旋挖鉆機(jī)成孔工藝特點及在江西昌樟高速公路改擴(kuò)建藥湖大橋樁基施工中的應(yīng)用
2017-03-20
旋挖鉆機(jī)是一種適合在建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械，具有裝機(jī)功率大、輸出扭矩大、軸向壓力大、機(jī)動靈活、施工效率高等特點，適應(yīng)我國大部分地區(qū)的土壤地質(zhì)條件。它廣泛應(yīng)用于鐵路、公路橋梁、市政建設(shè)、高層建筑等地基礎(chǔ)鉆孔灌注樁工程。
一、旋挖鉆機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用情況
旋挖鉆機(jī)是在第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的新型鉆孔設(shè)備。我國從上世紀(jì)80年代始引進(jìn)吸收，但一直沒有取得太大的進(jìn)展。直到2001年國家重點工程青藏鐵路大規(guī)模施工啟動后，由于青藏鐵路施工地層很多是永凍的土層、砂礫、不規(guī)則泥頁巖、還有軟硬互層灰?guī)r，有的凍土層厚度達(dá)百米以上，適宜用旋挖鉆成孔工藝進(jìn)行施工，中鐵集團(tuán)開始在青藏鐵路上大面積推廣應(yīng)用旋挖鉆進(jìn)行樁基成孔。至此，旋挖鉆成孔施工工藝在國內(nèi)較大范圍內(nèi)迅速推廣，但由于旋挖鉆成孔施工工藝尚屬新推廣應(yīng)用的工藝，至今尚無統(tǒng)一的施工技術(shù)規(guī)范。
二、旋挖鉆機(jī)的機(jī)械構(gòu)造簡介
目前，國內(nèi)生產(chǎn)旋挖鉆廠家十余家，主要有徐工科技、湖南山河智能、三一重工等。國外主要生產(chǎn)商有德國寶峨、意大利土力、日本日立等。國內(nèi)產(chǎn)品同發(fā)達(dá)國家的同類產(chǎn)品相比還有一定的差距，如鉆桅垂直度自動控制技術(shù)、孔深熒屏顯示系統(tǒng)等智能控制技術(shù)等，但其機(jī)械構(gòu)造大同小異。其大體構(gòu)造見下圖。
三、旋挖鉆機(jī)的主要工藝性能簡介
旋挖鉆機(jī)一般適用于粘土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含部分卵石、碎石的地層，對于大扭矩動力和自動內(nèi)鎖式伸縮鉆桿的鉆機(jī)，可以適應(yīng)微風(fēng)化巖石的施工，如德國寶峨BG20旋挖鉆機(jī)地層適應(yīng)能力就比較強(qiáng)，使用嵌巖鉆頭可鉆進(jìn)單軸抗壓強(qiáng)度超過100Mpa的巖石，在國內(nèi)已有多次鉆進(jìn)強(qiáng)度超過70Mpa的巖石。目前旋挖鉆機(jī)的最大鉆孔直徑為3米，最大鉆孔深度可達(dá)120米。尤其值得一提的是通過將護(hù)筒與鉆桿聯(lián)結(jié)后，旋挖鉆機(jī)可將護(hù)筒旋沉到所需位置，這對于解決南方厚淤泥層或流沙地質(zhì)條件下的樁基礎(chǔ)成孔施工有重大意義。
旋挖鉆成孔是通過動力系統(tǒng)帶動底部帶有活門的桶式鉆斗的回轉(zhuǎn)或螺旋鉆頭的旋切，直接將土旋入鉆頭內(nèi)，然后再由鉆機(jī)提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，如此循環(huán)往復(fù)，直至成孔。旋挖鉆機(jī)主要是通過科學(xué)選擇鉆頭及合理使用鉆頭來適應(yīng)不同地層的施工。旋挖鉆機(jī)的鉆頭種類主要有以下幾類：螺旋鉆頭、旋挖斗、筒式取芯鉆頭、擴(kuò)底鉆頭、沖擊鉆頭、沖抓錐鉆頭和液壓抓斗等，同時每類鉆頭又可根據(jù)不同的構(gòu)造細(xì)分成若干種。
四、旋挖鉆機(jī)在藥湖大橋樁基成孔的應(yīng)用情況簡介
藥湖大橋橋墩樁基樁徑均為φ150的摩擦樁，樁長從26m至35m不等。水上樁施工平臺采用填土筑島圍堰。本標(biāo)段路線展布于南昌市新建縣與豐城市梅林鎮(zhèn)交界處，橋址為沖湖積平原地貌，地層結(jié)構(gòu)簡單。主要地層為淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粗砂、圓礫；下伏基巖為泥質(zhì)砂巖夾泥巖。
（1）淤泥：灰色，飽和，流塑狀，含少量粉細(xì)砂，含腐殖及鐵錳氧化物。
（2）粘土：黃色，濕，硬塑狀，粘性強(qiáng)，手感細(xì)膩，刀切面光滑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。
（3）礫砂：灰褐色，砂質(zhì)不純凈，含較多粘性土。
?。?）圓礫：灰黃色，亞圓狀，成分以砂巖為主，充填砂和少許粘性土。
?。?）中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖：褐紅色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀結(jié)構(gòu)。遇水易軟化，風(fēng)干易開裂，巖心多呈柱狀夾短柱狀、碎塊狀。
4.1旋挖鉆機(jī)與沖擊機(jī)或回轉(zhuǎn)機(jī)性能比較
與傳統(tǒng)的沖擊鉆或回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、泥漿循環(huán)護(hù)壁成孔技術(shù)相比，旋挖鉆進(jìn)無論從技術(shù)上還是設(shè)備上都具有很多優(yōu)點。
（1）設(shè)備性能先進(jìn)，自動化程度高，勞動強(qiáng)度低旋挖鉆機(jī)為履帶式全液壓自行式鉆機(jī)，采用全套液壓系統(tǒng)，有些還配備先進(jìn)的電腦操作系統(tǒng)，鉆桿盤配備有兩條鋼絲繩，可以吊運(yùn)一定的重物。旋挖鉆機(jī)機(jī)、電、液一體化高度集中，結(jié)構(gòu)緊湊，操縱靈活方便，時間利用率高。
（2）鉆進(jìn)效率高，旋挖鉆機(jī)可根據(jù)地層情況配置不同的鉆頭，在粘性土層可使用長鉆筒，加快鉆進(jìn)速度；對于砂卵石含量較大的地層可使用短鉆筒，配置泥漿護(hù)壁，控制鉆速；對于含孤石、漂石及較硬巖石地層可換用長、短螺旋鉆頭進(jìn)行處理，松動后再換上鉆筒繼續(xù)鉆進(jìn)。一般情況下，在土層、砂層的鉆進(jìn)速度可達(dá)8m/h，在粘土層可達(dá)4.6m/h，是普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的3.5倍，甚至更高。在強(qiáng)風(fēng)化巖層（如強(qiáng)風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，強(qiáng)度不超過800KPA），與普通回旋鉆相比，優(yōu)勢更加明顯，旋挖鉆的鉆進(jìn)速度可達(dá)1～2米/小時。
?。?）成孔后不須清孔，可直接安裝鋼筋籠，進(jìn)行砼澆注。
?。?）成樁質(zhì)量好，旋挖鉆進(jìn)對地層擾動小，孔壁泥皮薄，形成的孔壁為粗糙，有利于增加樁側(cè)摩阻力，保證樁基設(shè)計承載力。孔底沉渣少，易于清孔，提高樁端承載力。
（5）環(huán)境污染小，旋挖鉆進(jìn)為干式或無循環(huán)泥漿鉆進(jìn)，所用泥漿量僅為正反循環(huán)鉆進(jìn)的l/10―1/20。因而，施工現(xiàn)場整潔，對環(huán)境造成的污染小。同時旋挖鉆進(jìn)振動小，噪聲低。
當(dāng)然旋挖樁機(jī)與回旋樁和沖擊樁相比也有其不足之處：
?。?）設(shè)備價格昂貴，通常情況下，一臺旋挖鉆機(jī)的價格都在400萬元以上，進(jìn)口鉆機(jī)達(dá)上千萬元。
?。?）運(yùn)行成本較高，設(shè)備價格昂貴，其運(yùn)行成本自然就會較高。根旋挖鉆機(jī)的全負(fù)荷正常工作壽命為6300h，維修費用高，尤其是卷揚(yáng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)主泵、動力頭以及鉆桿等，這些部件都比較貴，損壞后更換時間也較長。這就使得旋挖鉆機(jī)在實際使用中的運(yùn)行成本大大增加。
?。?）施工場地的制約，旋挖鉆機(jī)施工的工程場地要開闊、平整。旋挖鉆機(jī)設(shè)備較重，一套設(shè)備一般要達(dá)到幾十噸甚至上百噸，所以對場地要求比較高，場地須有一定硬度，以免鉆機(jī)沉陷。不能在地表松散、泥濘、沒有夯實的場地施工。 （4）施工地層的制約，旋挖鉆進(jìn)適宜于土層、砂層，以及較松散的、粒徑較小的卵礫石層，在粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土等粘性土層鉆進(jìn)效果最佳。而在淤泥層、硬巖層、較致密的卵礫石、孤石層施工比較困難，并容易發(fā)生孔內(nèi)事故和機(jī)械事故，體現(xiàn)不出旋挖鉆進(jìn)的優(yōu)越性。
4.2實例說明
為了能更好地說明旋挖鉆在藥湖大橋樁基成孔施工中體現(xiàn)出來的優(yōu)勢，現(xiàn)以藥湖大橋428-Z號墩樁基成孔實例進(jìn)行說明。428-Z號墩樁基設(shè)計樁長30米，其中428-Z-A用旋挖鉆施工，428-Z-B用沖擊鉆施工。
（1）地質(zhì)情況見下表
?。?）挖鉆與沖擊鉆鉆進(jìn)效率對比
旋挖鉆與沖擊鉆鉆進(jìn)效率對比如下表
結(jié)論：就成孔速度對比，旋挖鉆的成孔速度約為沖擊鉆的17.9倍。
?。?）旋挖鉆與沖擊鉆費用對比表
說明：旋挖鉆成孔費用為500元/米（綜合單價包電費），配套機(jī)械主要指轉(zhuǎn)運(yùn)棄渣用的機(jī)械。沖機(jī)鉆成孔費用為402元/米（綜合單價不含電費）。
通過以上費用對比，在藥湖大橋的施工中，旋挖鉆的成孔費用要比沖擊鉆高約0.4%左右。
從效益和經(jīng)濟(jì)上考慮，旋挖鉆都有利于沖擊鉆機(jī)施工。效率高，經(jīng)濟(jì)適用。
4.3旋挖鉆成孔施工注意事項
旋挖鉆成孔后的澆注工藝與普通水下灌注樁工藝基本相同，在此不再詳細(xì)介紹。
旋挖鉆成孔施工工藝通過在藥湖大橋的應(yīng)用，我們總結(jié)了以下施工須關(guān)注的施工注意事項：
4.3.1場地平整硬化。旋挖機(jī)自重達(dá)60-100t左右，對作業(yè)平臺的地基承載力要求較高，開鉆前須對作業(yè)場地進(jìn)行必要平整硬化。本工程施工平臺采用填土筑島圍堰，旋挖機(jī)施工處須墊上2-3cm的鋼板，否則鉆進(jìn)過程中極易造成平臺下沉從而導(dǎo)致將樁位擠偏，垂直度也難以保證。墊上鋼板也能確保施工安全。
4.3.2護(hù)筒埋設(shè)及拔除。旋挖鉆機(jī)有成孔效率高的特點，而且是鉆心取土，孔內(nèi)護(hù)壁不比沖擊鉆機(jī)的密實，成孔后留置時間不宜太長，容易造成塌孔，為此藥湖大橋特選用鋼護(hù)筒作為孔內(nèi)松散土質(zhì)的孔內(nèi)護(hù)壁。藥湖大橋護(hù)筒內(nèi)直徑為1.6m，采用厚度10mm的鋼板制作，長度為2～3m一節(jié)。本工程淤泥層一般在1～5米之間，所以采用的護(hù)筒長度在2～6米。鋼護(hù)筒的長度可隨著淤泥層厚度的加深而加深，并可專門配置一臺振動錘進(jìn)行鋼護(hù)筒的振入和拔除回收工作，以解決厚淤泥層的施工問題。護(hù)筒埋設(shè)鋼護(hù)筒時，采用較大口徑的鉆頭先預(yù)鉆1m～2m后，提出鉆頭再振動錘將護(hù)筒壓入，在壓護(hù)筒時，需隨時監(jiān)控護(hù)筒的垂直度以及護(hù)筒的偏位情況，已保證鉆機(jī)成孔后的孔的垂直度，并保證樁基偏位在設(shè)計規(guī)范內(nèi)。
在砼澆注完成后，須立即將護(hù)筒拔除。拔除護(hù)筒時須做到平、穩(wěn)，避免對樁頭砼造成太大撓動或?qū)ψo(hù)筒周邊地層造成太大撓動導(dǎo)致樁頭部位出現(xiàn)夾渣或縮徑現(xiàn)象。
4.3.3鉆頭的選用。旋挖鉆機(jī)主要是通過科學(xué)選擇鉆頭及合理使用鉆頭來適應(yīng)不同地層的施工。如果鉆頭選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致進(jìn)尺效率低下，甚至無法成孔。例如粘土層宜選用單層底的旋挖鉆頭；淤泥、粘性不強(qiáng)的土層、沙層、膠結(jié)較差粒徑較小的卵石層宜選用雙層底的旋挖鉆頭；硬膠泥層宜選用單進(jìn)土口的旋挖鉆頭或頭齒直螺鉆頭；膠結(jié)好的卵礫石或強(qiáng)風(fēng)化基巖，宜選用錐形螺旋鉆頭或雙層底的旋挖鉆頭等。
同時在鉆至較硬的巖層時，需注意調(diào)整鉆頭錐角的角度，以加快鉆進(jìn)速度。另外在施工淤泥層或軟塑層時，應(yīng)量采用帶有通氣孔的鉆頭或?qū)︺@頭進(jìn)行改進(jìn)，增設(shè)導(dǎo)流槽，以降低在提升鉆頭過程中產(chǎn)生的內(nèi)外空氣壓力差，避免產(chǎn)生吸鉆現(xiàn)象導(dǎo)致孔壁縮徑、坍塌。
4.3.4泥漿的配制。藥湖地下水豐富，地表層為回填土、淤泥、砂巖、泥巖等，鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中孔壁不穩(wěn)定，在鉆進(jìn)過程中需制作泥漿護(hù)壁。制備泥漿是旋挖鉆機(jī)能否成孔的關(guān)鍵，也是影響鉆孔進(jìn)度和樁基混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。泥漿過稀時不能浮碴影響鉆進(jìn)，過稠時泥漿附在孔壁和鋼筋上，影響樁基混凝土的質(zhì)量。泥漿材料選用膨潤土或粘土、聚丙烯酰胺以及燒堿，泥漿從制漿機(jī)中制作后流入泥漿池內(nèi)，為了防止泥漿沉淀須用泥漿泵將泥漿池中的泥漿不停的循環(huán)。泥漿池中的泥漿立方米泥漿需膨潤土450―500kg，加入適量燒堿可提高泥漿的粘度，實驗證明：這樣的泥漿粘土顆粒懸浮均勻，沉淀少，性能穩(wěn)定，滿足了鉆孔需要。
制漿前，應(yīng)先把粘土塊盡量打碎，泥漿用攪拌機(jī)制成泥漿后流入泥漿池中再使用。泥漿可循環(huán)使用。為了回收泥漿原料和減少環(huán)境污染，均應(yīng)設(shè)置泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)。在鉆進(jìn)過程中，須根據(jù)地層不同情況，來調(diào)節(jié)泥漿稠度。同時應(yīng)選擇造漿能力強(qiáng)、粘度大的粘性土進(jìn)行造漿，以提高泥漿稠度，確保鉆進(jìn)過程不塌孔，不縮孔。
以下是可供參考的泥漿指標(biāo)：
泥漿的合理配制對于孔底沉渣的控制具有非常重要的影響。在藥湖大橋施工過程中，剛開始時由于泥漿配制不合理，導(dǎo)致成孔后孔底沉渣達(dá)到1～2米左右，經(jīng)過用專用的撈渣鉆斗撈渣后，經(jīng)過1個小時左右的靜置，沉渣仍可達(dá)到0.5米以上。雖然理論上經(jīng)過反復(fù)的撈渣可以將孔底沉渣控制設(shè)計要求的30cm內(nèi)，但隨著泥漿濃度的降低，其護(hù)壁的穩(wěn)定性也越來越差，會導(dǎo)致坍孔現(xiàn)象的發(fā)生。因此只有泥漿濃度能夠滿足懸浮細(xì)渣時，孔底的沉渣才能得到有效的控制。
實踐證明當(dāng)泥漿適合時，成孔后澆注前孔底沉渣可以控制在15cm以內(nèi)。在成孔過程中應(yīng)根據(jù)進(jìn)尺及時補(bǔ)漿，將泥漿水頭始終保持在一定的高度。
4.3.5鉆進(jìn)速度的控制。旋挖鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)不同的地層情況來確定鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度， 在開始鉆進(jìn)或穿過軟硬層交界處時，為保持鉆桿豎直，宜緩慢進(jìn)尺。同時在鉆進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度，避免鉆進(jìn)尺度較大，造成埋鉆事故。在鉆進(jìn)過程中如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆進(jìn)時，這時應(yīng)立即提鉆檢查，等查明原因并妥善處理后再鉆，以免導(dǎo)致樁孔嚴(yán)重傾斜、偏移，甚至使鉆桿、鉆具扭斷或損壞。鉆孔時要合理控制鉆斗的升降速度。若鉆機(jī)升降鉆斗時速度較快，鉆斗外壁和孔壁之間的泥漿沖涮孔壁，再加上鉆斗下部產(chǎn)生較大的負(fù)壓作用，造成孔壁頸縮、坍塌現(xiàn)象。所以鉆斗提升時應(yīng)嚴(yán)格控制其速度，經(jīng)現(xiàn)場實踐，鉆斗升降速度宜保持在0.75～0.80m/s。當(dāng)在粉砂層或亞砂土層進(jìn)尺時，其升降速度應(yīng)更加緩慢。
4.3.6成孔后的緊后工序作業(yè)。由于旋挖鉆成孔速度比較快，因而其孔壁的泥皮較薄，穩(wěn)定性比較差，所以成孔其后續(xù)的鋼筋籠安裝、砼澆注等工序必須緊湊，否則如果成孔后等待澆注砼的時間太長，則容易出現(xiàn)坍孔現(xiàn)象。一般情況下如果泥漿懸浮能力比較好，則等待澆注的時間長度可控制在10小時之內(nèi)，最長不宜超過24小時。如果地層中存在較厚粉細(xì)砂層時，則等待澆注的時間應(yīng)進(jìn)一步縮短。在安裝鋼筋籠時應(yīng)謹(jǐn)慎操作，盡量減少對孔壁造成的撓動和破壞，避免因鋼筋籠掛傷孔壁造成局部坍塌甚至大面積塌方。同時在鋼筋籠安裝好后應(yīng)試立即進(jìn)行砼澆注，因為在安裝鋼筋過程中及安裝后，如果等待澆注的時間太長，一但孔底如果出現(xiàn)沉渣超過規(guī)范及設(shè)計要求時，將很難處理，一般情況下采用小型號的專用撈渣鉆斗進(jìn)行孔底清渣，但鋼筋籠根部的沉渣則很難清除干凈。同時在等待澆注的過程中應(yīng)保持泥漿的濃度和均勻性，可按一定的時間間隔用鉆斗對孔內(nèi)的泥漿進(jìn)行攪動，必要時進(jìn)行補(bǔ)漿。
五、結(jié)語
藥湖大橋樁基礎(chǔ)施工歷時5個月，完成樁基施工共投入22臺沖擊鉆和1臺旋挖鉆機(jī)。投入懸挖鉆機(jī)后平均每天成孔從之前的4個提高到8個，大大的提高了樁基礎(chǔ)的施工進(jìn)度，為下部結(jié)構(gòu)的施工奠定了堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)我部實際施工情況對比度，在旋挖鉆可施工的地質(zhì)條件下，旋挖鉆在不大幅增加成孔費用的情況下，能極大地提高施工效率，值得進(jìn)一步推廣。
