旋挖鉆機成孔工藝特點及在江西昌樟高速公路改擴建藥湖大橋樁基施工中的應(yīng)用
2017-03-20
旋挖鉆機是一種適合在建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機械，具有裝機功率大、輸出扭矩大、軸向壓力大、機動靈活、施工效率高等特點，適應(yīng)我國大部分地區(qū)的土壤地質(zhì)條件。它廣泛應(yīng)用于鐵路、公路橋梁、市政建設(shè)、高層建筑等地基礎(chǔ)鉆孔灌注樁工程。
一、旋挖鉆機在國內(nèi)的應(yīng)用情況
旋挖鉆機是在第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的新型鉆孔設(shè)備。我國從上世紀(jì)80年代始引進吸收，但一直沒有取得太大的進展。直到2001年國家重點工程青藏鐵路大規(guī)模施工啟動后，由于青藏鐵路施工地層很多是永凍的土層、砂礫、不規(guī)則泥頁巖、還有軟硬互層灰?guī)r，有的凍土層厚度達百米以上，適宜用旋挖鉆成孔工藝進行施工，中鐵集團開始在青藏鐵路上大面積推廣應(yīng)用旋挖鉆進行樁基成孔。至此，旋挖鉆成孔施工工藝在國內(nèi)較大范圍內(nèi)迅速推廣，但由于旋挖鉆成孔施工工藝尚屬新推廣應(yīng)用的工藝，至今尚無統(tǒng)一的施工技術(shù)規(guī)范。
二、旋挖鉆機的機械構(gòu)造簡介
目前，國內(nèi)生產(chǎn)旋挖鉆廠家十余家，主要有徐工科技、湖南山河智能、三一重工等。國外主要生產(chǎn)商有德國寶峨、意大利土力、日本日立等。國內(nèi)產(chǎn)品同發(fā)達國家的同類產(chǎn)品相比還有一定的差距，如鉆桅垂直度自動控制技術(shù)、孔深熒屏顯示系統(tǒng)等智能控制技術(shù)等，但其機械構(gòu)造大同小異。其大體構(gòu)造見下圖。
三、旋挖鉆機的主要工藝性能簡介
旋挖鉆機一般適用于粘土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含部分卵石、碎石的地層，對于大扭矩動力和自動內(nèi)鎖式伸縮鉆桿的鉆機，可以適應(yīng)微風(fēng)化巖石的施工，如德國寶峨BG20旋挖鉆機地層適應(yīng)能力就比較強，使用嵌巖鉆頭可鉆進單軸抗壓強度超過100Mpa的巖石，在國內(nèi)已有多次鉆進強度超過70Mpa的巖石。目前旋挖鉆機的最大鉆孔直徑為3米，最大鉆孔深度可達120米。尤其值得一提的是通過將護筒與鉆桿聯(lián)結(jié)后，旋挖鉆機可將護筒旋沉到所需位置，這對于解決南方厚淤泥層或流沙地質(zhì)條件下的樁基礎(chǔ)成孔施工有重大意義。
旋挖鉆成孔是通過動力系統(tǒng)帶動底部帶有活門的桶式鉆斗的回轉(zhuǎn)或螺旋鉆頭的旋切，直接將土旋入鉆頭內(nèi)，然后再由鉆機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，如此循環(huán)往復(fù)，直至成孔。旋挖鉆機主要是通過科學(xué)選擇鉆頭及合理使用鉆頭來適應(yīng)不同地層的施工。旋挖鉆機的鉆頭種類主要有以下幾類：螺旋鉆頭、旋挖斗、筒式取芯鉆頭、擴底鉆頭、沖擊鉆頭、沖抓錐鉆頭和液壓抓斗等，同時每類鉆頭又可根據(jù)不同的構(gòu)造細(xì)分成若干種。
四、旋挖鉆機在藥湖大橋樁基成孔的應(yīng)用情況簡介
藥湖大橋橋墩樁基樁徑均為φ150的摩擦樁，樁長從26m至35m不等。水上樁施工平臺采用填土筑島圍堰。本標(biāo)段路線展布于南昌市新建縣與豐城市梅林鎮(zhèn)交界處，橋址為沖湖積平原地貌，地層結(jié)構(gòu)簡單。主要地層為淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粗砂、圓礫；下伏基巖為泥質(zhì)砂巖夾泥巖。
（1）淤泥：灰色，飽和，流塑狀，含少量粉細(xì)砂，含腐殖及鐵錳氧化物。
?。?）粘土：黃色，濕，硬塑狀，粘性強，手感細(xì)膩，刀切面光滑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。
?。?）礫砂：灰褐色，砂質(zhì)不純凈，含較多粘性土。
?。?）圓礫：灰黃色，亞圓狀，成分以砂巖為主，充填砂和少許粘性土。
（5）中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖：褐紅色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀結(jié)構(gòu)。遇水易軟化，風(fēng)干易開裂，巖心多呈柱狀夾短柱狀、碎塊狀。
4.1旋挖鉆機與沖擊機或回轉(zhuǎn)機性能比較
與傳統(tǒng)的沖擊鉆或回轉(zhuǎn)鉆進、泥漿循環(huán)護壁成孔技術(shù)相比，旋挖鉆進無論從技術(shù)上還是設(shè)備上都具有很多優(yōu)點。
?。?）設(shè)備性能先進，自動化程度高，勞動強度低旋挖鉆機為履帶式全液壓自行式鉆機，采用全套液壓系統(tǒng)，有些還配備先進的電腦操作系統(tǒng)，鉆桿盤配備有兩條鋼絲繩，可以吊運一定的重物。旋挖鉆機機、電、液一體化高度集中，結(jié)構(gòu)緊湊，操縱靈活方便，時間利用率高。
?。?）鉆進效率高，旋挖鉆機可根據(jù)地層情況配置不同的鉆頭，在粘性土層可使用長鉆筒，加快鉆進速度；對于砂卵石含量較大的地層可使用短鉆筒，配置泥漿護壁，控制鉆速；對于含孤石、漂石及較硬巖石地層可換用長、短螺旋鉆頭進行處理，松動后再換上鉆筒繼續(xù)鉆進。一般情況下，在土層、砂層的鉆進速度可達8m/h，在粘土層可達4.6m/h，是普通回轉(zhuǎn)鉆進的3.5倍，甚至更高。在強風(fēng)化巖層（如強風(fēng)化砂巖、強風(fēng)化泥巖，強度不超過800KPA），與普通回旋鉆相比，優(yōu)勢更加明顯，旋挖鉆的鉆進速度可達1～2米/小時。
?。?）成孔后不須清孔，可直接安裝鋼筋籠，進行砼澆注。
?。?）成樁質(zhì)量好，旋挖鉆進對地層擾動小，孔壁泥皮薄，形成的孔壁為粗糙，有利于增加樁側(cè)摩阻力，保證樁基設(shè)計承載力?？椎壮猎?，易于清孔，提高樁端承載力。
?。?）環(huán)境污染小，旋挖鉆進為干式或無循環(huán)泥漿鉆進，所用泥漿量僅為正反循環(huán)鉆進的l/10―1/20。因而，施工現(xiàn)場整潔，對環(huán)境造成的污染小。同時旋挖鉆進振動小，噪聲低。
當(dāng)然旋挖樁機與回旋樁和沖擊樁相比也有其不足之處：
?。?）設(shè)備價格昂貴，通常情況下，一臺旋挖鉆機的價格都在400萬元以上，進口鉆機達上千萬元。
?。?）運行成本較高，設(shè)備價格昂貴，其運行成本自然就會較高。根旋挖鉆機的全負(fù)荷正常工作壽命為6300h，維修費用高，尤其是卷揚系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)主泵、動力頭以及鉆桿等，這些部件都比較貴，損壞后更換時間也較長。這就使得旋挖鉆機在實際使用中的運行成本大大增加。
（3）施工場地的制約，旋挖鉆機施工的工程場地要開闊、平整。旋挖鉆機設(shè)備較重，一套設(shè)備一般要達到幾十噸甚至上百噸，所以對場地要求比較高，場地須有一定硬度，以免鉆機沉陷。不能在地表松散、泥濘、沒有夯實的場地施工。 （4）施工地層的制約，旋挖鉆進適宜于土層、砂層，以及較松散的、粒徑較小的卵礫石層，在粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土等粘性土層鉆進效果最佳。而在淤泥層、硬巖層、較致密的卵礫石、孤石層施工比較困難，并容易發(fā)生孔內(nèi)事故和機械事故，體現(xiàn)不出旋挖鉆進的優(yōu)越性。
4.2實例說明
為了能更好地說明旋挖鉆在藥湖大橋樁基成孔施工中體現(xiàn)出來的優(yōu)勢，現(xiàn)以藥湖大橋428-Z號墩樁基成孔實例進行說明。428-Z號墩樁基設(shè)計樁長30米，其中428-Z-A用旋挖鉆施工，428-Z-B用沖擊鉆施工。
?。?）地質(zhì)情況見下表
?。?）挖鉆與沖擊鉆鉆進效率對比
旋挖鉆與沖擊鉆鉆進效率對比如下表
結(jié)論：就成孔速度對比，旋挖鉆的成孔速度約為沖擊鉆的17.9倍。
?。?）旋挖鉆與沖擊鉆費用對比表
說明：旋挖鉆成孔費用為500元/米（綜合單價包電費），配套機械主要指轉(zhuǎn)運棄渣用的機械。沖機鉆成孔費用為402元/米（綜合單價不含電費）。
通過以上費用對比，在藥湖大橋的施工中，旋挖鉆的成孔費用要比沖擊鉆高約0.4%左右。
從效益和經(jīng)濟上考慮，旋挖鉆都有利于沖擊鉆機施工。效率高，經(jīng)濟適用。
4.3旋挖鉆成孔施工注意事項
旋挖鉆成孔后的澆注工藝與普通水下灌注樁工藝基本相同，在此不再詳細(xì)介紹。
旋挖鉆成孔施工工藝通過在藥湖大橋的應(yīng)用，我們總結(jié)了以下施工須關(guān)注的施工注意事項：
4.3.1場地平整硬化。旋挖機自重達60-100t左右，對作業(yè)平臺的地基承載力要求較高，開鉆前須對作業(yè)場地進行必要平整硬化。本工程施工平臺采用填土筑島圍堰，旋挖機施工處須墊上2-3cm的鋼板，否則鉆進過程中極易造成平臺下沉從而導(dǎo)致將樁位擠偏，垂直度也難以保證。墊上鋼板也能確保施工安全。
4.3.2護筒埋設(shè)及拔除。旋挖鉆機有成孔效率高的特點，而且是鉆心取土，孔內(nèi)護壁不比沖擊鉆機的密實，成孔后留置時間不宜太長，容易造成塌孔，為此藥湖大橋特選用鋼護筒作為孔內(nèi)松散土質(zhì)的孔內(nèi)護壁。藥湖大橋護筒內(nèi)直徑為1.6m，采用厚度10mm的鋼板制作，長度為2～3m一節(jié)。本工程淤泥層一般在1～5米之間，所以采用的護筒長度在2～6米。鋼護筒的長度可隨著淤泥層厚度的加深而加深，并可專門配置一臺振動錘進行鋼護筒的振入和拔除回收工作，以解決厚淤泥層的施工問題。護筒埋設(shè)鋼護筒時，采用較大口徑的鉆頭先預(yù)鉆1m～2m后，提出鉆頭再振動錘將護筒壓入，在壓護筒時，需隨時監(jiān)控護筒的垂直度以及護筒的偏位情況，已保證鉆機成孔后的孔的垂直度，并保證樁基偏位在設(shè)計規(guī)范內(nèi)。
在砼澆注完成后，須立即將護筒拔除。拔除護筒時須做到平、穩(wěn)，避免對樁頭砼造成太大撓動或?qū)ψo筒周邊地層造成太大撓動導(dǎo)致樁頭部位出現(xiàn)夾渣或縮徑現(xiàn)象。
4.3.3鉆頭的選用。旋挖鉆機主要是通過科學(xué)選擇鉆頭及合理使用鉆頭來適應(yīng)不同地層的施工。如果鉆頭選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致進尺效率低下，甚至無法成孔。例如粘土層宜選用單層底的旋挖鉆頭；淤泥、粘性不強的土層、沙層、膠結(jié)較差粒徑較小的卵石層宜選用雙層底的旋挖鉆頭；硬膠泥層宜選用單進土口的旋挖鉆頭或頭齒直螺鉆頭；膠結(jié)好的卵礫石或強風(fēng)化基巖，宜選用錐形螺旋鉆頭或雙層底的旋挖鉆頭等。
同時在鉆至較硬的巖層時，需注意調(diào)整鉆頭錐角的角度，以加快鉆進速度。另外在施工淤泥層或軟塑層時，應(yīng)量采用帶有通氣孔的鉆頭或?qū)︺@頭進行改進，增設(shè)導(dǎo)流槽，以降低在提升鉆頭過程中產(chǎn)生的內(nèi)外空氣壓力差，避免產(chǎn)生吸鉆現(xiàn)象導(dǎo)致孔壁縮徑、坍塌。
4.3.4泥漿的配制。藥湖地下水豐富，地表層為回填土、淤泥、砂巖、泥巖等，鉆機鉆進過程中孔壁不穩(wěn)定，在鉆進過程中需制作泥漿護壁。制備泥漿是旋挖鉆機能否成孔的關(guān)鍵，也是影響鉆孔進度和樁基混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。泥漿過稀時不能浮碴影響鉆進，過稠時泥漿附在孔壁和鋼筋上，影響樁基混凝土的質(zhì)量。泥漿材料選用膨潤土或粘土、聚丙烯酰胺以及燒堿，泥漿從制漿機中制作后流入泥漿池內(nèi)，為了防止泥漿沉淀須用泥漿泵將泥漿池中的泥漿不停的循環(huán)。泥漿池中的泥漿立方米泥漿需膨潤土450―500kg，加入適量燒堿可提高泥漿的粘度，實驗證明：這樣的泥漿粘土顆粒懸浮均勻，沉淀少，性能穩(wěn)定，滿足了鉆孔需要。
制漿前，應(yīng)先把粘土塊盡量打碎，泥漿用攪拌機制成泥漿后流入泥漿池中再使用。泥漿可循環(huán)使用。為了回收泥漿原料和減少環(huán)境污染，均應(yīng)設(shè)置泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)。在鉆進過程中，須根據(jù)地層不同情況，來調(diào)節(jié)泥漿稠度。同時應(yīng)選擇造漿能力強、粘度大的粘性土進行造漿，以提高泥漿稠度，確保鉆進過程不塌孔，不縮孔。
以下是可供參考的泥漿指標(biāo)：
泥漿的合理配制對于孔底沉渣的控制具有非常重要的影響。在藥湖大橋施工過程中，剛開始時由于泥漿配制不合理，導(dǎo)致成孔后孔底沉渣達到1～2米左右，經(jīng)過用專用的撈渣鉆斗撈渣后，經(jīng)過1個小時左右的靜置，沉渣仍可達到0.5米以上。雖然理論上經(jīng)過反復(fù)的撈渣可以將孔底沉渣控制設(shè)計要求的30cm內(nèi)，但隨著泥漿濃度的降低，其護壁的穩(wěn)定性也越來越差，會導(dǎo)致坍孔現(xiàn)象的發(fā)生。因此只有泥漿濃度能夠滿足懸浮細(xì)渣時，孔底的沉渣才能得到有效的控制。
實踐證明當(dāng)泥漿適合時，成孔后澆注前孔底沉渣可以控制在15cm以內(nèi)。在成孔過程中應(yīng)根據(jù)進尺及時補漿，將泥漿水頭始終保持在一定的高度。
4.3.5鉆進速度的控制。旋挖鉆機在鉆進過程中應(yīng)根據(jù)不同的地層情況來確定鉆機的鉆進速度， 在開始鉆進或穿過軟硬層交界處時，為保持鉆桿豎直，宜緩慢進尺。同時在鉆進過程中應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進速度，避免鉆進尺度較大，造成埋鉆事故。在鉆進過程中如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆進時，這時應(yīng)立即提鉆檢查，等查明原因并妥善處理后再鉆，以免導(dǎo)致樁孔嚴(yán)重傾斜、偏移，甚至使鉆桿、鉆具扭斷或損壞。鉆孔時要合理控制鉆斗的升降速度。若鉆機升降鉆斗時速度較快，鉆斗外壁和孔壁之間的泥漿沖涮孔壁，再加上鉆斗下部產(chǎn)生較大的負(fù)壓作用，造成孔壁頸縮、坍塌現(xiàn)象。所以鉆斗提升時應(yīng)嚴(yán)格控制其速度，經(jīng)現(xiàn)場實踐，鉆斗升降速度宜保持在0.75～0.80m/s。當(dāng)在粉砂層或亞砂土層進尺時，其升降速度應(yīng)更加緩慢。
4.3.6成孔后的緊后工序作業(yè)。由于旋挖鉆成孔速度比較快，因而其孔壁的泥皮較薄，穩(wěn)定性比較差，所以成孔其后續(xù)的鋼筋籠安裝、砼澆注等工序必須緊湊，否則如果成孔后等待澆注砼的時間太長，則容易出現(xiàn)坍孔現(xiàn)象。一般情況下如果泥漿懸浮能力比較好，則等待澆注的時間長度可控制在10小時之內(nèi)，最長不宜超過24小時。如果地層中存在較厚粉細(xì)砂層時，則等待澆注的時間應(yīng)進一步縮短。在安裝鋼筋籠時應(yīng)謹(jǐn)慎操作，盡量減少對孔壁造成的撓動和破壞，避免因鋼筋籠掛傷孔壁造成局部坍塌甚至大面積塌方。同時在鋼筋籠安裝好后應(yīng)試立即進行砼澆注，因為在安裝鋼筋過程中及安裝后，如果等待澆注的時間太長，一但孔底如果出現(xiàn)沉渣超過規(guī)范及設(shè)計要求時，將很難處理，一般情況下采用小型號的專用撈渣鉆斗進行孔底清渣，但鋼筋籠根部的沉渣則很難清除干凈。同時在等待澆注的過程中應(yīng)保持泥漿的濃度和均勻性，可按一定的時間間隔用鉆斗對孔內(nèi)的泥漿進行攪動，必要時進行補漿。
五、結(jié)語
藥湖大橋樁基礎(chǔ)施工歷時5個月，完成樁基施工共投入22臺沖擊鉆和1臺旋挖鉆機。投入懸挖鉆機后平均每天成孔從之前的4個提高到8個，大大的提高了樁基礎(chǔ)的施工進度，為下部結(jié)構(gòu)的施工奠定了堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)我部實際施工情況對比度，在旋挖鉆可施工的地質(zhì)條件下，旋挖鉆在不大幅增加成孔費用的情況下，能極大地提高施工效率，值得進一步推廣。
