軟巖地區(qū)鉆機選型探討

梁小平

摘要： 中車青島四方機車車輛廠廠區(qū)鐵路試驗線工程中特大橋工程沿線地勢平坦，局部風化巖裸漏，施工工期短，施工場地狹小，在軟巖中施工樁基成為本橋工期保證的關(guān)鍵項。本文詳細介紹了鉆機選型過程、試驗結(jié)果以及應(yīng)用過程，取得完美的實際應(yīng)用效果。

Abstract： The construction of the special bridge project in the railway test plant of Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Plant has the characteristics of flat terrain， local weathering rock leakage， short construction period and narrow construction site. The construction of pile foundation in soft rock is the key to guarantee the duration of the bridge item. This paper introduces the process of drilling rig selection， test results and application process， and obtains the perfect practical application effect.

關(guān)鍵詞： 軟巖；旋挖鉆機；選型

Key words： soft rock；rotary drilling rig；selection

中圖分類號：U455.3+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0110-03

0 引言

本文通過在軟巖中使用旋挖鉆機和沖擊鉆機現(xiàn)場試驗，在工期、組織管理、環(huán)保及綜合成本方面進行詳細比選，旋挖鉆機獲得了明顯的工期、環(huán)保、經(jīng)濟優(yōu)勢，降低了組織管理難度，有力地保證了項目整體目標。在工期要求緊張的情況下，在軟巖地質(zhì)中旋挖鉆機施工樁基具有明顯優(yōu)勢，具有可推廣性。

1 工程概述

本工程為中車青島四方機車車輛廠廠區(qū)鐵路試驗線工程，位于青島市棘洪灘鎮(zhèn)。線路與廠外鐵路專用線0號道岔直向岔尾連接，沿既有廢棄鹽專線走行約1.7km，后設(shè)R=400m曲線沿宏祥二路中心走行至李王路；該線路分聯(lián)絡(luò)（DK0+000-DK2+311）及動調(diào)試驗線（DK2+311-DK7+226）兩部分。聯(lián)絡(luò)線按Ⅳ級鐵路設(shè)計，時速60km/h；動調(diào)試驗線按Ⅰ級鐵路設(shè)計，最大時速160km/h。工程沿線地勢平坦，局部風化巖裸漏，大里程側(cè)有大量人工開挖的魚塘、蝦塘分布，穿插有多條排洪渠。試驗線特大橋位于棘洪灘鎮(zhèn)附近，橋梁中心里程為DK4+480.1，橋長5478.62延長米，孔跨布置形式為25-16m+18-24m+141-32m預應(yīng)力混凝土簡支T梁（2109型，帶聲屏障）。

橋梁基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，圓端型橋墩，T梁采用架橋機架設(shè)。

2 地質(zhì)情況

本工程下臥基巖頂面起伏不大，基巖強度較高，選取典型地質(zhì)柱狀圖描述如下：

0-2m為素填土：褐黃色、稍濕，中密～密實，以黏性土為主，含少量磚渣、灰渣及水泥渣及風化巖塊，其中0.00～0.30m為柏油路面褐。

2-3.1m為全風化粉砂質(zhì)泥巖：棕紅色，巖性呈砂土狀夾少量塊狀，局部區(qū)域夾土狀，塊狀用力可掰碎，原巖結(jié)構(gòu)隱約可見。

3.1-18.6m為強風化粉砂質(zhì)泥巖：棕紅色，巖芯呈塊狀夾柱狀，局部區(qū)域分布塊狀夾砂土狀，柱長5～30cm為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，風化裂隙發(fā)育，錘擊易碎，局部塊狀用力可掰碎，原巖結(jié)構(gòu)明顯，鉆探進尺較快。

18.6-30.6m為中等風化粉砂質(zhì)泥巖：棕紅色，巖性呈柱狀，局部夾塊狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，一般柱長 10～40cm，最長柱長60cm，錘擊聲啞，用力可敲碎，浸水后易軟化，易曬裂，鉆進平穩(wěn)，進尺稍快。

30.6m以下為中等風化玄武巖：灰綠色，巖性呈柱狀，局部區(qū)域分布塊狀，細粒質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯斷面新鮮，一般柱長10～20cm，最長柱長30cm，錘擊不易碎，響聲清脆，鉆進平穩(wěn)，進尺較慢。

地下水主要賦存于第四系松散堆積物中的上層滯水和下臥基巖中的基巖裂隙水。上層滯水主要接受大氣降水和鄰近區(qū)域滲流補給，排泄方式主要為地表蒸發(fā)和排向鄰區(qū)；基巖裂隙水主要由鄰區(qū)補給和排向鄰區(qū)。勘察期間為豐水期，穩(wěn)定水位埋深1.15～3.70m；水位標高1.74～4.13m，地下水位年變幅在0.50m左右，地下水的抗浮設(shè)計水位標高可按自然地表考慮。

3 樁基設(shè)計情況

該橋承臺尺寸為7.0×5.8×2.5m，樁基直徑1.25m，最大樁長25m，每墩5根樁，共計920根。

按照設(shè)計資料，本工程樁基為摩擦樁，沖擊鉆成孔，樁長為20-25m。樁基大部分位于強風化、中風化粉砂質(zhì)泥巖中，中風化粉砂質(zhì)泥巖RQD≈90%，自然抗壓強度標準值8.12MPa，地勘定級為軟質(zhì)巖石（飽和單軸抗壓強度為5-15MPa）；個別樁基嵌入弱風化粉砂巖1-2m，弱風化粉砂巖RQD≈75%，飽和抗壓強度標準值33.3MPa，巖石堅硬程度為較硬巖石。全樁地質(zhì)分布普遍為0-3m為素填土，3-18m為強風化泥巖，18-30m為中風化泥巖，25-30m局部出現(xiàn)弱風化泥巖。

4 鉆機方案比選

4.1 沖擊鉆

按樁基數(shù)量計算：按照整體工期計劃倒排工期，樁基施工工期僅為100天，每天需完成920÷100=9.2根樁，按沖擊鉆成孔指標5天/根計算，需布置46臺沖擊鉆機施工。

按區(qū)段工程量計算：根據(jù)架梁順序安排全橋分四個區(qū)段，每區(qū)段46個墩，需采用平行作業(yè)同時施工，每墩布置鉆機1臺（套）（鑒于場地狹窄原因，只能布置1臺鉆機），配發(fā)電機1臺、泥漿池1個、鉆渣運輸車1臺。工期指標為樁基25天/墩。按照以上布置需要鉆孔設(shè)備46臺（套），單臺最大工作量為20根樁，工作時間為3個月。

若按照上述機械設(shè)備安排，項目部存在風險有四個，一是需在短時間內(nèi)集結(jié)大量沖擊鉆機進場，況且每臺設(shè)備只能成孔5個，單臺作業(yè)總量特別小，投入大，項目部設(shè)備組織難度特別大；二是理論計算工期為5天/樁，設(shè)備數(shù)量多，難免會有老舊設(shè)備，出現(xiàn)故障機率非常大，對工期不確定性因素較多，造成實際工期壓力特別大；三是需要315 kVA變壓器約16臺（若考慮1000kVA變壓器也可以），需倒裝4次，所需臨時用電時間短，變壓器安裝成本高，增容費用高，成本壓力特別大；四是大量設(shè)備集中施工，造成臨時場地、泥漿池、鉆碴、臨時用水等設(shè)施集中建設(shè)。這些設(shè)施使用期短，場地布置困難，無形中增加了組織管理難度，增加了組織風險和管理分險，同時也大量增加臨時設(shè)施成本。

4.2 旋挖鉆

鑒于以上存在問題，我們對市場上各型鉆機進行了大量調(diào)查，經(jīng)與國內(nèi)多個知名廠家聯(lián)系，認為也可以用旋挖鉆代替沖擊鉆，只要旋挖鉆機型號動力頭扭矩為360kN·m以上的鉆機均可以完成軟巖地質(zhì)下的鉆孔。

4.3 比選

經(jīng)過認真分析，最終決定采用沖擊鉆機和旋挖鉆機在現(xiàn)場進行鉆孔工期及成本比選，通過試驗來最終確定鉆機選型。鉆機調(diào)查情況見表1（d=1.25m）。

根據(jù)表1所列，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選擇沖擊鉆機和360型旋挖鉆機各一臺進入施工現(xiàn)場，各選一根樁基進行鉆進試驗。旋挖鉆機鉆進試驗結(jié)果如表2。

試鉆結(jié)果分析：

旋挖鉆機：27h鉆進31m，柴油消耗760ml，其中截齒鉆每米約1h，牙輪筒鉆每米約3h。其費用成本為：柴油150元/延米，機械臺班費用600元/延米，鉆碴外棄費用55元/延米，合計成本805元/延米。

沖擊鉆機（配120kW發(fā)電機）：鉆進1天后，進度僅為5m，柴油消耗400ml，隨后沖擊鉆撤出場。其費用成本為柴油480元/延米，機械臺班費用306元/延米，泥漿外棄費用100元/延米，合計成本886元/延米。若采用大臨電接入，因工期極短，其安裝和增容費大約533元/延米，且安裝周期與工期不匹配。由于每臺鉆機進場作業(yè)量僅為20根樁，實際費用還要高于此統(tǒng)計值。

通過試鉆及經(jīng)濟比選，最終現(xiàn)場采用動力頭扭矩360kN·m以上旋挖鉆機。

5 現(xiàn)場施工組織

5.1 大臨布置

電力主干線：由地方高壓電力干線接入，變壓器間距800m設(shè)置，計8臺500kVA變壓器，為先期照明用電和后期承臺墩身施工使用。

水：本橋范圍內(nèi)設(shè)置兩處自來水接口，先期采用汽車拉水，各工點設(shè)蓄水池蓄水。

道路運輸：本橋材料運輸主要擬利用既有公路。各區(qū)段便道寬度考慮汽車吊架梁條件，0#-27#墩在線路左側(cè)修筑10m寬臨時便道，28#-105#墩利用既有道路作為施工便道，106#-184#墩考慮架梁以及筑島施工條件，以橋梁中線為界左側(cè)設(shè)置15m便道，右側(cè)設(shè)置10m臨時施工場地，合計全斷面寬25m（含承臺基坑在內(nèi)）。便道和機械作業(yè)場地需鋪設(shè)泥結(jié)碎石，跨魚塘、水溝段埋設(shè)承重式砼排水管。

5.2 旋挖鉆機成孔

5.2.1 場地準備

每6個承臺為一小區(qū)段，布置1臺鉆機施工。由于橋梁軸線位于場地中心，鉆孔施工時，鉆機選擇在兩橋墩間站位，橋梁左側(cè)作為臨時堆放棄碴場地，橋梁右側(cè)作為施工通道。其他小型機具堆放在左側(cè)，鋼筋籠隨用隨拉，不在現(xiàn)場堆放。施工過程中不得堵塞相鄰區(qū)段的通道。

5.2.2 埋設(shè)護筒

護筒用6 mm厚的鋼板制作，其內(nèi)徑大于鉆孔直徑200mm-400mm。為增加剛度防止變形，在護筒上、下端口和中部外側(cè)各焊一道加勁肋。

護筒的底部埋置在地下水位或河床以下1.5m，護筒頂面高出地下水位1.5m-2.0m左右（同時高出地面0.5m）。護筒埋設(shè)盡量穿透素土層至風化巖面頂部。

樁基護筒埋設(shè)采用挖埋法。首先在樁位處用旋挖鉆頭開挖2-3m深，再吊裝護筒到樁位上，用旋挖斗壓入土層中。護筒中心與樁位中心的偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于1%，保證鉆機沿著樁位垂直方向順利工作。

5.2.3 鉆孔施工

旋挖鉆機通過履帶自行就位，就位后，鉆頭中心點對準樁位中心，同時調(diào)整鉆桅是否垂直，然后鉆進，其工作循環(huán)為：對孔→落鉆→鉆進→提鉆→反轉(zhuǎn)解鎖→提升鉆機回轉(zhuǎn)卸土→再對孔。每次鉆孔時在深度表上對零，以檢查鉆進情況，提放鋼絲繩適度。每一循環(huán)檢查鋼絲繩是否在滾筒槽內(nèi)，檢查鋼絲繩是否有毛刺、斷股現(xiàn)象，如有及時更換。

旋挖鉆機成孔在表層土中采用普通鉆頭，進入強風化或中風化巖層采用截齒鉆頭鉆進，進入弱風化巖層采用牙輪筒鉆切削邊緣，截齒鉆頭取芯成孔。

5.2.4孔底沉碴清理

孔底沉碴首先是通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉(zhuǎn)收集孔底巖土，在不附加壓力情況下直接將其裝入鉆頭內(nèi)，然后再由鉆孔機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環(huán)往復，直至清除孔底沉碴，達到設(shè)計要求。

5.2.5 成孔檢查

鉆孔灌注樁在成孔過程中及終孔后以及灌注混凝土前，對鉆孔進行階段性的成孔質(zhì)量檢查。

孔徑檢測在樁孔成孔后，下入鋼筋籠前進行?；\式檢孔器用？準12的鋼筋制作，其外徑等于鋼筋籠直徑加100毫米，但不大于鉆孔的設(shè)計孔徑，長度等于孔徑的3～4倍。檢測時，將檢孔器吊起，孔的中心與起吊鋼繩保持一致，慢慢放入孔內(nèi)，上下通暢表明孔徑滿足要求。

孔深和孔底沉渣采用標準錘檢測。測錘一般采用錐形錘，錘底直徑13cm～15cm，高20～22cm，質(zhì)量4kg～6kg。測繩采用鋼尺進行校核。

正常施工期間，平均每天每臺鉆機完成1根樁。大量節(jié)約樁基施工工期，1個月后就具備了承臺施工條件，為后續(xù)施工提供較多、較快的工作面，確保了全標段工期順利實現(xiàn)。

由于大部分時間是在軟巖中鉆進，鉆頭磨耗非常大，合理的鉆進壓力是平衡鉆頭磨耗與鉆進速度的關(guān)鍵技術(shù)，此部分與操作司機的經(jīng)驗息息相關(guān)，也是控制鉆機效率的重要因素?，F(xiàn)場經(jīng)常會出現(xiàn)掰掉截齒現(xiàn)象，必須及時補齊。

6 經(jīng)驗總結(jié)

在軟巖地質(zhì)中采用旋挖鉆機進行鉆孔施工，使本項目成功實現(xiàn)了工期目標和經(jīng)濟目標。其優(yōu)點如下：

①旋挖鉆機鉆進巖層速度快。每天完成1根樁基，5天就可以完成1個承臺，15天后即可開挖承臺。速度遠快于沖擊鉆。工期效果明顯。②旋挖鉆機采用履帶機構(gòu)行走，移鉆速度快。工期效果明顯。③旋挖鉆機采用柴油機作為動力，不需要設(shè)置大量變壓器，降低了對大臨電的依賴，降低了組織風險。④由于表層覆土僅有2-3米，旋挖鉆機鉆進過程中采用干鉆，沒有泥漿排放，污染少，占地少，鉆渣可直接用于其他工程的填料。經(jīng)濟效果明顯。⑤由于不用泥漿，對自來水的需求量極低，經(jīng)濟效果明顯。⑥經(jīng)濟指標為：在本項目中實施后，旋挖鉆孔直徑1.25米樁最終平均成本為800元/延米，遠低于同類項目沖擊成孔的成本。在本項目中旋挖鉆機比沖擊鉆機綜合經(jīng)濟效益優(yōu)勢明顯。

7 結(jié)束語

通過本工程施工中的工期和經(jīng)濟比較，在工期要求緊張的情況下，旋挖鉆機施工軟巖地質(zhì)中的樁基具有明顯優(yōu)勢，具有可推廣性。

參考文獻：

[1]中車青島四方機車車輛股份有限公司鐵路試驗線建設(shè)項目橋梁專業(yè)施工圖，中鐵西安勘察設(shè)計研究院有限責任公司，2015年12月設(shè)計.

[2]旋挖鉆機使用說明書.

[3]李冰.無鉆桿旋挖鉆孔機工作裝置監(jiān)控系統(tǒng)研制[D].哈爾濱工業(yè)大學，2011.