旋挖钻施工工艺在硬质岩层中的应用技术

旋挖钻施工工艺在硬质岩层中的应用技术

余慈江,班瑞宏,刘加勇

中建地下空间有限公司   610000

摘要：随着高速公路建设不断向山区蔓延，受山区地形影响，设计跨沟壑桥梁也越来越多。山区桥梁桩基础多采用人工挖孔桩、冲击钻等施工工艺成孔，安全风险大，成本高，效率低。本文主要介绍山区硬质岩层桩基础旋挖钻成孔技术，在安全质量有保障的情况下工期进度得以大幅提升，为山区高速公路建设节约成本。

关键词：高速公路、硬质岩层、旋挖钻成孔

1 引言

旋挖钻成孔工艺具有成桩速度快、噪音小、机械化程度高、安全风险低、成品质量好、对周边环境污染较少等优点，广泛应用于基础设施建设领域中。旋挖成孔是在泥浆护壁的条件下，旋挖钻机上的转盘或动力头带动可伸缩式钻杆和钻杆底部的钻头旋转，用钻斗底端和侧面开口上的切削刀具切削岩土，同时切削下来的岩土从开口处进人钻斗内。待钻斗装满钻屑后，通过伸缩钻杆把钻头提升至孔口，自动开底卸土，再把钻斗下到孔底继续钻进。如此反复，直至钻到设计孔深。

2 工程概况

本文是以广西某在建山区高速公路硬质岩层桥梁桩基础为实例，该桥梁位于山坳沟壑间，3#桩基础位于天然沟渠旁，其余桩基础位于山腰处。桥梁所处区域水源充足，地势起伏相对平坦，稍作平整即可满足钻挖钻机施工。根据《岩土勘察报告》可知，本桥梁区域地质条件较为简单，根据岩体性质自上到下大致可分为4层：

（1）种植土：灰褐、褐黄色，稍密，主要由黏性土组成，含部分碎石和植物根系，分布于表面，厚度约3.30m。

（2）全风化细砂岩：灰黄色，灰黄色，原岩结构已破坏，矿物成份除石英外均风化成黏性土状，岩芯呈土柱状，岩质软，手可捏碎，遇水易软化，厚度1.30～3.10m。该层承载力基本特征值J.o建议为300(kPa)，钻孔桩侧土摩阻力标准值建议为100(kPa)。

（3）强风化炭质页岩：灰白色，砂质结构，薄层状及片状构造，节理裂隙发育，岩质较软，岩体破碎，岩芯多呈短块状及角砾状。厚度2.10～6.90m。该层承载力基本特征值fwo建议为300(kPa)，钻孔桩侧土摩阻力标准值4k建议为100(kPa)。

（4）中风化细砂岩：青灰色，细粒结构，层状构造，泥质胶结，节理裂隙较发育，微张且泥质充填，裂面见铁锰质浸染，岩芯较破碎，呈短柱状及块状，一般柱长 10～15cm，一般块径3～8cm，岩质较硬，锤击声脆。岩芯采取率约80%～92%。该层钻孔均有揭示，最大揭示厚度25.40m，未钻穿。该层承载力基本特征值Jo建议为1500 (kPa)。

现场岩芯照片

3 旋挖钻成孔

3.1 钻孔前必须检查钻头保径装置，钻头直径、钻头磨损情况，施工过程中对钻头磨损超标的及时更换；根据土层情况正确选择钻斗底部切削齿的形状、规格和角度；根据护筒标高、桩顶设计标高及桩长，计算出桩底标高，以便钻孔时加以控制。

3.2 钻机就位时，必须保持平整、稳固，不发生倾斜。为准确控制孔深，应备有校核后钢丝测绳，并观测自动深度记录仪，以便在施工中进行观测、记录。钻进过程中应经常检查钻杆垂度，确保孔壁垂直。钻进过程中必须控制钻头在孔内的升降速度，防止因浆液对孔壁的冲刷及负压而导致孔壁塌方。钻进成孔过程中，根据地层、孔深变化，合理选择钻进参数，及时调制泥浆，保证成孔质量。在进入沙层和卵石层时，应适当减慢进尺速度，提高泥浆的稠度，减小每个钻进回次的进尺量，保证孔壁稳定。钻进施工时，利用正铲及时将钻渣清运，保证场地干净整洁，利于下一步施工。钻进达到要求孔深停钻后，注意保持孔内泥浆的浆面高程，确保孔壁的稳定。

3.3 成孔中，按试桩施工确定的参数进行施工，设专职记录员记录成孔过程的各种参数，如加钻杆、钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。记录必须认真、及时、准确、清晰。

3.4 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；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进，以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。

3.5 孔底沉淤控制：旋挖钻斗的切削、提升上屑的机理是通过钻斗把孔底原状土切削成条状载入钻斗提升出土，底部面缓，钻至设计标高对土的扰动很小，没有聚淤漏斗，所以要加强稳定液的管理，提高粘度，防止快速沉淀，还要控制终孔前两钻斗的旋挖量。成孔深度达到设计要求后，应尽快进行钻机移位、终孔验收工作。

4 施工过程存在困难及应对措施

4.1 在进行钻进过程中，当旋挖钻机钻进至距设计桩底标高12m左右位置处时（中风化细砂岩），钻进速度极速降低，按常规钻进方法无法保证既定施工进度目标，常规方法钻进速度仅为1～1.8m/d。

解决措施：项目团队与专业监理工程师、地质勘查工程师对现场留存岩样进行查验分析，该岩层具有强度高、埋置深等特点。若使用冲击钻工艺成孔，钻进施工进度也无法得以保障，且环境污染严重；若使用人工挖孔工艺成孔，地下水资源丰富，安全风险极大。经过多次研讨与现场实践，最终确定在承载力基本特征值为800 (kPa)以下时选用SR360型旋挖钻机，在承载力基本特征值为800 (kPa)以上时选用SR460型钻挖钻机。并在承载力基本特征值为1200 (kPa)以上时采取“旋挖钻机小直径钻头多次钻进施工工法”施工，即采用大功率型号旋挖钻机套用小直径钻头对钻孔进行钻进，以220cm直径桩径为例，先套用80cm直径钻头对钻孔分别进行3次钻进，再套用150cm钻头进行钻进，最后采用220cm钻头进行钻进捞渣。实践证明，采用此工法施工钻进速度由最开始的1～1.8m/d提升至5.5～6m/d，施工速度大幅提升，且有效保障了施工安全，节约了工期成本。

4.2 钻进过程中，由于同一截面多次使用钻头进行钻进且岩质坚硬，钻头损坏量较大。

解决措施：将普通钻头斗齿更换为耐磨合金钢斗齿，在钻进过程中有专人对钻机、钻头、斗齿进行检查，发现破损及时维修或者更换。

现场实地勘察研讨                     岩芯留存

5 取得成效

硬质岩层中采用“旋挖钻机小直径钻头多次钻进施工工法”，约10～16h可成孔，1台旋挖钻机每天可成孔约2根，大大提升施工工效，解决了常年以来在硬质岩层中旋挖钻钻进速率低的难题。数据证明，在硬质岩层中采用“旋挖钻机小直径钻头多次钻进施工工法”施工，安全质量得以保障、环境破坏污染小、施工成本有效降低、工期得以保障。此工法率先在广西地区使用，并召开“旋挖钻硬质岩层地区全线推广交流会”。

6 结语

通过广西某高速公路项目硬质岩层中采用“旋挖钻机小直径钻头多次钻进施工工法”的验证，总结出：旋挖钻机在硬质岩层环境中能够高效作业，且具有保安全、质量、进度、成本、环保的特点。在山区高速公路施工过程中要严格按设计要求施工，按规范要求操作，合理的运用新材料、新产品、新技术、新工艺，并结合施工项目自身实际情况，对研究论证出的好方法进行推广，提升整个行业水平。

参考文献：

[1] JTG/T 3650-2020，公路桥涵施工技术规范

[2] 广西高速公路施工标准化技术指南

[3] 陈铁牛 旋挖钻机在永宁河特大桥不同地层中的应用[J] 施工技术，2009，38(9):42-46.