吳先鋒 周冬 施德

摘 要：在山區(qū)橋梁嵌巖樁施工中，硬質(zhì)巖成孔存在進(jìn)尺速度慢的難題，通過(guò)采用三一重工SR385RC8型旋挖鉆機(jī)，樁基入巖施工應(yīng)用環(huán)切取芯鉆進(jìn)工藝。詳細(xì)闡述了工藝特點(diǎn)、原理、工藝流程及操作要點(diǎn)以及安全、環(huán)保措施，大幅提高了工效，實(shí)現(xiàn)鉆孔樁成孔硬巖快速鉆進(jìn)的突破。

關(guān)鍵詞：山區(qū)橋梁；嵌巖樁；硬質(zhì)巖；旋挖鉆環(huán)切取芯；快速成孔

中圖分類號(hào)：U443.15+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定的巖石堅(jiān)硬程度分類標(biāo)準(zhǔn)，飽和單軸抗壓強(qiáng)度>60MPa，即為堅(jiān)硬巖層。鉆孔灌注樁鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)遇到堅(jiān)硬巖層，常規(guī)方法有人工開鑿、沖擊破巖、磨削破巖、剪切入巖，對(duì)應(yīng)成孔方式有人工挖孔、沖擊鉆成孔，或采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)用小直徑鉆頭施工先導(dǎo)孔，再換用大鉆頭二次切削。人工挖孔安全風(fēng)險(xiǎn)大，其余成孔方式進(jìn)尺速度較慢，增加了工期和成本。

旋挖鉆機(jī)性能好、效率高，近年來(lái)在基礎(chǔ)施工領(lǐng)域已成為市場(chǎng)主力。由于普通旋挖鉆機(jī)施工以旋轉(zhuǎn)磨削為主，在有限的加壓荷載下，無(wú)法對(duì)巖層形成有效沖擊，導(dǎo)致旋挖鉆機(jī)進(jìn)行高強(qiáng)度巖層施工時(shí)，效率低下。如何在硬巖中發(fā)揮出旋挖鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)，是非常值得研究的課題。

隨著我國(guó)機(jī)械制造水平的發(fā)展，旋挖鉆機(jī)的性能也在持續(xù)改進(jìn)，功率和輸出扭矩不斷提高，同時(shí)出現(xiàn)了新型高強(qiáng)鉆具，研發(fā)出了可以環(huán)切取芯的旋挖鉆機(jī)。

筆者單位施工的山區(qū)橋梁工程，采用三一重工SR385RC8型旋挖鉆機(jī)，樁基入巖施工應(yīng)用環(huán)切取芯鉆進(jìn)工藝，不用施工先導(dǎo)孔，實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬巖層快速成孔，加快了施工進(jìn)度，降低了成本。

1 工藝特點(diǎn)

1.1 適用于堅(jiān)硬巖層

旋挖鉆機(jī)選用機(jī)鎖式鉆桿和牙輪筒式取芯鉆頭。鉆桿上附有鎖點(diǎn)，通過(guò)機(jī)械鎖點(diǎn)把每節(jié)鉆桿鎖住，把加壓力傳遞給鉆具，其加壓荷載的傳遞效率可達(dá)95%以上，在鉆具和巖體之間產(chǎn)生較大的剪切力，適用于堅(jiān)硬巖層。

1.2 鉆進(jìn)速度快

采用筒式取芯鉆頭鉆進(jìn)切出環(huán)槽，然后將巖芯磨斷整體取出。將鉆齒的線接觸改為旋轉(zhuǎn)環(huán)形接觸，降低鉆具作用巖層的接觸面積，有效減小鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)行阻力，同時(shí)減少了對(duì)巖層全面磨削破碎所需作用功，正常情況下無(wú)須更換鉆具，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)，根據(jù)巖層強(qiáng)度不同，一般每天可鉆進(jìn)25m～40m。

1.3 施工安全性高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)

規(guī)避了人工挖孔法孔內(nèi)作業(yè)的危險(xiǎn)；旋挖鉆機(jī)的履帶式底盤移動(dòng)方便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，在山區(qū)特別是跨河施工時(shí)，相對(duì)于沖擊鉆，當(dāng)遇到洪水等自然災(zāi)害時(shí)可迅速撤離。

1.4 適用范圍

適用于強(qiáng)度范圍在40MPa～100MPa的較硬～堅(jiān)硬巖層、樁長(zhǎng)≤40m、樁徑≤2.5m的鉆孔樁施工。

2 工藝原理

采用大功率旋挖鉆機(jī)，選用機(jī)鎖式鉆桿和牙輪筒鉆，使用牙輪筒式取芯鉆頭在鉆進(jìn)巖層切出環(huán)槽，然后停止加壓，通過(guò)鉆頭在孔底位置交替進(jìn)行正反轉(zhuǎn)操作，利用牙輪將巖芯磨斷取出，如此循環(huán)鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速成孔。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 環(huán)切取芯成孔工藝流程

埋設(shè)護(hù)筒→施工準(zhǔn)備→常規(guī)鉆進(jìn)→開始入巖→環(huán)切取芯式鉆進(jìn)→切斷、取出芯柱→循環(huán)鉆進(jìn)→成孔。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 護(hù)筒埋設(shè)

根據(jù)樁位點(diǎn)設(shè)置護(hù)筒，將其垂直埋入土體中，使護(hù)筒中心與樁位中心重合，并在護(hù)筒上用紅油漆標(biāo)識(shí)測(cè)量控制點(diǎn)方向線位置。護(hù)筒的內(nèi)徑應(yīng)大于鉆頭直徑200mm～300mm，護(hù)筒中心和樁位中心偏差不得大于50mm，傾斜度的偏差不大于1%，護(hù)筒與坑壁之間應(yīng)用黏土填實(shí)。

3.2.2 施工準(zhǔn)備

①鉆機(jī)就位

將鉆機(jī)行駛到施工樁位，使其機(jī)體垂直度、鉆桿垂直度和樁位鋼筋條三線合一，鉆機(jī)就位應(yīng)保持平穩(wěn)，不發(fā)生傾斜、位移，鉆機(jī)就位時(shí)與平面最大傾角不超過(guò)4°，調(diào)整桅桿角度，操作卷?yè)P(yáng)機(jī)，將鉆頭中心與鉆孔中心對(duì)準(zhǔn)，調(diào)整鉆機(jī)垂直度參數(shù)，使鉆桿垂直。

②泥漿調(diào)制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適位置開挖沉淀池，循環(huán)池和沉淀池分開，泥漿循環(huán)利用，泥漿主要用來(lái)懸浮沉渣和冷卻潤(rùn)滑鉆頭。選擇符合要求的黏土制作泥漿，必要時(shí)，在泥漿中摻入適量的膨潤(rùn)土和碳酸鈉。

3.2.3 常規(guī)鉆進(jìn)

進(jìn)入硬質(zhì)巖層前和硬質(zhì)巖芯無(wú)法鉆進(jìn)完整取芯時(shí)，采用常規(guī)截齒鉆頭磨削式鉆進(jìn)。鉆進(jìn)前和鉆進(jìn)中，要對(duì)泥漿性能指標(biāo)不斷測(cè)試，泥漿比重為1.15～1.25，含砂率≤4%，黏度≤28S，膠體率≥95%。剛開始要放慢旋挖速度，放斗要穩(wěn)，提斗要慢，旋挖過(guò)程中要注意通過(guò)控制盤來(lái)監(jiān)控垂直度，如有偏差及時(shí)進(jìn)行糾正。每挖一斗、掏取鉆渣或停鉆時(shí)，及時(shí)向孔內(nèi)注漿，使孔內(nèi)水頭保持一定高度，護(hù)筒內(nèi)的泥漿頂面應(yīng)始終高出孔外水位或地下水位1.0m～1.5m。

為保證旋入鉆斗內(nèi)的巖石碎塊不在鉆桿提升過(guò)程中掉入孔中，截齒鉆頭的底部為雙層底。雙層底可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，實(shí)現(xiàn)截齒鉆頭土口的打開與關(guān)閉。鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)土口為打開狀態(tài)，適宜進(jìn)土。每次進(jìn)尺結(jié)束，將鉆頭反轉(zhuǎn)一個(gè)角度使進(jìn)土口關(guān)閉，鉆頭處于完全的封閉狀態(tài)，保證筒內(nèi)土體不掉出筒外。

3.2.4 入巖環(huán)切取芯式鉆進(jìn)

當(dāng)鉆進(jìn)困難時(shí)，巖體有風(fēng)化裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)時(shí)被切割成巖塊，即可判斷進(jìn)入硬質(zhì)巖層。換用筒式鉆頭進(jìn)行環(huán)切取芯式鉆進(jìn)。旋挖鉆機(jī)成孔過(guò)程中，操作人員隨時(shí)觀察鉆桿是否垂直，并通過(guò)深度計(jì)數(shù)器控制鉆孔深度。

環(huán)切鉆進(jìn)時(shí)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速宜保證發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率，使轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。利用牙輪筒鉆圓周上的球型齒上的鎢鋼頭在孔底滾動(dòng)的同時(shí)，還伴有牙輪對(duì)孔底巖體的滑動(dòng)碾壓切割，將巖層進(jìn)行中間留芯環(huán)切、環(huán)切筒鉆及牙輪鉆齒、環(huán)切鉆進(jìn)示意如圖1和圖2所示。

3.2.5 截?cái)?、取出芯?/p>

每次鉆進(jìn)鉆頭進(jìn)入基巖面深度宜控制在0.8m～1.0m，進(jìn)入深度過(guò)大或過(guò)小都不利于巖芯的取出。根據(jù)操作室深度顯示器顯示的入巖深度，判斷鉆頭進(jìn)入基巖深度在0.8m～1.0m，操作手應(yīng)停止加壓，鉆頭在孔底位置交替進(jìn)行正反轉(zhuǎn)操作，利用牙輪將巖芯磨斷，然后將巖芯取出，完成一次環(huán)切取芯鉆進(jìn)，如圖3所示。

如果巖芯無(wú)法完整取出，就需要換用截齒鉆頭對(duì)巖芯進(jìn)行破碎挖進(jìn)鉆斗內(nèi)取出孔外。

牙輪筒鉆在巖石中鉆進(jìn)時(shí)，每隔15min左右將鉆頭提出巖石鉆進(jìn)面，利用孔內(nèi)泥漿冷卻鉆頭，以防長(zhǎng)時(shí)間在基巖內(nèi)鉆進(jìn)溫度過(guò)高造成燒鉆。

3.2.6 循環(huán)鉆進(jìn)

如此循環(huán)鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)孔底。

3.2.7 成孔

經(jīng)測(cè)繩檢測(cè)孔深，探孔器檢測(cè)孔徑合格后成孔，否則繼續(xù)采用上述方法鉆進(jìn)。

4 旋挖鉆機(jī)性能參數(shù)

選用三一重工SR385C8或以上型號(hào)，以SR385C8型旋挖鉆機(jī)為例，整機(jī)高度30.275m，重量150t，最大鉆徑2.9m，發(fā)動(dòng)機(jī)功率360kW，最大轉(zhuǎn)速1800rpm，最大加壓力/起拔力350kN，最大輸出扭矩380kN·m；選用機(jī)鎖式鉆桿，鉆深可達(dá)到76m，加壓荷載傳遞效率達(dá)95%以上；采用筒式取芯鉆頭在鉆進(jìn)巖層切出環(huán)槽，具備三高一強(qiáng)的特點(diǎn)（高可靠性、高穩(wěn)定性、高效率、強(qiáng)入巖）。

5 安全措施

對(duì)樁基施工區(qū)域進(jìn)行封閉管理，使用警示彩旗封閉，設(shè)置危險(xiǎn)警告標(biāo)志，安排專人負(fù)責(zé)值守。

在距泥漿池邊緣1.0m處設(shè)置硬質(zhì)防護(hù)欄桿并加設(shè)鋼絲防護(hù)網(wǎng)，高度≥1.2m，護(hù)欄周邊插彩旗，設(shè)置警示標(biāo)志和夜間警示燈。

未開鉆或停鉆時(shí)，在護(hù)筒頂鋪設(shè)鋼質(zhì)安全欄覆蓋，安全欄使用φ18mm的螺紋鋼焊制，鋼筋空隙≤20cm。

鉆進(jìn)時(shí)，要按鉆壓值的要求減壓鉆進(jìn)和均勻給進(jìn)；發(fā)現(xiàn)異常情況要停鉆。

對(duì)鉆桿接頭螺栓應(yīng)仔細(xì)檢查，凡已用過(guò)的舊螺栓，確認(rèn)無(wú)明顯疲勞裂紋時(shí)才可使用。

鉆機(jī)設(shè)備在移位或拆、裝、運(yùn)過(guò)程中，避免碰撞變形，防止擠壓電纜。

雷電天氣，所有鉆孔機(jī)必須停止作業(yè)，防止雷擊。

汛期施工，安排專人值守，關(guān)注汛情。在施工區(qū)隔段修筑避險(xiǎn)施工平臺(tái)，確保洪水來(lái)臨之前機(jī)械能安全撤離。

6 環(huán)保措施

施工機(jī)械的廢油要存放在廢油桶內(nèi)，集中處理，嚴(yán)禁隨意排放。生產(chǎn)用油料必須嚴(yán)格保管，防止泄漏，污染水體。

泥漿池設(shè)置循環(huán)系統(tǒng)，泥漿循環(huán)使用，在泥漿池周邊用編織袋培土等措施確保泥漿不外溢污染環(huán)境。鉆進(jìn)產(chǎn)生的鉆渣，采用運(yùn)輸車輛運(yùn)到指定場(chǎng)地集中處理。

樁基施工全部結(jié)束后，采用措施使泥漿降解固化，采用專用運(yùn)輸車運(yùn)至指定淤泥排放點(diǎn)。

施工中環(huán)切取出的巖芯運(yùn)至料場(chǎng)集中破碎，用于施工便道的修筑。

結(jié)語(yǔ)

以一根直徑1.8m、樁長(zhǎng)16m的嵌巖樁施工為例，假設(shè)硬質(zhì)巖入巖深度8m，如果采用沖擊鉆、回轉(zhuǎn)鉆或普通旋挖鉆成孔，入巖后每小時(shí)鉆進(jìn)0.1m，需要再連續(xù)鉆進(jìn)80h方能成孔；而采用環(huán)切取芯工藝施工，入巖后每小時(shí)鉆進(jìn)0.8m～1.0m，8h～10h即可成孔，工效提高近10倍，同時(shí)大幅降低了能耗，1天輕松完成1根樁，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著，具有較高的推廣價(jià)值。

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