旋挖鉆機在橋梁工程樁基施工中的應(yīng)用探析

（福建省閩西交通工程有限公司，福建 龍巖 364000）

1 工程概況

福建省漳州至永安高速公路龍巖段路基土建工程A5合同段，全長7.631km，起于蘆芝鄉(xiāng)蘆芝村，途徑漳平南互通、內(nèi)坑中橋、東坑大橋、和平樞紐互通后上跨莆永高速，終于和平鎮(zhèn)和平村。其中和平樞紐互通位于漳平市北面和平鎮(zhèn)和春村，是漳永高速公路與莆永高速公路進行交通轉(zhuǎn)換的樞紐工程，共設(shè)置7座橋梁和8條匝道，其中主線2號橋、E、F、G、H匝道橋均上跨莆永高速公路，主線1號橋和3號橋分別上跨G、E匝道，A、C、D、F、G、H匝道路基與莆永高速并線連接。主線2號橋2#墩和E、F、G、H匝道橋1#墩均位于莆永高速公路中央分隔帶內(nèi)，共有12根樁徑為1800mm的灌注樁，樁底巖層為中風(fēng)化花崗巖，樁長為18～32m，均為嵌巖樁，設(shè)計要求砍巖3.6m。由于莆永高速公路已通車，樁基施工需要封閉莆永高速半幅車道及另半幅部分車道，為了減少高速運營損失和確保莆永高速行車安全，本工程樁基的工期為32d，工期緊張。

2 工程地質(zhì)情況和水文條件

2.1 工程地質(zhì)情況

樁基所在施工區(qū)域的地質(zhì)情況從上到下分別揭示敘述如下：①粉質(zhì)粘土，主要成分為粘粒和粉粒，夾雜少量碎石，呈可塑狀態(tài)，層厚2.10～5.80m；②全風(fēng)化花崗巖，主要成分為石英、長石和粘土礦物，灰黃色，屬于極軟巖，散體狀結(jié)構(gòu)，層厚5.30～13.50m；③砂土狀強風(fēng)化花崗巖，灰黃色，巖芯呈砂土狀，屬于軟巖，散體狀構(gòu)造，基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，巖體極破碎，層厚3.60～15.10m；④碎塊狀強風(fēng)化花崗巖，主要成分為石英、云母和長石，中粗粒結(jié)構(gòu)，屬于較軟巖，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，在E和H匝道橋1#墩承臺位置揭露有孤石，厚度為2.5～4m，巖質(zhì)為中風(fēng)化花崗巖，層厚4.30～11.70m；⑤中風(fēng)化花崗巖，青灰色，屬于較硬巖，巖體較完整，中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，層厚6.20～10.10m。

2.2 水文條件

地下水主要以孔隙潛水和裂隙水為主，地下水較少，地下水對混凝土無腐蝕性。

3 工程施工難點剖析

（1）本工程樁基施工處于莆永高速公路中央分隔帶內(nèi)，施工場地相對狹小，交叉作業(yè)較多，對樁基施工部署的要求較高。

（2）樁基施工工期只有32d，工期非常緊迫。莆永高速公路的半幅部分車道仍處于通車狀態(tài)，粉塵及噪音對行車安全影響較大，環(huán)保的要求較高。

（3）地質(zhì)中存在孤石，孤石的巖質(zhì)與樁端巖層一致，孤石厚度較厚，鉆進較為困難。

（4）樁基為嵌巖樁，設(shè)計要求嵌巖深度為3.6m，樁端巖層質(zhì)地堅硬，進尺較為困難，耗時長，極大地影響施工工期。

4 鉆機方案比選

4.1 沖擊鉆機方案

該方案需要提供電力配套系統(tǒng)，在高速公路上需要準(zhǔn)備發(fā)電機組。沖擊成孔需要泥漿護壁，施工場地狹小，泥漿池的設(shè)置較為困難。遇到孤石和持力層巖層時，成孔速度慢，樁錘磨損厲害，樁錘與巖層的撞擊產(chǎn)生的振動較大，噪音污染大，對高速公路行車安全造成一定影響。成孔后需要兩次清孔，施工時間較長，單樁成孔需要時間為6～8d，無法滿足施工工期的要求。

4.2 潛孔錘鉆機方案

該方案利用潛孔錘產(chǎn)生的沖擊能量將孤石和樁端巖層充分破碎，但是高壓氣流對孔壁的沖刷較為厲害，孔壁的穩(wěn)定性不高，巖屑通過高壓空氣排出孔外形成粉塵污染，對行車安全影響較大。如果采用泥漿護壁，同樣存在泥漿污染和施工時間長等問題，單樁成孔需要時間為4～6d，該方案環(huán)保和工期均不符合要求。

4.3 旋挖鉆機方案

該方案行走靈活方便，設(shè)備自帶動力，無需提供電力供應(yīng)。根據(jù)土層性質(zhì)不同選擇不同種類的旋挖鉆頭，從而加快鉆進速度。旋挖鉆機利用自身獨特的桁架式抗振桅桿和吸收振動能力，施工過程中噪音小，無粉塵污染，環(huán)保效果好。本工程巖土層黏結(jié)性好，可以采取干孔作業(yè)方式，無需泥漿護壁，省去清孔時間。旋挖鉆機能夠自動精準(zhǔn)定位、自動測量孔深和自動校正鉆孔垂直度，自動化程度高，成孔質(zhì)量有保障。單樁成孔需要時間為1～2d，有效保證施工工期。

綜合地質(zhì)情況、施工工期、施工質(zhì)量、對高速公路行車安全影響以及環(huán)保等因素，本工程樁基選用旋挖鉆機方案。鉆機選用國產(chǎn)的TR280D大孔徑旋挖鉆機。該鉆機的最大輸出扭矩為280kN·m，鉆孔鉆速為6～23rpm，鉆機自重為66t，鉆桿自重為12t，最大加壓力為180kN，最大起拔力為200kN，最大鉆孔直徑為2500mm，最大鉆孔深度為85m，滿足多種地質(zhì)樁基的施工要求。

5 旋挖鉆施工原理

旋挖鉆機步履式行走到樁位，由動力頭裝置將動力提供給鉆桿，鉆桿的底部為帶有活門的桶式鉆具，通過加壓裝置將壓力作用于動力頭裝置，使得壓力傳遞到鉆桿和鉆具，從而實現(xiàn)鉆具按照既定的軌跡對巖土層進行回旋切削，將切削下來的土體回旋裝入桶內(nèi)，采用提升裝置將鉆具提升到孔外進行卸土。根據(jù)不同的土層更換相應(yīng)的鉆具，使得巖土層的切削或套取更為便利。循環(huán)反復(fù)操作，直至旋挖至設(shè)計樁底高程。鉆進方式根據(jù)地質(zhì)情況復(fù)雜程度采取干孔成孔或泥漿護壁成孔。

6 旋挖鉆施工技術(shù)

6.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→測放樁位→埋設(shè)鋼護筒→移機就位→旋挖成孔→清孔→下放鋼筋籠→混凝土灌注。

6.2 施工準(zhǔn)備

旋挖鉆機的自重較大，施工場地應(yīng)平整壓實，避免鉆機應(yīng)軟硬不均勻出現(xiàn)傾斜或沉陷現(xiàn)象。對施工場地的施工設(shè)備行走和材料運輸路線進行規(guī)劃，保證混凝土灌注和鉆渣外運不發(fā)生沖突，臨時用電和臨時用水設(shè)施的布置應(yīng)滿足施工要求。相鄰墩的灌注樁樁位采取交替施工順序進行安排，減少交叉作業(yè)的相互干擾。

6.3 埋設(shè)鋼護筒

鋼護筒的高度為3m，壁厚為10mm，內(nèi)徑為2000mm，上下口外圍均焊接一圈加勁環(huán)，鋼護筒的強度應(yīng)符合施工要求。鋼護筒埋設(shè)時，采用旋挖鉆頭加壓將鋼護筒靜壓入土體，護筒頂部露出地面高度為0.4m。鋼護筒四周采用粉質(zhì)粘土均勻回填并夯實，鋼護筒的垂直度偏差≤1%，平面位置偏差≤50mm。

6.4 移機就位

步履式旋挖鉆機行走到樁位所在位置后，啟動電氣手柄將鉆桿平穩(wěn)起立，起立應(yīng)緩慢，注意對鉆桿的傾斜角度控制。鉆桿起立后，利用旋挖鉆機自帶的調(diào)垂操作系統(tǒng)對鉆桿的垂直度進行調(diào)整，當(dāng)鉆桿處于相對零位±5°的區(qū)域內(nèi)采取自動調(diào)垂方式進行作業(yè)，鉆桿超過上述區(qū)域則采取手動調(diào)垂方式進行作業(yè)。操作人員可以通過顯示器來實時檢查鉆桿的位置狀態(tài)，確保鉆桿處于垂直狀態(tài)。

6.5 旋挖成孔

由于場地地質(zhì)條件中風(fēng)化巖的厚度較厚，采用單一的鉆具成孔的難度較大。根據(jù)不同地質(zhì)情況采取不同鉆具和成孔工藝相結(jié)合的方法進行成孔。

（1）粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖和強風(fēng)化花崗巖等巖層成孔

該巖層采用帶斗齒的旋挖鉆斗切土成孔，利用鉆頭上的斗齒回旋切削巖土并將巖土轉(zhuǎn)入鉆斗內(nèi)，鉆斗裝滿巖土后由卷揚機和鉆桿將桶式鉆斗提升到孔外進行卸土，不斷循環(huán)操作，取土卸土，直至鉆至孤石或中風(fēng)化花崗巖，施工效率≥5m/h。旋挖成孔過程中通過旋挖鉆機自身的自動校正鉆桿垂直度實現(xiàn)對孔壁的垂直度進行監(jiān)測與校正，確保成孔的質(zhì)量。剛開始旋挖時應(yīng)低速慢進，待旋挖至鋼護筒以下1m后方可加快旋挖速度。從軟地層旋挖進硬地層時，應(yīng)放慢旋挖速度，當(dāng)從硬地層進入軟地層時，則應(yīng)加快旋挖速度。為了防止縮頸，在容易出現(xiàn)縮頸的巖土層中應(yīng)增加掃孔次數(shù)。地面上卸下的鉆渣及時采用裝載機裝上土方車，將鉆渣運到棄土地方進行處理。

（2）孤石和中風(fēng)化花崗巖成孔

該巖層采用環(huán)切滾刀鉆頭取芯成孔，該筒式鉆頭底端鑲嵌子彈頭截齒，筒體內(nèi)布設(shè)合頁片用于承托巖芯。當(dāng)孤石或者中風(fēng)化花崗巖的強度不高時，直接采用直徑為1800mm的筒式鉆頭以低速大扭矩方式鉆進，鉆進深度為0.8～1.0m后，利用旋挖鉆機強大的扭力將巖層掰斷，提升鉆斗到地面卸下巖芯。如此循環(huán)反復(fù)操作，直至鉆至孔底，施工效率≥0.5m/h。根據(jù)巖層的硬度調(diào)整斗齒刃前角度，當(dāng)巖層強度較低時，角度取值為45°～65°；巖層強度較高時，角度取值為25°～45°。當(dāng)孤石或者中風(fēng)化花崗巖的強度較高時，則采用分級鉆進的成孔方法。先采用直徑為1000mm的取芯桶鉆進取芯，鉆進深度≥0.5m時，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆速突然劇增和扭矩突然變小，并有振動跡象時，即可判斷巖芯被掰斷，將巖芯取出地面，如此反復(fù)操作直至鉆至孔底。接著采用直徑為1800mm的筒式鉆頭進行環(huán)切鉆進取芯，直至樁底高程。當(dāng)巖面傾斜角度較大時，應(yīng)采用主卷揚機將鉆桿吊住，將鉆桿浮動取消，接著輕壓慢進，待切入巖體達到一定深度后再正常鉆進。如果出現(xiàn)斜孔現(xiàn)象而無法修孔時，下導(dǎo)管灌注與巖層一致強度的混凝土至斜孔處，待混凝土達到一定強度后再采用取芯桶進行取芯鉆進。

6.6 清孔

當(dāng)旋挖鉆進達到設(shè)計孔底高程時，量測孔徑和孔深，采用測孔儀對孔壁垂直度進行檢查，采用測繩對孔底沉渣厚度進行量測。當(dāng)孔徑、孔深和孔壁垂直度滿足設(shè)計要求時，采用專用的清底鉆斗對孔底沉渣進行清底，沉渣厚度≤30mm。

6.7 下放鋼筋籠

鋼筋籠加工與制作嚴格按照設(shè)計圖紙進行分節(jié)制作，鋼筋籠的接長采用單面焊形式，搭接長度為10D（主筋的直徑），鋼筋籠按照設(shè)計要求設(shè)置好保護層墊塊和吊筋，鋼筋籠采用吊車進行下放，下放過程中嚴禁觸碰孔壁，鋼筋籠下放到設(shè)計高程后將吊筋固定在鋼護筒上。

6.8 干孔混凝土灌注

混凝土采用干孔導(dǎo)管法進行灌注，導(dǎo)管直徑為250mm，底節(jié)長度為4m，其余采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進行連接，導(dǎo)管下放之前應(yīng)進行試拼和試壓，確保導(dǎo)管不漏水。導(dǎo)管下口與孔底的距離為0.3～0.5m。采用管夾將導(dǎo)管固定在樁位中心，在導(dǎo)管內(nèi)放置隔水球，由于孔深較深，混凝土下落高度較大，過大的落差容易對孔底產(chǎn)生較大的沖擊振動，導(dǎo)致部分巖層出現(xiàn)掉落現(xiàn)象，隔水球能夠有效地減緩混凝土下落的沖擊力。混凝土的坍落度為180～220mm，根據(jù)施工時氣候情況添加適量的緩凝劑，混凝土和易性應(yīng)良好。首灌混凝土量必須封孔并確保導(dǎo)管埋入混凝土深度≥1m，為了確?；炷恋拿軐嵍?，要求導(dǎo)管埋入混凝土深度≥3m，以保證有足夠的壓強。混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)，根據(jù)混凝土面的高程計算好拆管節(jié)數(shù)，及時拆管，樁頂混凝土應(yīng)超灌1m，待灌注剩下5m時應(yīng)插入振動棒進行人工振搗，提高混凝土的密實度。

7 結(jié)束語

本工程采用TR280D旋挖鉆機單樁成孔約24h，綜合考慮鉆頭修理、設(shè)備維修和交叉施工等因素，單樁成孔平均時間為36h，采用沖擊鉆機成孔則需要6d以上，旋挖鉆機施工工效較高。旋挖鉆機自帶的垂直度自動監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)孔壁垂直度超過偏差值時能夠自動報警，孔壁垂直度偏差≤1%。清孔時采用專用的清底鉆斗，能夠確保沉渣厚度≤30mm。旋挖鉆斗的牙齒在回旋過程中在巖土層上形成螺旋線能夠有效增強灌注樁的摩阻力，進一步提高灌注樁的承載力。因此，采用旋挖鉆機成孔能夠有效保證橋梁樁基質(zhì)量和工期。樁基全部施工完成后，按照設(shè)計要求進行檢測，檢測結(jié)果顯示全部為Ⅰ類樁，取得良好的施工效果。