旋挖钻机在软土地层施工的技术应用及质量控制

　　内容提要：主要阐述旋挖钻机钻孔的技术性能及特点，以及通过对旋挖钻机在软土和砂土地层施工中出现的一些问题进行总结，并根据施工现场经验对旋挖钻机在类似地层施工时容易发生的质量事故，总结了一些预防措施。
　　关键词：旋挖钻机，软土地层，技术应用，质量控制
　　
　　1、前言
　　河运高速公路第二分部位于山西省运城市稷山县与河津市交界处，共有大桥两座，分别为K4+855四后坡大桥和K6+510庙子沟大桥，均为307m长，宽26m，上部构造为25m预应力混凝土组合箱梁，先简支后连续。桥梁基础为混凝土灌注桩，钻孔桩共112根，其中两桥桥台均为φ1.2m双排桩，共24根；桥墩为φ1.5m单排桩，共88根。由于运城地处黄土高原，两桥表层均为湿陷性黄土，往下依次为粉细砂、粉土、粉细砂夹杂卵石、粉质粘土。根据工程地质情况，全部采用旋挖钻机成孔。
　　2、旋挖钻机的主要技术性能及特点
　　旋挖钻机的工作原理是首先通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻斗内，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。主要技术性能及特点如下：
　　2.1成孔速度快，是普通循环钻机的5倍以上，有效地保证了工程进度。旋挖钻机钻杆为伸缩式钻杆，提钻速度快。直径1.5m、孔深55m左右的桩基正常情况下7h左右即可完成。
　　2.2对不同的地质情况适应性强，适用广泛。
　　2.3移位方便，旋挖钻机多为液压履带式伸缩底盘，可将钻机方便地移动到所要到达的位置，而不像普通循环钻机移位那么繁琐，同时又保证了整机稳定性及良好的机动性能。
　　2.4定位速度快且定位准确度高。开孔前通过人工指挥钻头中心对准桩位，再由机械手将对应坐标设置为轴心坐标，施工过程中操作手在驾驶室内利用先进的电子设备就可以精确地实现对位，使钻机达到最佳钻进状态。
　　2.5钻孔深度、垂直度可自动检测及控制。因钻机自身自动化程度高，钻孔深度和垂直度可由电子系统控制并在荧光屏实时显示。
　　2.6钻机自带动力，不受场地供电限制，对于电力紧张的工地比其它钻机更能显示其优越性。
　　2.7安全、环保特点突出。整机采用全液压传动，整机调平和行走移位均借助液压马达或油缸，不仅过载保护性好，运转平稳，安全可靠，操作灵活轻快，震动小、噪音低，大大减轻了操作者工作强度，而且钻机还设置了主、副卷扬机的高度限位与动臂幅度限位以及驾驶室内液控开关等安全保护装置，从而促进了文明施工和安全生产；钻孔过程不用循环泥浆，使用的泥浆可以循环利用，钻渣可以通过提升旋挖斗时和泥浆分离后运走，减少了污染，施工现场较为整洁干净。
　　2.8成孔后沉渣少。旋挖钻机成孔采用静态泥浆护壁，钻渣是通过旋挖斗提出，故沉渣量很小；而其它钻机钻渣是通过泥浆的循环排出，故两三米沉渣是常见的。
　　3旋挖钻机在砂土地基施工过程中容易发生的问题和应对措施
　　旋挖钻机由于它对各种地质条件适应能力较强，成孔效率高，施工简单易操作等特点，作为工程基础的一种机具已被应用得相当普遍。但是由于自身的一些特点，且其施工工艺环节多，一环不慎，便导致质量事故发生。尤其是在软土和砂土地基施工时更为突出，以下是通过庙子沟大桥及以往工地施工总结出来容易发生的问题及相应的应对措施。
　　3.1旋挖钻机成孔抗扰动能力差，由于成孔抗扰动能力差，故容易发生塌孔事故
　　首先，旋挖钻泥浆护壁为静态泥浆护壁，孔壁泥皮薄，故护壁效果较差，尤其是在砂卵地层更为突出；其次，旋挖钻机成孔速度快，出渣方式通过旋挖钻斗直接挖出，直径1.5m,孔深55m左右的基桩在7h左右即可完成，故孔壁土层稳定性差。
　　为应对这类问题应采取如下预防措施：
　　1、根据地层地质情况选择合适的钻进速度。
　　2、施工时选用水化性能好，造浆率高，成浆快，含沙量少的膨润土或黏土，在沙土地层选用精选的膨润土为宜。成孔后如来不及灌注时必须使孔内泥浆循环。
　　3、根据孔口地层地质情况确定适当的护筒长度，尽量使护筒穿透砂层，若孔口砂层过厚护筒长度不得低于6米，以减少因地表上振动能量传递到无护筒孔壁。同时在开钻前检查护筒四周土是否结实，如四周土较为松软，可利用钻杆对护筒四周进行捣实。我工地发生的两起塌孔事件均因护筒没有穿透砂层和护筒长度过短而造成的。
　　4、尽量避免成孔后机械在孔口周围走动。
　　5、将不可能避免的施加在孔口周边的力尽可能的分散，避免局部受力，杜绝外部力直接作用在护筒上。
　　6、施工过程中尽量避免钻斗和钢筋笼擦伤孔壁。
　　3.2成孔后软土地层易发生缩孔
　　首先因为旋挖钻出渣方式为钻斗旋挖出渣，孔壁不像其它钻机成孔时有挤压，且旋挖钻成孔速度快，故孔壁稳定性比其它钻机成孔孔壁差；
　　其次，旋挖钻机成孔采用的泥浆相对其它钻机来说比重低，故对孔壁产生的力相对较小。
　　为应对这类问题应采取如下预防措施：
　　1、适当加大钻斗直径，在开孔处结合地层地质情况确定钻斗加大尺寸，保证缩孔后的孔径满足设计孔径。
　　2、适当加大泥浆比重。
　　3、尽可能的缩短浇注前的操作时间。
　　3.3施工过程中由于施工平台松软，钻机因自重下沉，从而导致孔位偏移、孔斜、孔弯和扩孔等现象发生。
　　因为旋挖钻机所设置的坐标均相对于钻机履带在相对稳定的基础上而言，如果钻机履带的位置无论是平面位置还是水平位置发生了变化，其孔位、孔斜、孔弯和扩孔等都得不到有效控制，自然就导致成孔质量达不到规范要求。因此如何保证钻机履带位置的稳定性，是保证钻孔质量的关键之一。
　　为应对这类问题应采取如下预防措施：
　　1、必须保证施工平台有能够满足钻机需要的承载力，确保施工过程施工平台稳定。这就要求在填筑施工平台时选择强度高但又能确保钻机能施钻的填筑材料，一般采用砂性土、含水量适宜的粘土或粒径不大于10cm的砂砾，填筑时必须分层压实。
　　2、在履带底铺设钢板，使钻机自重产生的力分散作用于平台上。
　　3、施工过程中及时清除挖掘上来的渣土，减少挖掘渣土带来的泥浆浸泡施工平台，保证钻机底部及周边土质不被泡软。
　　4、钻机一旦定位开钻后，施工过程中尽量避免钻机在水平位置移动。
　　5、开钻前将点位用护桩引到不容易遭到破坏地方，同时在两侧履带有明显标志处外侧地面设参考点，并测量其履带上标高，并在施工过程中要经常观察其平面位置和水平位置的变化，一旦发生变化，应根据所引出的护桩重新调整钻头中心坐标。
　　3.4由于钻斗磨损过快，导致孔径变小
　　因为旋挖钻机钻斗直径一般都比设计孔径小8-12cm，为了确保钻孔直径，通过斗齿及钻斗外壁的调节块来调整，如果钻机在砂质地层钻进，斗齿及调节块磨损的速度很快。我项目部施工的庙子沟大桥的8号墩桩基孔深为55米，由于砂卵层有10多米厚，开钻的第一根桩和第二根桩所灌注的混凝土量相差有6立方米之多，且每盘料所灌注的深度相差量基本相同，通过调查分析，发现钻头的调节块被磨掉了近4cm，调整调节块的厚度后每根桩的灌注量和每盘料的灌注厚度基本上正常。因此在砂层中钻进时要时刻观察钻斗斗齿及调整块的磨损程度，及时调整纠正，以确保桩体直径满足设计要求，保证桩的质量。
　　3.5成孔后由于施工工艺不当导致塌孔
　　旋挖钻成孔后一般不宜放置时间过长，灌注混凝土速度不宜过快，否则易发生钻孔局部塌孔。因为旋挖钻成孔泥浆护壁泥皮薄，放置时间过长导致孔内上部泥浆中的细粒物质沉淀，导致泥浆比重降低，形成清水孔。灌注速度过快，孔内泥浆和混凝土上升速度也必然加快，对孔壁造成的扰动也就变大，故容易发生局部塌孔事故。
　　为了避免出现这类质量事故，我项目部采取如下预防措施：
　　1、尽量缩短成孔到灌注混凝土的时间。首先做好成孔后各道工序的准备工作。其次加大孔口钢筋笼连接的人员和设备的投入，必须保证两到三部电焊机同时施焊，缩短焊接时间。再次，加快下导管的速度，可以在下导管前将两到三节导管连接好，减少下导管时的连接次数。
　　2、成孔后若来不及灌注时，必须循环孔内泥浆，避免泥浆沉淀。循环泥浆还可以起到清孔的作用。
　　3、灌注进入砂层后，要严格控制灌注速度。
　　4、结语
　　总之，旋挖钻机作为一种新型钻孔设备，它具有功率大,钻孔速度快,自动化程度高,移动灵活方便,定位准确,节约劳动力,生产安全,工作方便,环保性能好,噪声小,工作效率高,节约时间,降低施工成本等特点。但它也有因自身原因带来的一些问题，由于其施工工艺环节多，一环不慎，便会有质量事故发生，这就需要施工人员具有认真的工作态度、很强的责任心、良好的技术水平和丰富的现场处理能力。尤其在桥梁建设中，桩基位置可选择变化余地不大，更需要加强施工管理，搞好成桩质量。
　　参考文献：【1】JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范

《旋挖钻机在软土地层施工的技术应用及质量控制》

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