠键条之间的摩擦力进行向下施压，加压力较小，适用于普通土层施工。机锁钻杆每节钻杆外壁上有两道或三道锁槽，向下钻进时每节钻杆底部内侧的驱动键可进入锁槽使各节钻杆锁定，可以将钻机向下的驱动力全部传递到钻头，适用于较硬地层钻进。根据现场工况，为适应复杂地层条件，采用机锁式钻杆。

4.3 钻头配套选择 钻头大致分为旋挖钻斗、螺旋钻头、岩石筒钻三种。

4.3.1 旋挖钻斗 旋挖钻斗具备钻进和清渣的作用，类型较多，按照底板的数量可分为单层底钻斗、双层底钻斗，按斗齿类型可分为斗齿钻斗、截齿钻斗，按开门数量分为单开门和双开门两种，适用于粘土、泥岩、淤泥、土层、卵石地层。

4.3.2 螺旋钻头 螺旋钻头分为锥螺短螺旋和直螺短螺旋钻头，根据锥头结构可分为双头双螺、双头单螺、单头单螺，钻齿分为截齿和斗齿两种，适用于基岩、卵石、冻土、含水量小的土层。

4.3.3 岩石筒钻 岩石筒钻一般常见的有截齿筒钻和牙轮筒钻，适用于坚硬基岩、大漂石、卵砾石，能在坚硬的岩石周围形成环槽，对岩石进行松动掏空，从而为旋挖钻斗或短螺旋破岩创造自有破碎面，实现坚硬的岩石破碎。鉴于施工区域的地层主要为角砾土、板岩、漂石，岩层差异性大，实际采用Φ1000mm的截齿筒钻、以及Φ1000mm、Φ1500mm、Φ2000mm的双底板双开门截齿旋挖钻斗。

4.4 钻机选择

4.4.1 钻机工作压力 根据剪切破岩理论，扭力达到岩石极限抗压强度的10%时就会造成岩石因剪切而破坏，揭示地层绢云母板岩夹变质细粒石英夹砂岩的单轴极限抗压强度为10.8MPa，故岩体剪切破坏的扭力应达到：P=10.8×0.1=1.08MPa=1080kPa。截齿钻头的规格为：钻头尾部62mm，锥部直径19mm，高度79mm。以直径1m的筒钻为例，筒钻上截齿钻头与岩体的接触面积为：A=3.14×1×0.019=0.05966m2。则钻机的工作压力应为：F=P×A=1080×0.05966=64.4kN。

4.4.2 钻机输出扭矩 根据《机械工程手册》，钻进的钻进扭矩公式为：M=CPRO。C-系数，刮刀钻头取0.15～0.25，楔齿滚刀钻头取0.10～0.15，球齿滚刀取0.08～0.13，大直径取小值，小直径取大值，本处取楔形0.15。P-钻压，kN，（4～6）G，G为钻头组装质量，本处取32t合314kN；RO-钻头回转半径，m；RO=0.35×（D+d）/2；D-钻头外径，取2.032m；d-钻头内径，取2m。因此钻机的钻进扭矩为：M=0.15×（6×314）×（0.35×2.016）=199.4kN·m。根据钻孔深度、地质、水文、扭力要求，综合各种工况后选择XR400D型旋挖钻机。

4.5 矩形修孔器 为确保桩孔结构尺寸满足要求，采用单独制造的矩形修孔器进行修孔，修孔器由切盘和切削斗齿组成，在钻机压力下对孔壁进行切削，修孔器的外截面大小与桩径一致，便于修孔器能顺利进入孔内，通过钻杆调整修孔器的位置，利用正面斗齿和侧面斗齿对孔壁进行切削以满足桩身截面尺寸要求。

4.6 液压抓斗 为加快孔内清渣隧道，根据设备工况结合施工现场地质水文情况，研制一套液压抓斗进行孔内清渣。

4.7 液压可调式吊装护壁模板 为便于护壁砼浇筑，单独研制一套液压可调式护壁模板，施工时采用吊车将模板吊装入孔内，通过液压操纵台调整护壁模板的张开和收缩，混凝土通过模板的分流槽进入，通过平板振捣器振捣。

5 施工工艺

5.1 施工准备①施工前应熟悉施工图纸，掌握施工部位的水文、地质资料，并对图纸进行审核，同时根据图纸进行现场核查，核对方桩的平面位置、高程、水文、地质是否与设计相符。②主要施工机具及其配套设备的进场验收完成，操作人员的资格证书符合要求。③原材料报验、混凝土配比审批、测量控制网复核、方案审批完成。④作业人员技术交底、安全交底、岗前培训教育完成。⑤桩孔场地应清除杂物、换除软土、平整压实，施工作业平台的宽度不小于10m×7m（长×宽），满足设备作业空间需求，严禁在松软地段铺设钻机操作平台，保证钻进过程中钻机稳固不移位，桅杆倾斜小于5°。

5.2 测量放样 用全站仪采用坐标法准确放样出桩轴线平面位置，并做好“十”字护桩。

5.3 锁口施工 孔口2m范围为锁口，采用挖机开挖，人工配合修整，锁口护壁应高出地面50cm，防止施工时物体掉入桩内或地面积水进入桩内。

5.4 旋挖钻进 钻进主要有两种方式，一种是四角引孔法，一种是中心引孔法。

5.4.1 四角引孔法 揭示地层条件较为稳定，桩身土体自承能力较好时采用四角引孔法，采用直径Φ1000mm圆形截齿旋挖钻斗沿着桩身对角线方向进行钻进和清渣，单孔单次钻进深度宜5m左右。四角引孔完成后更换钻斗，在孔位中心位置采用Φ2000mm圆形截齿旋挖钻斗钻进至四角引孔位置的深度。

5.4.2 中心引孔法 揭示地层条件较自稳性能差，孔壁容易坍孔时，宜采用单孔引孔法，采用Φ1500mm的截齿旋挖钻斗（为防止钻进时钻斗倾斜偏位，不宜采用更大直径钻斗引孔）在桩孔中心位置钻进，应尽量一次钻进至设计桩底位置，以便提前探明孔内地质水文情况，在后续钻进时可提前采取缩短进尺浇筑护壁、下方形钢护筒跟进的措施。中心引孔完成后更换钻头，采用Φ1000mm的截齿旋挖钻斗按四角引孔的方式进行钻进，钻进深度根据地质水文情况动态调整，以便于护壁浇筑为宜。钻进过程中遇到孤石、漂石或进入岩层地段时，应将旋挖钻斗更换为截齿筒钻，通过筒钻的截齿切削破坏岩体形成松动圈后采用旋挖截齿钻斗钻进清渣或直接更换液压抓斗清渣。

5.5 矩形修孔器孔壁修整 采用矩形修孔器对钻进后的孔壁进行切削修整，见图2。

5.6 液压抓斗清渣 采用旋挖钻斗钻进的地段，钻斗本身具有钻进和清渣功能；采用矩形修孔器或者岩石筒钻钻进时宜采用液压抓斗器配合进行孔内清渣，提高施工作业效率。见图3。

5.7 护壁施工 对于孔壁自稳能力较好的地段，可一次钻进到位，不需要施工护壁，验基及桩身检查后直接进行桩身钢筋和混凝土施工。对孔壁自稳能力差，易坍塌的地段应护壁逐节跟进，旋挖掘进并修孔后进行护壁施工，护壁施工时采用单独研制的液压可调式护壁模板，模板收缩后采用履带吊将模板吊装入孔内，就位后通过液压操纵台张开模板就位并通过液压丝杠加固顶紧，护壁钢筋在场外加工成钢筋网格吊装入孔内后进行连接，护壁混凝土通过串筒及护壁模板四角的分流槽进行浇筑，通过模板自带的平板振捣器进行振捣。护壁强度达到5MPa时先松开模板便于脱模，达到设计强度的75%时完全松开后拆模吊装出孔外。见图4。

5.8 成孔检查 重复上述各道工序，桩孔挖至规定的深度后，对桩中心、直径、垂直度、深度、扩底尺寸、持力层情况检查验收，办理隐蔽验收手续。

5.9 桩身钢筋加工安装 ①桩身钢筋在厂内分节加工，用平板车运输至现场，人工在孔口进行钢筋笼分节连接、分节下放至孔内。②桩井纵向受力钢筋（即竖向主筋）连接方式采用机械连接，钢筋机械连接需满足规范要求：1）钢筋端部采用带锯、砂轮锯或带圆弧形刀片的专用钢筋切断机切平。2）钢筋丝头采用专用直螺纹量规检验，通规应能顺利旋人并达到要求的拧入长度，止规旋入不得超过3个丝牙。3）接头拧紧后，外漏有效螺纹不超过2个丝牙，钢筋接头连接好后，采用扭矩扳手对钢筋接头的扭矩值进行检测。③为保证钢筋笼能够尽可能地整体吊装入孔，防止吊装过程中骨架变形，钢筋笼中增加“十”字定位钢筋，选取Φ25钢筋十字交叉，纵向3m/道。④在钢筋骨架外侧采用专用保护层垫块和混凝土块支垫，沿钢筋笼长度方向2m设置一个垫块，同一水平面上设置4个垫块。

5.10 声测管安装①声测管采用金属管，外径40mm，壁厚3mm，每根桩基四个角位置设置。②声测管下端封闭、上端采用橡胶塞封闭，管内无异物，连接处应光滑过渡，不漏水。管口应高出桩顶100mm以上，且各声测管管口高度宜一致。③声测管在钢筋笼安装下放时同步连接安装。

5.11 混凝土浇筑①对孔底虚渣采用液压抓斗器反复清渣后，抽干孔内积水，采用水下灌注桩的方式进行混凝土浇筑施工：首批砼灌注时导管底距离桩底25～40cm，首批砼灌注时计算好方量，必要时采用双料斗双料管灌注，确保导管的首次埋深不少于1m，后续混凝土浇筑时导管的埋深控制在2～6m之间。②孔内混凝土应一次连续灌注完毕。③浇筑至桩顶时采用人工辅助振捣，提高桩身质量。④冬季施工的桩基在浇筑完成后立即采用“棉被+电热毯+棉被”的方式进行覆盖保温。

5.12 成桩检测 混凝土浇筑完成并达到28d龄期后及时组织自检和第三方检验，对检验发现存在的问题进行分析总结，后续施工时及时纠偏。

6 结束语

机械旋挖成桩从源头上避免了人员进入桩孔内作业的施工安全风险，在工效上有大幅度的提高，会逐渐成为矩形锚固桩施工的一种趋势和新常态，但桩孔内地下水位较高、地层中含有孤石或漂石、护壁自稳能力差易坍孔时需要频繁更换不同类型的钻头来适应水文和地质条件变化，且需要逐节施工护壁跟进，这种工况下工效降低较为明显，需要持续研究提高。