硬質地層條件下大直徑樁基旋挖鉆成孔工藝適用性研究

摘 ?要：旋挖樁以環保、高效、成本低、自動化程度高等獨特優勢在交通行業與建筑行業中得到了廣泛應用，然而在中風化、微風化基巖等硬質地層中，由于地層巖體天然強度較高，旋挖鉆機施工就比較困難。本文以四川某橋梁主墩樁基礎為載體，探索大直徑旋挖樁在硬質地層條件下的適用性，結果表明，通過二次成孔局部取芯法干作業成孔大直徑旋挖樁在硬質地層條件下是適用的，該技術適用于中風化、微風化巖層等硬質地層條件下直徑大于800mm的旋挖樁成孔，尤其適用于旋挖鉆機功率不足或者鉆桿扭矩超過額定扭矩的情況，同時對于較致密的卵礫石、孤石地層旋挖樁成孔施工也有很強的借鑒和指導意義。

關鍵詞：硬質地層;大直徑樁;旋挖樁;局部取芯法

中圖分類號：U445.551 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）11-0000-00

0 ?前言

隨著交通行業與建筑行業的高速發展，旋挖樁技術得到了廣泛應用，尤其在較為復雜的基礎工程中，旋挖樁以其環保、高效、成本低、自動化程度高等獨特優勢得到了廣泛好評和認可[1]。旋挖鉆機成孔受各種因素的影響和制約，尤以地層條件影響為重[2]。旋挖鉆機一般適用于黏土、粉土、砂土、淤泥質土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地層，對于中風化、微風化基巖等硬質地層，由于地層巖體天然強度較高，旋挖鉆機施工就比較困難。當施工大直徑樁時，旋挖成孔所需要的發動機功率和動力頭扭矩就更大，極易發生孔內事故與機械事故，導致旋挖鉆進的優越性無法充分顯現[3]。為此，在硬質地層條件下的旋挖樁施工方面，必須根據現場地層條件與旋挖鉆機的主要技術指標，切實分析實際問題，有效把控施工技術特點，科學合理地選擇旋挖鉆機與鉆進方式，確保旋挖樁施工的成孔質量和效率[4]。本文以四川某大橋主墩下的大直徑旋挖灌注樁成孔施工為例，研究硬質地層條件下大直徑樁基旋挖鉆成孔工藝的適用性。

1 工程概況

某大橋為三跨預應力混凝土連續箱梁，主橋跨度為130m，橋型布置圖如圖1所示。主墩墩身采用矩形實心墩，橋墩縱向寬4.0m，橫向寬14.85m，主墩承臺厚4.0m，基礎為群樁基礎，縱向3排、橫向3排布置，每墩共9根樁。基樁樁徑2.5m，采用旋挖灌注樁施工。由于樁基礎位于河道中，為避免濕法作業產生泥漿污染河道，旋挖樁成孔采用干作業施工。

1.1 水文地質

工程場地地貌區屬河流階地，場地地形平坦開闊，無不良地質作用，地形地貌較簡單，場地進行建筑的適宜性為適宜。常年性河流安昌河從工程項目區北西向南東逕流，隸屬于嘉陵江水系;主要接受大氣降水補給，其次為冰雪融水補給，屬雨源型常年河流。水位、水量變化較大，流量受季節及降水的影響較大，其徑流特征在年內變化與區內氣候相適應。勘察期間安昌河水面高程約476.60m，橋址區河床寬度約200m左右，水深約1.0～1.5m，水量較大。根據區域水文資料，橋址區安昌河五十年一遇洪水位482.30m，百年一遇洪水位483.48m。勘探深度內的地層主要由第四系全新統人工堆積層（Q4ml）、第四系沖洪積物（Q4dl）組成，下伏白堊系下統城墻巖群劍閣組砂巖和砂質泥巖層（J1jn）等組成，地層建議參數取值如表1所示。

1.2 施工難點與問題

在主墩旋挖成孔過程中，旋挖鉆機施工比較困難，存在的施工難點與問題為：

（1）旋挖樁成孔工藝應用過程中容易受到土層的影響導致鉆頭被掩埋（圖2），如果掩埋鉆頭的土量過大，會對鉆頭的鉆進尺度和鉆進的速度造成影響，使鉆機在鉆進過程中出現阻力過大的情況，影響鉆頭的鉆進，成孔速度慢，旋挖鉆進的優越性無法充分顯現[5-6];

（2）當樁為大直徑樁時，旋挖成孔過程中所需要的發動機功率和動力頭扭矩增大，這時就會因為旋挖鉆機功率不足，鉆桿扭矩超過額定扭矩，而致使鉆桿斷裂（圖3），造成現場機械事故，導致鉆頭及斷裂處以下鉆桿掉入孔中。此類機械事故不僅延誤了工期，而且增加了總體造價。

1.3 施工問題解析

通過對工程地質、水文情況進一步研究，認真分析地質勘察報告，及時對現場基巖進行補堪，統計各類巖石的抗壓強度，確定巖石堅硬程度，并根據風化程度確定巖體種類，對工程地質進行全面剖析，基巖補堪試驗成果統計如表2所示。

由基巖補堪試驗成果統計數據發現，樁基礎深度范圍內基巖主要為中風化砂巖和中風化砂質泥巖，其中中風化砂巖天然單軸極限抗壓強度標準值為34.4MPa，最大值高達53.7MPa，屬于硬質地層條件，巖體天然強度較高，現場鉆機功率不足，鉆桿扭矩超過了額定扭矩，旋挖鉆機施工比較困難。為此，在硬質地層條件下，如何有效把控施工技術特點，科學合理地選擇旋挖鉆機與鉆進方式，確保旋挖樁施工的成孔質量和效率就成為解決問題的關鍵[7-8]。

2 硬質地層條件下大直徑旋挖樁成孔適用性分析

2.1 成孔工藝原理

硬質地層條件下大直徑旋挖樁施工是指在微風化、中風化等硬質地層中，采用干作業成孔。為了能夠在硬質地層條件下順利成孔，成孔工藝采用二次成孔的局部取芯技術。成孔工藝原理為首先利用小直徑截齒筒鉆對硬質巖層局部取芯鉆進，然后采用與樁等直徑的截齒筒鉆對硬質巖層再次切割，切斷孔徑中巖石與周邊巖層的連接，形成環形結構鉆孔，最后通過單層底斗鉆進剩余環形巖體，借助高鉆壓，直接鉆取孔內剩余巖體，直至成孔為止。

具體成孔工藝為：

（1）開始施工，將旋挖鉆機固定在樁位一側，先使用尺寸小于樁孔尺寸的截齒鉆頭精準對準樁位，旋挖鉆機所在位置盡可能平穩、穩固，調整好旋挖鉆機后，截齒鉆頭進行切割鉆入，直到進尺效率較慢，完成第一次開孔，如圖4所示;

（2）旋挖鉆機上更換成與樁孔相同尺寸的截齒鉆頭，使大尺寸截齒筒鉆對準樁位進行切割鉆入，使進尺深度與取芯鉆孔深度相同，然后反向旋轉大尺寸截齒筒鉆，使大尺寸截齒筒鉆從巖層中退出，完成樁孔周邊切斷，切斷了孔徑中巖石與周邊巖層的連接，形成環形結構的鉆孔，如圖4-D所示;

（3）將旋挖鉆機上的大尺寸截齒筒鉆更換成單層底旋挖鉆斗，借助高鉆壓，直接鉆取剩余環形巖體;

（4）在完成旋挖樁孔的施工后，檢測樁孔的孔徑、孔深和垂直度。

2.2 成孔工藝特點

采用二次成孔的局部取芯技術，具有以下特點：

（1）采用旋挖鉆機干作業成孔替代濕式作業，無泥漿污染河道，環保特點突出，依據現有施工機械條件，合理安排施工工序，提高施工工藝，安全性好、綜合造價低，施工周期短;

（2）局部取芯施工技術合理采用不同尺寸筒式鉆頭分割巖體，提高了旋挖鉆機的破巖能力，對于硬質地層條件下大直徑樁成孔時易出現的因旋挖鉆機功率不足或鉆桿扭矩超過額定扭矩而造成的鉆桿斷裂等機械事故，處理效果好，有利于安全施工和質量控制;

（3）成孔過程中幾種鉆頭配合使用，預先鉆進的鉆頭為下一個鉆頭創建了巖體的自由表面，交互提供的自由面利于巖石破碎。采用單層底旋挖鉆斗進環形巖體，借助高鉆壓，直接鉆取孔內剩余巖體，提高了鉆進速度，旋挖機的鉆孔效率高，破巖能力強;

（4）在巖體受到應力后，無約束的自由表面為小巖塊的運行提供了空間。這極大地提高了旋挖機的破巖能力和成孔效率，并減少了對主機的過度動力需求，確保了旋挖樁施工的順利進行，保證了施工進度。

2.3 應用實踐效果

針對現場情況，分別從施工機械和成孔工藝兩個方面進行優化。

1.施工機械

遵循技術和經濟協調統一的原則，針對地質情況，對旋挖鉆機的鉆桿、鉆斗、鉆頭（斗齒）、護筒、清孔工具等施工機械設備進行了選擇和優化。其中，用于巖體取芯的小功率旋挖鉆機仍然采用現場旋挖鉆，用于分割巖體及破碎巖體的大功率旋挖鉆機選用三一SR360R型與徐工XR400E型。最為重要的是，一臺旋挖鉆機至少要配置若干數量的不同種類和規格的高強度合金鉆頭、嵌齒鉆斗和嵌巖筒鉆及取芯等嵌巖鉆斗，各類型鉆斗如圖5至7所示，以適應不同土層及巖層地質強度的施工。

2.成孔工藝

在成孔過程中，為了防止此類機械事故再次發生，成孔工藝按照小功率旋挖鉆機巖體取芯，大功率旋挖鉆機分割巖體及破碎巖體的二次成孔局部取芯技術進行，首先使用尺寸小于樁孔尺寸的截齒鉆頭通過局部取芯鉆進，所取巖芯如圖8所示。隨后在旋挖鉆機上更換成與樁孔相同尺寸的截齒鉆頭，使大尺寸截齒筒鉆對準樁位進行切割鉆入，切斷孔徑中巖石與周邊巖層的連接，形成環形結構的鉆孔;最后將旋挖鉆機上的大尺寸截齒筒鉆更換成單層底旋挖鉆斗，借助高鉆壓，直接鉆取剩余環形巖體。通過在2#、3#橋墩樁基礎中運用本工法，有效地解決了上述施工難題，確保了旋挖樁施工的順利進行和施工安全，縮短了工期，降低了造價。

通過二次成孔局部取芯技術的應用，依據現有施工機械條件，合理安排施工工序，有效地解決了濕式作業產生的泥漿污染河道，硬質地層條件下大直徑樁成孔時因旋挖鉆機功率不足或者鉆桿扭矩超過額定扭矩而造成的鉆桿斷裂等多項難題，達到了減小對周邊環境的影響、提高施工效率、降低施工難度、消除安全隱患的目的。最大限度地降低了施工成本，節約了1/3的施工工期，減少了現場機械事故的發生，從而實現了綜合成本低、施工周期短、安全性好、環境影響小的重大社會效益和經濟效益。

3 結論

本文通過理論與實踐相結合的方式，探索硬質巖層條件下旋挖樁成孔工藝的適用性。通過對復雜地層的補堪，旋挖鉆成孔機理的解析，從施工機械和成孔工藝兩個方面解決了旋挖樁成孔過程中存在的施工難題。工程實踐也進一步證明，在中風化、微風化基巖、較致密的卵礫石、孤石等硬質地層中采用二次成孔局部取芯技術是切實可行的。通過工程實踐證明，在硬質巖層中采用二次成孔局部取芯技術可以有效解決中風化、微風化基巖、較致密的卵礫石、孤石等硬質地層旋挖樁成孔施工難題。該技術適用于中風化、微風化巖層等硬質地層條件下直徑大于800mm的旋挖樁成孔，尤其適用于旋挖鉆機功率不足或者鉆桿扭矩超過額定扭矩的情況，同時對于較致密的卵礫石、孤石地層旋挖樁成孔施工也有很強的借鑒和指導意義。該工藝技術先進、成孔速度快、環保無污染、綜合成本低，為旋挖樁施工提供了有力的技術支持，具有較好的推廣應用前景。

參考文獻

[1] 李勇.淺析旋挖樁施工技術在巖溶強發育場地的應用[J].智能建筑與工程機械，2020，2（1）：23-26.

[2] 黎中銀，夏柏如，吳方曉.旋挖鉆機高效入巖機理及其工程應用[J].中國公路學報，2009，22（03）：121-126.

[3] 田新成.旋挖鉆硬質巖層（花崗巖、中弱風化片麻巖）成樁施工工法[J].公路交通科技（應用技術版），2020，16（06）：48-51.

[4] 湯文濤.淺談中～硬質巖層鉆孔樁快速施工技術[J].中國科技信息，2013（06）：64-65.

[5] 孟憲琦.道路橋梁施工中樁基礎干成孔旋挖樁施工技術探討[J].黑龍江交通科技， 2021，44（2）：126-126，128.

[6] 陳祝霄.旋挖樁施工常見技術問題及對策分析[J].四川建材，2021，47（1）：89-91.

[7] 劉強.橋梁工程干成孔旋挖樁施工技術研究[J].四川建材，2021，47（8）：146-147.

[8] 吉躍峰.橋梁施工中的干成孔旋挖樁施工技術[J].公路交通科技：應用技術版，2020（1）：178-180.

收稿日期：2021-10-08

作者簡介：張志偉（1979—），男，吉林長春人，博士，工程師，研究方向：土木工程類施工技術。

Abstract：Rotary digging pile has been widely used in transportation industry and construction industry due to its unique advantages of environmental protection， high efficiency， low cost and high degree of automation. However， the construction of rotary drilling rig is difficult due to the high natural strength of strata rock mass in hard strata such as moderately weathered and slightly weathered bedrock. The text researches the applicability of large diameter rotary digging Pile in hard stratum. The results showed， the large-diameter rotary drilling pile with hole-forming by secondary hole-forming and local coring method is applicable in hard stratum. This technology is suitable for the hole-forming of rotary drilling pile with diameter greater than 800 mm in hard stratum such as medium-weathered and slightly-weathered strata. It is especially suitable for the case of insufficient power of rotary drilling rig or the torque of drill pipe exceeding the rated torque. At the same time， it also has a strong reference and guiding significance for the hole-forming construction of rotary drilling pile in dense gravel and boulder stratum.

Keywords：hard stratum; large diameter pile; rotary digging pile; local coring method