旋挖钻机在高铁桩基础施工中的管理
2018-11-10 9:47:54 点击：
旋挖钻机机械化、自动化程度高，钻机移位灵活方便，成孔效率高，质量好，钻进深度大，对环境污染小，在桩基施工中，有着传统钻机无法比拟的技术优势，因而越来越受施工单位的欢迎。本文通过工程实例介绍了旋挖钻机在卵石土地层桩基施工中的应用。
关键词：旋挖钻机，桩基施工，泥浆性能 化学泥浆
前言
在砂卵石地层中成孔,首先要认真研究工程地质勘察报告,搞清砂卵石粒径的大小、成分、含量、层厚,分析造成易掉块、垮孔、孔斜的原因、程度,了解地下水位和地层的渗透性等,制订正确的施工方案,选择合适的成孔机具以确保成孔的进度和质量。
1 工程概况及地质条件
石---武客运专线高铁桩基础的大桥，桥址内覆层主要地层为第四系全新统冲粉质粘土、粉土、中砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土等；该江常年有流水，水量随季节降雨量变化较大，钻孔桩基础，桩径1.2―1.8米，深度30―45米。
2 施工难点
根据地质条件，本桥施工场地狭窄，交通不便，且地处泥石流区域，对施工进度要求较高；地质条件为卵石土，形成年代久远，强度较大，钻进困难。
3 机型、钻杆及钻头选择
3.1 根据此种地质条件，可以选用冲击钻和旋挖钻，优缺点对比如表1。
表1
比较项目 冲击成孔钻机 旋转挖机
设备成本 底 高
钻进效率 慢 快
成桩质量 一般 好
环境污染 大 小
场地要求 设备作业场地较小，但要求有较大的泥浆地、沉淀池场地 设备作业场地稍大，如及时清查则无需太大的场地
3.2 钻杆选择
根据钻孔时采用的钻进加压方式不同，钻杆分为二种类型：摩擦加压式钻杆（简称：摩擦杆）、机锁加压式钻杆（简称：机锁杆）摩擦式钻杆一般用于较软地层的钻孔施工，可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层机锁式钻杆不但可用于软地层，也可用于较硬地层施工。机锁式钻杆可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层和强风化岩层。
3.3 钻头的选择
常见的旋挖钻头有螺旋钻头、旋挖斗、筒式取芯钻头、扩底钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头和液压抓斗，下面简单介绍适用于本地层的旋挖斗和螺旋钻头。
3.3.1 螺旋钻头
①锥形：双头双螺，适用于坚硬基岩。双头单螺，适用于风化基岩、卵石、含冰冻土等。
②直螺旋钻头：
a.斗齿直螺：双头双螺，适用于砂土，胶结差的小直径砾石层；双头单螺，适用于砂土、土层；单头单螺，适用于胶结差的大直径卵石，粘性土及硬胶泥。
b.截齿直螺：适用于是硬基岩或坚硬卵砾石。
3.3.2 旋挖钻斗
按底板数量可分为双层底斗和单层底斗；按开门数量可分为双开门斗和单开门斗；一般来说双层底钻斗适用地层范围较宽，单层底斗只适用于粘性较强的土层，双门钻斗适用地层范围较宽，单门钻斗只是用于大直径的卵石及硬胶泥。
根据以上情况选择使用旋挖钻机，并根据现场实际情况选择使用石家庄煤矿机械厂生产的 ZX-- 20 型旋挖钻机，动力头最大扭矩200kNm；转速7- 26r/min；不带钻杆时整机重量 60t；最大钻孔深度 60m；最大钻孔直径2m；机锁钻杆，由于本地层较为致密且卵石粒径较大，采用双门平地单层底钻斗、单门平底双底板旋挖钻斗和短螺旋钻斗配合使用。
4 施工工艺
4.1 施工准备
4.1.1 开工前研究相关部门提供的该工程相关资料并做好材料的检验和配合比试验。
4.1.2 编制桩基工程的施工组织设计或施工方案，并确定主要施工机械及其配套设备。
4.2 场地平整
根据设计要求合理布置施工场地，平整场地、换除软土、夯打密实。
4.3 桩位放样
场地整平后，利用该桥的导线控制网定出桥墩台中心桩，并用全站仪放出各桩位，并做好护桩，及时检查桩位及水平。
4.4 钢护筒的制作及埋设
护筒均采用5mm钢板制作，直径大于钻孔桩径20cm ，护筒高出地下水位或孔外水位1.5m，并高出地面0.5m。本桥由于地下水丰富，将护筒加长至3米 。
4.5 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，把钻机开到桩位旁，钻杆的中心正对桩位标注点。
4.6 泥浆制备
为保证泥浆护壁效果，我们使用在优质膨润土中加入羧甲基纤维素钠盐、碱类（Na2CO3及NaHCO）来配制优质泥浆，配合比通过实验确定为：膨润土:纤维素:碱:水 =100:18:21:1250，在钻进过程中及时注入孔内，并根据不同地质情况及时调整泥浆配合比。
泥浆性能指标标准及实测结果如表2。
表2
性能指标 标准值 实测值
相对密度 1．05-1.15 1.15
稠度 18-22s 22s
含砂率 6.5 8
胶体率 >95% 97
4.7 钻进出渣
4.7.1 旋挖成孔是通过底部带有活门的桶式钻头的回转，直接将岩土旋入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，钻进过程中不进行泥浆循环只需及时掺入泥浆，通过钻头的离心力，使该泥浆凝聚在孔壁上，形成胶合薄膜，达到护壁的效果。
4.7.2 每台旋挖钻机配备一台装载机、三台自卸车将渣土及时清理出场。
4.7.3 钻进过程中先使用双门平地单层底钻斗抵挡匀速钻进，逐步加快钻进速度，进入卵石层后，由于砂卵石、卵砾石层硬度大，钻进难度较大。这类地层中若没有粒径太大的孤石、漂石，采用单门平底双底板旋挖钻斗钻进。但这类地层的研磨性比较强，所以钻斗斗齿的消耗会比较大。当碰到有大孤石（漂石），则下入嵌岩短螺旋钻头钻进，一般能把大孤石搅碎或将整个孤石（漂石）带出孔口。短螺旋钻斗的锥头结构形式和锥度大小的选择主要取决于卵砾石粒径的大小和地层硬度，粒径大则选用单锥头形式，这样才能使大粒径卵砾石被旋入螺旋叶片内；粒径小则选用双锥头形式易于带起钻渣。旋挖钻机在钻进时，根据地层选用钻斗的同时，还要注意在钻进时进尺的控制。在使用旋挖斗时依据斗体的容量，一般在斗体三分之二为合适。进尺深度根据桩直径而定，也要根据地层的密度控制进尺深度。进尺过多，导致卸土困难，还会导致埋钻卡钻的事故发生。过少会延误施工进度与设备、能源的消耗，成本提高，降低了效益。
4.7.4 容易出现的问题及预防措施
a.较疏松的砂卵层或流砂层，孔壁易发生大面积塌方而造成埋钻。在钻遇此地层前，应提前制定对策，如调整泥浆性能、埋设长护筒等。
b.卵石层容易使钻头边齿、侧齿磨损严重而无法保证成孔直径，钻筒外壁与孔壁间无间隙，如钻进过深，则易造成卡钻。所以，钻筒直径一般应比成孔直径小6cm以上，边齿、侧齿应加长，同时在使用过程中，及时检查，如钻头边齿、侧齿磨损后要及时修复。
c. 因机械事故而使钻头在孔底停留时间过长，导致钻头筒壁四周沉渣太多或孔壁缩径而造成卡埋钻。因此，平时要注意钻机本身的及时保养和维修，同时要调整好泥浆性能，使孔底在一定时间内无沉渣。
d.由于钻进过程中补充泥浆不足，或泥浆性能不适宜，护壁效果差导致塌孔。为防止钻孔坍塌，钻进过程中应及时注入性能适宜的泥浆，保持孔内水位，同时注意控制钻斗的升降速度，避免压力变动过大。
4.8 成孔及第一次清孔
钻孔达到设计标高后，开始第一次清孔，检查孔径、孔深、倾斜度等指标，合格后下钢筋笼及导管。
4.9 第二次清空及灌注水下混凝土钢筋笼及导管放置到位后，利用导管进行二次清孔，然后再次检查孔深、孔径、沉渣厚度、泥浆性能指标，合格后灌注水下混凝土。
5 施工注意事项
5.1 由于旋挖钻机自重较大，平整场地时必须碾压密实，保证地基稳固，设备工作平稳。
5.2 由于旋挖钻施工直接将钻渣取出，出土量较大，必须配备足够的出土设备，及时出土。
5.3 钻进过程中派专人及时记录地质情况，严格控制泥浆管理，及时调整泥浆性能，并及时注入孔中，保证水头及护壁效果，防止塌孔。
5.4 钻进速度根据地质情况及时调整，匀速钻进，发现问题及时处理，防止塌孔和卡钻。
5.5 由于卵石土地层对钻头磨损较大，要配备足够的备有斗齿等易损件及时更换，并根据地质条件的不同更换钻头。
5.6 操作人员必须经过专业操作培训，持证上岗，并经常检查设备状况，防止设备带病作业或超负荷作业。
6 结论
本桥采用旋挖钻机施工，有效的克服了卵石土地层的钻进困难的问题，平均成桩时间为9小时，比冲击钻提高8倍；对于直径较大的卵石采用调换钻头的方式也有效的进行了处理；通过桩基检测，质量全部合格，使本桥的桩基施工取得了圆满的成功。
关键词：旋挖钻机，桩基施工，泥浆性能 化学泥浆
前言
在砂卵石地层中成孔,首先要认真研究工程地质勘察报告,搞清砂卵石粒径的大小、成分、含量、层厚,分析造成易掉块、垮孔、孔斜的原因、程度,了解地下水位和地层的渗透性等,制订正确的施工方案,选择合适的成孔机具以确保成孔的进度和质量。
1 工程概况及地质条件
石---武客运专线高铁桩基础的大桥，桥址内覆层主要地层为第四系全新统冲粉质粘土、粉土、中砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土等；该江常年有流水，水量随季节降雨量变化较大，钻孔桩基础，桩径1.2―1.8米，深度30―45米。
2 施工难点
根据地质条件，本桥施工场地狭窄，交通不便，且地处泥石流区域，对施工进度要求较高；地质条件为卵石土，形成年代久远，强度较大，钻进困难。
3 机型、钻杆及钻头选择
3.1 根据此种地质条件，可以选用冲击钻和旋挖钻，优缺点对比如表1。
表1
比较项目 冲击成孔钻机 旋转挖机
设备成本 底 高
钻进效率 慢 快
成桩质量 一般 好
环境污染 大 小
场地要求 设备作业场地较小，但要求有较大的泥浆地、沉淀池场地 设备作业场地稍大，如及时清查则无需太大的场地
3.2 钻杆选择
根据钻孔时采用的钻进加压方式不同，钻杆分为二种类型：摩擦加压式钻杆（简称：摩擦杆）、机锁加压式钻杆（简称：机锁杆）摩擦式钻杆一般用于较软地层的钻孔施工，可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层机锁式钻杆不但可用于软地层，也可用于较硬地层施工。机锁式钻杆可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层和强风化岩层。
3.3 钻头的选择
常见的旋挖钻头有螺旋钻头、旋挖斗、筒式取芯钻头、扩底钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头和液压抓斗，下面简单介绍适用于本地层的旋挖斗和螺旋钻头。
3.3.1 螺旋钻头
①锥形：双头双螺，适用于坚硬基岩。双头单螺，适用于风化基岩、卵石、含冰冻土等。
②直螺旋钻头：
a.斗齿直螺：双头双螺，适用于砂土，胶结差的小直径砾石层；双头单螺，适用于砂土、土层；单头单螺，适用于胶结差的大直径卵石，粘性土及硬胶泥。
b.截齿直螺：适用于是硬基岩或坚硬卵砾石。
3.3.2 旋挖钻斗
按底板数量可分为双层底斗和单层底斗；按开门数量可分为双开门斗和单开门斗；一般来说双层底钻斗适用地层范围较宽，单层底斗只适用于粘性较强的土层，双门钻斗适用地层范围较宽，单门钻斗只是用于大直径的卵石及硬胶泥。
根据以上情况选择使用旋挖钻机，并根据现场实际情况选择使用石家庄煤矿机械厂生产的 ZX-- 20 型旋挖钻机，动力头最大扭矩200kNm；转速7- 26r/min；不带钻杆时整机重量 60t；最大钻孔深度 60m；最大钻孔直径2m；机锁钻杆，由于本地层较为致密且卵石粒径较大，采用双门平地单层底钻斗、单门平底双底板旋挖钻斗和短螺旋钻斗配合使用。
4 施工工艺
4.1 施工准备
4.1.1 开工前研究相关部门提供的该工程相关资料并做好材料的检验和配合比试验。
4.1.2 编制桩基工程的施工组织设计或施工方案，并确定主要施工机械及其配套设备。
4.2 场地平整
根据设计要求合理布置施工场地，平整场地、换除软土、夯打密实。
4.3 桩位放样
场地整平后，利用该桥的导线控制网定出桥墩台中心桩，并用全站仪放出各桩位，并做好护桩，及时检查桩位及水平。
4.4 钢护筒的制作及埋设
护筒均采用5mm钢板制作，直径大于钻孔桩径20cm ，护筒高出地下水位或孔外水位1.5m，并高出地面0.5m。本桥由于地下水丰富，将护筒加长至3米 。
4.5 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，把钻机开到桩位旁，钻杆的中心正对桩位标注点。
4.6 泥浆制备
为保证泥浆护壁效果，我们使用在优质膨润土中加入羧甲基纤维素钠盐、碱类（Na2CO3及NaHCO）来配制优质泥浆，配合比通过实验确定为：膨润土:纤维素:碱:水 =100:18:21:1250，在钻进过程中及时注入孔内，并根据不同地质情况及时调整泥浆配合比。
泥浆性能指标标准及实测结果如表2。
表2
性能指标 标准值 实测值
相对密度 1．05-1.15 1.15
稠度 18-22s 22s
含砂率 6.5 8
胶体率 >95% 97
4.7 钻进出渣
4.7.1 旋挖成孔是通过底部带有活门的桶式钻头的回转，直接将岩土旋入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，钻进过程中不进行泥浆循环只需及时掺入泥浆，通过钻头的离心力，使该泥浆凝聚在孔壁上，形成胶合薄膜，达到护壁的效果。
4.7.2 每台旋挖钻机配备一台装载机、三台自卸车将渣土及时清理出场。
4.7.3 钻进过程中先使用双门平地单层底钻斗抵挡匀速钻进，逐步加快钻进速度，进入卵石层后，由于砂卵石、卵砾石层硬度大，钻进难度较大。这类地层中若没有粒径太大的孤石、漂石，采用单门平底双底板旋挖钻斗钻进。但这类地层的研磨性比较强，所以钻斗斗齿的消耗会比较大。当碰到有大孤石（漂石），则下入嵌岩短螺旋钻头钻进，一般能把大孤石搅碎或将整个孤石（漂石）带出孔口。短螺旋钻斗的锥头结构形式和锥度大小的选择主要取决于卵砾石粒径的大小和地层硬度，粒径大则选用单锥头形式，这样才能使大粒径卵砾石被旋入螺旋叶片内；粒径小则选用双锥头形式易于带起钻渣。旋挖钻机在钻进时，根据地层选用钻斗的同时，还要注意在钻进时进尺的控制。在使用旋挖斗时依据斗体的容量，一般在斗体三分之二为合适。进尺深度根据桩直径而定，也要根据地层的密度控制进尺深度。进尺过多，导致卸土困难，还会导致埋钻卡钻的事故发生。过少会延误施工进度与设备、能源的消耗，成本提高，降低了效益。
4.7.4 容易出现的问题及预防措施
a.较疏松的砂卵层或流砂层，孔壁易发生大面积塌方而造成埋钻。在钻遇此地层前，应提前制定对策，如调整泥浆性能、埋设长护筒等。
b.卵石层容易使钻头边齿、侧齿磨损严重而无法保证成孔直径，钻筒外壁与孔壁间无间隙，如钻进过深，则易造成卡钻。所以，钻筒直径一般应比成孔直径小6cm以上，边齿、侧齿应加长，同时在使用过程中，及时检查，如钻头边齿、侧齿磨损后要及时修复。
c. 因机械事故而使钻头在孔底停留时间过长，导致钻头筒壁四周沉渣太多或孔壁缩径而造成卡埋钻。因此，平时要注意钻机本身的及时保养和维修，同时要调整好泥浆性能，使孔底在一定时间内无沉渣。
d.由于钻进过程中补充泥浆不足，或泥浆性能不适宜，护壁效果差导致塌孔。为防止钻孔坍塌，钻进过程中应及时注入性能适宜的泥浆，保持孔内水位，同时注意控制钻斗的升降速度，避免压力变动过大。
4.8 成孔及第一次清孔
钻孔达到设计标高后，开始第一次清孔，检查孔径、孔深、倾斜度等指标，合格后下钢筋笼及导管。
4.9 第二次清空及灌注水下混凝土钢筋笼及导管放置到位后，利用导管进行二次清孔，然后再次检查孔深、孔径、沉渣厚度、泥浆性能指标，合格后灌注水下混凝土。
5 施工注意事项
5.1 由于旋挖钻机自重较大，平整场地时必须碾压密实，保证地基稳固，设备工作平稳。
5.2 由于旋挖钻施工直接将钻渣取出，出土量较大，必须配备足够的出土设备，及时出土。
5.3 钻进过程中派专人及时记录地质情况，严格控制泥浆管理，及时调整泥浆性能，并及时注入孔中，保证水头及护壁效果，防止塌孔。
5.4 钻进速度根据地质情况及时调整，匀速钻进，发现问题及时处理，防止塌孔和卡钻。
5.5 由于卵石土地层对钻头磨损较大，要配备足够的备有斗齿等易损件及时更换，并根据地质条件的不同更换钻头。
5.6 操作人员必须经过专业操作培训，持证上岗，并经常检查设备状况，防止设备带病作业或超负荷作业。
6 结论
本桥采用旋挖钻机施工，有效的克服了卵石土地层的钻进困难的问题，平均成桩时间为9小时，比冲击钻提高8倍；对于直径较大的卵石采用调换钻头的方式也有效的进行了处理；通过桩基检测，质量全部合格，使本桥的桩基施工取得了圆满的成功。
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