深埋硬岩地层 SR420 旋挖钻机嵌岩桩施工工法

化学泥浆，旋挖钻机因其高效、移动灵活、环保和适应地层性较广等优点而被广泛应用于公路桥梁、铁路、市政和水利等桩基工程之中。旋挖钻机一般适用于黏土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石等软土地层以及 60m 以内较致密的卵砾层、孤石层和硬岩层。但是，随着特大型桥梁的不断涌现，超大超深桩基越来越多，出现桩长甚至达 100m 以上。上述超长桩基在遇到硬岩基层地层时，旋挖钻机的应用也受到一定的限制。因此，针对上述难题，我公司研究开发了深埋硬岩地层条件下SR420 旋挖钻机高效入岩施工技术，并应用于杭州钱江七桥

（之江大桥）、宁波象山港大桥的工程实践中，取得了良好效果，并总结编制成该工法。该工法涉及到的旋挖钻机扫孔钻具设计、打捞旋挖钻机钻具设计，已申请国家实用新型专利，现已受理。

2. 工法特点

2.0.1 入岩效率高。基于岩石破碎理论，根据岩性特点选用不同钻头和合理布齿，辅以合理钻进工艺，达到旋挖钻机高效入岩目的。

2.0.2 成孔垂直度好。在软硬交界面或岩性各向异性情况下，通过合理的掘进工法和扫孔工艺，可有效保证成孔垂直度。

2.0.3 经济效益显著。旋挖嵌岩钻进时，通过螺旋钻头、不同大小截式筒钻的应用和掘进工艺，不仅入岩效率高，斗齿磨损少，施工进度快，同时可大大节约施工成本。

2.0.4 单台旋挖钻机需配备 4~5 个不同规格和形式的钻头，在旋挖钻进时需不断更换钻头， 操作较复杂。

3. 适用范围

适用于铁路、公路桥梁、市政高架桥和房建等直径小于 3.0m 的嵌岩钻孔灌注桩施工，最大钻孔深度 100m。

4. 工艺原理

基于岩石破碎机理，成孔前，先采用小直径嵌岩筒钻（不取芯）钻进，对孔内岩芯圆周进行松动，增加岩层自由面，以降低其应力水平（见图 4-1），使之有利于大直径筒钻进一步钻进，提高其工作效率。施工工艺原理可见图 4-2(a) 、4-2(b)  、4-2(c) 、4-2(d)。

5. 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

 施工工艺流程见图 5.1-1 所示

 

5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

5.2.1.1 研究分析工程地质

施工前对工程地质、水文情况进行研究，认真分析设计提供的地质勘察报告，对工程地质进行全面分析。对于地质硬度小于 5Mpa 以下的工程地质，分析时应了解水文地质结构参数等土性指标；对于岩性地质，需了解岩石的成因和种类，岩石颗粒的大小和形状、岩石构造及裂隙发育情况，胶结的性质及胶结形式等等。

5.2.1.2 施工机械与设备配置

针对工程不同地质情况，对旋挖钻机的钻杆、钻具、斗齿、护筒、泥浆、清孔工具等施工机械与设备进行选择和优化。对于硬岩基层深埋下的嵌岩桩基施工，一台旋挖钻机至少要配置若干数量的不同规格和类型的钻具、斗齿，以适应软土和硬岩基层的钻进。

5.2.1.3 技术参数设计

针对不同地质情况，优化钻进参数、质量控制措施等等。如土壤切削、岩石钻削时加压方式、钻进扭矩、钻头速度、进尺速度等控制指标。

5.2.2 场地布置

根据设计桩位合理布置施工场地，落实四通一平。桩机底盘应布置于坚实地基上，对于软土地基，应换除软土并夯打密实；或在钻机范围打设木桩或钢管桩，以避免产生不均匀沉降和影响孔壁稳定。钻机的安置应考虑钻渣出运的方便。

对于水上钻孔平台（如图 5.2.2-1），需按旋挖钻机施工荷载（旋挖钻机的工作荷载＋扭矩力+平重），风荷载，水流力，涌潮压力等，验算平台的刚度、稳定性等。

5.2.3 钢护筒埋设

陆上桩基钢护筒采用挖坑法，埋设钢护筒通过定位的控制桩放样，使钢护筒中心与钻孔中心位置重合，同时用水平尺或垂球检查，使钢护筒平面位置与垂直度准确。陆上护筒高度一般在1.5m~2.0m，具体可根据桩位处的土质情况而定。在易缩径的淤泥质粘土和易垮孔的沙层及严重透水地层必须使用长护筒。下护筒方式有振动锤下和旋挖钻机驱动器下护筒。

5.2.4 泥浆制备

根据旋挖成孔工艺，旋挖钻进时不易形成泥皮，护壁性相对较差，易缩径和塌孔。因此，在施工时，为防止坍孔，稳定孔内水位及便于挟带钻渣，通常采用澎润土、CNC 羧甲基（纤维素钠盐）和木质素族分解剂碱类（Na₂CO₃）制备泥浆。澎润土为泥浆的主要材料；CNC 羧甲基（纤维素钠盐）为泥浆增加粘性、防护壁剥落；木质素族分解剂碱类（Na₂CO₃）控制泥浆变质及改善已变质的泥浆。

泥浆指标根据工程地质具体情况进行合理配制，各种材料掺量配比如表 5.2.4-1 所示。

表 5.2.4-1各种材料掺量配比表

土层	水掺量（L）	膨润土掺量（kg）	CNC 羧甲基（kg）	碱掺量（kg）
粘性土	100	6	0.8	3
粉砂层	100	15	0.8	3
卵石层	100	15	0.8	1.8
砂岩	100	8	0.8	3
泥岩	100	10	0.8	1.8

 各种土层的泥浆参考指标如表 5.2.4-2 所示。

表 5.2.4-2 各种土层的泥浆参考指标表

土层	泥浆比重 g/cm3	粘度/s	含砂率（%）	塑性指数
粘性土	1.03～1.05	18～20	<4	>15
粉砂层	1.20～1.25	25～28	<4	>15
卵石层	1.20～1.25	28～30	<4	>15
砂岩	1.15～1.20	23～28	<4	>15
泥岩	1.15～1.20	23～25	<4	>15

5.2.5 钻杆、钻头类型和选用

施工中根据不同地质情况，选用合适的钻杆、钻头和施工工艺。

在淤泥层、泥土、砂层、卵（漂）石层、风化岩层等较软地层钻进时，可采用摩擦钻杆和回转钻头。摩擦钻杆（如图 5.2.5-1）一般制成 5~6 节，钻孔深度可达 100m。回转钻头，一般分单底土斗、双底捞砂斗（如图 5.2.5-2(a)、(b)）。

 

岩基层时，需采用摩擦杆（如图 5.2.5-1）并配置短螺旋钻头（如图 5.2.5-3）、牙轮钻头（如图 5.2.5-4）和嵌岩筒钻（如图 5.2.5-5）等嵌岩钻头。

入岩旋挖钻机所用钻斗，通过合理布齿，使齿间相互为对方创造自由面，为高效入岩创造条件。从岩石破碎理论可知，自由面有利于岩石破碎，而自由面又要根据岩石硬度、脆性、分形维度和表面能综合考虑。对于相同地层使用同一钻进扭矩，采用不同的斗齿刃前角度，其钻进效率也是不同的。因此，选用合适的刃前角，才能提高进尺效率。对于硬度较小的第四层、强风化层， 比钻较松软的地层时斗齿刃前角应稍大些，选取45~65°；钻比较硬的地层时，斗齿刃前角稍小些，选取 25~45°。

根据岩性特性选择不同的钻头。在脆性岩层钻进时，旋挖钻机选择截齿作为刀具，截齿在钻头带动公转时自转，使截齿产生滑动，滑动的出现使岩石在剪切条件下碎岩，所用短螺旋钻头（如图 5.2.5-3 所示）。对于沉积岩等弹性基岩，则选择相应直径和齿数的嵌岩筒钻（如图 5.2.5-5（a）、

（b）所示），以达到小截面做功而钻成大孔的目的。因此，对于硬岩基层，通过以上钻头的交替配合钻进，再结合旋挖钻机先进的动静耦合加载模式控制技术，即可达到高效入岩的目的。

5.2.6 软土层旋挖钻进

在黏土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石等软土地层钻进时，旋挖钻机采用摩擦钻杆和回转钻头钻进。护筒内注满泥浆后，开始钻进，钻进过程中随时不断补充泥浆，使孔内始终保持高于地下水位 lm～1.5m 的水头高度，同时根据土质情况调整泥浆配方和比重。

旋挖钻进通过配备的电子控制系统显示调整钻进时的垂直度，同时辅以人工观察来保证钻杆的垂直度，从而保证成孔的垂直度。

5.2.7 硬岩基层旋挖钻进

当进入卵砾石、泥灰岩、砂砾岩、页岩等硬岩基层时，由于地层密度大，摩擦钻杆和回转钻头无法完成成孔。此时，需选用摩擦钻杆和短螺旋、嵌岩筒钻（不取芯）等不同钻头交替配合钻进。下面以 2.0m 桩径为例进行嵌石工艺描述：

先用 0.8m 小直径不取芯嵌岩筒钻（如图 5.2.5-5( a)所示，斗齿采用子弹头，头部镶有钨钴硬质合金）钻进，对孔内岩芯圆周进行松动，再下短螺旋钻头（如图 5.2.5-3 所示，斗齿采用头部镶有钨钴硬质合金的子弹头）破碎岩芯创造破碎自由面，再用 1.5m 不取心嵌岩筒式钻（如图 5.2.5-5 右所示）进一步松动岩面，最后用 2.0m 嵌岩旋挖钻头（如图 5.2.5-4 所示，斗齿采用牙轮齿）钻进取渣，达到高效入岩目的。

入岩旋挖钻进时，根据地层选用钻斗的同时，还要注意进尺控制。

5.2.6 清孔

达到终孔深度时，用清底钻头清理孔底沉渣，然后停 20~30min，使泥浆中的悬浮物沉淀， 再用钻头捞出，完成第一次清孔，并用测绳测定成孔深度。下完钢筋笼后，进行二次清孔。大口径二清采用气举反循环。孔底沉渣厚度按设计要求控制，一般摩擦桩不得大于 30cm，端承桩孔底沉渣不得大于 10cm。

5.2.7 下钢筋笼

钢筋笼在加工场内分节加工制作，采用内撑十字型定位架确定钢筋笼直径，在内撑架上划线标定钢筋笼主筋位置，以确保主筋位置准确、间距均匀（如图 5.2.7-1）。钢筋笼每完成一节后，检查钢筋尺寸、套筒接头质量。经检验合格的钢筋笼用平板车运至桩位处进行沉放。

钢筋笼接长采用直螺纹套筒连接，逐节接长后下沉，沉放到设计标高后在钢护筒内壁焊接钢牛耳固定钢筋笼，防止钢筋笼在混凝土浇筑过程中发生偏位或上浮。

5.2.8 浇注水下混凝土

厂内混凝土通过搅拌运输车运至桩位处，灌注水下混凝土采用直升导管法，导管在使用前先对其进行预拼和充水试验，充水试验时的压力不小于灌注混凝土时导管壁可能承受的最大压力的

1.5 倍。经试验合格后在导管外壁进行编号，按编号顺序安装导管，并安装初灌斗。混凝土灌注时，在初灌斗颈部设置阀门，初灌斗灌满混凝土后开启阀门，混凝土与浮球下落挤出导管内的水， 使混凝土顺利通过导管灌入桩底，并把导管下口埋在混凝土内，以保证后续浇筑混凝土的质量。再连续浇筑剩余混凝土完成整根桩基

5.2.9 成桩检测

桩基混凝土浇筑完成后，及时清理桩顶浮浆，检查桩基声测管是否通畅，待桩基混凝土达到养生期后，进行超声波检测。

5.3 劳动力组织

6. 材料与设备

6.1 工程材料

主要工程材料见表 6. 1-1。

 

6.2 工程机械设备

深埋硬岩嵌岩桩主要施工机械设备见表 6. 2-1；深埋硬岩嵌岩桩主要施工测量、试验设备见表 6. 2-2。

 

7. 质量控制 

7.1 质量控制标准

7.1.1 工法所执行《公路桥涵施工技术规范》。

7.1.2 工法所执行《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2004)。

7.2 质量控制措施

7.2.1 设备检查

成孔前必须检查钻头保径装置，钻头直径、钻头磨损情况，施工过程对钻头磨损超标的及时更换。

施工过程中，定期对旋挖钻机进行维护保养，检查钢丝绳、钻头销子质量，避免掉钻；检查钻杆磨损情况，避免断杆。

7.2.2 成孔质量控制

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；砂层则采用慢转慢速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。钻机因故停止钻孔时，应设专人值班补浆、循环孔内泥浆，防止塌孔事故

测绳要定期用钢尺校验，当更换测绳、搭接测绳或其他不明情况发生时，要随时用钢尺检验。。

7.2.3 成孔垂直度控制

在易缩径的地层中，适当增加扫孔次数，防止缩径；

对于层理发育且各向异性的硬岩地层，用筒钻配合嵌岩短螺旋钻头和牙轮钻头钻进，能有效预防斜孔。

7.2.4 桩基混凝土灌注

1、桩基混凝土灌注前，先对导管进行充水试验，确保混凝土灌注时导管密封不漏水。

2、采用大掺量粉煤灰配制混凝土，避免桩基混凝土产生大量的水化热。

8. 安全措施

8.0.1 钻孔平台周围设置防护栏杆，栏杆四周配备救生圈、警示牌、消防设施，施工人员佩戴安全帽、穿救生衣，穿平底防滑软底鞋。

8.0.2 定期检查钻孔平台各连接件松紧程度，确保平台的稳定性。

8.0.3 吊装作业由专人指挥，指挥信号明确、清晰。

8.0.4 护筒埋设完毕未及时开钻时，护筒顶部设置盖板，防止人员或工具落入孔内，保障施工安全。

8.0.5 正在施工的孔口位置做到三面栏杆维护，并安置“孔口危险，切勿靠近”警示牌。

8.0.6 与气象、水文部门保持密切联系，及时了解、掌握气象和水文情况，当遇到暴风雨天气时，施工须格外注意，特别是当风速达到 20m／s 时，应采取停钻措施，将钻头或负荷放在地面，动力头驱动器移到桅杆的下部。

8.0.7 避免钻机在 10°以上的斜坡上作业，不要在斜坡上旋转机器、转向、丁字方向上行驶， 以防发生倾覆危险。

8.0.8 钻机上、下坡道如坡度超过允许范围应解体上、下。特制软弱的地面上行走、钻孔应采用钢制路基箱。

8.0.9 严禁酒后操作机械和上岗工作。

9. 环保措施

9.0.1 设置固定机修点，确保无废油进入土壤或水域。

9.0.2 设置固定废弃物堆放点，工程废料集中处理。

9.0.3 安排专门运输车辆或船只，将钻渣和泥浆运出，确保不污施工区水环境。

9.0.4 成立维护现场文明环保小队，负责施工场地的清扫等工作。

10. 效益分析

本工法与传统的冲击钻成孔、大功率回旋钻机成孔相比，大大缩短了施工时间，经济效益明显，以杭新景高速公路延伸线（之江大桥）2 标为例，经济效益对比分析见表 10-1。

本工法由于 SR420 旋挖钻机有垂直精度显示装置和自动调直装置，故成孔部垂直度精度非常高，从而大大减小了为保证桩孔内净尺寸而留放的施工余量，减少了浪费，采用长护筒施工保证了桩的完整性，减少超灌量，具有良好的质量效益

本工法在工艺上代替了水介质成孔取土工艺，大大减少了泥浆的需求和排放。取土随出随运， 节省了场地，方便了其他作业施工，同时节省了运输费、水费、电费，降低了施工成本，减少了环境污染；还有一最大优势就是噪音低、振动小，对周围居民影响很少。

本工法可为今后的类似工程施工提供参考依据，既节约资源，也减少从头摸索施工的费用， 社会效益也较为明显。

11. 应用实例

 工程实例一

杭新景高速公路延伸线（之江大桥）工程 2 标，包括之江大桥东侧非通航孔桥和新浦路互通，共有桩基 411 根（其中水中桩 152 根），承台 94 个，墩身 96 个，桥台 4 个，箱梁 96 跨，路基1016m。设计为双向六车道高速公路，计算行车速度 80km/h，合同金额 38793 万元，合同工期 30个月，从 2010 年 4 月 26 日到 2012 年 10 月 25 日。东侧非通航孔桥桩基共有 176 根（其中水中桩152 根），桩径 1.5～2.0m，设计桩长 66~74m，入岩深度 12~30 m，岩层性质主要为中风化钙质泥岩、中风化泥质粉砂岩、中风化砂砾岩等，天然抗压强度 15~60Mpa。加上施工平台，实际最大钻孔深度达 85m。该工程所有桩基经杭州市质安局检测中心进行的超声波检测．均达到一类桩要求。

工程实例二

宁波象山港大桥及接线工程第 5 合同段，该工程主要包括南、北引桥 46m 上、下部结构、60m 下部结构和桩基础，合同金额 25601 万元，合同工期 32 个月，于 2009 年 06 月 18 日开工。其中， 南引桥60m 下部结构桩基础共有海上桩 96 根，桩径 2.0m，设计桩长 25.5~78m，设计要求桩基嵌入中风化岩深度不少于 4 m。岩层性质主要为中风化凝灰质砂岩、中风化含角砾熔结凝灰岩、

中风化凝灰质岩等，天然单轴抗压强度 67.57 MPa—83.22MPa。由于象山港地质条件的复杂性， 采用常规旋挖工艺，成孔质量低、进度慢且垂直度等相关技术要求得不到有效控制；采用该工法后，根据地质条件的不同，更换不同的钻头，以达到高速、高质的成孔要求，施工作业灵活性高。该工程所有桩基由宁波正信建设工程检测有限公司经超声波检测．均达到一类桩要求。