旋挖鉆技術在特大橋樁基施工中的應用探討

劉 磊

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100000）

旋挖鉆是一種適合建筑基礎工程中成孔作業的施工工藝，近年來，隨著我國大扭矩旋挖鉆機技術的不斷成熟以及成功的工程施工案例，旋挖鉆技術已經廣泛應用于城市基礎建設、道路交通建設等多方面基礎施工工程[1-3]。旋挖鉆工藝是將挖土、卸土作業流程集聚一身的施工方法，大大提升了鉆孔效率，在施工過程中，鉆頭在孔底和地表區間往返，形成的孔壁較為粗糙，孔內護壁注漿后，漿體和孔壁之間的相互咬合作用強，樁空穩定性高。多項工程實例驗證，旋挖鉆施工工藝對巖性強度的適應性強，甚至可以滿足80 MPa 以上巖石地層施工需求，且成孔質量和成孔效率高，已成為大型樁基施工最為主流的工程設備[2-4]。

1 工程概況

本文以安徽阜陽某特大鐵路橋施工為例，大橋總長近4 220 m，位于黃泛沖積平原區、山前沖積平原區，由歷年黃河泛濫泥沙沉積而成，地勢較平坦開闊，略有起伏，地勢由西北向東南傾斜，地面高程20~32 m，后期受黃河故道影響較大，沿線基本為農田，村舍、水塘、溝渠零星分布，水系、河渠縱橫。地層為素填土、粉質黏土、粉土、粉質黏土、粉土、粉質黏土、黏土、黏土包含了能反映標段鉆孔樁的地層，具有代表性。由于工程施工及生產井混合取水影響，故各含水層已混合水位，水質趨同，按照設計圖說明，勘察期間測得鉆孔內混合地下水位埋深1~6 m，高程20.11~30.14 m。管段內主要負責橋梁下部結構、83 m+128 m+83 m 連續梁、6 m×32 m 道岔連續梁、5 m×32 m 變寬連續梁、部分橋面系、附屬工程。主要工程數量：鉆孔灌注44 500.5 m/934 根，承臺18 371.575 m3/112 個，墩臺身19 952.5 m3/112 個，特殊結構11 831.56 m3/3 聯（83 m+128 m+83 m 連續梁1 聯、6 m×32 m 道岔連續梁1 聯、5 m×32 m 變寬連續梁1 聯）。

2 旋挖鉆施工工藝及流程管控

本次施工采用YTR230D 型號旋挖鉆4 臺，YTR230D 型號履帶式旋挖鉆機是宇通重工旋挖鉆機創新的產品之一，最大鉆孔直徑2 000 mm、最大鉆孔深度52/68 m、最大輸扭矩230 kN·m、最大轉速35 r/min、最大起拔力230 kN，是集沖擊入巖、高速甩土、螺旋鉆機和多檔控制等多種功能于一體的入巖旋挖鉆機。該鉆機施工能力較強，適用范圍較為廣泛，可以針對不同施工區域和環境進行相應配置的調節。旋挖鉆施工工藝流程，如圖1 所示。

圖1 鉆孔樁施工工藝流程圖

2.1 場地平整及測量放線

旋挖鉆機就位底部墊平，保持穩定，不得產生位移和沉陷，采用松軟地基換填法，換填磚渣，鉆機履帶底墊鋼板，鉆頭在樁位中心偏差不得大于20 mm。旋挖鉆機垂直度控制主要利用自動控制系數對中，控制參數顯示屏顯示，當液晶顯示屏上紅點位于十字絲中心時，鎖定機身，鉆孔過程中根據對中情況控制垂直度。

2.2 護筒埋設

1）護筒采用鋼板制作，護筒內徑大于等于樁徑0.2～0.3 m。護筒長度宜保證鉆孔樁穩定為標準，壁厚一般為8 ～12 mm。岸灘上砂類土應不小于2 m，如果巖層較為松軟，需將護筒壓深致松軟層下的堅硬土層內，至少0.5 m。岸灘上埋設護筒時，應在護筒四周回填黏土并分層夯實。

2）水中筑島時，護筒宜填埋入河床面以下1 m，對有沖刷影響的河床，護筒底宜進入一般沖刷線以下不少于1.0 m。必要時打入不透水層。在水中平臺上下護筒時，應有導向設備控制護筒位置。

3）護筒頂面中心與設計樁位偏差不得大于5 cm，其傾斜度應不大于1%。

4）護筒頂標高，應高出施工水位或地下水位2 m，在旱地或筑島時還應高出施工地面0.5 m。

5）以1.25 m 直徑樁基為例，選用的鋼護筒壁厚為8 mm，長度為3 m，直徑為1.5 m，利用旋挖鉆1.25 m 的鉆頭對準樁位中心，調整好機械，從原地面往下鉆進2 m，用旋挖鉆吊住鋼護筒放入坑內，過程中利用護樁與護筒周邊距離控制護筒的垂直度，徐徐下放，對中后，用旋挖鉆把護筒壓入土層內，外漏50 cm 高。鋼護筒就位完成后，再用鋼卷尺復核一遍，若仍存在偏差大于1 cm，則按以上步逐重新進行調整。完成后用挖機把護筒壓下0.5 m，護筒頂高于原地面50 cm，防止鉆進過程中雜物落入孔中。

2.3 鉆機安裝就位

旋挖鉆機就位時與平面最大斜度小于等于1%，鉆桿中心與護筒中心偏差不得大于5 cm。鉆機平臺周圍必須平整、密實。鉆機就位后的底座和頂端必須平穩，在鉆進過程中不得產生位移或沉陷，否則應及時處理。鉆桅的垂直度要控制在0.2°以內。動力頭和鉆桅的間隙不能太大。鉆桿的隨動架中心應與動力頭中心保持一致。鉆桿和鉆頭的方向不能傾斜。鉆桅垂直度通過鉆機自身垂直檢測系統控制，并輔以人工測量傾斜量。

2.4 泥漿制備

泥漿池分循環池與沉淀池，尺寸能滿足單根樁排漿量的需求為準，尺寸暫按工藝試驗確定的7m×6m×2 m開挖，具體尺寸根據實際排漿量來確定。對松散易坍地層因無法放坡采用鋼套箱作為泥漿池，泥漿池外防護采用1.8m×1.2 m 黃色制式柵欄網封閉，柵欄網用膨脹螺栓固定于硬化地面上，泥漿池內M20 砂漿，并懸掛安全警示牌。

泥漿的性能指標對鉆孔中的護壁效果和成孔質量有很大影響，在施工中應嚴格控制泥漿性能指標，選用優質膨潤土或黏土等配制優質泥漿。根據地層情況及時調整泥漿性能，泥漿性能指標如下。

1）泥漿比重：一般地層為1.05~1.15，松散易坍1.1~1.15。

2）黏度：一般地層16~22 s，松散易坍地層19~28 s。

3）含砂率：新制泥漿小于等于4%。

4）膠體率大于等于95%。

5）pH 大于6.5。

泥漿池考慮兩墩樁共用，就近布置，用挖掘機開挖泥漿池，泥漿池和沉淀池應分開，但泥漿池和沉淀池互相連通，并于護筒口處開挖泥漿溝通至沉淀池。

2.5 鉆孔

1）旋挖鉆機鉆頭在黏性土、粉土、填土、中等密實以上的砂土地層可選用回轉鉆頭。

2）旋挖鉆機開孔施工應輕壓慢進，鉆頭轉速應小于等于10 r/min，待主動鉆桿全部進入孔后，方可逐步加速進行正常鉆進。

3）渣樣留取土層每2 m 和地層變化處取樣一次，渣樣用透明塑料袋裝好貼好標簽，記錄鉆孔深度、渣樣名稱、樁號等信息。鉆孔過程中應詳細及時記錄并對設計地質與實際地質進行對比，記入記錄表，并與設計提供的地質剖面圖相對照，如有地質不符，及時與監理設計聯系，核查地質，確認后再進行下步施工。渣樣應編號儲存，以便分析備查。鉆進過程中還應經常抽取檢查泥漿指標，注意地層變化，以便及時對不同地層調整泥漿比重。泥漿比重、含砂率、黏度的標準按照泥漿性能參數進行。

4）旋挖鉆機鉆進過程中需遵循的相應規定：①在鉆孔過程中，應當根據現場鉆孔地質條件的變化及時調整鉆進速度、增加掃孔次數等，以免出現卡鉆和埋鉆等異常情況，不同層位鉆進速度、鉆進要求等應當符合設計要求。②除了控制鉆進速度，還應當對鉆頭升降的速度進行嚴格控制，降低鉆頭在鉆進升降過程中對鉆孔的擾動，保證鉆孔成孔質量以及一次成孔。

2.6 成孔

1）樁孔達到設計標高后，成孔后由測量員校驗孔位中心是否符合設計要求，用檢孔器對孔徑和傾斜度進行檢查，檢孔器長度為樁基礎直徑的4～5 倍且不宜小于6 m，兩端宜制成錐形，錐形高度不宜小于檢孔器半徑。孔深采用標準測繩直接測量，孔深沿孔周進行測量。鉆孔樁鉆孔允許偏差見表1。

表1 鉆孔樁鉆孔允許偏差

2.7 清孔

1）現場對鉆孔垂深進行及時量取，當垂深達到設計規定后，為了保證鉆孔質量，必須及時進行孔內沉渣清理。

2）清孔標準符合設計及規范要求：清孔完成的質量把關是基于孔內排除或抽出的泥漿不含較大顆粒的砂巖，且黏結度符合設計要求；以不大于5 cm 控制，摩擦樁在連續梁處沉渣厚度不大于5 cm，在簡支梁處不大于20 cm。

3）清孔時，注意保持孔內泥漿面高度始終在地下水位或河流水位以上1.5～2.0 m，以及泥漿比重是否合適，防止坍孔縮孔。

4）當從孔內取出泥漿（孔底、孔中、孔口）測試值的平均值與凈化泥漿相近，測量孔底沉渣厚度不大于設計要求時，即停止清孔作業，放入鋼筋籠進行水下混凝土灌注。

2.8 聲測管和導管安裝

完成鋼筋籠制作安裝，對樁基進行聲測管和導管安裝。

1）樁基聲測管采用Φ50 mm×3.0 mm 的無縫鋼管，每根樁基埋設3 根聲測管，用∩筋固定于主筋上，沿加強箍筋內側等間距均勻布置，每根聲測管下端距樁底5 cm，伸出樁頂50 cm，聲測管接頭及底部應密封好，頂部采取措施防止砂漿雜物堵塞管道。

2）導管直徑采用D300 mm，中間節長度3 m，底節為4 m。導管安裝前應檢查其內壁光滑度，灌注前做導管抗拉及水密性試驗，試驗合格后方可使用。導管組裝后軸線偏差不宜大于孔深的0.5%，亦不宜大于10 cm；試壓的壓力宜為孔底靜水壓力的1.5 倍。

首批混凝土灌注前導管底口距孔底一般為30～50 cm。要保證混凝土在漏斗和儲量斗內的初始存儲量，這就要求兩者需要有足夠的混凝土存儲容量，并且能夠使導管在初始混凝土灌注后埋入深度在1~3 m。首批灌注砼的數量公式（樁徑D=1.25 m），見式（1）

式中：h1＝Hwrw/rc；導管底口與孔底的距離為0.3~0.5m，H1表示砼樁底到導管底口的高度，取0.4 m；H2表示首批灌注砼的最小深度（導管底口到砼面的高度）為1 m；h1表示泥漿底部到砼面的高度，保證導管埋入砼中的深度不小于1 m；Hw為井孔內水或泥漿的深度；rw為井孔內水或泥漿的重度；rc為砼拌和物的重度。

2.9 二次清孔及灌注

二次清孔的目的是彌補在首次混凝土灌注后，導管的孔底沉渣厚度沒有按照設計要求施設。在清孔過程同時向護筒內及時補充灌注設計泥漿，完成后應當對清孔質量進行樣本檢測，檢測合格后方能進行混凝土的水下灌注。為了保證泥漿在灌注之前不發生因長時間靜止出現沉淀等現象，在泥漿的運輸和灌注等待時間內，應當保持泥漿一直處于旋轉運動狀態?；炷磷钌贁盗坑捎嬎愦_定，滿足導管初灌埋深不小于1.0 m的要求。后續灌注采用攪拌車連續不斷地送料，導管埋深控制在2～6 m。

3 質量控制

3.1 樁基檢測

樁身強度達到設計強度的70%及以上且樁身強度不低于15 MPa，可按設計要求進行樁身完整性檢測，檢測方法采用超聲波檢測或低應變檢測。樁基檢測分為2 種檢測方式，樁徑大于等于2 m 或樁長大于40 m采用超聲波檢測，樁長小于等于40 m 采用低應變檢測。

3.2 質量控制標準

鉆孔灌注樁鉆孔允許偏差和檢驗方法見表2。

表2 鉆孔灌注樁鉆孔允許偏差和檢驗方法

3.3 施工過程易發生情況及應對措施

1）旋挖鉆機鉆孔過程中擾動大，容易發生塌孔情況。旋挖鉆孔采用的泥漿護壁方法屬于靜態護壁，鉆孔壁上所依附形成的泥漿壁較薄，所以對鉆孔的保護效果較差，尤其在鉆孔巖層屬于砂卵層的時候這種現象尤為明顯，再加上旋挖鉆孔工藝鉆孔施工效率高、采用旋挖鉆斗直接出渣，所以本身鉆孔內土層的穩定性就相對較差。為此，應當針對鉆孔設計要求及地質條件采取相應的預防措施：首選做好鉆孔鉆進速度的控制和優化調整；選擇符合地層地質條件要求的泥漿配比材料；及時調整鉆孔護筒的長度，確保護筒長度能夠深入到基巖層內，對鉆孔起到抗干擾的作用；降低孔內、孔外周邊環境的施工干擾。

2）成孔后軟土地層易發生縮孔。軟土層內鉆孔成型度較弱，鉆孔初始成型后，軟土層因其自身地質屬性容易造成鉆孔周邊圍巖向鉆孔侵蝕；旋挖鉆機成孔采用的泥漿相對其他鉆機來說比重低，故對孔壁產生的力相對較小。預防措施：①在軟土層施工，應當提前考慮軟土層對初始鉆孔的侵蝕，選擇合適的鉆頭盡量擴大鉆孔開挖直徑，在初始鉆孔受地層侵擾后仍舊滿足設計需求；②適當加大泥漿比重；③盡可能地縮短澆注前的操作時間。

4 結束語

旋挖鉆機應用于樁基成孔施工，可以有效提升鉆孔效率和質量，但旋挖鉆機成孔各項指標要求較高，且鉆機成孔抗擾動能力差：必須嚴格按照設計規范標準進行清孔，若孔底沉碴厚度不滿足設計要求，利用導管進行二次清孔；必須對樁基強度及樁徑、樁長等進行檢測；泥漿指標要求較高，在鉆進過程中選擇合適的鉆進速度及控制好泥漿配比，避免發生坍孔事故。除此之外，在施工過程中，要做好施工平臺監測、鉆頭磨損監測、施工工藝管控等工作，以免成孔傾斜、孔位偏移、孔彎及擴孔等現象發生。