軟土地區(qū)旋挖鉆機(jī)施工技術(shù)研究

程 亮

（北京市地質(zhì)工程公司，北京 100143）

軟土地區(qū)旋挖鉆機(jī)施工技術(shù)研究

程 亮

（北京市地質(zhì)工程公司，北京 100143）

軟土是天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的細(xì)粒土。其固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大。而在軟土地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)樁施工，需要綜合考慮施工進(jìn)度、場地地層條件及施工場地的實(shí)際情況，從施工機(jī)具合理選擇配置、施工現(xiàn)場綜合管理、人員協(xié)調(diào)管理等多方面進(jìn)行針對性分析研究。結(jié)合項(xiàng)目情況，詳細(xì)介紹了成孔技術(shù)優(yōu)化、鉆具優(yōu)選、護(hù)筒選擇、鉆進(jìn)速度控制、合理配置施工機(jī)械、優(yōu)化施工次序及操作人員甄選等內(nèi)容，提出了軟土地區(qū)利用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行灌注樁施工的技術(shù)措施和管理建議，對今后同類項(xiàng)目的開展具有現(xiàn)實(shí)的借鑒意義。

軟土地區(qū)；旋挖鉆機(jī)；施工技術(shù)措施

0 前言

軟土是天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的細(xì)粒土。其固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大（張曉軍，2011）。

本工程經(jīng)過綜合考慮，選用鉆挖鉆機(jī)作為主要成孔設(shè)備。旋挖鉆機(jī)是一種樁基工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械（王曦等，2008），比較適合于穿越一般粘性土及其填土、粉土、黃土土層，小型機(jī)最佳成孔直徑0.6～1.2m，其施工效率高，成孔精度好（王文明，2013）。目前在國內(nèi)外工業(yè)及民用建筑、高速鐵路路基等不同行業(yè)的鉆孔灌注樁施工都得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為大直徑鉆孔灌注樁施工的首選機(jī)型（閔培雄等，2013；盛壽橋，2014；凌旭輝，2013）。旋挖鉆機(jī)及施工工藝在我國北方地區(qū)也得到廣泛的使用，但在南方地區(qū)特別是沿海或其他軟土地區(qū)的大規(guī)模使用還相對較少，在實(shí)際的施工中需要通過多方面的工藝改善或針對性的改進(jìn)措施，才能得到比較好的施工效果（周紅軍，2009；孔偉等，2008；薛偉，2000）。項(xiàng)目實(shí)施中，綜合考慮施工進(jìn)度、場地地層條件及施工實(shí)際情況等多方面因素，從施工機(jī)具合理選擇配置、施工現(xiàn)場綜合管理、人員協(xié)調(diào)管理等多方面進(jìn)行針對性分析，通過對施工工藝、施工流程、提高綜合管理能力等多方面的優(yōu)化，克服了軟土地區(qū)灌注樁施工過程采用常規(guī)的正反循環(huán)鉆機(jī)出現(xiàn)的施工難度大、成孔精度低、高污染、效率低的缺點(diǎn)，圓滿完成施工任務(wù)的同時，達(dá)到了技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量合格、經(jīng)濟(jì)合理的綜合目標(biāo)，對軟土地區(qū)其他類似項(xiàng)目也是有益的參考。

1 工程概況

工程施工場地位于山西省太原市小店區(qū)太原經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)開元街，3#、4#、5#樓均采用鉆孔灌注樁+平板板式筏板基礎(chǔ)。鉆孔灌注樁直徑為700mm，樁長為28m。

小店區(qū)屬于山西省內(nèi)軟土土性較為明顯的區(qū)域。據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，場區(qū)地基土以粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土為主，土質(zhì)較軟，尤其是第三層粉質(zhì)粘土層，呈軟塑、流塑狀態(tài)。地下水綜合水位埋深為1.90～4.35m，標(biāo)高為769.10～771.71m。

2 施工機(jī)械的選擇

本工程基礎(chǔ)樁為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁位排布較密，樁數(shù)較多，采用非擠土成樁工藝較為適宜。受土層較軟大型機(jī)械無法坑下作業(yè)的制約，基礎(chǔ)樁成孔施工均在地面進(jìn)行。單樁空樁施工近10m，而基礎(chǔ)樁成孔精度要求較高，不宜采用潛水鉆機(jī)、正循環(huán)鉆機(jī)、反循環(huán)鉆機(jī)，其施工速度相對較慢，且排放泥漿數(shù)量較大。受場地條件的制約，也不能大面積展開施工。施工前期受現(xiàn)場電力供應(yīng)不足限制，基礎(chǔ)樁施工設(shè)備必須選擇自備施工能源類型機(jī)械，經(jīng)過審慎考慮，最終選用旋挖鉆機(jī)。

3 施工工藝

旋挖成孔是通過底部帶有活門的桶式鉆斗回轉(zhuǎn)破碎土體，并直接將其裝入鉆斗內(nèi)，然后再由鉆機(jī)提升裝置和伸縮鉆桿將鉆斗提出孔外卸土，這樣循環(huán)往復(fù)，不斷地取土卸土，直至鉆至設(shè)計(jì)深度（張曉軍，2011）。根據(jù)地層情況的不同可采用干作業(yè)法或濕作業(yè)法施工工藝，對較差土層情況，需采用泥漿護(hù)壁濕作業(yè)工藝，靜態(tài)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。

4 成孔技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)措施

影響旋挖鉆機(jī)成樁質(zhì)量的主要考慮因素有：地層情況、鉆進(jìn)深度、基樁設(shè)計(jì)類型、基礎(chǔ)樁設(shè)計(jì)深度及樁徑要求、沉渣控制、護(hù)壁效果等。對各影響因素的對比綜合分析，結(jié)合地層特點(diǎn)，對鉆機(jī)配套設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性組合及調(diào)整改進(jìn)，優(yōu)化工序安排，重視技術(shù)操作細(xì)節(jié)，才能取得較好的施工效果。本文主要就旋挖鉆機(jī)成孔技術(shù)措施有關(guān)問題進(jìn)行探討。

（1）鉆具選擇及改進(jìn)措施

旋挖鉆具主要分為旋挖鉆斗、長螺旋鉆頭和巖石筒鉆等三種，旋挖鉆斗主要用在第四紀(jì)土層的鉆進(jìn)。旋挖鉆斗由連接座，開合機(jī)構(gòu)，斗體，斗底，擴(kuò)孔機(jī)構(gòu)等幾部分組成。根據(jù)不同場地及地層條件，一般對斗體，斗底，擴(kuò)孔機(jī)構(gòu)等部分進(jìn)行改進(jìn)。

受成樁樁徑（700mm）及連接端頭大小限制，斗體錐度受限，鉆斗理論進(jìn)土量一定，調(diào)整余地不大，但斗體增設(shè)2～3個排漿孔（直徑約8～9cm）后可明顯增加鉆斗提升時排漿效率，增加單次有效進(jìn)土量。

斗底根據(jù)不同土層的適應(yīng)條件，主要有單底板鉆斗或雙底板鉆斗。單底板鉆斗使用粘土層及干作業(yè)施工，雙底板鉆斗主要用于砂土、小粒徑卵石層及濕作業(yè)鉆進(jìn)。

工程初期兩種鉆斗都有采用，2#鉆機(jī)采用雙底板鉆斗，7#鉆機(jī)采用單底板鉆斗，施工情況見圖1。

圖1 2#、7#鉆機(jī)施工速度對比Fig. 1 Comparison of 2# and 7# drilling rig speed

單底板鉆斗成樁速度約為2～3根/天，雙底板鉆斗成樁速度約為4～5根/天，施工效率提高約33%～70%，雙底板鉆斗的孔底沉渣挖除也明顯優(yōu)于單底板鉆斗，有利于軟土及具軟土特性地區(qū)的成樁及清孔。

7#鉆機(jī)于4月份及時更換為雙底板鉆斗，施工速度增加至4～5根。施工情況統(tǒng)計(jì)見圖2。

圖2 7#鉆機(jī)月施工進(jìn)度對比Fig. 2 Comparison of the construction speed of 7# drilling rig

（2）護(hù)筒選擇優(yōu)化措施

據(jù)勘察報(bào)告，本區(qū)域地下水綜合水位埋深為1.90～4.35m。初期選用2m長護(hù)筒（直徑1.0～1.2m），但護(hù)壁效果不夠理想，尤其是6～16m層位進(jìn)尺較慢，成孔效果不佳。根據(jù)初期鉆進(jìn)的情況，改用4m，6m（直徑1.0～1.2m）加長鋼護(hù)筒，有效防止了孔壁滲透坍塌，改善了6～12m范圍內(nèi)軟弱性土層的鉆進(jìn)速度和成孔情況，減小孔壁受鉆進(jìn)震動的影響，確保了成樁質(zhì)量，提高成孔速度20%～40%。

（3）鉆進(jìn)速度控制

據(jù)成孔鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，單樁4～6m以上鉆進(jìn)、成孔均較為正常，鉆斗有效進(jìn)土量能夠達(dá)到斗容量的60%～70%，成孔時間約為30分鐘。6～16m土層為第三、四層粉質(zhì)粘土層，土層極為軟弱，呈軟塑流塑狀態(tài)，此部位具有高觸變特性，若單次進(jìn)尺過大，易引起較為明顯的活塞效應(yīng)，鉆進(jìn)擾動后超徑現(xiàn)象加劇。分析對比多鉆機(jī)施工實(shí)測數(shù)據(jù)，單次鉆進(jìn)50～60cm時，鉆斗進(jìn)土量控制在30～40%之間，穩(wěn)步鉆進(jìn)可縮小擾動影響半徑，提高鉆進(jìn)效率，6～16m成孔時間約2小時。16～38m部位土層條件有所恢復(fù)，鉆進(jìn)速度趨正常。

（4）合理配置施工機(jī)械、優(yōu)化施工次序

受工程總進(jìn)度要求和基礎(chǔ)樁施工工程總量較大的影響，施工高峰階段同時施工旋挖鉆機(jī)總量逾10臺，但根據(jù)日施工樁總量統(tǒng)計(jì)分析（以4月份4號、5號樓日施工基礎(chǔ)樁數(shù)量為例），4月7日至4月18日8臺旋挖鉆機(jī)平均施工總量為28.17根/天，而4月19日至4月30日9臺旋挖鉆機(jī)平均施工總量僅為26.11 根/天，施工效率降低約21.35%。

結(jié)合本場地土層特點(diǎn)及基礎(chǔ)樁布樁情況，綜合分析，產(chǎn)生施工降效的主要原因?yàn)檐浲恋貙犹貏e是飽和的粘土、粉土層，強(qiáng)度較低，自穩(wěn)性較差，具有高觸變特性，一旦擾動自行恢復(fù)周期較長。本工程4號、5號樓基礎(chǔ)樁樁間距基本在2.1～2.5m之間，樁量較大排布密集，多臺鉆機(jī)同時施工，施工分區(qū)交接部位極易受擾動，施工降效嚴(yán)重。

針對土層擾動的問題，現(xiàn)場及時采取了場地輪替修整的方案，以5月18日至6月15日時間段內(nèi)太原孵化基地5號樓基礎(chǔ)樁施工為例（本區(qū)域面積小，安排2臺鉆機(jī)施工）。5月28日～6月7日停止作業(yè)場地修整約10天后，同場地條件施工效率提高25～45%。

執(zhí)行場地輪替修整方案的同時，又及時從場地安排、施工區(qū)域劃分、場地內(nèi)同時施工機(jī)械數(shù)量控制、調(diào)整施工分區(qū)交接部位兩側(cè)施工次序及間歇等多方面進(jìn)行了規(guī)劃和布置，施工速率提高效果顯著。就本工程而言，單鉆機(jī)合理工作區(qū)域?yàn)?784～3216m2。

（5）甄選經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員

軟土地層鉆進(jìn)施工，比較明顯的操作難點(diǎn)為鉆斗抓土量和鉆機(jī)進(jìn)尺等問題的掌控。由于周邊孔壁周邊土層較為軟弱，鉆進(jìn)時鉆感不明顯，易產(chǎn)生壓入層位的情況，流墜后易包裹在鉆斗周圍，粘結(jié)現(xiàn)象比較明顯。且各層土差異性較大，儀表顯示的鉆斗進(jìn)土量也不盡準(zhǔn)確，提鉆時機(jī)、分層鉆進(jìn)速度掌握要求較高。

因此，施工前期準(zhǔn)備階段，甄選熟悉作業(yè)區(qū)域，經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員，施工中及時進(jìn)行操作技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)交流、推廣，施工后及時進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)梳理、總結(jié)，對于整體施工水平的提高大有裨益。

5 結(jié)論

（1）科學(xué)選擇施工機(jī)械

施工后期，由于基礎(chǔ)樁施工區(qū)域空樁較多，區(qū)域較軟，已不適宜大型機(jī)械進(jìn)入施工，少部分基礎(chǔ)樁采用潛水鉆機(jī)（正循環(huán)）泥漿護(hù)壁工藝，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，日施工速度為1.5～2.0根/天，僅為旋挖鉆機(jī)施工效率的30%～40%（旋挖鉆機(jī)本場地施工速度為5～6 根/天），施工工期無法保證，且泥漿排放、置換量巨大，工后場地處理難度凸顯。

本工程基礎(chǔ)樁施工按預(yù)定工期圓滿完成，施工機(jī)械的科學(xué)選擇和高質(zhì)量的專業(yè)施工隊(duì)伍是工程質(zhì)量、進(jìn)度、綜合經(jīng)濟(jì)效益的有利保障。

（2）合理配置工程機(jī)械，科學(xué)規(guī)劃施工生產(chǎn)

根據(jù)工程規(guī)模、技術(shù)特點(diǎn)及差異性地層特點(diǎn)，科學(xué)配備基礎(chǔ)樁工程施工機(jī)械，控制在規(guī)模施工各區(qū)域承載范圍以內(nèi)，能夠確保施工質(zhì)量、施工進(jìn)度，對施工管理、施工投入控制有利。對總體工程而言，科學(xué)規(guī)劃施工方案，在集約控制機(jī)械投入總量的基礎(chǔ)樁上，圓滿完成施工任務(wù)，施工機(jī)械的科學(xué)選擇和高質(zhì)量的專業(yè)施工隊(duì)伍是工程質(zhì)量、進(jìn)度、綜合經(jīng)濟(jì)效益的綜合保障。

（3）總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)技術(shù)革新

在軟弱土性比較明顯地區(qū)施工，必須及時總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積極研究，拓展思路，針對工程的差異性特點(diǎn)，改進(jìn)完善工藝方法，適時調(diào)整機(jī)械配件性能以滿足施工需要，持續(xù)改進(jìn)才能更好的完成施工任務(wù)。就技術(shù)總結(jié)和技術(shù)革新本身而言，設(shè)備配套是施工的硬件基礎(chǔ)，操作技能是施工的軟基礎(chǔ)，經(jīng)驗(yàn)積累磨合施工軟硬基礎(chǔ)的潤滑劑，必須持續(xù)不斷的探索三者的有機(jī)統(tǒng)一關(guān)系，共同促進(jìn)發(fā)展，才能在生產(chǎn)實(shí)踐中做的更好。

［1］張曉軍. 旋挖鉆機(jī)在碎卵石地層鉆進(jìn)施工技術(shù)［J］.黑龍江科技信息，2011，15（6）：242.

［2］王曦，徐輝雄. 旋挖鉆機(jī)施工中常見問題分析及對策［J］. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，35（4）：58～59.

［3］王文明. 軟土地區(qū)提高旋挖鉆機(jī)成孔質(zhì)量的措施［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，57（9）：68～71.

［4］閔培雄，王鑫，劉桂榮. 旋挖鉆孔灌注樁在軟土地基中的應(yīng)用［J］. 建筑施工，2008，30（1）：53～55.

［5］盛壽橋. 旋挖鉆機(jī)在軟弱地質(zhì)條件下樁基施工技術(shù)的研究［J］. 浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，14（3）：43～46.

［9］凌旭輝. 軟土地基大直徑鉆孔灌注樁旋挖成孔的施工控制［J］. 建筑施工，2013，35（6）：460～462.

［7］周紅軍. 旋挖鉆進(jìn)技術(shù)適用性的初步研究［J］. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（8）：39～45.

［8］孔偉，段新勝，劉朝陽，胡漢軍. 旋挖鉆機(jī)提鉆速度對井壁穩(wěn)定的影響分析［J］. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，35（1）：55～57.

［6］薛偉. 旋挖鉆孔灌注樁的施工工藝技術(shù)［J］. 福建建設(shè)科技，2000，15（3）：4～5.

Research on the Rotary Drilling Rig Technology in Soft Soil Area

CHENG Liang
（Beijing Geo-engineering Company ，Beijing 100143）

Soft soil is a fne-grained soil with high water content， high void ratio， high compressibility and low shear strength， which has small consolidation coeffcient， long consolidation time ， high sensitivity ， easy disturbed，poor water permeability， complexity in soil layers， and the physical and mechanical aeolotropism . The foundation pile construction in soft soil area needs to consider the project schedule， site formation conditions and construction site of the actual situation， the reasonable alternative construction equipment， construction site management， staff management， etc. Combined with the actual situation of the project， the paper detailed studies the rotary drilling rig technical measures in soft soil area， such as the construction equipment configuration， reasonable selection of construction site， personnel management and coordination for analysis and research. The research results can provide actual guide on construction engineering.

Soft soil area； Rotary drilling rig； Construction engineering

U445.551

A

1007-1903（2016）03-0027-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.005

程亮（1983- ），男，研究方向：基坑工程設(shè)計(jì)與施工。E-mail：914667699@qq.com。