硬巖鉆孔樁旋挖鉆環切取芯快速成孔施工技術

吳先鋒 周冬 施德

摘 要：在山區橋梁嵌巖樁施工中，硬質巖成孔存在進尺速度慢的難題，通過采用三一重工SR385RC8型旋挖鉆機，樁基入巖施工應用環切取芯鉆進工藝。詳細闡述了工藝特點、原理、工藝流程及操作要點以及安全、環保措施，大幅提高了工效，實現鉆孔樁成孔硬巖快速鉆進的突破。

關鍵詞：山區橋梁；嵌巖樁；硬質巖；旋挖鉆環切取芯；快速成孔

中圖分類號：U443.15+4 文獻標志碼：A

0 引言

依據《巖土工程勘察規范》規定的巖石堅硬程度分類標準，飽和單軸抗壓強度>60MPa，即為堅硬巖層。鉆孔灌注樁鉆進時，當遇到堅硬巖層，常規方法有人工開鑿、沖擊破巖、磨削破巖、剪切入巖，對應成孔方式有人工挖孔、沖擊鉆成孔，或采用回轉鉆機、旋挖鉆機用小直徑鉆頭施工先導孔，再換用大鉆頭二次切削。人工挖孔安全風險大，其余成孔方式進尺速度較慢，增加了工期和成本。

旋挖鉆機性能好、效率高，近年來在基礎施工領域已成為市場主力。由于普通旋挖鉆機施工以旋轉磨削為主，在有限的加壓荷載下，無法對巖層形成有效沖擊，導致旋挖鉆機進行高強度巖層施工時，效率低下。如何在硬巖中發揮出旋挖鉆機的優勢，是非常值得研究的課題。

隨著我國機械制造水平的發展，旋挖鉆機的性能也在持續改進，功率和輸出扭矩不斷提高，同時出現了新型高強鉆具，研發出了可以環切取芯的旋挖鉆機。

筆者單位施工的山區橋梁工程，采用三一重工SR385RC8型旋挖鉆機，樁基入巖施工應用環切取芯鉆進工藝，不用施工先導孔，實現了堅硬巖層快速成孔，加快了施工進度，降低了成本。

1 工藝特點

1.1 適用于堅硬巖層

旋挖鉆機選用機鎖式鉆桿和牙輪筒式取芯鉆頭。鉆桿上附有鎖點，通過機械鎖點把每節鉆桿鎖住，把加壓力傳遞給鉆具，其加壓荷載的傳遞效率可達95%以上，在鉆具和巖體之間產生較大的剪切力，適用于堅硬巖層。

1.2 鉆進速度快

采用筒式取芯鉆頭鉆進切出環槽，然后將巖芯磨斷整體取出。將鉆齒的線接觸改為旋轉環形接觸，降低鉆具作用巖層的接觸面積，有效減小鉆具旋轉時的運行阻力，同時減少了對巖層全面磨削破碎所需作用功，正常情況下無須更換鉆具，實現快速鉆進，根據巖層強度不同，一般每天可鉆進25m～40m。

1.3 施工安全性高、機動性強

規避了人工挖孔法孔內作業的危險；旋挖鉆機的履帶式底盤移動方便、機動性強，在山區特別是跨河施工時，相對于沖擊鉆，當遇到洪水等自然災害時可迅速撤離。

1.4 適用范圍

適用于強度范圍在40MPa～100MPa的較硬～堅硬巖層、樁長≤40m、樁徑≤2.5m的鉆孔樁施工。

2 工藝原理

采用大功率旋挖鉆機，選用機鎖式鉆桿和牙輪筒鉆，使用牙輪筒式取芯鉆頭在鉆進巖層切出環槽，然后停止加壓，通過鉆頭在孔底位置交替進行正反轉操作，利用牙輪將巖芯磨斷取出，如此循環鉆進，實現快速成孔。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 環切取芯成孔工藝流程

埋設護筒→施工準備→常規鉆進→開始入巖→環切取芯式鉆進→切斷、取出芯柱→循環鉆進→成孔。

3.2 操作要點

3.2.1 護筒埋設

根據樁位點設置護筒，將其垂直埋入土體中，使護筒中心與樁位中心重合，并在護筒上用紅油漆標識測量控制點方向線位置。護筒的內徑應大于鉆頭直徑200mm～300mm，護筒中心和樁位中心偏差不得大于50mm，傾斜度的偏差不大于1%，護筒與坑壁之間應用黏土填實。

3.2.2 施工準備

①鉆機就位

將鉆機行駛到施工樁位，使其機體垂直度、鉆桿垂直度和樁位鋼筋條三線合一，鉆機就位應保持平穩，不發生傾斜、位移，鉆機就位時與平面最大傾角不超過4°，調整桅桿角度，操作卷揚機，將鉆頭中心與鉆孔中心對準，調整鉆機垂直度參數，使鉆桿垂直。

②泥漿調制

根據現場實際情況選擇合適位置開挖沉淀池，循環池和沉淀池分開，泥漿循環利用，泥漿主要用來懸浮沉渣和冷卻潤滑鉆頭。選擇符合要求的黏土制作泥漿，必要時，在泥漿中摻入適量的膨潤土和碳酸鈉。

3.2.3 常規鉆進

進入硬質巖層前和硬質巖芯無法鉆進完整取芯時，采用常規截齒鉆頭磨削式鉆進。鉆進前和鉆進中，要對泥漿性能指標不斷測試，泥漿比重為1.15～1.25，含砂率≤4%，黏度≤28S，膠體率≥95%。剛開始要放慢旋挖速度，放斗要穩，提斗要慢，旋挖過程中要注意通過控制盤來監控垂直度，如有偏差及時進行糾正。每挖一斗、掏取鉆渣或停鉆時，及時向孔內注漿，使孔內水頭保持一定高度，護筒內的泥漿頂面應始終高出孔外水位或地下水位1.0m～1.5m。

為保證旋入鉆斗內的巖石碎塊不在鉆桿提升過程中掉入孔中，截齒鉆頭的底部為雙層底。雙層底可以相對旋轉一個角度，實現截齒鉆頭土口的打開與關閉。鉆進時進土口為打開狀態，適宜進土。每次進尺結束，將鉆頭反轉一個角度使進土口關閉，鉆頭處于完全的封閉狀態，保證筒內土體不掉出筒外。

3.2.4 入巖環切取芯式鉆進

當鉆進困難時，巖體有風化裂隙發育，鉆進時被切割成巖塊，即可判斷進入硬質巖層。換用筒式鉆頭進行環切取芯式鉆進。旋挖鉆機成孔過程中，操作人員隨時觀察鉆桿是否垂直，并通過深度計數器控制鉆孔深度。

環切鉆進時鉆機轉速宜保證發動機發揮最大功率，使轉速達到最大。利用牙輪筒鉆圓周上的球型齒上的鎢鋼頭在孔底滾動的同時，還伴有牙輪對孔底巖體的滑動碾壓切割，將巖層進行中間留芯環切、環切筒鉆及牙輪鉆齒、環切鉆進示意如圖1和圖2所示。

3.2.5 截斷、取出芯柱

每次鉆進鉆頭進入基巖面深度宜控制在0.8m～1.0m，進入深度過大或過小都不利于巖芯的取出。根據操作室深度顯示器顯示的入巖深度，判斷鉆頭進入基巖深度在0.8m～1.0m，操作手應停止加壓，鉆頭在孔底位置交替進行正反轉操作，利用牙輪將巖芯磨斷，然后將巖芯取出，完成一次環切取芯鉆進，如圖3所示。

如果巖芯無法完整取出，就需要換用截齒鉆頭對巖芯進行破碎挖進鉆斗內取出孔外。

牙輪筒鉆在巖石中鉆進時，每隔15min左右將鉆頭提出巖石鉆進面，利用孔內泥漿冷卻鉆頭，以防長時間在基巖內鉆進溫度過高造成燒鉆。

3.2.6 循環鉆進

如此循環鉆進，直至設計孔底。

3.2.7 成孔

經測繩檢測孔深，探孔器檢測孔徑合格后成孔，否則繼續采用上述方法鉆進。

4 旋挖鉆機性能參數

選用三一重工SR385C8或以上型號，以SR385C8型旋挖鉆機為例，整機高度30.275m，重量150t，最大鉆徑2.9m，發動機功率360kW，最大轉速1800rpm，最大加壓力/起拔力350kN，最大輸出扭矩380kN·m；選用機鎖式鉆桿，鉆深可達到76m，加壓荷載傳遞效率達95%以上；采用筒式取芯鉆頭在鉆進巖層切出環槽，具備三高一強的特點（高可靠性、高穩定性、高效率、強入巖）。

5 安全措施

對樁基施工區域進行封閉管理，使用警示彩旗封閉，設置危險警告標志，安排專人負責值守。

在距泥漿池邊緣1.0m處設置硬質防護欄桿并加設鋼絲防護網，高度≥1.2m，護欄周邊插彩旗，設置警示標志和夜間警示燈。

未開鉆或停鉆時，在護筒頂鋪設鋼質安全欄覆蓋，安全欄使用φ18mm的螺紋鋼焊制，鋼筋空隙≤20cm。

鉆進時，要按鉆壓值的要求減壓鉆進和均勻給進；發現異常情況要停鉆。

對鉆桿接頭螺栓應仔細檢查，凡已用過的舊螺栓，確認無明顯疲勞裂紋時才可使用。

鉆機設備在移位或拆、裝、運過程中，避免碰撞變形，防止擠壓電纜。

雷電天氣，所有鉆孔機必須停止作業，防止雷擊。

汛期施工，安排專人值守，關注汛情。在施工區隔段修筑避險施工平臺，確保洪水來臨之前機械能安全撤離。

6 環保措施

施工機械的廢油要存放在廢油桶內，集中處理，嚴禁隨意排放。生產用油料必須嚴格保管，防止泄漏，污染水體。

泥漿池設置循環系統，泥漿循環使用，在泥漿池周邊用編織袋培土等措施確保泥漿不外溢污染環境。鉆進產生的鉆渣，采用運輸車輛運到指定場地集中處理。

樁基施工全部結束后，采用措施使泥漿降解固化，采用專用運輸車運至指定淤泥排放點。

施工中環切取出的巖芯運至料場集中破碎，用于施工便道的修筑。

結語

以一根直徑1.8m、樁長16m的嵌巖樁施工為例，假設硬質巖入巖深度8m，如果采用沖擊鉆、回轉鉆或普通旋挖鉆成孔，入巖后每小時鉆進0.1m，需要再連續鉆進80h方能成孔；而采用環切取芯工藝施工，入巖后每小時鉆進0.8m～1.0m，8h～10h即可成孔，工效提高近10倍，同時大幅降低了能耗，1天輕松完成1根樁，經濟效益、社會效益顯著，具有較高的推廣價值。

參考文獻

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