旋挖灌注樁風化球及斜面硬巖鉆進施工技術(shù)

陳曉鴻

（廣東省第二建筑工程有限公司 廣東 汕頭 515041）

0 引言

旋挖機［1］是一種廣泛適應于樁基礎成孔施工的高效專業(yè)施工機械，在基礎工程施工領(lǐng)域應用廣泛。在中南沿海地區(qū)特別是臨近海邊的海相海陸交互相濱海灘地，地層中強風化球、中風化球［2］廣泛發(fā)育、多層存在分界面大坡度基巖等復雜地質(zhì)條件下［3］進行樁基礎施工，樁基成孔困難，主要表現(xiàn)在：⑴鉆筒、鉆頭、鉆具穿過風化球巖層困難；⑵大傾斜巖面、軟巖硬巖分界面處鉆進容易偏孔、進深受阻；⑶采用“取芯”工藝后，大直徑大長度巖石段折斷并取出困難；⑷濱海灘地砂層地質(zhì)較厚，地下水位相對較高，成孔過程外水壓高等問題，導致孔壁形成不穩(wěn)定，成孔成樁過程中，容易塌孔、埋鉆、縮頸等。以上問題，直接影響樁基礎施工進度，造成質(zhì)量控制困難，增加施工成本。

1 工程概況

為解決濱海灘地風化球復雜地質(zhì)旋挖機成孔成樁施工技術(shù)［4］難題，我們在汕頭市某臨近海邊的住宅項目施工中，根據(jù)地質(zhì)中存在中風化巖層、斜面硬巖［5］的實際，通過對旋挖機成孔過程進行深入研究，對鉆筒和鉆具進行技術(shù)研究，對施工工藝進行革新和有效運用，成功攻克了快速鉆進穿過中風化巖層、大傾斜巖面“取芯”工藝實施、大直徑大長度巖石段折斷并取出等成孔技術(shù)難題，成功實現(xiàn)旋挖機同徑快速成孔，實現(xiàn)旋挖機成孔技術(shù)［6］的進步。

2 旋挖灌注樁風化球及斜面硬巖鉆進施工技術(shù)特點

針對項目質(zhì)量等級要求高、工期緊的實際，施工單位組織技術(shù)力量攻克施工難題，提出并實施旋挖灌注樁風化球及斜面硬巖鉆進施工技術(shù)，落實技術(shù)對策、工藝要求、質(zhì)量標準、工程管理等要求，使旋挖機實現(xiàn)連續(xù)高效應用，成孔效率提高［7］，大大加快了樁基施工進度，保證了施工質(zhì)量。

該施工技術(shù)主要有以下4 個方面特點：⑴通過對改進鉆筒型式、鉆具技術(shù)參數(shù)和施工技術(shù)的研究和應用，成功實施旋挖機在硬巖地質(zhì)中“同徑取芯”成孔施工技術(shù)。有效解決旋挖成孔進深技術(shù)難題，提高成孔施工效率，避免超標準擴孔、產(chǎn)生偏孔、斜孔等不良后果，很好控制樁基混凝土澆筑的充盈系數(shù)［8］；⑵克服斜巖面旋挖成孔困難問題，實施斜巖面與混凝土結(jié)合技術(shù)，形成“平整巖面體”，順利實現(xiàn)進深，解決旋挖成孔時偏孔、擴孔、斜孔等技術(shù)難題；⑶通過利用和改造廢舊鉆筒，利用“加壓自鎖”原理，使鉆筒與巖石段緊貼，旋挖機低速大扭矩運用并橫向加力，使巖石段折斷并成功取出；⑷濱海灘地砂層地質(zhì)厚、地下水位高、成孔過程孔外水壓高等不利條件下，對孔壁穩(wěn)定形成進行技術(shù)再研究，解決成孔成樁過程中容易塌孔、埋鉆、縮頸等技術(shù)難題。

3 工藝原理流程及操作要點

旋挖鉆機以其高效、環(huán)保、成孔質(zhì)量高、機械化程度高及適應地層廣泛等特點，成為樁基礎工程高效、理想的成孔設備。通過研發(fā)、配置和應用不同的旋挖鉆頭，采取相應的工程施工技術(shù)，可以適用于多種地質(zhì)條件下的成孔施工。

3.1 通過對普通砂土質(zhì)、淤泥和粘土質(zhì)、強風化巖層、中風化層、微風化層等不同地質(zhì)的再研究，通過對旋挖機挖土取土機理的再研究，通過改進鉆筒鉆具型式、技術(shù)參數(shù)和施工技術(shù)，解決旋挖機在穿過強風化、中風化球、微風化球等硬巖層時，鉆進困難甚至受阻的技術(shù)難題，成功實現(xiàn)在濱海灘地地質(zhì)中旋挖進深成孔，保證在富水、硬巖地質(zhì)的鉆深掘進效率。

3.2 針對濱海灘地地質(zhì)條件復雜、地層中風化球發(fā)育的實際，針對不同硬度巖層，設計和應用不同型式的鉆筒鉆具，實際使用表明，達到科學施工、經(jīng)濟適用、保證效率的效果。

⑴一般砂層、黏土層地質(zhì)，采用筒狀撈砂斗，鉆頭楔狀，在鉆筒底部周邊布置。成孔過程中，通過旋挖機鉆桿帶動鉆筒旋轉(zhuǎn)下挖削土、提升卸土，反復進行。

⑵對巖層強度不大于500 kPa 的風化程度高的低硬度泥巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等全風化或軟巖，采用底部為尖狀鉆具布置型式的鉆筒（見圖1），或者采用開口式的鉆筒，切屑鉆具采用子彈頭型式，鉆頭鉆具焊接在鉆筒底部周邊或固定后形成尖狀。當鉆筒加壓鉆進時，鉆具切削巖石使巖石“開槽”，實現(xiàn)破碎巖石的作用。

⑶對巖層強度大于500 kPa 的強風化巖，采用底部為開口式的鉆筒（見圖2），切屑鉆具采用子彈頭型式，鉆頭鉆具焊接在鉆筒底部周邊。當鉆筒加壓鉆進時，鉆具切削巖石使巖石“開槽”，實現(xiàn)破碎巖石的作用。

圖1 鉆具為尖狀的鉆筒Flg.1 A Drill Tube with a Pointed Drill Tool

圖2 底部為開口式的鉆筒Flg.2 Bottom Open Drill Tube

⑷對巖層強度大于45 MPa 以上的中風化巖石，采用底部為開口式的鉆筒，切屑鉆具采用合金球狀型式（見圖3）。在鉆筒底部周邊焊接、固定鉆具。當鉆筒加壓鉆進時，鉆具切削巖石使巖石“開槽”，實現(xiàn)破碎巖石的作用。球形鉆具可以自傳，使整個球面都能與巖石接觸，巖面破碎的作用機理由單面切屑改變?yōu)闈L動碾壓破碎。對鉆具而言，改變了單面單點接觸應力過大而產(chǎn)生過快磨損的后果。通過開孔狀鉆筒研究和優(yōu)化，對成孔工藝的改進，成功實施旋挖機在硬巖地質(zhì)中“同徑取芯”成孔技術(shù)，不浪費工程材料。

圖3 球形鉆具開口型鉆筒Flg.3 Open Type Drill Cylinder of Spherical Drilling Tool

3.3 采用“同徑取芯”工藝，實現(xiàn)成孔進深過程不全斷面破除巖層。當大直徑大長度巖石段長度超過鉆筒長度時，進深終止。強度大的巖石段，采用一般辦法折斷并取出相當困難。我們通過利用廢舊鉆筒，在其內(nèi)壁頂端上焊接加設小斜度條形鍥塊，利用"加壓自鎖"原理，使鉆筒與巖石段緊貼，旋挖機低速大扭矩運用并橫向加力，使巖石段折斷并取出（見圖4）。

3.4 旋挖成孔至斜巖以及分界面大起伏的硬巖地質(zhì)，采取清洗孔底，架設導管灌注混凝土［9］技術(shù)，使斜巖面與混凝土結(jié)合后形成“平整巖面體”，解決旋挖成孔進深技術(shù)難題。同時避免超標準擴孔、產(chǎn)生偏孔、斜孔等不良后果，有利于控制樁基混凝土澆筑的充盈系數(shù)。

圖4 廢舊鉆筒折斷并取出超長巖體Flg.4 Fracture of Waste Drill Pipe and Extraction of Super-long Rock Mass

灌注混凝土一般采用C20 以上，超灌至最大標高巖面50 cm 以上，待3 d 以上混凝土強度成長至C15以上、斜巖面與混凝土結(jié)合后形成一體化的“平整巖面體”（見圖5），繼續(xù)進行鉆孔進深，可以解決偏鉆、斜鉆甚至進深受阻的難題。

圖5 斜巖面與混凝土結(jié)合形成一體化“平整巖面體”巖體樣式Flg.5 The Combination of Oblique Rock Surface and Concrete to Form an Integrated "Flat Rock Body" Rock Mass Style

3.5 濱海灘地砂層地質(zhì)厚，地下水位高，成孔過程孔外水壓高等問題存在，容易導致孔壁形成不穩(wěn)定，成孔成樁過程中，容易塌孔、埋鉆、縮頸等。以上問題，直接影響樁基礎施工進度，造成質(zhì)量控制困難，增加施工成本。

成孔過程中，通過控制泥漿比重、控制進深速度、提桶速度等措施，實現(xiàn)反復循環(huán)成孔。在成孔過程中，樁基棄渣固定堆置，方便及時外運處理，較之傳統(tǒng)沖擊樁基施工、回旋鉆機施工等工藝，旋挖成孔樁基礎施工，排渣方法更有效地實現(xiàn)了現(xiàn)場安全文明施工，環(huán)保效應明顯。

4 應用效果和體會

在旋挖機成孔和混凝土澆筑成樁施工過程中，通過加強對護筒埋設［10］質(zhì)量要求、水位控制、泥漿指標控制以及施工工序的有效銜接等，使旋挖機實現(xiàn)連續(xù)高效應用，成孔效率提高，大大加快了樁基施工進度，保證了施工質(zhì)量。實踐證明，相比于沖孔等其它施工工藝，在濱海灘地風化球復雜地質(zhì)條件下，旋挖灌注樁風化球及斜面硬巖鉆進施工技術(shù)的成功實施，達到了節(jié)省能源消耗，節(jié)省人力資源消耗，減少噪聲排放，減輕振動危害的預期目標，成樁質(zhì)量符合驗標要求，實現(xiàn)很好的社會經(jīng)濟和環(huán)境健康效益。