公路橋梁樁基礎施工中旋挖鉆機成孔工藝的應用

米曉麗

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

旋挖鉆機是一種智能化水平較高的施工機械，該機械主要的應用領域是建筑物或者構筑物地基處理工程的成孔作業(yè)。旋挖鉆機在青藏鐵路二期工程和北京奧運會工程的成功應用，使其獲得了市場的認可。近年旋挖鉆機的功率和扭矩都在提高，繼而保障了處在巖石地層區(qū)域的橋梁樁基礎成孔需求。旋挖鉆機成孔過程中可以根據(jù)施工區(qū)域地質條件的變化更換不同類型的鉆具，來實現(xiàn)干式成孔作業(yè)、濕式成孔作業(yè)以及巖層成孔作業(yè)?；钴S在各類大小工程項目上的旋挖鉆機最大額定功率通常為450 kW，最小的額定功率也要在125 kW 以上；最大的動力輸出扭矩一般為400 kN·m，最小的動力輸出扭矩也在120 kN·m以上。通過以上數(shù)據(jù)可知，旋挖鉆機相比其他成孔機械具有大扭矩、大功率以及施工效率高的特點。在大扭矩、大功率優(yōu)勢下，旋挖鉆機幾乎可以適用于黏性土、粉土、砂土、碎石以及風化巖層等所有地質條件下的成孔作業(yè)。旋挖鉆機的最大成孔直徑可達到4 m，最大的成孔深度可達90 m。

在旋挖鉆機應用之前，公路橋梁樁基礎工程成孔作業(yè)過程中如若遇到巖石等堅硬地質條件時，通常采用的成孔方法是人工鉆孔爆破和沖擊鉆。人工鉆孔爆破技術落后且施工周期非常長。人工爆破作業(yè)導致施工安全難以保證，存在安全隱患，該施工方法現(xiàn)在已基本上被淘汰。另一種常用成孔方法—沖擊鉆成孔法在堅硬巖石施工過程中最為突出的問題有以下幾點：遇到堅硬巖石地層，沖擊鉆施工法可能很長時間沒有任何進尺，導致施工周期無限延長。如果地層發(fā)育有熔巖地質，容易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，沖擊鉆出現(xiàn)卡鉆后，處理的一根樁至少要1 個月時間，無論是施工周期還是施工成本都大大的增加，損失嚴重。

當采用旋挖鉆機成孔后，施工效率大幅度提升的同時，施工質量和施工安全也得到了有效保障。與此同時，雖然旋挖鉆機成孔單價要高于其他鉆機成孔單價，但是其成孔作業(yè)的高效率使得施工總成本降低。以遼寧省某立交橋項目為背景，介紹了旋挖鉆機在公路橋梁微風化硬質巖和中風化硬質巖地層中進行成孔作業(yè)的施工工藝。

1 旋挖鉆機施工工藝分析

根據(jù)遼寧某立交橋樁基礎項目勘察報告可知，該橋梁基礎項目所處地層大部分為微風化硬質巖和中風化硬質巖。依據(jù)微風化、中風化巖石的力學性能和機械設備破碎巖石成孔的基本原理，進行了該立交橋樁基礎項目不同機械設備條件下試驗樁參數(shù)的設定，對不同成孔機械施工工藝的技術經(jīng)濟指標進行比對分析后，確定了該立交橋樁基礎項目采用旋挖鉆機進行成孔作業(yè)。由于該立交橋樁基礎施工項目場地地下水位較低，為避免成孔過程中出現(xiàn)塌孔等不良現(xiàn)象，決定采用旋挖鉆機成孔水下灌注混凝土施工方法，采用泥漿護壁施工方法。該立交橋樁基礎項目旋挖鉆機施工工藝的具體工藝流程如下：

（1）施工場地的平整。該立交橋項目樁基礎工程的施工場地表面堅實程度不足，不具備旋挖鉆機底盤直接接觸進行施工的條件。根據(jù)該立交橋樁基礎項目勘察報告可知，整個施工區(qū)域地下水位較低，所以在場地平整并清除場地雜物后，要進行旋挖鉆機施工區(qū)域的筑島作業(yè)，筑島頂面標高要至少高出旋挖鉆機施工作業(yè)時場地水位的1 m 以上，旋挖鉆機安置在筑島頂面進行成孔作業(yè)。

（2）樁位的測量放樣。該立交橋項目遠離市區(qū)且周圍有高大山脈阻隔，GPS 信號較弱，使用RTK 進行測量放樣精度無法保障，所以該項目樁位的測量放樣采用NTS-391R10 型南方全站儀進行施測，施測后在樁位四周設置護樁并根據(jù)現(xiàn)場布置好的控制網(wǎng)進行復測，確保樁位放樣誤差控制在5 mm 以內。

（3）旋挖鉆機就位與護筒埋設。根據(jù)該立交橋項目地質勘察報告和施工現(xiàn)場地質條件，采用厚度為6 mm 鋼板進行施工護筒的制作。為了提高施工安全系數(shù)，場地內所有護筒的長度按照3 m、直徑按照1.7 m 的規(guī)格制作。該立交橋樁基礎施工項目將護筒長度定位3 m，主要是基于高出樁基施工期間地下水位2 m和護筒高出地面0.5 m 來考慮的，其中護筒高出地面0.5 m 的目的主要是防止施工場地泥水流入孔內影響施工質量。

（4）泥漿制備。根據(jù)該立交橋樁基礎項目勘察報告可知，施工區(qū)域地層除中風化硬質巖外還夾雜著粉質砂土，且地下水位較低。通過勘察報告可以確定，該立交橋旋挖鉆機成孔工藝的泥漿主要起到平衡水位、防止鉆孔塌孔、沉渣運輸以及降低鉆頭鉆進因摩擦產(chǎn)生的高溫。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，滿足以上目的的泥漿三大指標通常如下：泥漿的黏度控制在18～22 s，泥漿的相對密度在1.05～1.10 g/cm3，泥漿的砂率小于4%，且泥漿的pH 值大于7。

（5）旋挖鉆機成孔。在旋挖鉆機成孔的過程中，現(xiàn)場技術人員和鉆機操作人員要時刻關注鉆機鉆桿是否處于垂直狀態(tài)，鉆孔深度除了鉆機深度計算器控制外，現(xiàn)場技術人員要用測繩對成孔深度進行校驗。根據(jù)勘察報告展示的地層情況，采用分級擴孔策略進行成孔作業(yè)，先用小直徑取芯鉆頭和撈砂鉆頭配合鉆至設計孔深，再用較大直徑鉆頭和撈砂鉆頭配合進行二級擴孔鉆進，直到滿足設計樁徑和設計孔深后，二級擴孔鉆進工序結束，繼而實現(xiàn)旋挖鉆機成孔作業(yè)的最終目的。在安設鋼筋籠和下設導管前要進行第一次清孔，將已經(jīng)達到設計深度的終孔內沉淀物進行清理。

（6）鋼筋籠運輸和現(xiàn)場吊裝。鋼筋籠運輸過程中重點控制項目是確保鋼筋籠骨架在運輸過程中不出現(xiàn)彈性變形，由于該立交橋項目鋼筋籠加工區(qū)域與樁基施工區(qū)域有一定距離，所以采用汽車運輸鋼筋籠。為了確保鋼筋骨架在運輸過程中不出現(xiàn)彈性變形，在每一個加筋位置均設置高度相同的支撐點。采用汽車吊進行鋼筋籠下設，鋼筋籠采用三點起吊，第一吊點設置在鋼筋籠下部箍筋處，第二和第三吊點設置在鋼筋籠1/3 長度和鋼筋籠1/2 長度之間的同一個箍筋圈的對稱位置。起吊過程要緩慢完成，確保鋼筋籠在起吊過程不出現(xiàn)任何變形。在孔內下放鋼筋籠的過程應徐徐放下且不能出現(xiàn)左右旋轉的動作，切記不可以碰觸孔壁。如果在下設過程中出現(xiàn)鋼筋籠卡頓或者停止下落的情形，要立即查明原因后采取有效處理措施，不能提高鋼筋籠后猛然下放。用孔口標高來控制定位鋼筋的長度，該立交橋項目采用螺紋鋼筋懸掛護筒的方式來進行鋼筋籠定位，其目的是為了防止鋼筋籠出現(xiàn)掉籠或者將來正式灌注時出現(xiàn)浮籠的情形。安設好的鋼筋籠中心要與樁位中心一致，校對二者中心位置一致后再焊接定位鋼筋進行固定。

（7）導管下設與安裝。在鋼筋籠安設完畢后緊接著進行導管下設工作，同樣是用下設鋼筋籠的汽車吊對每段導管進行起吊安裝并下設，安設完畢后的導管最下端距離孔底距離為0.5 m。當導管安設完畢后要第一時間進行孔底沉渣測量。如果孔底沉渣超過規(guī)范要求，要立即進行二次清孔，經(jīng)現(xiàn)場技術人員和旁站監(jiān)理工程師確認后方可進行灌注作業(yè)，灌注前要拆除吸泥彎頭。為了防止塌孔，在導管下設完畢后的6 h 內要完成混凝土灌注作業(yè)。

（8）混凝土灌注?；炷凉嘧㈤_始后要持續(xù)灌注直到灌注結束，中途不能停止灌注，如確需等料，也不能超過混凝土初凝時間。灌注過程中要勤測量孔內混凝土面深度，每隔0.5 h 測量一次最佳。根據(jù)每次測量的混凝土面深度，及時準確指導施工人員進行導管的拆除工作。此外，混凝土的初灌量控制情況是灌注工作成敗的關鍵，根據(jù)該立交橋樁基礎施工項目特點，工程初灌后導管埋在混凝土內的深度不能少于0.8 m，根據(jù)要求設計了一個體積為4.5 m3的大料斗來保證該項目的初灌量要求。

2 旋挖鉆機成孔工藝特點分析

通過旋挖鉆機在該立交橋樁基礎施工項目的成功應用，可以得出旋挖鉆機在公路橋梁樁基礎施工過程中具有以下3 個特點：

（1）旋挖鉆機成孔速度快。該項目成孔采用分級成孔，其中第一級成孔采用的是巖石取芯鉆頭，該鉆頭無論是鉆齒的布置設計還是鉆齒的結構設計均參考巖石破碎原理，可以對巖層進行直接施工鉆進，所以大大提高了施工效率。

（2）旋挖鉆機施工質量控制的優(yōu)勢突出。該立交橋樁基礎施工項目為旋挖鉆機配備了3 m 長的護筒，在施工人員輔助的前提下，旋挖鉆機可以自行埋設護筒，這就將樁孔四周的回填土對孔口的不利影響降到最低。旋挖鉆機具備較為成熟的水下灌注混凝土的施工工藝，可以將成孔過程中的沉渣阻擋在護筒外，即便成孔過程中出現(xiàn)少量沉渣，水下灌注前的清孔作業(yè)也會將沉渣通過泥漿運輸?shù)娇淄狻Ｐ阢@機本身集合了較為先進的科學技術，在成孔過程中可以自行精準控制鉆桿的垂直度、成孔深度以及樁底巖層情況檢驗等。旋挖鉆機成孔過程產(chǎn)生的沉渣較少，節(jié)省了大量的清孔時間，保證了混凝土灌注樁的成樁質量。

（3）旋挖鉆機機動能力強，履帶底盤可以在各種復雜地層行走。旋挖鉆機的施工現(xiàn)場較為干凈，旋挖鉆機除了濕作業(yè)法外，只要地下水位滿足要求，在巖層地區(qū)還可以進行干作業(yè)法。旋挖鉆機的干作業(yè)法不僅降低了水資源的浪費還避免了泥漿對施工區(qū)域的污染。

3 結束語

根據(jù)旋挖鉆機在遼寧某立交橋樁基礎施工中的成功應用，充分體現(xiàn)了旋挖鉆機在橋梁樁基礎數(shù)量多且分散情況下的機動優(yōu)勢。經(jīng)過施工完畢后的樁基檢測結果可知，旋挖鉆機的成孔質量較高。旋挖鉆機可以根據(jù)不同地層情況，選用不同類型的鉆具進行鉆孔作業(yè)。此外，根據(jù)地下水情況，可以選用旋挖鉆機干作業(yè)法和旋挖鉆機濕作業(yè)法，為不同地質條件提供了更加經(jīng)濟安全的施工作業(yè)保障。