特殊地質(zhì)條件下旋挖鉆施工技術(shù)

摘要：本文針對旋挖鉆成孔技術(shù)的特點，研究總結(jié)了其相應(yīng)的施工技術(shù)，特別是針對在高水位、軟土層、流砂和硬層等不利地質(zhì)情況下的旋挖鉆成孔技術(shù)進(jìn)行研究，形成了相關(guān)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆 特殊地質(zhì) 施工技術(shù)

隨著鐵路和高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，鉆孔灌注樁在橋梁基礎(chǔ)中日益增多。在鉆孔灌注樁施工過程中，具有成孔率高，孔徑偏差小，移動快速靈活等優(yōu)點的旋挖鉆機(jī)作為一種新型的鉆孔設(shè)備，正在被越來越多的采用在橋梁工程鉆孔樁施工中，并且有逐步取代傳統(tǒng)的正、反循環(huán)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)的趨勢。

樊家溝大橋位于西商高速公路K25+840里程，橋梁基礎(chǔ)為混凝土灌注樁，鉆孔樁32根共計1200m，絕大部分樁基孔位處于原水庫底面上，表面以下5m范圍內(nèi)為黑色河泥，再往下18m范圍內(nèi)為粘土層和砂礫層交替，接著為一層厚度為5m左右的砂礫層，最后為卵石土層。因為受原水庫水浸泡，地下水位高（約為原地面向下1m），故表面底層土質(zhì)松軟，而最后卵石土層中又含有大塊粒徑（約為50cm直徑）卵石。綜合考慮地質(zhì)條件、工期等各方面因素，決定全部采用旋挖鉆機(jī)成孔。

1 鉆挖鉆機(jī)的主要技術(shù)性能及特點

旋挖鉆機(jī)的工作原理是通過底部帶有活門的筒式鉆頭回旋破碎巖土，并將其裝入鉆斗內(nèi)，然后再由鉆機(jī)提升裝置和伸縮桿將鉆斗提出孔外卸土，并且可以把粒徑較小的卵礫巖塊帶出孔外，這樣反復(fù)循環(huán)，不斷地取土卸土，直至鉆至設(shè)計深度。最適合粘土、亞粘土、砂層、砂卵石和單軸抗壓強(qiáng)度小于80MPa的巖石。主要技術(shù)性能及特點如下：

1.1 成孔速度快，是普通的循環(huán)鉆機(jī)的5倍以上，有效地保證了工程進(jìn)度。旋挖鉆機(jī)采用全液壓設(shè)計，自動化程度高，工作速度快，直徑2.2m，孔深35m的基樁通常在2小時成孔。

1.2 移動方便，旋挖鉆全液壓履帶式伸縮底盤，可將鉆機(jī)方便地移動到所要到達(dá)的位置，具有良好的整機(jī)穩(wěn)定性及良好的機(jī)動性能。

1.3 定位速度快且定位準(zhǔn)確度高，開孔前通過人工指揮鉆頭中心對準(zhǔn)樁位，再由操作員將對應(yīng)坐標(biāo)設(shè)置軸心坐標(biāo)，施工過程中操作員在駕駛室內(nèi)利用先進(jìn)的電子設(shè)備可以精確的實現(xiàn)對位和以后的校正操作，使得鉆機(jī)達(dá)到最佳鉆進(jìn)狀態(tài)，定位完成后直接由鉆筒加護(hù)筒鏟旋挖護(hù)筒基坑，比起傳統(tǒng)機(jī)械省時省力，而且精度高。

1.4 鉆孔深度、垂直度可以自動檢測及控制，鉆孔深度和垂直度可以由電子系統(tǒng)控制并在熒屏實時顯示。

1.5 鉆機(jī)自帶動力，不受場地供電限制，在電力緊張的工地施工作業(yè)時，旋挖鉆更能體現(xiàn)它的優(yōu)越性。

1.6 安全、環(huán)保特點突出，旋挖鉆操作靈活輕快，震動小、噪音低，而且還設(shè)置了主、副卷揚機(jī)的高度限位與動壁幅度限位以及駕駛室內(nèi)液控開關(guān)等安全保護(hù)裝置，鉆孔過程中不循環(huán)泥漿，使用的泥漿可以循環(huán)利用，鉆渣可以通過提升鉆斗時和泥漿分離后，用裝載機(jī)運輸至指定位置，減少了污染，施工現(xiàn)場較為清潔干凈。

1.7 成孔后沉渣少，旋挖鉆機(jī)采用靜態(tài)泥漿護(hù)壁，鉆渣是通過旋挖斗直接提出，沉渣量很小。

2 旋挖鉆鉆孔施工技術(shù)

由于樊家溝溝底施工場地，地下水比較豐富，形成對樁孔側(cè)壁的壓力，為了保持樁孔內(nèi)壓力大于等于孔外壓力，采用澎潤土加標(biāo)準(zhǔn)粘土（不含砂）拌制泥漿，采用泥漿護(hù)壁法施工工藝。以下簡述正常情況下的旋挖鉆成孔施工技術(shù)：

2.1 施工準(zhǔn)備。

2.1.1 鉆機(jī)就位：根據(jù)樁孔中心位置，將鉆機(jī)就位，調(diào)整鉆機(jī)處于水平狀態(tài)，使鉆機(jī)桅桿處于垂直位置，保證鉆頭中心對準(zhǔn)樁位中心。

2.1.2 埋設(shè)護(hù)筒：旋挖鉆鉆筒加設(shè)旋挖鏟旋挖護(hù)筒基坑，由鉆機(jī)自帶鋼絲繩吊設(shè)護(hù)筒，人工配合埋置護(hù)筒，此操作比起傳統(tǒng)的循環(huán)鉆或者沖擊鉆要便捷、精確許多。

2.1.3 泥漿制備，泥漿由水、膨潤土和碳酸鈉、纖維素等添加劑組成，視不同土層確定泥漿比重、稠度和用量，造漿后，按要求測試泥漿性能指標(biāo)，并在鉆孔時檢查泥漿比重。泥漿性能指標(biāo)符合表要求。

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注:(1)地下水位高或其流速大時，指標(biāo)取高限，反之取低限;(2)地質(zhì)狀態(tài)較好，孔徑或孔深較小的取低限，反之取高限。

鉆孔附近設(shè)置制臨時漿池、蓄漿池、沉淀池，臨時漿池在清孔時與樁孔內(nèi)泥漿連通，形成循環(huán)系統(tǒng)，用于清孔排出孔內(nèi)沉渣；沉淀池與蓄漿池通過溝槽連通，用于鉆孔過程中排出孔外的含有鉆渣的泥漿循環(huán)凈化，沉淀后重復(fù)使用。鉆孔時通過泥漿泵將泥漿從蓄漿池抽出注入樁孔，保持孔內(nèi)壓力，以防塌孔；灌注砼時再將樁孔內(nèi)排出的泥漿從臨時漿池抽到沉淀池。開鉆前，根據(jù)樁長計算出所需泥漿用量，準(zhǔn)備足夠數(shù)量的泥漿，保證鉆孔工作的順利進(jìn)行。

2.2 鉆孔。護(hù)筒埋好后，經(jīng)過檢樁確認(rèn)誤差在允許范圍內(nèi)，將泥漿輸進(jìn)樁孔中，開始鉆進(jìn)出渣。鉆進(jìn)過程中要經(jīng)常注意土層變化，每進(jìn)尺2m或在土層變化處應(yīng)查看鉆渣，判斷土層地質(zhì)情況，記入鉆孔記錄表，并與地質(zhì)柱狀圖核對，同時根據(jù)鉆進(jìn)難易程度選擇適合的鉆頭型號或更換斗齒。操作人員必須認(rèn)真貫徹執(zhí)行崗位責(zé)任制，隨時填寫鉆孔施工記錄，交接班時應(yīng)詳細(xì)交代本班組鉆進(jìn)情況及下一班組需要注意的事項。鉆孔過程中要保持孔內(nèi)1.5-2m的水頭高度，鉆孔作業(yè)應(yīng)分班連續(xù)進(jìn)行，經(jīng)常對鉆孔泥漿進(jìn)行檢測和試驗，泥漿如有損耗、漏失，及時補(bǔ)充。遇土層變化，可適當(dāng)調(diào)整泥漿指標(biāo)，特別是穿越沙層地質(zhì)時，要控制好泥漿比重和黏度，以防塌孔發(fā)生。

鉆進(jìn)過程中經(jīng)常觀察鉆機(jī)上的水平儀是否水平，如有傾斜或位移，及時調(diào)整。鉆孔達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，對成孔的孔位、孔深、孔形、孔徑、垂直度等幾何尺寸進(jìn)行全面檢查，確定滿足設(shè)計要求后，進(jìn)行下道工序。

3 不利地質(zhì)條件下鉆進(jìn)方法及鉆頭選擇

3.1 施工中由于施工平臺土松軟，鉆機(jī)因自重下沉，會導(dǎo)致孔位偏移、孔斜和擴(kuò)孔現(xiàn)象。首先，因為旋挖鉆機(jī)開孔對位時所設(shè)置的孔中心坐標(biāo)是相對于鉆機(jī)履帶相對穩(wěn)定的基礎(chǔ)上而言，如果鉆機(jī)發(fā)生位移或者傾斜，則孔的位置，垂直度和擴(kuò)孔程度都得不到有效的控制，導(dǎo)致孔質(zhì)量達(dá)不到規(guī)范要求，因此采取了如下措施：

3.1.1 為了保證施工平臺有足夠滿足鉆機(jī)需要的承載力，確保施工過程中施工平臺穩(wěn)定，在填筑施工平臺時，采用強(qiáng)度高的砂性土、含水量適宜的粘土混合土，填筑時候分層壓實。

3.1.2 在旋挖鉆履帶底部鋪設(shè)鋼板，使旋挖鉆機(jī)自重力分散作用在平臺上。

3.1.3 施工過程中及時用裝載機(jī)清除鉆頭提上來的渣土，減少挖掘渣土中的水分滲出后浸泡施工平臺，保證鉆機(jī)底部及周邊土不被泡軟。

3.1.4 鉆機(jī)一旦定位開鉆后，施工過程中盡量避免鉆機(jī)在水平位置移動。

3.1.5 開鉆前將點位用護(hù)樁引到不易遭到破壞的地方，同時在兩側(cè)履帶帶有明顯標(biāo)志的外側(cè)地面設(shè)參照點，在施工過程中經(jīng)常觀察其平面位置和水平位置變化，一點發(fā)生變化，根據(jù)映出的護(hù)樁恢復(fù)中樁，重新調(diào)整鉆頭中心坐標(biāo)，并調(diào)整鉆機(jī)電子設(shè)備中的孔位坐標(biāo)。

3.2 樊家溝樁基地層中第一層為厚度為5m左右的黑色河泥，因含有大量的有機(jī)物，呈腥臭味，該層在清表時處理，并換填素土，由于淤泥層較深，土側(cè)壓力隨深度增大而增大，鉆機(jī)機(jī)身自重近50t，桅桿高度為20m，如果發(fā)生塌孔，鉆機(jī)會有傾覆的危險，因此該層能否處理好，直接影響鉆機(jī)安全，而淤泥下面為粘土和砂礫土混合層，只要穿越淤泥層，下面的土層就容易滿足鉆機(jī)承載要求。

經(jīng)過研究，綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工速度后，采用加長鋼護(hù)筒，具體方案如下：

3.2.1 經(jīng)過計算，將3mm厚鋼板圈成筒狀，鋼板縫滿焊，筒外壁采用φ20螺紋鋼間距50cm焊接在鋼護(hù)筒外側(cè)加固，鋼護(hù)筒長度以穿過淤泥層進(jìn)入粉質(zhì)粘土層50cm長度為準(zhǔn)。

3.2.2 鋼筒用吊車吊在樁位上，校正位置和垂直度。

3.2.3 把2條槽鋼放在鋼筒上邊，在槽鋼中間放一部平板振動器，并堆滿2t重砂袋，砂袋可用簡易的鋼筋籠固定，鋼筋籠直徑和鋼護(hù)筒相同，鋼筋籠豎筋剛好插在鋼護(hù)筒壁上。

3.2.4 開動平板振動器，在振動器和砂袋的共同作用下，鋼筒逐漸下沉并且穿過淤泥層。

只要注意鋼筒垂直度，砂袋均勻堆放，鋼筒一次穿越淤泥層后，用鋼絲繩固定在地面上，在鋼絲繩和淤泥土層側(cè)壓力的共同作用下，鋼筒不會自動下沉，沉筒后旋挖鉆很快就可以把淤泥層挖穿。

3.3 第二層土為粘土，含有少量小塊砂礫，并且有豐富的地下水，土層呈黃色或者黃褐色，因為施工時為冬季，該土層中輕微凍結(jié)現(xiàn)象，第三層為砂礫土層，在水的浸泡下極易坍塌。旋挖鉆泥漿護(hù)壁為靜態(tài)泥漿護(hù)壁，孔壁泥皮薄，故護(hù)壁效果較差，尤其在砂礫土層中更為突出，在旋挖鉆鉆進(jìn)和出土過程中孔壁會被鉆筒不斷擾動，加之旋挖鉆挖孔孔壁較松散，和沖擊鉆相反，故孔壁土層穩(wěn)定性較差，對質(zhì)量和安全造成了極大的威脅。

對應(yīng)這些問題采取了如下措施：

3.3.1 根據(jù)粘土和砂礫土交替這種地質(zhì)情況，選擇合適的鉆進(jìn)速度，如果出砂多，則在該深度處加重泥漿比例，放慢挖進(jìn)速度。

3.3.2 施工時選用水化性能好，造漿率高，成漿快，加入澎潤土和標(biāo)準(zhǔn)黏土，成孔后到灌注前一直循環(huán)孔內(nèi)泥漿。

3.3.3 旋挖鉆出渣盡量卸土至鉆機(jī)能達(dá)到的最遠(yuǎn)處，避免裝載機(jī)在運渣過程中擾動孔口，并避免機(jī)械在成孔后孔口周圍走動。

3.3.4 將不可能避免的施加在孔口周邊的力盡量分散，避免局部受力，杜絕外部力直接作用在護(hù)筒上，采用了4塊6m木板放在孔口四周，供工人施工作業(yè)時走動。

3.3.5 施工過程中，盡量避免鉆斗和吊設(shè)固定加長鋼護(hù)筒的鋼筋籠摩擦碰撞，傷及孔壁。

3.3.6 在粘土中鉆進(jìn)時，增大切削刃角，防止黏泥糊鉆。

3.4 最后一層為較硬的卵石土層，在該層鉆進(jìn)時會帶出較大的卵石，切鉆筒底的鉆頭摩損較嚴(yán)重，旋挖鉆鉆筒一般比設(shè)計孔徑小8cm左右，通過鉆頭及鉆筒外調(diào)節(jié)塊來調(diào)整，在該卵石層中鉆進(jìn)，鉆頭和調(diào)節(jié)塊磨損的速度很快，最嚴(yán)重時調(diào)節(jié)塊被磨損4cm多，這就使樁徑達(dá)不到設(shè)計要求，在這種地層中鉆進(jìn)，我們采取了如下措施：

3.4.1 時刻觀察鉆筒鉆頭及調(diào)節(jié)塊的磨損程度，及時更換鉆頭補(bǔ)焊調(diào)節(jié)塊，以確保樁體直徑滿足要求。

3.4.2 在鉆進(jìn)硬層時，鉆機(jī)出現(xiàn)了嚴(yán)重的擺動現(xiàn)象，鉆機(jī)位置也會發(fā)生較大的位移，故必須時刻注意調(diào)整鉆機(jī)位置，重新輸入孔位，確?？孜缓蛢A斜度滿足要求。

3.4.3 在遇較大的石塊層時，更換巖層螺旋鉆頭，將孔中巖石層攪碎，在換回鉆筒將其撈出，如此用筒鉆和螺旋鉆不斷交替作業(yè)，在更換后作業(yè)時仍需注意鉆機(jī)位置變化。

3.4.4 這種硬層施工時還可以調(diào)整桅桿傾斜角度，給鉆桿增加摩阻力，當(dāng)鉆頭進(jìn)尺后立即將桅桿調(diào)垂直，繼續(xù)鉆進(jìn)卸土后，循環(huán)調(diào)整作業(yè)。

3.4.5 配合上述方法，將鉆頭鉆齒加長2-3cm，并且將齒座角度增大到60度左右。

在成樁后必須注意不斷循環(huán)泥漿，并及時灌注。

總之，旋挖鉆機(jī)成孔是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況及地質(zhì)情況選取和及時更換合理的施工工藝和鉆進(jìn)方法進(jìn)行施工，采取一整套系統(tǒng)合理的管理體系，充分發(fā)揮旋挖鉆機(jī)在樁基施工中的優(yōu)勢和實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉南昌.《旋挖鉆進(jìn)施工鉆具的選用》.

[2]胡繼良，史新慧，黃玉文.等《短螺旋鉆頭在旋挖鉆施工中的應(yīng)用》.