机械旋挖钻机在成彭高架桥工程中砂砾地层的钻孔施工应用
成都市市政工程（集团）有限责任公司――谭 强
前 言：
机械钻孔桩基施工在工程上的实际应用已有相当长的历史了，但由于成本及施工技术原因，之前工程实际应用一直不是非常广泛。只是近几年来才越来越受到施工企业的关注，并有逐渐替代成都市沿袭近二十年的人工挖孔桩基施工工艺。
旋挖钻机成孔施工桩基施工工艺，进入成都市市政及房屋建筑基础工程施工已有相当长时间，主要应用在成都市东部粘土及泥岩地层区域。由于没有掌握相应的工艺技术、作业措施和配套设备，该旋挖钻机在砂砾石地层作业一直未能得到推广。
随着企业改革发展地深入以及企业逐渐形成并不断提高的“以人为本，珍惜生命”的安全意识；随着国家重点工程施工质量、建设速度及施工环保等要求的不断提高；结合社会劳动力成本越来越高现状。公司清醒地认识到，必须突破机械旋挖钻机施工技术、完善工艺措施，打破旋挖钻机不能在成都市广泛砂砾石地层的地区施工瓶颈，充分发挥机械旋挖钻机先进设备的优势，消除大面积人工挖孔施工存在的安全隐患。
在“成彭高速入城段改造工程（高架桥）第五标段”工程中标后，由项目部根据该工程的水文地质特点、桩基结构和设备技术参数进行认真分析和研究，编制出详细的《砂砾地层机械旋挖成孔桩基施工方案》、《旋挖钻机钻头修改设计》、《旋挖钻机成孔施工作业指导书》、《旋挖钻机成孔质量施工控制及检测标准》和《水下桩基混凝土浇筑施工作业指导书》等一系列工艺技术、操作规程、质量标准。通过精心准备和严格过程控制，BC-25C型机械旋挖钻机成孔桩基施工终于在“成彭高速入城段改造工程（高架桥）第五标段”工程取得成功，并在我公司其他几个桥梁桩基施工中得到推广应用。
现将机械旋挖钻机在“成彭高速入城段改造工程（高架桥）第五标段”工程桩基施工中的应用及控制措施介绍如下。
一、旋挖钻孔桩的施工特点
1、自动化程度高：该BC-25C型设备为全液压驱动，电脑控制，能精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度和自动量测钻孔深度。
2、功效高：该机械工效是循环钻机、冲击钻机成孔的15~20倍，是人工开挖成孔的30~40倍。
3、开工条件要求少：由于设备为柴油动力，在施工前期的现场施工用电未解决的情况下也可进行钻孔作业。因为采用泥浆护壁而不需要进行施工降水。另外该设备为履带底盘，机动灵活，适合于各种施工现场。这些优势都保证了该设备比其他施工方式提前进行施工作业。为施工进度合理组织、科学计划提供了有利条件。
4、适用范围广：旋挖钻机广泛用于粘土、粉质粘土、人工回填土等地层及页岩、泥岩等岩石强度不是太高的岩石地层钻孔施工。通过不断地技术进步、措施完善和钻头改进，旋挖钻机也逐步应用于砂卵石、风化碎石及强度较高的岩石地层钻孔施工。淤泥质土、砂土及砂层厚度过大的砂卵石地层钻孔施工需谨慎。
5、安全隐患小：比起人工挖孔施工点多、面宽、风险大、管理难的施工工艺，引发安全事故的隐患隐蔽性强而不易容易被发现和及时消除，该机械成孔施工工艺施工点集中、范围窄、危害性小，引发安全事故的隐患容易被发现和解决。
6、环保特点突出：首先该设备为全液压驱动，施工噪音小。其次由于旋挖钻机通过钻头旋挖取土，再通过凯式伸缩钻杆将钻头提出桩孔再卸土。旋挖钻机使用泥浆仅仅用来护壁，而不用于排碴，成孔所用泥浆基本上等于孔的体积，且泥浆经过沉淀和除砂还可以多次反复使用。
二、工艺原理
BC-25C型旋挖钻机是一种桩基钻孔施工机械。该钻机采用液压履带式底盘、自行起落可折叠钻桅、伸缩式钻杆、带有垂直度自动检测、调整、孔深数码显示等全液压自带动力的液压钻机，具有操作轻便、舒适等特点。该钻机配合不同钻具，适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）等不同地质及施工条件的钻孔作业。
机械旋挖钻机在砂砾地层的桩基施工主要是其成孔工艺与其它桩基施工成孔施工有所不同，进行旋挖钻机的钻进成孔工艺采用静态泥浆护壁钻斗取土的方法进行桩基成孔。
旋挖钻机工作时垂直钻杆能原地作整体回转运动，旋挖钻机钻孔取土时，依靠钻杆和钻头自重及钻杆旋转时斗齿切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块并向斗内推进而完成钻取土。遇硬土等由自重力不足以使斗齿切入土层，此时可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中，完成钻孔取土。钻斗内装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，钻斗内的土依靠土体自重和旋转摆动钻斗时土体惯性作用排出钻斗。钻杆向下放关好斗门，再回转到孔内进行下一斗的挖掘。
三、工艺施工流程及操作步骤
机械旋挖钻机在砂砾地层的桩基施工工艺流程如下：
钻机进场通道及钻机作业平台处理 → 桩孔放线定位 → 泥浆池施工 → 泥浆制备
→ 钻机入场就位 → 钻机开孔及钢护筒安装 → 注泥浆 → 继续钻进、排渣、成孔 → 清孔 → 吊放桩基钢筋笼 → 检查尘渣厚度并达到要求 → 插入混凝土浇注导管 → 水下浇注桩基混凝土 → 完成混凝土浇注后拔出导管 → 截桩头 → 声测管检测桩质量
安装机械旋挖钻机在砂砾地层的桩基施工工艺流程分别描述各工序施工操作步骤：
1、钻机进场通道及钻机作业平台处理
由于该钻机设备为履带底盘，机动灵活，对进出通道及作业平台没有特殊要求，适合于各种施工现场。但施工需考虑如桩基钢筋笼加工制作、渣土转运、钢筋笼起吊安装、桩基水下混凝土灌注等作业所必须的施工通道和作业平面。
所以每处桩基作业面应保证：
·桩径2倍，桩长1.5倍且不小于1.5m宽×20m长的钢筋加工作业面；
·3m宽进出通道，用于运输进出及架安吊车；
·不小于50m2的临时出土场；
2、钻孔定位
首先对设计图纸提供的坐标、高程等有关数据进行认真复核，确认无误后采用全站仪进行桩位放样，桩中心放样完毕后，沿桩中心拉十字线至1.5m以外并作好护桩标记。
3、开孔及钢护筒安装
完成桩基桩孔定位后即可进行开孔和埋设钢护筒。
A．开孔：钻机设备就位、升举钻杆、安装钻斗、调整钻杆垂直度、对准桩孔中心，然后开机进行旋挖取土开孔为钢护筒埋置作准备。开孔采用干式钻头（短螺旋）进行，开孔大小为设计桩径+600mm，深度2.5m左右。
B. 钢护筒安装：用吊机将加工好的钢护筒调入孔内，先在四个方向用方木楔形块将护筒进行固定，同时调整好护筒的位置和垂直度，在检查无误之后用土石将护筒外四周空隙填实夯牢，保证钢护筒在钻进施工中牢固不变形和位移。护筒选用15mm厚钢板卷制而成，护筒内径为设计桩径＋200mm，高度3.0m左右，护筒顶端应高出地面40cm左右，并上部开一个30cm×30cm的溢浆孔。护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50mm。护筒埋设要保持垂直，倾斜率应小于1.0％。
如果施工现场现状地表土质强度不高，可采取将钢护筒直接安放在桩孔位置的地表上，利用钻机旋挖斗将其静力压入土中。
C. 高程标注：钢护筒安装完成后用测量水平仪测出护筒顶面高程并予以标注，用于钻孔深度及混凝土浇筑高度的辅助测定。
4、泥浆制备
A．泥浆池设置：根据施工工艺需要现场需设置泥浆池，用于钻孔施工时的泥浆制作和储备和桩基混凝土灌注时溢出泥浆的排放，泥浆池大小一般为钻孔容积的1.2~1.5倍，泥浆池位置应在桩孔位置外10m左右，避免泥浆池太近影响正常施工作业，泥浆池的池壁池底要有较好的防渗能力，防渗不好的应作相应处理使之达到要求。
B. 泥浆制作方式：制备泥浆的方式采用泥浆搅拌机或水力搅拌器进行制作。使用粘土造浆时最好用水力搅拌器；使用膨润土制浆时用泥浆搅拌机。由于砂砾石地层的透水性大且有砂层透镜体，故施工中对泥浆的要求较高，所以泥浆采用膨润土材料并用泥浆搅拌机进行制浆。
C．泥浆技术要求：根据砂砾石地层的钻孔实际情况，钻孔施工时泥浆密度应适当大些，根据规范要求和旋挖速度可控制在1.25 ~ 1.35左右；在清孔和混凝土浇注时泥浆密度应适当稀释并控制在 1.1左右。其他粘度18～22s，含砂率<4%。浆液材料以优质膨润土、纯碱为主，泥浆制备用水直接采用施工场地深井水、河水等。泥浆制备完毕后，进行各项性能指标的检测，不符合要求的重新调制。
E．泥浆再生利用和处理：桩基水下混凝土浇筑施工时，桩孔内的泥浆会被反压溢出并排进泥浆池，为了减水泥浆排放对环境造成污染，施工现场应应充分进行泥浆再生利用。方法是在泥浆回流进入泥浆池时设置格栅网将浆液中的砂石滤除，进入泥浆池的泥浆进一步利用泥浆与土渣的相对密度差使土渣产生沉淀以排除。将该泥浆抽入泥浆搅拌机并添加膨润土再次进行搅拌并制成经测试满足施工要求的泥浆。
经过几次使用后的泥浆技术指标会越来越差并最终不能继续使用，此时应将不能继续使用泥浆排进泥浆池中进行放置，使其浆液中的水分逐渐渗透和蒸发，当泥浆最后失水结块后用于可使用的地方或外运弃置、填埋等。
5、旋挖钻进成孔
旋挖钻机配备有电子控制系统显示并调整钻杆的垂直度，同时在钻杆的两个侧面均设有垂直度仪，在钻进过程中有专人观察两个垂直度仪，随时指挥机手调整钻杆垂直度。通过电子控制和人工观察两个方面来保证钻杆的垂直度，从而保证了成孔的质量。
A. 钻斗选择：在砂砾石地层中采用旋挖钻进成孔施工的湿式钻斗（回转斗）与土质地层和岩质地层使用的钻斗有所区别，在综合了两种钻斗的特点前提下将湿式钻斗的进料口和齿角进行了加大，有利于土体的切入和进斗。钻斗为双门底开式回转斗，圆柱型盛料桶，钻斗外径为设计桩径＋60mm，齿角40º，齿端距底板高20cm，同时底盘加焊侧齿，进料口为2个1/4的扇型底面，主要用于旋挖钻进取土。
根据地质变化的不同，也采用其他型式的钻头进行配合施工。如开孔施工、遇粒径过大的砂砾石层的钻进施工时。
B. 泥浆护壁：钻进施工前应先在护筒内注入护壁泥浆，同时在施工过程中随着取土的进行及时注入泥浆，始终保持泥浆在孔内的液面高度以避免孔壁坍塌。
C. 钻进取土：将钻机钻杆回转到桩孔位置后将钻斗垂直放下并开始转动取土，依据钻杆下将高度及检验判断钻斗装满土多少，起斗卸土前应先反向旋转2周利用摩擦将活动底板关闭进料口，之后方可缓缓将钻斗提升并移出护筒卸土。升降速度不宜太快，应保持在0.4 m/s左右。
卸土依靠土体自重和旋转摆动钻斗时土体惯性作用排出钻斗。
D. 终孔及清底：BC-25C型旋挖设备具有先进的电脑控制系统，能精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度和自动量测钻孔深度，但施工现场还是应该采取绳索检查方式进行验证。当确定桩孔深度达到要求后，将钻斗更换成清孔斗并下降到底部，固定钻杆升降作水平旋转数周后反向旋转2周将孔底松散土体收入斗中，然后静置20分钟时悬浮颗粒较大的砂石沉降进入料斗并清除。这段时间要抓紧准备钢筋笼的吊装和混凝土浇筑准备。
6、钢筋笼制作、吊装及水下混凝土浇筑
桩基钢筋笼制作、吊装及桩基水下混凝土浇筑与其他成孔方式的步骤一样，在此不再赘述。
7、截桩头及桩质量检测
A. 在完成混凝土浇注后24小时后应即时进行基坑开挖，截除掉高于设计桩顶的多余混凝土部分并将桩顶上部钢筋表面进行清理。
B. 在进行下道工序施工前，用仪器通过预埋的声测管对桩的混凝土浇筑质量进行检测，确定桩基质量满足设计及规范要求。
四、施工操作注意事项及要点
1、施工所采用的各类材料、半成品必须符合设计和规范要求，对进入施工现场的钢材、螺纹接头水泥等材料除了具有材质检验单、出厂合格证外，还必须进行现场抽样检测和格后才能进行使用。
2、进入施工现场的所有施工机械必须经过检查、测试不存在故障或安全隐患后才能进行施工作业。
3、钢护筒的安装必须准确、牢固，防止施工中的小碰撞出现变形、移位，从而保证桩孔位置的准确。
4、钻机钻斗直径、钢护筒内径必须与设计桩径相匹配，钻斗外径为设计桩径＋60mm，护筒内径为设计桩径＋200mm。施工中必须经常检查钻斗直径及钻头磨损情况，随时对钻斗和钻头进行维修和更换。
5、钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度：由硬地层钻到软地层时，可适当加快钻进速度；当软地层变为硬地层时，要减速慢进；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。
6、施工钻进过程中，由于钻斗外径与桩孔内径差不大，所以钻斗的提升速度一定不能太快，否则泥浆在孔壁间的流速太快有时还会在提升时钻斗下方产生负压而导致孔壁局部坍塌，钻斗在下降前必须将底板进料口打开，避免泥浆仅在孔壁间流动而产生对孔壁的冲刷引起局部塌孔。
7、钻机开钻后应分班连续施工，未出现特殊情况不应中断施工。在施工时应时时对施工过程进行检测，及时调整泥浆密度和补注泥浆。
8、钻孔过程中，必须设专职记录员记录成孔过程的各种参数，如钻进深度、桩孔垂直度、地质分布情况、泥浆浓度、泥浆含砂率、开钻及终孔时间、机械设备维修保养、障碍物等情况。
9、终孔后桩径应不小于设计桩径，垂直度偏差在1%内，桩位偏差不得大于50mm，孔底不得高于设计桩。
10、桩孔即将到前应做好钢筋笼吊装和混凝土浇筑准备工作，确保桩孔到位后的工作衔接紧凑减水桩孔放置时间，避免长时间放置出现塌孔和底部沉渣厚度加大。从清孔停止至混凝土开始浇灌，应控制在1.5~3小时，一般不得超过4小时，否则应重新清孔。
11、 注意预埋超声波检测管。每根桩基在钢筋笼内侧成等边三角形布设3根外径为57mm的超声波检测专用钢管，上端应高出桩顶≥50cm，下至桩底，不得漏水，浇注混凝土前在灌满清水，上口用塞子封严。
12、采用剥肋直螺纹套丝机加工的钢筋丝头，应使用螺纹环规进行检测，合格后用钢筋保护帽对丝头进行保护。连接施工时必须用力拧紧，并用力矩扳手进行连接质量检查。
13、必须严格控制混凝土的坍落度在200mm左右，坍落度太小会造成混凝土浇筑困难甚至出现桩基混凝土浇筑失败，坍落度过大会影响混凝土强度等桩基质量。
14、导管埋深要保持在2~6m，严禁导管提出混凝土面，设专职人员测量导管内外混凝土高差，确保灌注连续并填写水下混凝土灌注记录。
15、必须加工足够大容积的料斗，满足该桩基水下混凝土浇筑首次浇灌时，初灌量应将导管底端能一次埋入0.8~1.2m并且导管内存留的混凝土高度高于泥浆液面。
16、混凝土灌注必须连续进行，中间不得间断；为防止钢筋笼被混凝土顶托上升，应将钢筋笼顶端与钢护筒焊接固定；灌注混凝土的时间尽量加快，以防混凝土进因时间过长其流动性减小。
17、在灌注将近结束时，由于导管内混凝土柱高度减小，压力差降低，而导管外的泥浆及所含渣土的稠度和比重增大，如出现混凝土上升困难时，可在孔内加水稀释泥浆或用泥浆泵抽出部分沉淀物，使灌注工作顺利进行。
五、主要机具设备及配件
施工现场采用一台旋挖钻机所应配备的机具及配件如下：
BC-25C型旋挖钻机1台（含相应的各型钻斗和钻头）；16t吊车1台；钢护筒2个；电焊机2台；泥浆泵2台；砂石泵1台(清孔)；泥浆搅拌机1台；钢筋调直机1台；钢筋切断机1台；钢筋弯曲机1台；CX-40型钢筋剥肋直螺纹套丝机1台；混凝土输送泵1台；φ275导管30m；3m3料斗1个；挖掘机1台；30型装载机1台；密封自卸车2台(渣土外运)等。
六、劳动组织及安全环保保护
1、劳动力组织
机械操作手：10名，旋挖机等各型施工机械的操作；
机管员： 2名，机械的日常维护，零部件的采购；
电焊工： 1名；
电工： 1名；
钢筋工： 6名，钢筋笼制作；
吊装工： 3名，吊放钢筋笼，安装混凝土浇筑导管等；
混凝土工： 6名，灌注桩基混凝土；
普工： 5名。
2、安全环保保护
钻孔施工现场各类施工设备很多，有钻孔设备、钢筋加工设备、电焊设备、起重设备、混凝土浇筑设备、物资运输设备等，还有泥浆池、堆土场、道路、输水输电线路许多施工辅助结构等，因此在施工组织中必须有明确的施工场地规划并严格安装规划进行现场布局，避免因布局不合理出现施工障碍和相互干扰，提高施工进度，保证施工安全。
A. 机械钻进施工前必须对地下、地面及空中的管线、杆线、障碍物进行详细调查，处在作业范围内并对施工构成安全隐患或无法施工的应进行改移或拆除。
B. 施工现场的孔口、泥浆池应设置安全围栏并设置明显警示标志，夜间施工要有设置警示红灯。避免工作人员意外跌入造成人员伤害。
C. 施工场地内钢筋加工场施工用电，应严格按照《施工现场临时用电安全技术规范》及《施工现场临时用电安全专项方案》的规定和要求进行。
D. 施工期间要设置专职安全员在现场进行安全巡查，监督安全防护用品的使用、杜绝瞎指挥、违章作业，保证施工现场施工安全。
E. 严格执行特种工种由特种作业人员持证上岗。
F. 钢筋笼的吊点必须牢固可靠，吊装时必须有专人进行指挥。
G. 拆装钻头时必须注意操作人员之间的配合，以防造成机械伤害。
H．施工现场内的渣土及时清运出施工范围，堆码在现场用于回填的土要进行覆盖。施工产生的泥浆在沉淀后也要运出现场进行弃置或填埋，弃置或填埋都必须是不对周围环境及地下水造成污染。
七、 结语
从成彭高速入城段改造工程（高架桥）第五标段项目的桩基工程施工进度及施工质量来看，除了桩机成孔直接费有些增加外，旋挖钻机施工体现的环保、方便灵活、成孔速度快、扩孔率小、地层适应能力强、安全隐患小等特点都发挥了重要的作用。
旋挖钻机在成都是近几年才逐步引入到桩基施工中，由于钻机购置及运营、维修保养等费用较高，国内保有量远远少于传统钻机，市场份额增长较慢，并且现有各类施工规范、技术手册等并未将旋挖钻机列入其中，缺乏相应的施工工艺标准，目前仅能参照传统钻机的各种施工工艺、性能参数等进行施工，逐步在施工过程中摸索。但是，随着生命高于一切的企业安全理念的不断提高，在成都地区曾经占据统治地位的人工挖孔桩基施工工艺将逐渐被非常安全的机械钻孔施工工艺所取代，旋挖钻机具有的优于传统钻机的诸多优点必将得到推广和广泛运用。
