软弱地质层桩基旋挖钻机钻孔施工工法

软弱地质层桩基旋挖钻机钻孔施工工法
结合软弱地质层的特点，对旋挖钻机钻孔的施工工法进行了分析，为类似工程提供了借鉴。

标签：软弱地质层；旋挖；安全；环保措施
1 前言
长江冲积平原为淤泥质粘土、粉砂、细砂、砾砂等软弱地层地质带。

受河流水位影响，在钻孔桩施工时极易产生缩径、塌孔等事故。

在汛期时，地下水位的升高，对钻孔施工更加不利。

为此施工期间仔细对旋挖钻机的施工原理及存在问题进行了调查研究，并结合以往软基地质层钻孔施工经验，增选了旋挖钻机进行桩基钻孔施工，并获取了成功。

经过现场实践总结，形成本工法。

在郑州市航海东路跨京港澳高速公路立交桥新建工程中成功应用本工法，取得了良好的经济效益和社会效益。

同时，在工程实践中又不断修改和完善了本工法。

2 工法特点
2.1 钻机现场移动方便，钻孔速度快，成孔质量优良，能有效缩短施工工期。

2.2 垂直度可控。

通过主机井架控制系统可随时在机内调整机架的垂直度，保证钻孔质量。

2.3 施工成本低。

由于对优质泥浆进行了循环再利用，大大降低了成孔费用。

2.4 可提高灌注桩的承载力。

旋挖钻机成孔中静压优质泥浆在孔壁上形成厚的泥皮护壁，但由于钻头的多次上下往复，使孔壁粗糙。

与传统的钻孔灌注桩相比，旋挖钻孔灌注桩的承载能力得以提高。

2.5 良好的环保性。

在特殊地层需要泥浆护壁的情况下，泥浆只起支护作用，钻削土中的泥浆含量相当低，这使污染源大大减少，进而降低了施工成本，也改善了施工环境。

对于干孔施工，环境污染会更小。

3 适用范围
本工法适用于地下水位高，穿越淤泥质粘土、粉砂、砾砂等软弱地层桩基的钻孔施工。

也适用于较好地质情况下的钻孔桩施工。

4 工艺原理
旋挖钻机通过自带动力头提供钻孔所需扭矩，驱动钻杆和钻头旋转，使钻斗切削土层，利用多层伸缩式钻杆和钻头的特殊结构及时快速出渣，实现较高速钻
进。

钻进中钻头多次上下往复作业，以保证成孔的质量。

钻孔中采用优质泥浆护壁，确保孔壁的稳定。

成孔后二次清孔采用泵吸换浆法及时快速清孔。

5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程（见图1）
5.2 工艺操作要点
5.2.1 施工准备
（1）场地、便道和用水用电
根据现场情况，做好施工场地的平整。

修建施工便道，确保钻机和其它车辆通行顺畅。

准备好发电机，以防突发事件。

根据当地实际情况将施工用水引至施工现场。

在场地范围内布置好泥浆池、沉淀池备用。

（2）施工测量
建立测量控制网，对桩位进行施工放样。

定出的桩位，及时设置护桩，并交施工队看管保护。

桩位和护桩严禁机械在上行走碾压。

5.2.2 埋设护筒
护筒采用厚度10mm的钢板制作成整体钢护筒，直径1.7m、长度3.0m。

强度高、刚度大、适应性强，有利于实现机械化作业，加快施工进度。

护筒埋深要求在地面以下不小于2.0m，顶端高出地面0.3m。

钻机就位后，用大于护筒直径的钻头施钻至护筒埋设底标高，安装护筒，检查护筒中心和垂直度符合要求后四周分层夯填粘土。

5.2.3 钻机就位
旋挖钻机就位时均在其底铺放厚度16mm的整体钢板，以增大受力面积。

然后调节下部导向圈、调直钻杆、将钻斗导向尖与桩位对齐，保证插钻正确，防止钻孔偏斜。

5.2.4 储浆池造浆
储浆池标准依据钻孔所需泥浆用量及造浆能力而定。

考虑旋挖钻对优质泥浆的特殊要求，制浆原料可选用塑性指数大于25，粒径小于0.074mm的粘粒含量大于50%的粘质土制浆。

现场缺少上述性能的粘质土，调制的泥浆性能不符合要求，可在泥浆中掺入了钠质膨润土、纯碱Na2CO3和CMC纤维素以改良泥浆性能。

膨润土泥浆具有相对密度低、粘度低、含砂量少、失水量少、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点。

含CMC
纤维素的泥浆能使孔壁形成薄而坚、渗透性低的滤饼，使失水量降低。

能使钻机得到低的初切力，使泥浆易于放出裹在里面的气体，同时把碎物很快弃于泥坑中。

泥浆和其它悬浮分散体一样，具有一定的存在期，加入CMC后能使它稳定而延长存在期。

高粘度的CMC适用于密度较小的泥浆，低粘度的CMC适用于密度大的泥浆。

选用CMC应根据泥浆种类及地区、孔深等不同条件来决定。

泥浆调制采用泥浆搅拌机搅拌，搅拌时先将定量的清水加入搅拌鼓，再投入适量膨润土和纯碱并开动机器搅拌。

成浆后打开出浆门排浆至储浆池贮存，以备钻孔时向井孔内注浆之用。

泥浆的性能指标要求及检验方法见表1。

5.2.5 钻进
旋挖钻的钻进是用动力头驱动钻杆和钻头旋转，利用钻头下端的切削刃对土层进行切削破碎，切削的土体被挤进钻斗，装满后将钻斗提出孔口，旋转钻机底盘然后反转，并开启钻斗阀门，将土体排放到地面或直接卸在汽车上运走。

这样通过钻斗的旋转、削土、提钻、甩土，多次反复作业而成孔，直至孔底标高。

初始钻进进尺要缓慢，尽量减少钻杆晃动，保证钻孔的垂直度。

钻进过程中，应随时调整机架保持钻杆垂直、位置正确，防止因钻杆晃动引起扩大孔径及增加孔底沉渣。

斗底铁门在钻进中始终要保持关闭状态，以防止钻斗的土砂掉落到孔内。

钻斗在孔内的升降速度必须控制好，一般砂类土在桩径1.5m时钻斗提土速度为0.5～0.6m/s，空钻斗升降速度为0.7～0.9m/s。

随钻孔深度的增加，其升降速度宜减小。

成孔后钻头要多次上下往复作业，以保证孔径满足要求。

对泥浆性能进行随时观测和试验，以保证钻孔过程中泥浆的性能稳定，防止孔内水位波动，护壁质量不佳，使孔壁砂向孔内涌流。

孔的垂直度主要是靠调整机座、大臂和钻杆座孔之间的相对位置来确定的。

5.2.6 清孔
钻孔到位后，进行第一次清孔，排除孔底沉渣。

排渣时用带挡板的钻斗空转清渣，不得加深钻进。

清渣完成后进行孔深测量。

5.2.7 检查成孔质量
采用探孔器检测桩孔的桩径、桩长及竖直度能否满足要求。

如发生卡壳、下沉不到位的情况需用钻斗重新扫孔，清除沉渣。

5.2.8 钢筋笼及混凝土导管安装
钢筋笼安装时要避免刮伤孔壁。

钢筋笼四周布置保护层钢筋或混凝土垫块以保证笼子的位置符合设计要求。

导管按照编号依次放下，全部入孔后要保证悬空高度满足规范要求。

5.2.9二次清孔
孔内钢筋笼及导管安装完毕后，采用泵吸法抽渣换浆法进行二次清孔。

启动
真空泵，辅助砂石泵启动抽排孔内泥渣。

砂石泵的泵量不宜太小，否则对大的泥渣和清孔时间、质量不利。

清孔时储浆池内的优质泥浆要不断向井孔内补浆，以保持泥浆水头高度稳定。

从孔内换出的泥浆进入泥浆泥淀池进行泥浆净化后循环至储浆池回收重复利用。

因钻孔用泥浆为优质泥浆，仅起护壁作用，相对密度均较低，在1.05～1.10之间，可使砂石泵的抽吸作用得到很好的效果。

泵吸式抽渣换浆工作示意图见图 5.2.9。

清孔即将完毕时，测孔深及孔底抽出泥浆的相对密度，当孔底沉渣符合规范及抽出泥浆性能符合灌注要求时，清孔完成，即可进行水下砼灌注工序的施工。

6 机具设备（见表2）
表2 机具设备
7 质量控制
7.1 严格按照《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）及《公路工程质量检验评定标准》（JTJ 071-98）对钻孔质量进行检查。

7.2 合理布置控制桩并定期进行检查和联测。

7.3 严格控制成孔过程，加强泥浆性能、孔径、孔深、垂直度、沉渣厚度的检测，并做好记录。

7.4 钻机操作人员要严格按照操作规程和钻孔作业指导书进行设备操作和钻孔施工。

7.5 现场根据出渣做好地质情况记录。

7.6 及时清理外运弃渣，在孔旁堆积高度不得超过2米，防止对孔壁产生压力。

7.7 加强钻机的检查和维修，保证钻孔施工连续顺利完成。

7.8 二次清孔检查合格后，应及时灌注混凝土。

防止停孔时间较长，孔壁发生变化塌方或孔内泥浆中悬渣下沉使孔底沉渣变厚。

8 安全措施
8.1 全体干部、施工人员，严格执行国家有关安全生产的方针、政策、法令和安全生产职责及安全技术操作规程。

8.2 对于已埋设护筒未开钻或已成桩护筒尚未拆除的应加设护筒顶盖或铺设安全网遮罩。

8.3 使用的电缆要定期检查，接头必须绑托牢固，确保不透水、不漏电，对经常处于水、泥浆浸泡处应架空搭设。

8.4 因故停钻，应将钻头提出孔外，落放地面，防止塌孔埋钻。

8.5 定期检查设备部件润滑油、高压油管路及其连接情况。

8.6 施工现场设置安全警示牌，非施工人员严禁入场，防止人员、机具落入井内。

9 环保措施
9.1 严格执行国家、地方及建设单位有关环保的规定，贯彻“预防为主、保护优先，开发与保护并重”的原则，接受环保、水保等部门的监督，检查和指导，采取可靠措施，做好施工中水土保持工作。

9.2 尽量减少对植被的破坏，对于确需占用的土地，在使用完后应及时进行恢复。

9.3 采取有效措施降低施工噪音和废气污水对周围环境的影响。

9.4 对废弃的泥浆严禁随意排放，应集中到沉淀池中净化风干处理。

避免泥浆中残留的水泥及化学药品对周围环境造成污染。

9.5 对钻孔中所提出的钻碴应集中到专门的弃碴场地，避免对周围环境受到影响或使场地受到限制。

10 经济效益分析
以湖北东荆河大桥为例，相同的施工内容，旋挖钻机每米成桩单价为260元/m，而反循环旋转钻机需要275元/m。

旋挖钻机共施工168根（共308根）8400米，直接节约成本12.6万元。

通过灌注钻孔桩的砼用量来看，旋转钻机的扩孔率要达到6%～8%，而旋挖钻机只有3%～4%。

以平均节约3%混凝土计，节约直接成本15.6万元。

旋挖钻机平均一天最少可以完成一根钻孔桩，而旋转钻机3天左右才能完成一根，这样可以节约一定的管理费和其它间接费。

对于工期紧，任务重的施工项目，可缩短基础工程的施工时间，减轻下部构造的工期压力，并减少一部分的人力、机具和材料的投入，从而降低项目总施工成本。

11 工程实例
11.1 湖北东荆河大桥
湖北东荆河大桥全长4446.08m，共有ф1.5m钻孔桩308根，共长15232m。

由于汛期长江水会形成倒灌，在施工区域内大面积涨水，所以要赶在汛期涨水前将钻孔桩全部完成。

其土体特征自上而下为：亚粘土、粉砂、粘土、细砂、亚砂土、粉砂、细砂、砾砂。

为加快施工进度，在原有的旋转钻机的基础上，又增加3台旋挖钻机，其施工速度平均达到10m/h左右，大大加快了钻孔桩的整体施工进度。

在全桥成桩质量检测中，旋挖钻机所完成的钻孔桩中Ⅰ类桩比例在90%以上，无Ⅲ类桩出现，完全满足了施工质量要求。

11.2 山东小营至滨州地方铁路黄河公铁路桥工程
山东小营至滨州地方铁路黄河公铁路桥工程小营岸引桥，桥址位于黄河冲积平原区，地质情况为砂粘土、粉土、粉细砂、中细砂等。

全桥桩基共326根，直径1.0，1.2，1.5m，桩长45-55米。

该工法在项目上应用后效果显著，主要是速度快，并能确保质量。

11.3 郑州市航海东路跨京港澳高速公路立交桥新建工程
郑州市航海东路跨京港澳高速公路立交桥新建工程，桥址位于黄河冲积（泛滥）平原区，地质情况为厚层粉细砂、含砾中细砂。

桩基深50-60米，直径1.5m，共150根。

由于工期要求年底必须完成桥梁主体工程，项目在反循环回转钻机的基础上又投入了4台旋挖钻机，后来由于泥浆处理等问题就弃用了回转钻机。

施工中，旋挖钻机平均每天成孔2个。

桩基的快速完成为节点工期的顺利实现打下了良好基础。