浅桩析旋挖钻机基施工中的应用

　　[摘 要]本文结合镇江益华广场1#综合商业楼桩基施工，对两种类型钻机进行比选，在该工程中优选大功率旋挖钻机和耐磨合金子弹头截齿旋挖钻头，护筒周围回填土时夯实牢固，以防护筒底孔壁坍塌，规避风险。

　　[关键词] 基础桩;施工方法;旋挖钻机;

　　1 1工程概况

　　1.1 总体概况

　　镇江益华广场是镇江市大港新区城市建设中重要的城市综合体工程。整个场地地基岩土层自上而下以填土层、粉质粘土、粉质粘土(硬塑~坚硬)、强风化白云岩层为主，1#综合楼采用钻孔灌注桩基础形式，A区基坑深约12.5m，采用直径Φ1000长45.5m钻孔灌注桩：B区基坑深约11.5m，采用直径Φ1000长39.5m钻孔灌注桩：桩深入⑤3层坚硬黏土深度约10米。

　　1.2 地质条件

　　(1)1#综合商业楼主体结构施工范围内的⑤3层黏土：黄色，硬塑~坚硬，中等偏低压缩性，切面稍有光泽，干强度中等，韧性中等，无摇震反应，夹铁锰结核，黏土夹小姜石，粒径在1-3cm,该层分布较均匀，整个场地均有分布，该层层顶标高为-16.5~-26.38。

　　(2)黏土层(夹姜石)呈层状分布，且具粒径大、含量多、埋深深、厚度大的特点。根据人工深井和地质调查成果分析，颗粒最大粒径为30mm：一般纵向分布在埋深为16.5~26.38m的范围内，分布厚度约为10m，地下水位在桩端以下。

　　2 2工程难点

　　2.1　　本工程施工主要难点: ①工期较紧,桩基数量较多; ②地处镇江市大港新区环保要求较高;

　　3 2施工方法

　　3.1 钻机选型

　　根据1#综合商业楼基础结构、坚硬黏土层、地下水和周边环境条件，通过对黏土地层成孔工艺的钻进难度、安全风险、设备资源、功效、成本、等方面进行综合分析，可采用旋挖钻机或MZ系列摇动式全套管钻机成孔设备。由于MZ系列摇动式全套管钻机成孔成本高，设备资源较少，最终决定采用旋转挖钻机作为成孔设备进行基础桩施工。

　　3.2 工作原理

　　旋挖钻成孔首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使钻具迅速达到桩位,利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的筒式钻头置放到孔位,钻机动力头装置为钻杆提供扭矩,加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆、钻头,钻头回旋破碎土层,并直接将其装入钻头内,然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土,这样循环往复,不断取土、卸土,直至钻到设计孔深。本工程基础桩均采用泥浆护壁。

　　3.3 施工过程控制

　　(1)钻机施工前，必须对钻头直径、钻头磨损情况以及护筒直径进行检查。施工过程中应设专职管理人员对钻机进行施工，包括钻进深度、地质情况、施工中出现的问题、机械设备状况等进行记录。记录必须认真、及时、准确、清晰，为下一步施工提出指导性意见。

　　(2)旋挖钻机配备电子控制系统显示并调整钻杆的垂直度，同时在钻杆的两个侧面均设有垂直度仪，同时在平行于基坑一侧设置测量仪器，由测量人员负责校核钻杆垂直度，随时指挥机手调整。

　　(3)旋挖钻机进是一个短进尺、多回次的重复循环过程。旋钻挖机在坚硬黏土层地层相对于粉质粘土地层有回次进尺短(约0.4~0.5m)、回次时间长的特点，钻头随着钻入土层的深度及地层的变化，回转阻力有所增加，其转速降低，内外钻杆传递扭矩的槽、键接触面上压力也随之增大，这时操纵加压油缸对钻杆柱加压，其压力可传至钻头，增大钻头切入深度;钻进负荷随之增大，转速进一步降低，短时间内切入深度回转阻力逐渐增大。负载和转速在很大范围内为波动的钻进过程，这也是旋挖钻机钻进的显著特点。当钻进至进尺困难的坚硬黏土层时，在负荷增大到一定程度后，操纵加压液压缸，通过动力头对钻杆柱短时间加压，加压操作可视情况重复进行1~2次，当加压后钻头切入量很小或不切入时，应立即提钻。故钻进过程中，操作手应密切注视工作舱内的压力、转速仪表以及钻进负荷变化情况，适时加压、提钻。

　　(4)钻进过程中当地层从粉质粘土层变化至坚硬黏土层时，要减速慢行，防止地层变化出现扩孔现象。在坚硬黏土层中应采用慢转速、慢钻进并适当增加泥浆密度和粘度的方法，须按要求测试进出口泥浆指标，发现超标及时调整。

　　3.4 施工过程常见问题及处理措施

　　(1)钻机钻进过程中地层由粉质粘土层变化至坚硬黏土层(夹姜石)时，由于坚硬黏土层(夹姜石)中土的空隙比增大导致孔内泥浆页面迅速下降，即发生漏浆现象。现场施工时采用增大泥浆密度(由1.18调至1.25~1.30)或回填优质粘土的方法来进行处理。随泥浆漏失及孔深的增加，须及时向孔内补充泥浆以保护泥浆液面的高度。

　　(2)钻进坚硬黏土层(夹姜石)时，由于坚硬黏土层(夹姜石)粒径较大，每回次钻进深度过小时，应立即采用螺旋钻头来替代旋挖钻斗，利用螺旋钻头的叶面间隙将粒径较大的姜石卡住并提升至地面取出，再更换旋挖钻斗继续钻进施工。

　　4 4旋挖钻机成孔施工分析

　　4.1 大功率钻机施工效率

　　基础桩分别采用两台钻机施工，根据现场施工情况以及施工记录统计结果分析，在成孔过程中，扭矩小的BG20型(最大输出扭矩191KN.m)较扭矩大的CHL220型(最大输出扭矩220KN.m)成孔时间长1~1.5h，在坚硬黏土层(夹姜石)粒径较大的地层钻头进尺的时间普遍较长。成孔时间延长增加了漏浆、沉渣过多以及塌孔的风险，因此在坚硬黏土层(夹姜石)地层中成孔时应尽量选择大功率钻机进行钻孔作业施工，成孔时间和质量才可以得到保障。

　　4.2 不同地层旋挖机钻头的选用

　　(1)基础桩成孔过程中采用了3种旋挖钻头，耐磨合金刚铲式斗齿旋挖钻斗，耐磨合金子弹头截齿螺旋钻头和耐磨合金子弹头截齿旋挖钻斗，针对1#综合商业楼特殊地质情况3种钻头均能发挥不同的功效。

　　(2)耐磨合金钢铲式斗齿旋挖钻斗在现场施工中主要用于埋深在0~12m的粉质粘土层，因该范围土层基本为粉质粘土层，所以施工进尺较快。钻进至坚硬黏土层(夹姜石)时必须更换耐磨合金子弹头截齿旋挖钻头继续钻进，因为耐磨合金子弹头截齿可将大粒径姜石切割、碾碎成可进入钻斗的小块：由于本地坚硬黏土层(夹姜石)石层抗压强度较大，对钻头的磨损情况非常严重，成孔一根桩平均需要更换3~4个合金子弹头截齿，而耐磨合金子弹头截齿装配、更换比较容易，为施工提供了便利。耐磨合金子弹头截齿螺旋钻头主要用于旋挖钻头进尺困难、坚硬黏土层(夹姜石)粒径较大且抗压强度非常高的坚硬黏土层(夹姜石)地层，当旋挖钻头每回次的进尺量非常小时，就需要更换螺旋钻头，由于螺旋钻头的回转阻力小，可将孔下堆积在一起的大粒径姜石搅散并将大姜石卡在螺旋钻头的叶片间隙部位提出。螺旋钻头的使用频率不高，成孔5~10根仅使用一次。

　　(3)施工过程中通过对比分析，耐磨合金钢铲式斗齿旋挖钻头在坚硬黏土层施工进尺比耐磨合金子弹头截齿旋挖钻斗并没有显著提高，且铲式斗齿磨损的速度较快，磨损后更换比较困难，故后期施工主要采用耐磨合金子弹头截齿旋挖钻斗。

　　4.3 施工质量

　　(1)普通钻机的机架和钻杆都比较单薄，旋挖钻机的钻杆比普通钻机粗很多，机架稳固，且旋挖钻机有自动测斜装置，钻塔垂直度及钻孔深度均有仪表显示，钻机底盘可伸缩并自动整平，因此钻进时非常稳定，能随时监控钻孔的垂直度，有效地保证了钻孔垂直度。

　　(2)基础桩施工完毕后根据桩顶、桩底的偏移量统计结果以及土方开挖后桩体实际踢凿情况得出，由于桩身垂直度施工时控制较好，虽然有个别桩桩体倾斜较大，但统计得出桩体倾斜度平均值仅为1.52cm，约为1‰，根据桩身偏移量的统计结果发现，桩位中心的误差仅有1~2cm，均小于规范要求的偏差值。

　　(3)根据统计结果分析得出：在基础桩施工过程中，施工人员对旋挖钻机钻头就位、钻杆垂直度基础桩桩体尺寸(桩径)控制到位，成桩后质量较好，土方开挖后基础桩踢凿量较小，为下一道施工工序节省时间并提高了工作效率。

　　4.4 适应性及环保性

　　在坚硬黏土层(夹姜石)底层，由于传统钻机的自重有限，不可能给钻头施加很大压力，而旋挖钻机采用动力头装置，钻进能力强，适用于各种土层及软质岩层。旋挖钻机在施工过程中，由于仅用泥浆护壁，不用泥浆排渣，因此噪声小、震动小、泥浆用量小，钻渣流动性小，可进行集中堆放利于现场文明施工，机械化程度高，便于管理。施工现场无需提供大功率电源，钻机的所有动力均来源于随机的柴油发动机。钻机整体置于可自动行走的履带式底盘上，机动性强、独立作业性高。

　　5 5结语

　　(1)坚硬黏土层(夹姜石)底层中进行钻孔灌注桩成孔时，若选用旋挖钻机作为成孔设备，应尽量选择大功率钻机(最大输出扭矩不小于220KN.m)进行钻孔作业，其钻孔过程顺利,成孔质量良好,经过第三方检测,各项检测指标均满足规范和设计的要求，施工进度和质量都可以得到保障。

　　(2)根据现场施工情况和实施效果来看，建议在坚硬黏土层(夹姜石)地层中，尤其是粒径较大的坚硬黏土层(夹姜石)地层中采用耐磨合金子弹头截齿旋挖钻斗作为主要钻头进行施工，辅以耐磨合金子弹头截齿螺旋钻头配合施工。

　　(3)旋挖钻机受施工地层的制约，主要用于土层、砂层以及较松散、粒径较小的卵砾石层，在粘性土层钻进效果最佳，而在硬岩层、较致密的卵砾层、孤石层施工比较困难，容易发生孔内事故和机械事故，因此不宜用于卵石及岩石的施工。

　　(4)旋挖钻机与传统钻机相比，旋挖钻机的圆柱形钻头在提出泥浆液面时会使钻头下局部空间产生“真空”，同时由于钻头提升时泥浆对护筒下部与孔眼相交部位孔壁的冲刷作用，很容易造成护筒孔壁坍塌，因此对护筒周围回填土必须进行夯实。