三一重工旋挖钻施工工法

三一重工(600031)产品之旋挖钻机＜旋挖钻机施工工法通用规程＞旋挖钻机施工工法通用规程黎中银[1] [2] 夏柏如[1] 邵良清[2] 王宏伟[2][1]中国地质大学（北京），[2]北京市三一重机有限公司旋挖钻机作为基础工程机械中的新型机种，经过几年的推广应用，目前已被大量应用于公路及铁路、桥梁、水利工程、城市建筑工程等桩基工程之中。

由于其高效、节能、低噪声、低污染、地层适应性较广等优点、受到越来越多的施工单位的青睐。

但是由于至今尚未颁布国家或行业的旋挖钻机施工工艺规范，对于新进入该施工行业的业主，在工程实践中往往遭遇很多困扰。

北京市三一重机有限公司作为国内旋挖钻机的龙头企业，在开发制造和销售大量产品的同时，致力于走产学研结合的道路，与国内外的地质施工专家进行了大量的旋挖钻工法及施工工艺的研究和实践。

本通用规程就是这些探索的总结，希望能对施工界带来一些有益的帮助。

一、施工准备－－－－资料准备：（1）开工前应有相关部门提供的该工程的地质勘察报告、水文地质资料、桩基工程施工图及图纸会审资料。

（2）施工现场环境和邻近区域内的地下管线（管道、电缆）、地下构筑物、危险建筑物、精密仪器车间等的调查资料。

（3）主要施工机械及其配套设备的技术性能资料，所需材料的检验和配合比试验，对所需的材料必需作材料的物理性能试验，并委托有资质的试验室根据所用的原材料作好混凝土的配合比试验。

（4）有效的桩基工程的施工组织设计或施工方案，有关载荷、施工工艺的试验参考资料。

二、研究工程地质情况做好全面的施工准备，施工前对工程的地质、水文情况进行研究是必需的。

这对以后施工组织安排和效益预测等有相当帮助。

1:对工程地质的可钻性分析:工程地质可钻性分为土壤可钻性分析及入岩可钻性分析两个方面.⑴土壤可钻性分析,包括地质硬度小于5Mpa以下的工程地质情况，其分析时应了解的相关参数一般为水文地质结构参数等土性指标。

此时土壤的可钻性主要表现为土壤颗粒脆性断裂可切削能力，所使用的斗齿必须是具有锋快楔入能力的线式刃口刀具。

⑵入岩可钻性分析，应考虑岩石的成因和种类，岩石颗粒的大小和形状、岩石的构造及裂隙发育情况，胶结的性质及胶结形式等等。

一般应了解岩石的压入硬度、研磨性、弹塑性三个方面的指标。

此时，岩石的可钻性主要表现为岩石颗粒的可剪切断裂破碎能力。

岩石破碎的典型方式有两中：脆性剪切碎岩和动载冲击碎岩。

①脆性剪切碎岩广泛使用于岩石裂隙发育充分的地质情况，其机理是在岩石颗粒边界处利用两向力即加压力和扭矩或多维应力共同作用产生搓碾剪切从而导致岩石破碎的一种准静载破岩方式。

常用的碎岩工具应具有点式或圆球形切削刃面。

例如装有子弹头的短螺旋钻头，嵌岩筒钻等等都是较常用的有效工具。

②动载冲击碎岩是利用冲击器的冲击能来加速岩石颗粒边界处裂隙的发育和增大岩石脆性从而实现快速断裂碎岩的一种方式。

相对其它碎岩方式来说，具有单位体积比能耗小，破岩效率高的优势。

常用的方式有振动锤、振动镐、冲击锤，落锤、牙轮钻头、爆破器、射流冲击器等。

气举反循环全断面破岩成孔工法兼具脆性剪切破岩和动载冲击碎岩的一些基本特征，详情见后述章节。

2：编制施工作业指导书编制施工作业指导书的目的是为了制订施工时护壁稳定、提高作业效率及降低工程成本的最优方案，一般应从硬件配置和参数设计两个方面来考虑。

①硬件配置：针对不同的地质情况，应该对钻杆、钻具、斗齿、护筒、泥浆、清孔工具、监理检测等施工机械与设备进行选择和优化。

一般来说，一台钻机至少要配置机锁钻杆和摩擦钻杆各一只且配备若干数量的钻具、斗齿、护筒等等。

②参数设计：针对不同的地质情况和施工设备，优化考虑施工的方式、钻进参数、质量控制措施等等。

如是否采用接力钻削，土壤切削、岩石钻削时加压方式，钻进扭矩，钻头转速，进尺速度，监理检测质量控制指标等等。

详情见后述章节。

三、施工机械与设备旋挖钻机、起重机、电焊机、泥浆泵、测量仪器（如全站仪、水准仪）等机械设备须有出厂合格证。

中小型等机具的要求（1）起重机：机体安装坚实平稳，各类离合器、制动器、钢丝绳、防护罩必须安全、可靠有效；操作手应持证上岗；（2）手持电动工具：必须单独安装漏电保护器；防护罩安全有效；外壳必须有接地或接零；橡皮线不准破损。

（3）电焊机：有可靠的防雨措施；有良好的接地或接零保护；一、二次线接线处应有齐全的防护罩；二次线应使用线鼻子；配线不许乱搭、乱拉，焊把绝缘良好；焊工持证上岗。

（4）气瓶：各类气瓶有明显的色标和防震圈，不准在露天曝晒；乙炔气和氧气瓶距离应大于5m；乙炔气瓶在使用时必须装回火防止器；皮管应用夹头紧固；操作人员必须持证上岗。

（5）泥浆泵三台：3千瓦一台，也可选用潜水泵；7.5千瓦一台；12.5千瓦一台。

水管与泥浆管根据现场所需购置，管径根据每台泵出水口配置。

四、场地布置、桩孔位置的确定根据设计要求合理布置施工场地，必须落实四通一平，即路、水、电和通信通；先平整场地、清除杂物、换除软土、夯打密实。

在进行场地整平后，组织有资格的测量放样人员，将所有桩位放出，钉好十字保护桩，做好测量复核，并记录放样数据备案；规划行车路线时，使便道与钻孔位置保持一定的距离；以免影响孔壁稳定；施工场地为旱地而且在施工期间地下水位在原地面以下时，将场地平整夯实，清除杂物；场地位于浅水时，采用筑岛后在顶面安置钻机，筑岛顶面高出施工水位1.0m左右；钻机底盘不宜直接置于不坚实的填土上，以免产生不均匀沉陷；钻机的安置应考虑钻孔施工中孔口出土清运的方便。

1桩位放样：按“从整体到局部的原则”进行桩基的位置放样，进行钻孔的标高放样时，应及时对放样的标高进行复核。

采用全站仪准确放样各桩点的位置，使其误差在规范要求内。

2、钻机就位钻机就位时，要事先检查钻机的性能状态是否良好。

保证钻机工作正常。

保证桩位附近平整，把钻机开到桩位旁，螺旋钻头的尖端正对桩位标注点。

钻机停位回转中心距孔位在3～4.5m之间。

在允许的情况下，变幅油缸尽可能将桅杆缩回，这样可以减小钻机自重和提升下降脉动压力对孔的影响。

检查在回转半径是否有障碍物影响回转。

3、埋设钢护筒在准确放样的前提下埋设护筒，应符合埋设护筒的方法和要求，如果钻孔是在陆地上进行的，则一般采用挖坑法，比较简单易行。

钢护筒埋设工作是旋挖钻机施工的开端，钢护筒平面位置与垂直度应准确，钢护筒周围和护筒底脚应紧密，不透水。

埋设钢护筒时应通过定位的控制桩放样，把钻机钻孔的位置标于孔底。

再把钢护筒吊放进孔内，找出钢护筒的圆心位置，用十字线在钢护筒顶部或底部，然后移动钢护筒，使钢护筒中心与钻机钻孔中心位置重合。

同时用水平尺或垂球检查，使钢护筒垂直。

此后即在钢护筒周围对称地、均匀地回填最佳含水量的粘土，要分层夯实，达到最佳密实度。

以保证其垂直度及防止泥浆流失及位移、掉落，如果护筒底土层不是粘性土，应挖深或换土，在孔底回填夯实300-500mm厚度的粘土后，再安放护筒，以免护筒底口处渗漏塌方，夯填时要防止钢护筒偏斜。

护筒上口应绑扎木方对称吊紧，防止下窜。

在易缩径的淤泥质粘土和易垮孔的松散杂填土地层和沙层以及严重透水地层必须使用长护筒或全护筒护壁，下护筒的方式有两种：1、振动锤下护筒：用汽车吊或履带吊吊挂电动或液压振动锤夹持护筒，通过高频振动使护筒周边沙土液化，在护筒重力作用下使护筒插入土层。

该方法的优点是下放和起拔护筒速度快，在成孔时可用干式成孔法或天然水，降低造浆成本。

但在埋设开始时需注意调整护筒的垂直度。

2 动力头驱动器下护筒：利用动力头反正转搓动和加压油缸加压使护筒切入土中。

操作方便，并能确保护筒埋置夯实性，缩短挖坑埋置时间，提高成孔效率。

五、泥浆制备与传统的正反循环钻机相比，旋挖钻机具有成孔速度快的特点，其工艺优点为：（1）孔壁不易产生泥皮。

因为在成孔过程中孔壁一直都受钻斗的刮擦；（2）在孔壁上形成较明显的螺旋线。

这两点有助于增加桩的摩阻力，提高桩的质量。

其缺点为：因为不易形成泥皮，护壁性相对较差，容易缩径、塌孔。

在钻孔灌注桩的施工过程中,为了防止坍孔,稳定孔内水位及便于挟带钻碴,通常采用澎润土制备成泥浆进行护壁。

泥浆护壁是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力,以确保孔壁的稳定,所以泥浆的比重在起到保持这种压力差方面具有关键作用。

如果钻孔中的泥浆比重过小,泥浆护壁就容易失去了阻挡土体坍塌的作用;如果泥浆的比重过大,则容易使泥浆泵产生堵塞甚至使混凝土的置换产生困难,使成桩质量难以得到保证。

要充分发挥泥浆的作用,其指标的选取是非常重要的。

就要求在实际工程的施工中,根据工程地质具体情况,合理地控制不同土层中泥浆的指标。

（1）稳定液的原材料:稳定液应具有良好的物理性能、流变性能和稳定性能。

主要指标为密度、粘度、PH值、含砂量等。

其中膨润土的质量标准参见《钻井液用膨润土》SY5060-85。

泥浆用粘土应选择粘粒含量大于50%，塑性指标大于20，含砂量小于5%，二氧化硅与三氧化二铝含量的比值为3-4倍的粘土为宜。

稳定液的主要材料见表1。

表1 稳定液的主要材料表材料名称成分主要使用目的水 H2O 稳定液的主体膨润土或粘土以蒙特土为主的粘土矿物稳定液的主要材料重晶石硫酸钡增加稳定液相对密度CNC 羧甲基纤维素钠盐增加粘性、防止孔壁剥落腐殖酸族分解剂硝基腐殖酸钠盐控制稳定液变质及改善已变质的稳定液木质素族分解剂铬铁木质素磺胺酸钠盐（FCL）碱类 Na2CO3及NaHCO3渗水防止剂废纸浆、棉子、锯末等防止渗水（2）稳定液的配合比应按地基土的性状、钻机和工程条件来定。

一般100L的水需加8kg的膨润土，对于粘性土层，膨润土可降低到3~4kg。

由于情况各异，稳定液的性能指标和配合比，必须根据地层特性、造孔方法、泥浆用途而有所变化（表2）。

表2 稳定液的主要性能指标项目指标膨润土的最低浓度 8%泥浆的最小粘度（500/500ml） 25s失水率的限度（0.3N/mm2）每30min 20mlPH值最高限度 11.0（3）稳定液粘度的选取钻斗钻成孔法为了防止孔壁坍塌，所用稳定液的必要粘度参考值如表3。

表3 钻斗钻成孔法稳定液的必要粘度参考值土质必要粘度（s）（500/500cc）土质必要粘度（s）（500/500cc）砂质淤泥 20-23 砂（N≥20） 23-25砂（N＜10 ＞45 混杂粘土的砂砾 25-35砂（10≤N＜20 25-45 砂砾＞45六、钻头的类型及选用旋挖钻头实际上就是一个盛土的筒式容器，只是在斗的下侧焊接切削土壤的刀片或刃口。

随着旋挖钻进工艺的推广应用，在遇到沙层、硬岩基层、卵砾石层等各种复杂地层时，不采取特别的措施，旋挖钻机的应用也受到了一定限制。

因此，在施工中应根据不同地质情况，选用合适的钻头和施工工法，这样即可以提高施工效率，节约生产成本，而且在环保、能源消耗、孔内事故等等方面能收到异想不到的效果。