旋挖鉆進技術在硬巖層圍護樁施工中的應用

樊延祥

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，116100，大連／／高級工程師）

1 工程概況

1.1 總體概況

寧夏路站是青島地鐵3號線五標明挖車站。為地下雙層雙跨矩形框架結構，為標準島式站臺車站，車站全長154.75m，車站站臺中心里程為K9＋431.479，頂板覆土3.3m，底板埋深16.45m左右，標準段寬度18.8m，設備用房外掛段結構凈寬44.6 m。車站主體采用明挖順作法施工，基坑采用鉆孔灌注樁＋鋼支撐復合支護措施，鉆孔灌注樁采用φ800＠400灌注樁，樁長為19～21m，混凝土為C30。

1.2 地層概況

寧夏路車站主體結構施工范圍內第四系上部土層為人工填土（素、雜）、粉質黏土，下伏基巖為燕山期花崗巖，主要為燕山晚期（γ53）侵入花崗巖為主，部分燕山晚期侵入脈巖，巖性為煌斑巖，呈脈狀穿插其間，于不同巖性接觸帶見有糜棱巖、碎裂巖。強風化帶風化厚度較大，中、微風化巖面起伏較大，依次為強風化花崗巖上亞帶、強風化花崗巖中亞帶、強風化花崗巖下亞帶、中風化花崗巖和微風化花崗巖（見表1）。

表1 巖石厚度統計表

2 施工方法

2.1 成孔設備的選型

根據車站圍護結構、硬巖地層、地下水和周邊環境條件，通過對硬巖地層成孔工藝的鉆進難度、安全風險、設備資源、工效、成本等方面進行比選分析，推薦采用旋挖鉆機或MZ系列搖動式全套管鉆機作為成孔設備。由于MZ系列搖動式全套管鉆機成孔成本高、設備資源較少，最終決定采用旋挖鉆機作為成孔設備進行圍護樁施工。

2.2 施工流程

旋挖鉆機在硬巖地層成孔的基本流程為：樁位放樣，埋設鋼護筒，旋挖鉆機初步就位，然后在技術人員的指揮下進一步調整鉆機垂直度，并使鉆頭中心與樁孔位中心重合，樁機定位要準確、水平、垂直、穩固，鉆機導桿中心線、回旋盤中心線、護筒中心線應保持同一直線，啟動泥漿泵向護筒內補充優質泥漿，鉆頭入孔開始鉆進，鉆進過程中適時補充孔內的泥漿，轉動鉆桿桅桿，將取出的渣土棄于孔外，然后由挖機集中清理堆放。本工程圍護樁均采用泥漿護壁。

2.3 施工過程控制

鉆機施工前，必須對鉆頭直徑、鉆頭磨損情況以及護筒直徑進行檢查，施工過程中設專職管理人員對鉆機鉆進施工進行記錄，包括鉆進深度、地質情況、施工中出現的問題（如漏漿、塌孔）、機械設備狀況等。記錄必須認真、及時、準確、清晰，能為下一步施工提出指導性建議。

旋挖鉆機配備電子控制系統顯示并調整鉆桿的垂直度，同時在鉆桿的兩個側面均設有垂直度儀，在鉆進的過程中有專人負責觀察兩個垂直度儀，同時在平行于基坑一側設置測量儀器，由測量人員負責校核鉆桿垂直度，隨時指揮機手調整鉆桿垂直度。通過電子控制和人工觀察兩個方面來確保鉆桿垂直度，從根本上保證了圍護樁成孔的垂直度。

旋挖鉆進是一個短進尺、多回次的重復循環過程，旋挖鉆機在硬巖地層相對于軟巖地層有回次進尺短、回次時間長的特點，鉆頭隨著鉆入巖層的深度及地層的變化，回轉阻力有增加；由于旋挖鉆機傳動系統中液力變矩器的作用，隨回轉阻力增大其轉速降低，內外鉆桿傳遞扭矩的槽、鍵接觸面上的壓力也隨之增大，這時操縱加壓油缸對鉆桿柱加壓，其壓力可傳到鉆頭，增大鉆頭切入深度；鉆進負荷隨之增大，轉速進一步降低，在很短時間內是切入深度回轉阻力矩逐漸增大，負載和轉速在很大范圍內波動的鉆進過程，這也是旋挖鉆機鉆進的顯著特點。當鉆進至進尺困難的硬巖時，在負荷增大到一定程度后，操縱加壓液壓缸，通過動力頭對鉆桿柱短時間加壓，加壓操作可視情況，重復進行1～2次，當加壓后鉆頭切入量也很小甚至不切入時，應立即提鉆，故鉆進過程中，操作手應密切注視工作艙內的壓力、轉速儀表以及鉆進負荷變化情況，適時加壓、提鉆。

鉆進過程中當鉆進深度從軟巖層變化至硬巖層時，要減速慢進，防止地層變化處出現擴孔現象。

3 旋挖鉆機成孔施工分析

3.1 大功率鉆機施工效率較高

基坑圍護樁分別采用兩臺鉆機施工，型號分別為XLG180型以及SANY SR200型，根據現場施工情況以及施工記錄統計結果分析（見表2），在成孔過程中扭矩小的XLG180型鉆機（最大輸出扭矩＝178kN·m）與扭矩大的SANY SR200型（最大輸出扭矩＝200kN·m）相比，成孔時間平均長0.5～1h，在硬巖地層范圍鉆頭進尺的時間普遍較長，在硬巖地層中成孔時應盡量選擇大功率鉆機進行鉆孔作業施工，成孔時間和質量都可以得到保障。

表2 不同功率鉆機成孔時間表

3.2 不同地層旋挖鉆頭的選用

圍護樁成孔過程中共采用了3種旋挖鉆頭，針對寧夏路站特殊地質情況3種鉆頭均能發揮不同的工效（見圖1）。

圖1 旋挖鉆頭類型照片

耐磨合金鋼鏟式斗齒旋挖鉆頭在現場施工中主要使用于埋深0～11、12m土層，因為此范圍土層基本為回填土層和強風化巖層，所以成孔施工進尺較快，鉆進至中風化石層時，由于其鏟式斗齒不具備切削、壓碎巖石功能，必須更換耐磨合金子彈頭截齒旋挖鉆斗繼續鉆進，耐磨合金子彈頭截齒可將大塊巖石切削、碾碎成可進入鉆斗的小塊；由于本地層巖石抗壓強度較大對鉆頭的磨損情況非常嚴重（成孔一根樁平均需要更換3～4個合金子彈頭截齒（見圖2），而耐磨合金子彈頭截齒裝配、更換比較容易，為施工提供了便利；耐磨合金子彈頭截齒螺旋鉆頭主要使用于旋挖鉆頭進尺困難、巖石塊徑較大且抗壓強度非常高的硬巖地層，當旋挖鉆頭每回次進尺的切入量非常小時，就需要更換螺旋鉆頭，由于螺旋鉆頭的回轉阻力小，可將孔下堆積在一起的大粒徑石塊攪散并利用螺旋鉆頭的葉片及葉片間隙部位將大塊石卡住提出，螺旋鉆頭的使用頻率不高，每孔1～2m可能使用螺旋鉆頭一次。

施工過程中通過對比發現，耐磨合金鋼鏟式斗齒旋挖鉆頭在硬巖層施工進尺速度比耐磨合金子彈頭截齒旋挖鉆頭并沒有顯著的提高，而鏟式斗齒磨損后更換比較困難，而且磨損的速度較快，故后期施工一直采用耐磨合金子彈頭截齒旋挖鉆頭作為旋挖鉆機的主要成孔鉆頭。

圖2 鉆頭使用情況照片

3.3 施工質量好

普通鉆機的機架和鉆桿都比較單薄，旋挖鉆機的鉆桿比普通鉆機粗很多，機架穩固，且旋挖鉆機有自動側斜裝置，鉆塔垂直度及鉆孔深度均有儀表顯示，鉆機底盤可伸縮并可自動整平，因此鉆進時非常穩定，可隨時監視并調整鉆孔的垂直度，能有效地保證鉆孔垂直度。

圍護樁施工完畢后，取主體結構基坑北側東西端的圍護樁作為研究總結對象，對寧夏路站圍護樁施工進行總結。主要統計了40根圍護樁的頂部、底部偏移量，并選取了7根樁對樁身偏移量進行了詳細統計。根據樁頂、樁底的偏移量統計結果以及土方開挖后樁體實際剔鑿情況得出，樁身垂直度施工時整體控制得較好，有個別樁樁體傾斜較大，統計得出樁體傾斜度平均為1.62cm（約1‰，規范要求不大于3‰），根據樁身偏移量的統計結果發現，樁位中心均僅有1～2cm的誤差（規范要求允許偏差為：順軸線方向±50mm，垂直軸線方向＋30－0mm）。

根據統計結果分析得出，圍護樁施工過程中施工人員對旋挖鉆機鉆頭就位、鉆桿垂直度圍護樁樁體尺寸（樁徑）控制措施到位，成樁后質量較好，土體開挖后圍護樁剔鑿量較小，為下一道施工工序節省了時間提高了施工效率。

3.4 適應性強及環保性好

旋挖鉆機是一種適合建筑基礎工程成孔作業的樁工機械。該類鉆機以柴油機為動力，全液壓驅動，履帶行走，底盤可360°回轉，塔架可自行起落，鉆具為4～5層的伸縮鉆桿和鉆斗、螺旋鉆及擴底鉆頭等，具有噪聲低、振動小、扭矩大、多功能、成孔速度快、機動靈活、施工效率高、多種速度調節、電子自動監控、環境污染小等特點。在巖石地層，由于傳統鉆機的自重有限，不可能給鉆頭施加更大的壓力，而旋挖鉆機由于采用動力頭裝置，動力頭的給進力加上鉆桿的重量，鉆進能力強，適于各種土層及硬質巖層，本場地地質條件復雜，但通過精心組織、科學管理，保質保量地完成了施工任務。旋挖鉆機在施工過程中，噪音低、振動小、泥漿用量少，因為該機僅用泥漿護壁，而不用泥漿排渣，鉆渣流動性小，可進行集中堆放，利于現場文明施工，機械化程度高，便于管理。施工現場無需提供大功率電源，鉆機的所有動力來源于隨機的柴油發動機，鉆機的行走移動全部由自帶的柴油發動機輸出動力完成，因整體置于可自動行走的履帶式底盤上，機動性大，移位迅速獨立作業性高。

3.5 缺點

旋挖鉆機與傳統鉆機相比，由于旋挖鉆機的圓柱形鉆頭在提出泥漿液面時會使鉆頭下局部空間產生“真空”，同時由于鉆頭提升時泥漿對護筒下部與孔眼相交部位孔壁的沖刷作用，很容易造成護筒底孔壁坍塌，因此對護筒周圍回填土必須精心進行夯實。

4 結語

在硬巖石地層中進行鉆孔灌注樁成孔時，如選用旋挖鉆機作為成孔設備時，應盡量選擇大功率鉆機（最大輸出扭矩≥170kN·m）進行鉆孔作業施工，成孔時間和質量都可以得到保障。

根據現場施工情況和實施效果來看，建議在硬巖石地層中，尤其是中風化花崗巖石地層中采用耐磨合金子彈頭截齒旋挖鉆頭作為主要鉆頭進行施工，輔以耐磨合金子彈頭截齒螺旋鉆頭配合施工。

［1］吳允成.旋挖鉆斗結構的探討［J］.探礦工程，2000（2）：30.

［2］周紅軍.我國旋挖鉆進技術及設備的應用與發展［J］.探礦工程，2003（2）：45.