大截面矩形錨固樁機械旋挖成樁施工技術

桂青保 GUI Qing-bao

（中鐵一局集團第五工程有限公司，寶雞 721006）

1 錨固樁機械旋挖成樁技術市場需求

矩形錨固樁主要承受土體的側向壓力，截面一般為1.5～4.5m，深度一般為15～60m，傳統施工方式均采用人工挖孔作業，具有安全風險高、作業效率低等特征：一是人工孔內作業時面臨高空墜物、護壁坍塌失穩、涌水淹溺、觸電、有害氣體中毒窒息等安全風險，且作業空間狹小，通道唯一，傷害事故出現后施救難度極大，施工安全風險極高；二是人工開挖時多采用風鎬鋤頭開挖、渣桶吊裝出渣的方式，特殊地質條件時配合采用松動爆破、水磨鉆等施工，因作業空間受限，一般只能容納1～2人作業，加之深孔時渣桶吊裝作業效率低，施工效率不高；三是人工開挖完成后鋼筋在孔內綁扎，無法平行施工。

隨著施工機械化水平的逐步推進和提高，尤其是對有限空間作業條件下人工挖孔樁的安全風險管控和剛性約束越來越大，采用機械施工矩形錨固樁的現場需求越來越強烈，機械旋挖施工矩形錨固樁的技術由此出現。

矩形錨固樁采用機械旋挖成樁時，鉆機旋挖掘進、液壓抓斗器配合清渣、矩形修孔器修孔、液壓可調式吊裝模具澆筑護壁、鋼筋籠場外預先加工后在孔口分節連接吊裝下放、導管澆筑樁身混凝土的方式進行施工，可實現孔內無人作業，適應各種復雜地質的深孔樁基施工，避免了孔內人工作業的安全風險，達到了工序間平行施工目的，單日單臺班施工進尺為8～24m不等，較傳統人工挖孔單日單班組0.3～1.5m的進尺有較大幅度提高，極大提高了施工工效。

2 工程概況

2.1 工程概況 施工區域內共計矩形錨固樁48根，其中：截面2.0m×3.0m的22根，樁身長度40m/根；截面2.5m×3.5m的26根，樁身長度45m/根。

2.2 水文地質情況 地下水位位于樁底3～5m范圍內，主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。樁身自上而下地質情況依次為粗角礫土、絹云母板巖夾變質細粒石英夾砂巖（強風化）、絹云母板巖夾變質細粒石英夾砂巖（弱風化），實際開挖揭示中含有粒徑約1m左右的漂石和卵石。

3 施工工藝流程

大截面矩形錨固樁旋挖成樁施工工藝流程如圖1所示。

4 機具配套選擇

4.1 旋挖入巖基本原理 巖石破碎的方法主要有三種，分別是沖擊破巖、磨削破巖、剪切破巖。沖擊破巖時只有當巖體上的壓力達到巖石極限抗壓強度的30%～50%時巖石才會破碎。磨削破巖時依靠鉆具與巖石接觸所產生的的摩擦力來研磨巖體。剪切破巖依靠壓力將鉆具截齒通過磨削的方式壓入巖石，在扭力作用下，達到巖石極限抗壓強度的10%時就會造成巖石因剪切而破壞。綜上可知，截切破巖較其他方式具有動力需求小、適應性廣的特點，因此現場采用旋挖剪切入巖，即：依靠動力頭的旋轉驅動鉆桿，帶動鉆具旋轉，在加壓荷載和旋轉扭矩的作用下，鉆具的鉆頭與巖體接觸面之間產生剪應力，當剪應力達到巖體的抗剪強度時，形成巖體貫穿裂紋，繼而破碎坑，使巖體發生塑性變形或局部破碎，達到剪切入巖、破巖、清理的目的。

4.2 鉆桿配套選擇 鉆機的鉆桿一般分為摩阻式鉆桿和機鎖式鉆桿。摩阻式鉆桿內外層鍵條容易脫鎖，鉆桿提升較為方便，靠鍵條之間的摩擦力進行向下施壓，加壓力較小，適用于普通土層施工。機鎖鉆桿每節鉆桿外壁上有兩道或三道鎖槽，向下鉆進時每節鉆桿底部內側的驅動鍵可進入鎖槽使各節鉆桿鎖定，可以將鉆機向下的驅動力全部傳遞到鉆頭，適用于較硬地層鉆進。根據現場工況，為適應復雜地層條件，采用機鎖式鉆桿。

4.3 鉆頭配套選擇 鉆頭大致分為旋挖鉆斗、螺旋鉆頭、巖石筒鉆三種。

4.3.1 旋挖鉆斗 旋挖鉆斗具備鉆進和清渣的作用，類型較多，按照底板的數量可分為單層底鉆斗、雙層底鉆斗，按斗齒類型可分為斗齒鉆斗、截齒鉆斗，按開門數量分為單開門和雙開門兩種，適用于粘土、泥巖、淤泥、土層、卵石地層。

4.3.2 螺旋鉆頭 螺旋鉆頭分為錐螺短螺旋和直螺短螺旋鉆頭，根據錐頭結構可分為雙頭雙螺、雙頭單螺、單頭單螺，鉆齒分為截齒和斗齒兩種，適用于基巖、卵石、凍土、含水量小的土層。

4.3.3 巖石筒鉆 巖石筒鉆一般常見的有截齒筒鉆和牙輪筒鉆，適用于堅硬基巖、大漂石、卵礫石，能在堅硬的巖石周圍形成環槽，對巖石進行松動掏空，從而為旋挖鉆斗或短螺旋破巖創造自有破碎面，實現堅硬的巖石破碎。鑒于施工區域的地層主要為角礫土、板巖、漂石，巖層差異性大，實際采用Φ1000mm的截齒筒鉆、以及Φ1000mm、Φ1500mm、Φ2000mm的雙底板雙開門截齒旋挖鉆斗。

4.4 鉆機選擇

4.4.1 鉆機工作壓力 根據剪切破巖理論，扭力達到巖石極限抗壓強度的10%時就會造成巖石因剪切而破壞，揭示地層絹云母板巖夾變質細粒石英夾砂巖的單軸極限抗壓強度為10.8MPa，故巖體剪切破壞的扭力應達到：P=10.8×0.1=1.08MPa=1080kPa。截齒鉆頭的規格為：鉆頭尾部62mm，錐部直徑19mm，高度79mm。以直徑1m的筒鉆為例，筒鉆上截齒鉆頭與巖體的接觸面積為：A=3.14×1×0.019=0.05966m2。則鉆機的工作壓力應為：F=P×A=1080×0.05966=64.4kN。

4.4.2 鉆機輸出扭矩 根據《機械工程手冊》，鉆進的鉆進扭矩公式為：M=CPRO。C-系數，刮刀鉆頭取0.15～0.25，楔齒滾刀鉆頭取0.10～0.15，球齒滾刀取0.08～0.13，大直徑取小值，小直徑取大值，本處取楔形0.15。P-鉆壓，kN，（4～6）G，G為鉆頭組裝質量，本處取32t合314kN；RO-鉆頭回轉半徑，m；RO=0.35×（D+d）/2；D-鉆頭外徑，取2.032m；d-鉆頭內徑，取2m。因此鉆機的鉆進扭矩為：M=0.15×（6×314）×（0.35×2.016）=199.4kN·m。根據鉆孔深度、地質、水文、扭力要求，綜合各種工況后選擇XR400D型旋挖鉆機。

4.5 矩形修孔器 為確保樁孔結構尺寸滿足要求，采用單獨制造的矩形修孔器進行修孔，修孔器由切盤和切削斗齒組成，在鉆機壓力下對孔壁進行切削，修孔器的外截面大小與樁徑一致，便于修孔器能順利進入孔內，通過鉆桿調整修孔器的位置，利用正面斗齒和側面斗齒對孔壁進行切削以滿足樁身截面尺寸要求。

4.6 液壓抓斗 為加快孔內清渣隧道，根據設備工況結合施工現場地質水文情況，研制一套液壓抓斗進行孔內清渣。

4.7 液壓可調式吊裝護壁模板 為便于護壁砼澆筑，單獨研制一套液壓可調式護壁模板，施工時采用吊車將模板吊裝入孔內，通過液壓操縱臺調整護壁模板的張開和收縮，混凝土通過模板的分流槽進入，通過平板振搗器振搗。

5 施工工藝

5.1 施工準備①施工前應熟悉施工圖紙，掌握施工部位的水文、地質資料，并對圖紙進行審核，同時根據圖紙進行現場核查，核對方樁的平面位置、高程、水文、地質是否與設計相符。②主要施工機具及其配套設備的進場驗收完成，操作人員的資格證書符合要求。③原材料報驗、混凝土配比審批、測量控制網復核、方案審批完成。④作業人員技術交底、安全交底、崗前培訓教育完成。⑤樁孔場地應清除雜物、換除軟土、平整壓實，施工作業平臺的寬度不小于10m×7m（長×寬），滿足設備作業空間需求，嚴禁在松軟地段鋪設鉆機操作平臺，保證鉆進過程中鉆機穩固不移位，桅桿傾斜小于5°。

5.2 測量放樣 用全站儀采用坐標法準確放樣出樁軸線平面位置，并做好“十”字護樁。

5.3 鎖口施工 孔口2m范圍為鎖口，采用挖機開挖，人工配合修整，鎖口護壁應高出地面50cm，防止施工時物體掉入樁內或地面積水進入樁內。

5.4 旋挖鉆進 鉆進主要有兩種方式，一種是四角引孔法，一種是中心引孔法。

5.4.1 四角引孔法 揭示地層條件較為穩定，樁身土體自承能力較好時采用四角引孔法，采用直徑Φ1000mm圓形截齒旋挖鉆斗沿著樁身對角線方向進行鉆進和清渣，單孔單次鉆進深度宜5m左右。四角引孔完成后更換鉆斗，在孔位中心位置采用Φ2000mm圓形截齒旋挖鉆斗鉆進至四角引孔位置的深度。

5.4.2 中心引孔法 揭示地層條件較自穩性能差，孔壁容易坍孔時，宜采用單孔引孔法，采用Φ1500mm的截齒旋挖鉆斗（為防止鉆進時鉆斗傾斜偏位，不宜采用更大直徑鉆斗引孔）在樁孔中心位置鉆進，應盡量一次鉆進至設計樁底位置，以便提前探明孔內地質水文情況，在后續鉆進時可提前采取縮短進尺澆筑護壁、下方形鋼護筒跟進的措施。中心引孔完成后更換鉆頭，采用Φ1000mm的截齒旋挖鉆斗按四角引孔的方式進行鉆進，鉆進深度根據地質水文情況動態調整，以便于護壁澆筑為宜。鉆進過程中遇到孤石、漂石或進入巖層地段時，應將旋挖鉆斗更換為截齒筒鉆，通過筒鉆的截齒切削破壞巖體形成松動圈后采用旋挖截齒鉆斗鉆進清渣或直接更換液壓抓斗清渣。

5.5 矩形修孔器孔壁修整 采用矩形修孔器對鉆進后的孔壁進行切削修整，見圖2。

5.6 液壓抓斗清渣 采用旋挖鉆斗鉆進的地段，鉆斗本身具有鉆進和清渣功能；采用矩形修孔器或者巖石筒鉆鉆進時宜采用液壓抓斗器配合進行孔內清渣，提高施工作業效率。見圖3。

5.7 護壁施工 對于孔壁自穩能力較好的地段，可一次鉆進到位，不需要施工護壁，驗基及樁身檢查后直接進行樁身鋼筋和混凝土施工。對孔壁自穩能力差，易坍塌的地段應護壁逐節跟進，旋挖掘進并修孔后進行護壁施工，護壁施工時采用單獨研制的液壓可調式護壁模板，模板收縮后采用履帶吊將模板吊裝入孔內，就位后通過液壓操縱臺張開模板就位并通過液壓絲杠加固頂緊，護壁鋼筋在場外加工成鋼筋網格吊裝入孔內后進行連接，護壁混凝土通過串筒及護壁模板四角的分流槽進行澆筑，通過模板自帶的平板振搗器進行振搗。護壁強度達到5MPa時先松開模板便于脫模，達到設計強度的75%時完全松開后拆模吊裝出孔外。見圖4。

5.8 成孔檢查 重復上述各道工序，樁孔挖至規定的深度后，對樁中心、直徑、垂直度、深度、擴底尺寸、持力層情況檢查驗收，辦理隱蔽驗收手續。

5.9 樁身鋼筋加工安裝 ①樁身鋼筋在廠內分節加工，用平板車運輸至現場，人工在孔口進行鋼筋籠分節連接、分節下放至孔內。②樁井縱向受力鋼筋（即豎向主筋）連接方式采用機械連接，鋼筋機械連接需滿足規范要求：1）鋼筋端部采用帶鋸、砂輪鋸或帶圓弧形刀片的專用鋼筋切斷機切平。2）鋼筋絲頭采用專用直螺紋量規檢驗，通規應能順利旋人并達到要求的擰入長度，止規旋入不得超過3個絲牙。3）接頭擰緊后，外漏有效螺紋不超過2個絲牙，鋼筋接頭連接好后，采用扭矩扳手對鋼筋接頭的扭矩值進行檢測。③為保證鋼筋籠能夠盡可能地整體吊裝入孔，防止吊裝過程中骨架變形，鋼筋籠中增加“十”字定位鋼筋，選取Φ25鋼筋十字交叉，縱向3m/道。④在鋼筋骨架外側采用專用保護層墊塊和混凝土塊支墊，沿鋼筋籠長度方向2m設置一個墊塊，同一水平面上設置4個墊塊。

5.10 聲測管安裝①聲測管采用金屬管，外徑40mm，壁厚3mm，每根樁基四個角位置設置。②聲測管下端封閉、上端采用橡膠塞封閉，管內無異物，連接處應光滑過渡，不漏水。管口應高出樁頂100mm以上，且各聲測管管口高度宜一致。③聲測管在鋼筋籠安裝下放時同步連接安裝。

5.11 混凝土澆筑①對孔底虛渣采用液壓抓斗器反復清渣后，抽干孔內積水，采用水下灌注樁的方式進行混凝土澆筑施工：首批砼灌注時導管底距離樁底25～40cm，首批砼灌注時計算好方量，必要時采用雙料斗雙料管灌注，確保導管的首次埋深不少于1m，后續混凝土澆筑時導管的埋深控制在2～6m之間。②孔內混凝土應一次連續灌注完畢。③澆筑至樁頂時采用人工輔助振搗，提高樁身質量。④冬季施工的樁基在澆筑完成后立即采用“棉被+電熱毯+棉被”的方式進行覆蓋保溫。

5.12 成樁檢測 混凝土澆筑完成并達到28d齡期后及時組織自檢和第三方檢驗，對檢驗發現存在的問題進行分析總結，后續施工時及時糾偏。

6 結束語

機械旋挖成樁從源頭上避免了人員進入樁孔內作業的施工安全風險，在工效上有大幅度的提高，會逐漸成為矩形錨固樁施工的一種趨勢和新常態，但樁孔內地下水位較高、地層中含有孤石或漂石、護壁自穩能力差易坍孔時需要頻繁更換不同類型的鉆頭來適應水文和地質條件變化，且需要逐節施工護壁跟進，這種工況下工效降低較為明顯，需要持續研究提高。