旋挖钻孔灌注桩施工技术

摘  要：旋挖钻机作为基础工程机械中的新型机种，经过十几年的推广应用，目前已被大量应用于公路及铁路、桥梁、水利工程、城市建筑工程等桩基工程之中。本文结合具体工程项目详细阐述大直径旋挖钻孔桩施工工艺控制要点及质量控制指标，供读者借鉴。

关键词：旋挖钻孔桩,施工技术,泥浆,水封混凝土
1、前言
    旋挖钻是通过动力头转动底门镶嵌斗齿的桶式钻斗切削岩土，并将原状岩土装入钻斗内，然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。
由于其高效、节能、低噪声、低污染、地层适应性较广等优点、受到越来越多施工单位的青睐。 
2、工程概况
    新建山西中南部铁路通道汤阴东(不含)至日照南(含)段工程线路西起汤台线汤阴东站，东至日照南站。将军渡黄河特大桥起点位于河南省台前县，跨越黄河主河槽后结束于山东省梁山县。桥跨布置为74-32m简支T梁+1-128m钢桁梁+7-48m简支箱梁+1-100 m钢桁梁+10-128m钢桁梁+50-48m简支箱梁+1-128m钢桁梁+81-32m简支T梁+3-24m简支T梁+7-32m简支T梁。中铁大桥局一公司负责将军渡黄河特大桥0#台～74#墩基础及下部结构，74#～93#墩基础及下部结构、48m简支箱梁施工、128m简支钢桁梁架设、桥面系及附属结构施工。主桥钻孔桩直径2米，桩长77～86米不等，桩基穿越土层主要为粉土、粉质粘土、粉砂、细砂、中砂，其中砂层厚度约占桩长一半。桩基主要位于黄河岸滩属旱地钻孔桩。
3、主要施工工艺
3.1 钻机选型及主要工艺部署
    钻孔桩施工应根据地质情况、设计桩长、桩径以及施工条件选择钻机类型，同时兼顾工期、经济成本等影响因素。综合各方因素，本工程主桥钻孔桩采用三一重工机械有限公司生产的SR360C型旋挖钻机。本机型最大钻孔直径可达2.5米，最大钻深超过100米。钻孔施工采用静态泥浆护壁，直升导管法灌注水下混凝土。两个墩位交替连续作业，缩短建设工期。
3.2 场地布置
根据设计要求结合现场实际情况合理布置施工场地，做到四通一平。规划行车路线时，使便道与钻孔桩的位置保持一定的距离，以免影响孔壁稳定。场地布置尚应考虑钻机作业移位；泥浆循环系统布置；混凝土浇筑作业；排水系统等情况。
3.3 桩位放样
按“从整体到局部的原则”进行桩基的位置放样。使用GPS或全站仪准确放样各桩位，使其误差在规定范围内。
3.4 护筒的制作与埋设
    护筒直径2.3米，长6米。采用12mm厚钢板分节制作，焊接连接。焊接时保证接头圆顺。
在准确放样的前提下埋设护筒，如果钻孔桩在陆地上进行，一般采用挖坑法。在易缩径的淤泥质粘土和易垮孔的松散杂填土地层和沙层宜采用振动锤下护筒和动力头驱动器下护筒，必要时可采用导向架辅助施工。
护筒顶面宜高出施工水位或地下水位2米，并高出施工地面0.5米。沉设到位的护筒，顶面允许偏差为50mm，倾斜度允许偏差为    1％。
3.5 泥浆的制备与泥浆池的设置
    泥浆调制原料尽可能选用膨润土，普通粘土塑性指数应大于25。材料缺乏时，可用略差的粘土增加30％的塑性指数>25的粘土；使用亚粘土时，其塑性指数≥25，大于0.1mm的颗粒≤6％，所选粘土中应不含石膏，石灰或钙盐类化合物。当性能指标难以满足要求时，则应加入外參剂，外參剂量的确定按JTJ041-2000的规定试验确定。
调制泥浆粘土用量可按下式计算：
         q=vρ1={(ρ2﹣ρ3)/( ρ1-ρ3)}×ρ1
  式中：  q-每m3泥浆所需的粘土质量  kg;
         v-每m3泥浆所需的粘土质量   m3
         ρ1-粘土的密度       kg/ m3
             ρ2-要求泥浆的密度   kg/ m3
            ρ3-水的密度    ρ3=1000kg/ m3
    泥浆的各项技术指标应因地层的情况不同做不同的调整。针对本工程的地质状况经实践泥浆比重控制在1.1～1.2；黏度18s～24s较为合适。
旋挖钻孔桩中泥浆池的合理设置也是钻孔作业中较为关键的工作之一。根据需要应设置制浆池、储浆池、沉淀池、循环槽、泥浆分离器等。两个墩位共用一个制浆池，制浆池的容积应不小于桩身体积的2.5倍。储浆池通过设置在制浆池中的泥浆泵注浆。储浆池与孔口之间设补浆槽；孔口与沉淀池之间设回流槽。沉淀池与制浆池之间亦通过沉淀槽相连，沉淀槽长度10～20米沿途设滤砂网，同时在沉淀池口制浆池口设置滤砂网，防止砂粒进入泥浆循环系统，必要时可采用泥浆分离器净化泥浆。钻孔时回流槽关闭泥浆通过补浆槽自动向孔口补浆。灌注水下混凝土时补浆槽关闭泥浆通过回流槽进入沉淀池沉淀。
3.6 钻机就位
    钻机就位时要检查钻机的性能状态是否良好，检查回转半径内是否有障碍物影响回转。钻机地盘不宜直接置于不坚实的填土上，以免产生不均匀沉陷；钻机安置尚应考虑钻孔施工中孔口出土清运的方便。
3.7 成孔
在施工中应根据不同地质情况，选用合适的钻头和施工方法。钻头的类型很多，常用的分为两大类：回转钻头，嵌岩钻头。
回转钻头，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土、风化岩层。嵌岩钻头，适用于碎石土、中等硬度的岩石及风化岩层。
对于相同的地层使用同一钻进扭矩，不同的斗齿刃前角度，钻进效率不同。经过大量的试验：对于硬度较小的第四地层、强风化层和少冰冻土层，选取45°～65°为宜；钻比较硬的地层时斗齿刃前角应稍小些，选取25°～45°为宜。
成孔前必须检查钻头的保径装置，钻头的直径、钻头的磨损情况，施工过程中对钻头磨损超标的及时更换。
旋挖钻开孔施工应轻压慢进，钻头转速不宜大于10r/min，待主动钻杆全部进入孔后，方可逐步加速进行正常钻进。
成孔中,按试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。
旋挖钻机配备电子控制系统显示并调整钻进时的垂直度,通过电子控制和人工观察两个方面来保证钻杆的垂直度,从而保证了成孔的垂直度。
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。
3.8 成孔检查
钻至设计孔深后，应对孔位中心、孔径、孔深、倾斜度等进行检查。孔深可用经校核过的钢丝测绳测量，孔径及倾斜度可用笼式检孔器检测。
3.9 钢筋笼制作与安装
    钢筋笼在钢筋加工厂内分节制作，利用平板车运输至孔口处，履带吊机吊装，直螺纹套筒连接。
3.10 导管安装
    导管使用前应试拼试压，导管内壁应光滑，内经一致，接口严密；直径可采用30～35cm，中间长度宜为3m等长，底节可为4m；漏斗下可用0.5m/1m长导管。
    导管通过卡箍固定于工作平台上。导管长度可根据孔深和孔口工作平台高度等因素确定。导管应位于钻孔中央，导管吊装升降设备能力应与全部导管充满混凝土后的总重量和磨阻力相适应，并留有一定的安全储备。
    导管悬空宜为30～50cm。清孔完毕后浇筑混凝土前，可用卡导管方法精确测量。
3.11 清孔
    导管安装完毕后，利用导管采用正循环换浆法清孔或在导管内下风管利用气举反循环清孔。
当孔底无沉渣或沉渣量较少时，可用换浆法清孔，清孔时间较长；孔底沉渣较厚时，可采用气举反循环清孔，清孔速度较快，但由于旋挖钻孔桩泥浆护壁效果较差，注意防止孔壁坍塌。
清孔前需制备合格的泥浆。清空后应满足孔内排出或抽出的泥浆手摸无2～3mm的颗粒。泥浆比重不大于1.1、含沙率小于2％、黏度17～20s，孔底沉渣符合设计要求。
3.12 灌注水下混凝土
    水下混凝土灌注用储料斗宜采用钢制储料斗，其容积应满足首批混凝土灌注量的要求。首批混凝土灌注量按下式计算：
          V≥πD2（H1+H2）/4+πd2h1/4
式中 ： V— 首批混凝土所需方量(m3); 
        D— 实钻孔直径(m)；
H1— 桩孔底至导管底端间距，一般为0.4米；  
H2— 导管初次埋置深度（m）；
d—  导管内径(m)；
h1—  桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外（或泥浆）压力所需的高度（m），即h1=Hwγw/γc
Hw—桩孔内混凝土面至桩孔内泥浆顶面高度;
γw—泥浆比重；
γc—混凝土比重。
首批混凝土灌注完成后，导管埋置深度不得小于1m，并不得大于3m。
水下混凝土灌注应连续作业，中途不得停顿。拆除导管的时间尽量缩短，每根桩的浇筑时间宜安排在8h内完成。
混凝土浇筑过程中应经常测探孔内混凝土面高程，及时调整导管埋深。导管埋深宜控制在2～6米，最小埋深任何时候不得小于1m。当浇筑速度较快、导管坚固并有足够起重能力时，可适当加大埋深至8～10m。
混凝土浇筑情况，浇筑数量、浇筑时间、混凝土面高程、导管埋深、导管拆除长度以及发生的异常情况等，应专人记录。
桩顶混凝土面浇筑高程应高出设计桩顶1m为宜。
4、结语
旋挖钻孔灌注桩成桩的关键在于泥浆质量的控制。选用优质膨润土，严格按照泥浆配合比配置，建立良好的泥浆净化系统是控制泥浆质量的关键因素。
建立补浆槽自由补浆，有效控制孔内水头高度。是本工程又一亮点。
由于旋挖钻采用静态泥浆护壁，护壁质量较差，成孔后应迅速进行后续工作施工。一般自成孔后至水封混凝土灌注前不宜超过24h。

参考文献:
[1] JTJ 041-2000，公路桥涵施工技术规范    人民交通出版社
[2] TZ 322-2010，铁路桥梁钻孔桩施工技术指南  中国铁道出版社
[3] TZ 203-2010，客货共线桥涵工程施工技术指南  中国铁道出版社