旋挖鉆技術(shù)在特大橋樁基施工中的應(yīng)用探討

劉 磊

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100000）

旋挖鉆是一種適合建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工工藝，近年來，隨著我國大扭矩旋挖鉆機(jī)技術(shù)的不斷成熟以及成功的工程施工案例，旋挖鉆技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市基礎(chǔ)建設(shè)、道路交通建設(shè)等多方面基礎(chǔ)施工工程[1-3]。旋挖鉆工藝是將挖土、卸土作業(yè)流程集聚一身的施工方法，大大提升了鉆孔效率，在施工過程中，鉆頭在孔底和地表區(qū)間往返，形成的孔壁較為粗糙，孔內(nèi)護(hù)壁注漿后，漿體和孔壁之間的相互咬合作用強(qiáng)，樁空穩(wěn)定性高。多項(xiàng)工程實(shí)例驗(yàn)證，旋挖鉆施工工藝對巖性強(qiáng)度的適應(yīng)性強(qiáng)，甚至可以滿足80 MPa 以上巖石地層施工需求，且成孔質(zhì)量和成孔效率高，已成為大型樁基施工最為主流的工程設(shè)備[2-4]。

1 工程概況

本文以安徽阜陽某特大鐵路橋施工為例，大橋總長近4 220 m，位于黃泛沖積平原區(qū)、山前沖積平原區(qū)，由歷年黃河泛濫泥沙沉積而成，地勢較平坦開闊，略有起伏，地勢由西北向東南傾斜，地面高程20~32 m，后期受黃河故道影響較大，沿線基本為農(nóng)田，村舍、水塘、溝渠零星分布，水系、河渠縱橫。地層為素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、黏土包含了能反映標(biāo)段鉆孔樁的地層，具有代表性。由于工程施工及生產(chǎn)井混合取水影響，故各含水層已混合水位，水質(zhì)趨同，按照設(shè)計(jì)圖說明，勘察期間測得鉆孔內(nèi)混合地下水位埋深1~6 m，高程20.11~30.14 m。管段內(nèi)主要負(fù)責(zé)橋梁下部結(jié)構(gòu)、83 m+128 m+83 m 連續(xù)梁、6 m×32 m 道岔連續(xù)梁、5 m×32 m 變寬連續(xù)梁、部分橋面系、附屬工程。主要工程數(shù)量：鉆孔灌注44 500.5 m/934 根，承臺18 371.575 m3/112 個，墩臺身19 952.5 m3/112 個，特殊結(jié)構(gòu)11 831.56 m3/3 聯(lián)（83 m+128 m+83 m 連續(xù)梁1 聯(lián)、6 m×32 m 道岔連續(xù)梁1 聯(lián)、5 m×32 m 變寬連續(xù)梁1 聯(lián)）。

2 旋挖鉆施工工藝及流程管控

本次施工采用YTR230D 型號旋挖鉆4 臺，YTR230D 型號履帶式旋挖鉆機(jī)是宇通重工旋挖鉆機(jī)創(chuàng)新的產(chǎn)品之一，最大鉆孔直徑2 000 mm、最大鉆孔深度52/68 m、最大輸扭矩230 kN·m、最大轉(zhuǎn)速35 r/min、最大起拔力230 kN，是集沖擊入巖、高速甩土、螺旋鉆機(jī)和多檔控制等多種功能于一體的入巖旋挖鉆機(jī)。該鉆機(jī)施工能力較強(qiáng)，適用范圍較為廣泛，可以針對不同施工區(qū)域和環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)配置的調(diào)節(jié)。旋挖鉆施工工藝流程，如圖1 所示。

圖1 鉆孔樁施工工藝流程圖

2.1 場地平整及測量放線

旋挖鉆機(jī)就位底部墊平，保持穩(wěn)定，不得產(chǎn)生位移和沉陷，采用松軟地基換填法，換填磚渣，鉆機(jī)履帶底墊鋼板，鉆頭在樁位中心偏差不得大于20 mm。旋挖鉆機(jī)垂直度控制主要利用自動控制系數(shù)對中，控制參數(shù)顯示屏顯示，當(dāng)液晶顯示屏上紅點(diǎn)位于十字絲中心時(shí)，鎖定機(jī)身，鉆孔過程中根據(jù)對中情況控制垂直度。

2.2 護(hù)筒埋設(shè)

1）護(hù)筒采用鋼板制作，護(hù)筒內(nèi)徑大于等于樁徑0.2～0.3 m。護(hù)筒長度宜保證鉆孔樁穩(wěn)定為標(biāo)準(zhǔn)，壁厚一般為8 ～12 mm。岸灘上砂類土應(yīng)不小于2 m，如果巖層較為松軟，需將護(hù)筒壓深致松軟層下的堅(jiān)硬土層內(nèi)，至少0.5 m。岸灘上埋設(shè)護(hù)筒時(shí)，應(yīng)在護(hù)筒四周回填黏土并分層夯實(shí)。

2）水中筑島時(shí)，護(hù)筒宜填埋入河床面以下1 m，對有沖刷影響的河床，護(hù)筒底宜進(jìn)入一般沖刷線以下不少于1.0 m。必要時(shí)打入不透水層。在水中平臺上下護(hù)筒時(shí)，應(yīng)有導(dǎo)向設(shè)備控制護(hù)筒位置。

3）護(hù)筒頂面中心與設(shè)計(jì)樁位偏差不得大于5 cm，其傾斜度應(yīng)不大于1%。

4）護(hù)筒頂標(biāo)高，應(yīng)高出施工水位或地下水位2 m，在旱地或筑島時(shí)還應(yīng)高出施工地面0.5 m。

5）以1.25 m 直徑樁基為例，選用的鋼護(hù)筒壁厚為8 mm，長度為3 m，直徑為1.5 m，利用旋挖鉆1.25 m 的鉆頭對準(zhǔn)樁位中心，調(diào)整好機(jī)械，從原地面往下鉆進(jìn)2 m，用旋挖鉆吊住鋼護(hù)筒放入坑內(nèi)，過程中利用護(hù)樁與護(hù)筒周邊距離控制護(hù)筒的垂直度，徐徐下放，對中后，用旋挖鉆把護(hù)筒壓入土層內(nèi)，外漏50 cm 高。鋼護(hù)筒就位完成后，再用鋼卷尺復(fù)核一遍，若仍存在偏差大于1 cm，則按以上步逐重新進(jìn)行調(diào)整。完成后用挖機(jī)把護(hù)筒壓下0.5 m，護(hù)筒頂高于原地面50 cm，防止鉆進(jìn)過程中雜物落入孔中。

2.3 鉆機(jī)安裝就位

旋挖鉆機(jī)就位時(shí)與平面最大斜度小于等于1%，鉆桿中心與護(hù)筒中心偏差不得大于5 cm。鉆機(jī)平臺周圍必須平整、密實(shí)。鉆機(jī)就位后的底座和頂端必須平穩(wěn)，在鉆進(jìn)過程中不得產(chǎn)生位移或沉陷，否則應(yīng)及時(shí)處理。鉆桅的垂直度要控制在0.2°以內(nèi)。動力頭和鉆桅的間隙不能太大。鉆桿的隨動架中心應(yīng)與動力頭中心保持一致。鉆桿和鉆頭的方向不能傾斜。鉆桅垂直度通過鉆機(jī)自身垂直檢測系統(tǒng)控制，并輔以人工測量傾斜量。

2.4 泥漿制備

泥漿池分循環(huán)池與沉淀池，尺寸能滿足單根樁排漿量的需求為準(zhǔn)，尺寸暫按工藝試驗(yàn)確定的7m×6m×2 m開挖，具體尺寸根據(jù)實(shí)際排漿量來確定。對松散易坍地層因無法放坡采用鋼套箱作為泥漿池，泥漿池外防護(hù)采用1.8m×1.2 m 黃色制式柵欄網(wǎng)封閉，柵欄網(wǎng)用膨脹螺栓固定于硬化地面上，泥漿池內(nèi)M20 砂漿，并懸掛安全警示牌。

泥漿的性能指標(biāo)對鉆孔中的護(hù)壁效果和成孔質(zhì)量有很大影響，在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿性能指標(biāo)，選用優(yōu)質(zhì)膨潤土或黏土等配制優(yōu)質(zhì)泥漿。根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整泥漿性能，泥漿性能指標(biāo)如下。

1）泥漿比重：一般地層為1.05~1.15，松散易坍1.1~1.15。

2）黏度：一般地層16~22 s，松散易坍地層19~28 s。

3）含砂率：新制泥漿小于等于4%。

4）膠體率大于等于95%。

5）pH 大于6.5。

泥漿池考慮兩墩樁共用，就近布置，用挖掘機(jī)開挖泥漿池，泥漿池和沉淀池應(yīng)分開，但泥漿池和沉淀池互相連通，并于護(hù)筒口處開挖泥漿溝通至沉淀池。

2.5 鉆孔

1）旋挖鉆機(jī)鉆頭在黏性土、粉土、填土、中等密實(shí)以上的砂土地層可選用回轉(zhuǎn)鉆頭。

2）旋挖鉆機(jī)開孔施工應(yīng)輕壓慢進(jìn)，鉆頭轉(zhuǎn)速應(yīng)小于等于10 r/min，待主動鉆桿全部進(jìn)入孔后，方可逐步加速進(jìn)行正常鉆進(jìn)。

3）渣樣留取土層每2 m 和地層變化處取樣一次，渣樣用透明塑料袋裝好貼好標(biāo)簽，記錄鉆孔深度、渣樣名稱、樁號等信息。鉆孔過程中應(yīng)詳細(xì)及時(shí)記錄并對設(shè)計(jì)地質(zhì)與實(shí)際地質(zhì)進(jìn)行對比，記入記錄表，并與設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)剖面圖相對照，如有地質(zhì)不符，及時(shí)與監(jiān)理設(shè)計(jì)聯(lián)系，核查地質(zhì)，確認(rèn)后再進(jìn)行下步施工。渣樣應(yīng)編號儲存，以便分析備查。鉆進(jìn)過程中還應(yīng)經(jīng)常抽取檢查泥漿指標(biāo)，注意地層變化，以便及時(shí)對不同地層調(diào)整泥漿比重。泥漿比重、含砂率、黏度的標(biāo)準(zhǔn)按照泥漿性能參數(shù)進(jìn)行。

4）旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中需遵循的相應(yīng)規(guī)定：①在鉆孔過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場鉆孔地質(zhì)條件的變化及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)速度、增加掃孔次數(shù)等，以免出現(xiàn)卡鉆和埋鉆等異常情況，不同層位鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)要求等應(yīng)當(dāng)符合設(shè)計(jì)要求。②除了控制鉆進(jìn)速度，還應(yīng)當(dāng)對鉆頭升降的速度進(jìn)行嚴(yán)格控制，降低鉆頭在鉆進(jìn)升降過程中對鉆孔的擾動，保證鉆孔成孔質(zhì)量以及一次成孔。

2.6 成孔

1）樁孔達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，成孔后由測量員校驗(yàn)孔位中心是否符合設(shè)計(jì)要求，用檢孔器對孔徑和傾斜度進(jìn)行檢查，檢孔器長度為樁基礎(chǔ)直徑的4～5 倍且不宜小于6 m，兩端宜制成錐形，錐形高度不宜小于檢孔器半徑。孔深采用標(biāo)準(zhǔn)測繩直接測量，孔深沿孔周進(jìn)行測量。鉆孔樁鉆孔允許偏差見表1。

表1 鉆孔樁鉆孔允許偏差

2.7 清孔

1）現(xiàn)場對鉆孔垂深進(jìn)行及時(shí)量取，當(dāng)垂深達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定后，為了保證鉆孔質(zhì)量，必須及時(shí)進(jìn)行孔內(nèi)沉渣清理。

2）清孔標(biāo)準(zhǔn)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求：清孔完成的質(zhì)量把關(guān)是基于孔內(nèi)排除或抽出的泥漿不含較大顆粒的砂巖，且黏結(jié)度符合設(shè)計(jì)要求；以不大于5 cm 控制，摩擦樁在連續(xù)梁處沉渣厚度不大于5 cm，在簡支梁處不大于20 cm。

3）清孔時(shí)，注意保持孔內(nèi)泥漿面高度始終在地下水位或河流水位以上1.5～2.0 m，以及泥漿比重是否合適，防止坍孔縮孔。

4）當(dāng)從孔內(nèi)取出泥漿（孔底、孔中、孔口）測試值的平均值與凈化泥漿相近，測量孔底沉渣厚度不大于設(shè)計(jì)要求時(shí)，即停止清孔作業(yè)，放入鋼筋籠進(jìn)行水下混凝土灌注。

2.8 聲測管和導(dǎo)管安裝

完成鋼筋籠制作安裝，對樁基進(jìn)行聲測管和導(dǎo)管安裝。

1）樁基聲測管采用Φ50 mm×3.0 mm 的無縫鋼管，每根樁基埋設(shè)3 根聲測管，用∩筋固定于主筋上，沿加強(qiáng)箍筋內(nèi)側(cè)等間距均勻布置，每根聲測管下端距樁底5 cm，伸出樁頂50 cm，聲測管接頭及底部應(yīng)密封好，頂部采取措施防止砂漿雜物堵塞管道。

2）導(dǎo)管直徑采用D300 mm，中間節(jié)長度3 m，底節(jié)為4 m。導(dǎo)管安裝前應(yīng)檢查其內(nèi)壁光滑度，灌注前做導(dǎo)管抗拉及水密性試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可使用。導(dǎo)管組裝后軸線偏差不宜大于孔深的0.5%，亦不宜大于10 cm；試壓的壓力宜為孔底靜水壓力的1.5 倍。

首批混凝土灌注前導(dǎo)管底口距孔底一般為30～50 cm。要保證混凝土在漏斗和儲量斗內(nèi)的初始存儲量，這就要求兩者需要有足夠的混凝土存儲容量，并且能夠使導(dǎo)管在初始混凝土灌注后埋入深度在1~3 m。首批灌注砼的數(shù)量公式（樁徑D=1.25 m），見式（1）

式中：h1＝Hwrw/rc；導(dǎo)管底口與孔底的距離為0.3~0.5m，H1表示砼樁底到導(dǎo)管底口的高度，取0.4 m；H2表示首批灌注砼的最小深度（導(dǎo)管底口到砼面的高度）為1 m；h1表示泥漿底部到砼面的高度，保證導(dǎo)管埋入砼中的深度不小于1 m；Hw為井孔內(nèi)水或泥漿的深度；rw為井孔內(nèi)水或泥漿的重度；rc為砼拌和物的重度。

2.9 二次清孔及灌注

二次清孔的目的是彌補(bǔ)在首次混凝土灌注后，導(dǎo)管的孔底沉渣厚度沒有按照設(shè)計(jì)要求施設(shè)。在清孔過程同時(shí)向護(hù)筒內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充灌注設(shè)計(jì)泥漿，完成后應(yīng)當(dāng)對清孔質(zhì)量進(jìn)行樣本檢測，檢測合格后方能進(jìn)行混凝土的水下灌注。為了保證泥漿在灌注之前不發(fā)生因長時(shí)間靜止出現(xiàn)沉淀等現(xiàn)象，在泥漿的運(yùn)輸和灌注等待時(shí)間內(nèi)，應(yīng)當(dāng)保持泥漿一直處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)?；炷磷钌贁?shù)量由計(jì)算確定，滿足導(dǎo)管初灌埋深不小于1.0 m的要求。后續(xù)灌注采用攪拌車連續(xù)不斷地送料，導(dǎo)管埋深控制在2～6 m。

3 質(zhì)量控制

3.1 樁基檢測

樁身強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%及以上且樁身強(qiáng)度不低于15 MPa，可按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行樁身完整性檢測，檢測方法采用超聲波檢測或低應(yīng)變檢測。樁基檢測分為2 種檢測方式，樁徑大于等于2 m 或樁長大于40 m采用超聲波檢測，樁長小于等于40 m 采用低應(yīng)變檢測。

3.2 質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

鉆孔灌注樁鉆孔允許偏差和檢驗(yàn)方法見表2。

表2 鉆孔灌注樁鉆孔允許偏差和檢驗(yàn)方法

3.3 施工過程易發(fā)生情況及應(yīng)對措施

1）旋挖鉆機(jī)鉆孔過程中擾動大，容易發(fā)生塌孔情況。旋挖鉆孔采用的泥漿護(hù)壁方法屬于靜態(tài)護(hù)壁，鉆孔壁上所依附形成的泥漿壁較薄，所以對鉆孔的保護(hù)效果較差，尤其在鉆孔巖層屬于砂卵層的時(shí)候這種現(xiàn)象尤為明顯，再加上旋挖鉆孔工藝鉆孔施工效率高、采用旋挖鉆斗直接出渣，所以本身鉆孔內(nèi)土層的穩(wěn)定性就相對較差。為此，應(yīng)當(dāng)針對鉆孔設(shè)計(jì)要求及地質(zhì)條件采取相應(yīng)的預(yù)防措施：首選做好鉆孔鉆進(jìn)速度的控制和優(yōu)化調(diào)整；選擇符合地層地質(zhì)條件要求的泥漿配比材料；及時(shí)調(diào)整鉆孔護(hù)筒的長度，確保護(hù)筒長度能夠深入到基巖層內(nèi)，對鉆孔起到抗干擾的作用；降低孔內(nèi)、孔外周邊環(huán)境的施工干擾。

2）成孔后軟土地層易發(fā)生縮孔。軟土層內(nèi)鉆孔成型度較弱，鉆孔初始成型后，軟土層因其自身地質(zhì)屬性容易造成鉆孔周邊圍巖向鉆孔侵蝕；旋挖鉆機(jī)成孔采用的泥漿相對其他鉆機(jī)來說比重低，故對孔壁產(chǎn)生的力相對較小。預(yù)防措施：①在軟土層施工，應(yīng)當(dāng)提前考慮軟土層對初始鉆孔的侵蝕，選擇合適的鉆頭盡量擴(kuò)大鉆孔開挖直徑，在初始鉆孔受地層侵?jǐn)_后仍舊滿足設(shè)計(jì)需求；②適當(dāng)加大泥漿比重；③盡可能地縮短澆注前的操作時(shí)間。

4 結(jié)束語

旋挖鉆機(jī)應(yīng)用于樁基成孔施工，可以有效提升鉆孔效率和質(zhì)量，但旋挖鉆機(jī)成孔各項(xiàng)指標(biāo)要求較高，且鉆機(jī)成孔抗擾動能力差：必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清孔，若孔底沉碴厚度不滿足設(shè)計(jì)要求，利用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔；必須對樁基強(qiáng)度及樁徑、樁長等進(jìn)行檢測；泥漿指標(biāo)要求較高，在鉆進(jìn)過程中選擇合適的鉆進(jìn)速度及控制好泥漿配比，避免發(fā)生坍孔事故。除此之外，在施工過程中，要做好施工平臺監(jiān)測、鉆頭磨損監(jiān)測、施工工藝管控等工作，以免成孔傾斜、孔位偏移、孔彎及擴(kuò)孔等現(xiàn)象發(fā)生。