旋挖钻机钻孔施工技术的应用

王占友赵宝东

0 引言

20世纪80年代开始,钻孔灌注桩在我国被广泛应用于高层建筑、地铁车站、城市立交桥、公路及铁路桥梁、大坝基础等基础设施领域,其成桩工艺技术得到不断发展、改进,现有冲击钻进、冲抓钻进、正、反循环回转钻进、冲击回转钻进、冲击反循环钻进以及旋挖钻进等多种工艺并存。在众多成孔工艺中,旋挖灌注桩通过其自身发展优势不断得到业主的青睐,下面就旋挖钻旋挖灌注桩在潮州电厂一期工程桩施工中的应用情况对该工艺技术特点加以阐述。

1 工程实例

1)桩型、工程量及地质情况。潮州电厂广东省潮州市柘林镇,总桩量4 830根,桩型为端承摩擦灌注桩,桩径600 mm,800 mm和1 000 mm,桩长35 m～65 m(设计要求入强风化花岗岩不小于5 m)。按从上往下的顺序将岩土层特征分述如下:①层素填土,层厚0.60 m～3.50 m;②层～⑤层为砂层,层厚12 m～30 m;⑥层淤泥层,层厚0.60 m～6.1 m;⑦层～⑪层为黏性土层,层厚 8 m～16 m;⑫层为全强风化花岗岩,层厚2.5 m～25.3 m。

2)特别说明。该工程前期地基基础方案经论证后,确定了采用冲孔灌注桩作为主要构筑物的桩基础形式,某两个公司中标。在锅炉区域桩基施工完成后,桩基检测结果令人吃惊,单桩承载力为设计值的30%,40%和70%。桩基开挖发现大量桩基出现桩身露筋,泥皮最厚的可达20 cm。此后,业主重新召集设计、监理、施工单位各方拟在主厂房A列选取9根工程桩做静载试验,分别采用旋挖灌注桩、冲孔灌注桩和冲孔灌注桩后压浆三种桩型进行试验。我公司选用的旋挖灌注桩最终获得试验成功,致使后期工程桩全部采用旋挖钻孔工艺。

2 主要施工方法及技术措施

2.1 护筒的埋设

根据土层情况,钻机对准桩位后钻进成孔3 m～4 m,然后将护筒(护筒用12 mm厚钢板卷制而成,内径较桩径大 100 mm,防止钻头在升降过程刮蹭护筒,保护孔口的稳定,同时顶部开两个孔,供提拔护筒时使用)放入钻孔中,并利用引出的4个控制点进行桩位校准后,利用护筒驱动器或钻杆下压护筒至预设深度,用钻杆将护筒周围土捣实,避免漏浆。

2.2 成孔钻进方法

钻机钻进过程中,保持钻杆转动,保证取土斗底部土体不被挤压破坏并顺利进入斗体中,确保土体钻进过程中局部没有形成失稳的滑弧面,有利于钻孔护壁。

钻进过程中经常检查钻头通气孔,确保通气孔畅通,避免形成“活塞”,造成缩颈与孔壁坍塌;同时应控制泥浆在孔内的高度,保证泥浆液面不低于地下水位1.5 m,防止孔内形成负压,地下水涌入孔内造成孔壁坍塌。

不同地层注意控制钻孔速度。钻进过程,回转斗的底盘斗门必须保证处于关闭状态,以防止回转斗内砂土或黏土落入护壁泥浆中,破坏泥浆的配比;每个工作循环严格控制钻进尺度,避免埋钻事故;同时应适当控制回转斗的提升速度。回转斗升降速度宜保持在0.75 m/s～0.85 m/s,提升速度过快,泥浆在回转斗与孔壁之间高速流过,冲刷孔壁,破坏泥皮,对孔壁的稳定不利,容易引起坍塌。

2.3 钻具配备

改进公司钻机原有配备的直壁捞砂斗、挖泥斗,改用锥形体的捞砂斗和挖泥斗,侧壁加焊导流槽,相应增加斗体中平衡孔的面积,在提升斗体过程中减少对孔底土体的抽真空作用(负压),有利于钻孔护壁,也利于斗体卸土。砂层钻进和清孔采用捞砂斗,防止砂大量悬浮在泥浆中,造成沉渣过厚。黏性土、淤泥层和全强风化岩采用锥形挖泥斗防止甩土困难,以提高钻进工效。

2.4 护壁措施

孔口采用钢护筒护壁,护筒长度大于6 m,并配备相应的备用护筒。同时,护筒口应高出自然地面不低于30 cm,以防止表面水或地面漏浆、杂物等滑落孔中以及地面水流入,增加孔内静水压力以维护孔壁稳定,并兼起钻进导向固定桩位作用。

钻进过程中选用泥浆护壁的施工方法。在泥浆制备上我公司将采用优质膨润土,集中制备泥浆,严格控制泥浆指标,保证整个工程的泥浆性能稳定,同时建立泥浆净化处理系统防止泥浆恶化。

对遇到⑥层淤泥质土的桩孔,我公司采取软泥层钢护筒跟进的钻掘方法(考虑到护筒起拔问题,护筒最多可加长至17 m),有效避免塌孔和缩颈的问题,达到保证成孔质量的目的。

根据地层的变化情况,施工过程中应随时调整泥浆稠度,经常检测和控制泥浆比重,保证泥浆性能符合护壁要求,防止地下水渗入孔内,造成塌孔。在淤泥层、全强风化岩中钻进,因该层土自然造浆能力强,新制泥浆的稠度不应大于1.03,必要时注清水,砂层中泥浆适当调稠防止塌孔。

2.5 施工顺序

本场地局部地层有流塑状的淤泥层土,灵敏性高,易受扰动,在安排作业施工时,保证钻孔孔距大于5倍桩径。同时,保证钻孔跳打,既有效利用已灌注完成桩体来减少对未完成桩体的影响,又防止混凝土浇筑串孔。

3 施工常见问题的原因分析与处理措施

3.1 钢筋笼“主筋集束”

原因分析:在起拔护筒过程中,由于钢筋笼净外径与护筒内径间距较小,当一位置处钢筋笼紧贴护筒内壁,护筒按同一方向快速旋转时,钢筋笼随护筒一起转动,使得钢筋笼发生变形。

预防处理措施:钻机在开始起拔护筒时慢速静拔,然后应减小护筒驱动器转动角度,减慢转动速度,顺时针、逆时针方向相结合(即顺时针45°,逆时针45°相结合)拔动护筒;在钢筋笼第一加劲箍位置内侧增设一道加劲箍;此外,加劲箍筋直径不宜小于14 mm。

3.2 卡钻、埋钻

原因分析:1)较疏松的流砂层、卵石层、流塑淤泥层,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。2)黏性土层一次进尺太深,孔壁易缩颈而造成卡钻。所以,在这类地层钻进要控制一次进尺量,如在15 m以深钻进时,一次钻进深度最好不超过40 cm。3)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。4)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颈而造成卡埋钻。

预防处理措施:1)直接起吊法,即用吊车或液压顶升机直接向上施力起吊。2)钻头周围疏通法,即用反循环或水下切割等方法,清理钻筒四周沉渣,然后再起吊。3)高压喷射法,即在原钻孔两侧对称打两个小孔(小孔中心距钻头边缘0.5 m左右),然后下入喷管对准被卡的钻头高压喷射,直至两孔喷穿,使原孔内沉渣落入小孔内,即可回转提升被卡钻头。4)护壁开挖法,即卡钻位置不深时,用护筒、水泥等物品护壁,人工直接开挖清理沉渣。

3.3 塌孔

主要是因为钻进过程中不使用泥浆,或使用很少的泥浆,护壁效果差所致。为防止钻孔坍塌,钻进过程中应保持孔内水位适当高出地下水位,同时注意控制钻斗的升降速度,避免压力激动。

4 施工效果评价与总结

该工程采用旋挖工艺成桩4 300余根,工程量达90 000余立方米混凝土,最终检测统计大小应变检测全部合格,一类桩比例为95%,工期全部按甲方要求时间完成并有所提前。根据该成功的工程实例,充分体现了旋挖成孔工艺如下优越性:1)设备性能先进,自动化程度高,劳动强度低。2)钻进效率高。3)成桩质量好,有利于单桩承载力的提高。4)钻孔需泥浆少、环保程度高。

5 结语

通过本次施工总结,旋挖钻机施工方法具有旋挖灌注桩打破传统钻孔工艺引入了高浓度、高密度的泥浆介质的成孔模式,有效避免因孔底沉渣和泥皮过厚导致承载力折减的质量通病,以其设备性能先进、自动化程度高、劳动强度低、钻进效率高、成桩质量好、钻孔需泥浆少、环保程度高等特点,成为现今灌注桩钻孔施工技术的主导发展方向和主流。

[1] JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[2] 侯勇.浅谈钻孔桩护筒的制作及施工技术[J].山西建筑,2008,34(4):147-148.