长螺旋钻机在大粒径、富砂富水卵石地层中成桩的应用与优化

长螺旋钻机在大粒径、富砂富水卵石地层中成桩的应用与优化

杨全 ,段骏亚 ,杨爱群

宜昌建投水务有限公司 湖北省宜昌市 443000

摘要：宜昌建投水务有限公司第三净水厂工程总承包项目位于湖北省枝江市，主要涵盖净水厂工程、取水工程以及输配水管网建设工程。取水工程设计中采用半地下式圆形混凝土构筑物并用沉井施工，引水管采用双线布置并以顶管施工。然而，施工过程中实际发现地质情况与详勘报告有显著出入，卵石粒径大、含量高、强度高，对工程施工提出了新的挑战。本文主要探讨宜昌建投水务有限公司第三净水厂工程总承包项目中取水工程的设计和施工问题，针对实际出土的卵石层地质情况进行分析并根据实际施工情况提出应对策略。

关键词：长螺旋钻机；卵石地层；成桩工艺

引言：

长螺旋钻机是基于螺旋钻头设计的土方开挖设备，螺旋钻机的历史可以追溯到19世纪的早期，人们首次尝试使用螺旋形状的钻头进行土壤的挖掘，发现这种设计可以在某些条件下提高挖掘的效率。在20世纪中叶，长螺旋钻机开始被广泛使用在土木工程中，特别是在桩基工程、地基处理工程等领域。随着科技的发展，长螺旋钻机的性能得到了显著提升。人们开始研制更高效、更精密的螺旋钻头，并引入了电动驱动和液压驱动等技术，使得长螺旋钻机的应用范围得到了进一步的拓宽。21世纪初，随着计算机技术和自动化技术的发展，长螺旋钻机开始进入智能化时代。现代的长螺旋钻机往往配备了先进的传感器和控制系统，可以实现自动化的钻孔过程，大大提高了施工的精度和效率。

一、长螺旋钻机工作原理与应用领域

（一）设备构造与工作原理

长螺旋钻机属于地基深层处理设备，其核心构造主要包括动力设备、输送设备、钻杆以及钻头。动力设备为整个钻机提供必要的驱动力，一般由内燃机或电动机构成。通过动力设备的驱动，使得钻杆和钻头进行旋转和上下移动，从而完成钻孔的工作；钻杆是长螺旋钻机的主体部分，直接与钻头相连，并在动力设备的驱动下进行旋转和提升。其长度和直径根据施工需要可以有所不同，一般采用高强度的钢材，以抵御地层中的各种力学影响；钻头则是直接与地层接触，进行物理切削的部分。根据不同的地质条件，钻头的型号和材料也会有所不同，钻头需要具有足够的硬度和韧性，以抵抗地层的物理冲击和磨擦，尤其是在富砂富水卵石地层中更是如此；输送设备是用来控制钻杆和钻头的旋转和提升，一般包括液压系统、传动系统和控制系统[1]。液压系统主要是利用液压原理，控制钻杆和钻头的提升和下降。传动系统则是通过齿轮或链条等方式，将动力设备的动力传递给钻杆和钻头，使其进行旋转。控制系统则是通过电气或电子设备，控制整个设备的工作状态和操作。长螺旋钻机的工作过程大致可以分为钻孔和灌注两个阶段。在钻孔阶段，动力设备驱动钻杆和钻头进行旋转和提升，钻头在旋转的同时对地层进行物理切削，钻杆上的螺旋叶片会将切削下来的地层物质向上输送，从而形成孔洞。在灌注阶段，混凝土通过输送管路，从钻杆的中心孔注入到已经钻好的孔洞中，钻杆和钻头在保持旋转的同时进行提升，确保混凝土均匀灌入，并将孔洞中的空气和多余的地层物质排出，最后形成地基桩[2]。

（二）主要性能参数

长螺旋钻机作为地基深层处理设备，其主要性能参数主要涵盖了动力参数、钻杆参数、钻头参数和操作参数等方面。动力参数是钻机的动力设备的性能，即驱动力的大小，直接决定了钻机钻孔的深度和速度，以及能否有效地应对复杂的地质条件。同时，动力设备的燃油效率和环保性也是重要的性能参数，因为这关系到施工的成本和环保要求；钻杆参数主要包括钻杆的长度、直径和材质。钻杆的长度和直径决定了钻机能够钻孔的深度和孔径，而钻杆的材质则影响了其强度和耐磨性，两者共同决定了钻机在不同地质条件下的工作性能和使用寿命；钻头参数主要涉及其型号、材质和尺寸等[3]。钻头的型号和材质直接影响了钻孔的效率和质量，尤其是在硬质地层和砾石地层中，钻头的耐磨性和强度尤为重要。钻头的尺寸则关系到孔洞的直径和形状，以及混凝土灌注的效果；操作参数包括操作速度、操作压力和操作范围等。操作速度指的是钻头的旋转速度和钻杆的提升速度，这两者共同决定了钻孔的效率。操作压力则关系到钻头对地层的切削能力，以及设备的稳定性。操作范围则包括了设备的最大工作半径和最大工作角度，这影响到设备在现场的灵活性和适用性。

（三）在工程中的常见应用领域

对于地基深层处理，长螺旋钻机能够提供连续、稳定的钻孔作业，确保深层压实或者土层改良的效果。无论是在沙质土层还是粘性土层，甚至是砾石层，都能够有效地进行钻孔[4]。尤其是在地下水丰富的地方，长螺旋钻机的螺旋出渣方式可以防止孔壁的塌陷，确保了孔洞的稳定。在基桩施工方面，长螺旋钻机更是成为了首选设备，无论是用于单桩的施工，还是作为大面积板桩的预制孔，都能够满足施工需求。特别是在那些需要大孔径、深孔的施工场合，长螺旋钻机的优势更为突出，，其螺旋出渣方式不仅能够保证孔洞的质量，而且还能够提高工作效率，降低施工成本。此外，长螺旋钻机在特殊的施工场合也有着广泛的应用，例如在城市建设中的桥梁、高楼、隧道等基础工程，同样，在水利、海洋工程等需要在水下进行基桩施工的场合，长螺旋钻机的出色性能也能充分发挥。例如，上海长江大桥是世界上最大的跨海大桥，连接上海市区与长江河口的两岸。由于桥梁位于长江口的海域中，所以在其建设过程中，需要在水下进行基础施工。由于长江口的地质条件复杂，地下存在大量的卵石和砂砾层，使用传统的钻孔设备进行施工十分困难。因此，该工程选择应用长螺旋钻机施工，能够有效地克服地下卵石和砂砾层的影响，可在水下精确施工，确保桩基的质量和稳定性

[5]。

二、长螺旋钻机在大粒径、富砂富水卵石地层中的应用

（一）工程背景

本项目是宜昌建投水务有限公司在湖北省枝江市的第三净水厂工程总承包（EPC）项目，主要建设内容包括净水厂工程、取水工程、以及输配水管网建设工程。本项目的取水工程按照20万m2/天的规模一次性建成，水源为长江。主要的构筑物包括取水头部、引水管和取水泵房。取水泵房设计为半地下式的圆形混凝土构筑物，具有14米的内半径，壁厚介于1.5到1.65m之间，埋深20.13米。采用沉井施工和分层浇筑下沉的方法进行施工。在引水管方面，项目采用了双线布置的钢管，管径为1420mm，管长405m，埋深在3到15m之间。引水管施工方式为顶管施工，并在约管中段布置圆形混凝土工作井，内半径为12m，壁厚从1.25m增加到1.4m再到1.65m，埋深20.57m。工作井的施工同样采用沉井施工和分节浇筑下沉的方法。泵房及工作井外围均设置有围护桩。

（二）卵石地层地质分析

本工程场地的地质条件根据勘探单位出具的《详勘报告》显示，最大勘探深度45.8米深度范围内的地层自上而下依次为素填土、第四系全新统冲积粘性土、第四系上新统冲洪积粘性土、粘性土夹卵石及卵石。尤其在（4-2）卵石层，卵石主要为亚圆状，一般粒径20-60mm，含量70-80%，间或出现粒径大于200mm的漂石，卵石间充填有细粒土及中粗砂。然而，施工过程中实际发现的地质情况与详勘报告有显著出入：现场观测卵石粒径常见300mm及以上，含量多达85%以上，甚至出现全卵石层。经检测，卵石的抗压强度高达140MPa。

（三）施工过程

在面临复杂的地质条件，特别是存在卵石层且含有30-40厘米的漂石地层的情况下，通过深入的前期成孔试验和市场调研，采取常规工艺、特殊设备和传统设备相结合的方式进行成孔工作，以保证施工的精准性和高效性。为了保证工作井的稳固，选择使用长螺旋灌注桩工艺来打造混凝土桩。选用的钻机是福建厦兴JB-168，孔径为800毫米，针对本地层的最大成孔深度可以达到35米，电机功率为75*2千瓦。接下来，在工作井外部施加了止水和围护措施，采用φ800＠800的素混凝土灌注桩，桩长35米，有效桩长27.5米，空桩7.5米，以此保证工作井的稳定性和安全性。本项目考虑到地下水位和土壤条件，特别是在富砂富水的卵石地层中，为了提高地下结构的防水性能，工程设计人员采用了复合防水措施，即在素混凝土桩的外围桩间增设了一圈φ800＠800的高压旋喷桩。本项目中高压旋喷桩用来填充素混凝土桩间的缝隙，形成封闭的悬挂止水帷幕。

二、长螺旋钻机在大粒径、富砂富水卵石地层中施工中存在的问题与解决方案

（一）孔壁缩颈

由于长螺旋成孔原理采用的是挤密加螺旋出渣的方式，在提升灌注混凝土的过程中，周围的土壤被压缩，而卵石受到向下的压力，会产生回缩下落的现象，导致孔壁的不均匀和孔径的减小，进一步影响到桩的质量和承载能力。因此，本项目施工中将钻头钻进至设计标高，提升钻机至地面，进行二次钻孔。二次钻孔的目标是钻至设计桩底高程，可以在原有的基础上进一步稳定孔壁，提高孔壁的密实度，减少卵石的回缩和下落现象，二次钻孔也有助于改善地层的力学特性，提高其承载能力。之后，再提升钻机进行混凝土的灌注，此时孔壁已经相对稳定，卵石的回缩和下落现象大大减少。灌注混凝土的过程中，混凝土在下落过程中会与孔壁发生更好的接触，形成更稳定的结构，不仅可以提高桩的承载能力，同时也能改善桩的止水性能。在桩沉井下沉过程中，通过观察发现这种施工策略的桩成型较好，止水效果显著。然而，这种施工策略虽然效果显著，但也有其局限性，增加了工程的复杂性和施工时间，对施工人员的技术要求也更高。此外，虽然二次钻孔可以提高孔壁的稳定性，但如果地层中卵石的含量过高，或者卵石的大小、形状不均，可能还会产生新的施工问题。

（二）动力头跳轨、脱轨

大卵石可能会阻挡钻头的前进，导致钻机需要增大力度慢速旋转钻进，因而动力头可能会出现抖动和摆动，当抖动摆动剧烈时，动力头架可能会脱轨，对钻机的正常工作和设备的寿命都可能造成严重影响。为解决这个问题，在遇到钻进困难时，常采用反复提升低速复打和匀速加力的方法。通过钻头动作的反复提升和下落，即采用反复"复打"的方式帮助钻头穿透地层能增加设备的稳定性，同时利用较低的速度来控制设备的摆动，可基本解决跳轨脱轨现象。同时，反复提升和下落可以使得钻头以更小的步进深度逐步钻进，从而更稳定地穿透地层。然而，这种方法虽然能够解决跳轨脱轨现象，但采用较低的速度和频繁的提升下落，无疑增加成桩的时间成本，也意味着虽然解决了设备的稳定性问题，但在工作效率方面仍有很大的改进空间。因此，施工人员在操作过程中需要根据实际地层情况，权衡稳定性和工作效率，选择最合适的施工策略。

（三）钻头磨损问题

在大粒径、富砂富水卵石地层中进行长螺旋钻机成桩，钻头的磨损是一个难以避免的问题。卵石层的厚度，以及丰富的砂和水内容，对钻头的物理冲击和磨擦十分剧烈，严苛的地质环境会大大加快钻头的磨损速度，影响钻机的效率和成桩的质量。为了解决这个问题，可使用高强度耐磨钻头，该钻头具有更好的硬度和韧性，能够在卵石地层中提供更长的使用寿命。同时，该钻头的耐磨性能能够抵抗卵石和砂粒的磨擦，减慢钻头的磨损速度。采用这种耐磨钻头，不仅能提高钻进的效率，还能降低钻头更换的频率，从而减少施工的停工时间。然而，即使是高强度耐磨钻头，在如此恶劣的地质环境下，也会遇到磨损的问题。因此，及时更换钻头是必要的。但钻头更换过程会耗费相当多的时间，可采用备用钻头提前焊接和加固的策略，以缩短更换时间。这种策略需要在施工前预先准备好焊接和加固好的备用钻头，一旦发现主钻头磨损严重，就可以迅速更换，降低由于更换钻头所造成的工作中断时间。 由本本项目的施工经验可知，钻头的磨损问题是影响施工质量的重要因素，关系到施工进度和成本问题。因此，钻头的设计和材料选择成为改进工作的重要环节，应持续寻找新的钻头材料和设计，以增强其在富砂富水卵石地层中的性能。同时，改进施工策略，如精细化的施工流程管理，减少不必要的操作，也是降低磨损并提高施工效率的重要方式。

结语：

综上所述，与工程勘探报告中描述的地质情况相比，本项目实际施工过程中所遇到的地质环境要复杂得多。原计划中的卵石层粒径、含量、以及强度等参数在实际施工过程中均有明显增加，特别是卵石粒径和含量均远超勘探报告中的描述。由此，本项目调整了工程设计，比如采用高强度耐磨钻头，并在钻头上进行预先的焊接和加固，以应对大粒径卵石层的磨损。同时，采用反复提升低速复打和匀速加力的方法，以减小钻头抖动和摆动，避免钻头脱轨的情况，成功应对了实际地质情况带来的挑战，并最终完成了工程的施工。因此，无论是在地质勘查阶段，还是在实际施工阶段，都需要始终保持警惕，准备好应对可能遇到的各种复杂情况，以提高工程施工效率和安全性。

参考文献：

[1]黄芬清.长螺旋钻机引孔辅助锤击PHC管桩施工技术[J].四川水泥,2023(04):160-162.

[2]邹青.铁路路基长螺旋钻机施工CFG桩质量控制策略[J].工程建设与设计,2022(22):136-138.

[3]潘博文,张胜斌,杨昆昆.复杂地质成桩工艺探究 旋挖钻与长螺旋钻机接力成孔[J].中国建筑金属结构,2022(01):56-57.

[4]褚聚敏.钻孔灌注桩长螺旋钻机成孔先灌混凝土后插筋施工技术[J].施工技术,2021,50(06):110-112.

[5]张志峰.长螺旋钻机在压灌桩施工中的应用及维护方法[J].四川建材,2021,47(03):125-126.