旋挖钻机在宁杭客专桩基工程施工过程中的工艺及控制

1、旋挖钻机在宁杭客专桩基工程施工过程中的工艺及控制旋挖钻机在宁杭客专桩基工程施工过程中的工艺及控制 摘要：近几年来，旋挖钻机是钻孔灌注桩施工中一种较先进的施工方法，该施工方法主要特点是施工效率高，适用于工期要求紧的工程项目。在宁杭客专南河特大桥桩基施工中发挥了充分的作用，同时使现场技术人员掌握了新技术，加块了施工进度，确保了工程质量。关键字：旋挖钻机 宁杭客专 桩基工程 工艺及控制1. 前言旋挖钻机的英文为Rotary Drilling Rig，旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美国CALWELD首先研制出回转斗，短螺旋钻机。二十世纪五十年代，法国BENOT

2、O将全套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。旋挖钻机因其具有装机功率大，输出扭矩大，轴向压力大，机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑桩基工程中成孔作业最理想的施工机械。随着高速铁路的迅速发展，钻孔灌注桩运用在路桥基础工程中日益增加，在大中桥梁中的运用显得越来越重要，同时也促进了桥梁钻孔灌注桩施工技术的快速发展。近几年来，旋挖钻机是钻孔灌注桩施工中一种较先进的施工方法，该施工方法主要特点是施工效率高，适用于工期要求紧的工程项目。在宁杭客专南河特大桥桩基施工中发挥了充分的作用，同时使现场技术人

3、员掌握了新技术，加块了施工进度，确保了工程质量。2. 工程概况南河特大桥位于溧阳境内，地处河网化地区，水系流域非常发达，几乎是鱼塘和河流，河流属于太湖流域南溪水系，南溪水系发源于苏、浙、皖三省交界处的界岭，溧阳市南溪的主要源流之地，以南河、中河、北河为干流。本桥主要跨越新北河（VII级航道）、老北河（等外级航道）、中河（VI级航道，规划V级航道）、南河（IV级航道，规划III级航道）等既有航道四处，水西线、扬溧高速、239省道、104国道、宁杭高速联络线等既有公路五处，甬宁石油管道三处、川气东输管道一处。桥梁中心里程：DK82+377.568。起讫里程DK75+212.93DK89+542.2

4、05，全桥长14329.3m。全桥有（32+48+32）m连续梁2座，（40+64+40）m连续桥梁2座，（40+56+40）m连续桥梁2座，（48+2×80+48）m连续桥梁1座，（48+80+48）m连续桥梁1座，其余孔跨均为标准跨度24m、32m预应力混凝土简支箱梁。桥梁下部结构基础采用直径为1.0m、1.25m、1.5m、2.2m钻孔灌注桩基础。3. 设备特点本项目部用于桩基施工的旋挖钻机是山河智能SW21型、SW22型以及SW25型旋挖钻机。其中：SW21型旋挖钻机最大扭矩210KN.m，最大旋挖速度6-26rpm，发动机额定功率242KW，最大钻孔直径1500mm；SW2

5、2型旋挖钻机最大扭矩220KN.m，最大旋挖速度6-26rpm，发动机额定功率242KW，最大钻孔直径1500mm；SW25型旋挖钻机最大扭矩248KN.m，最大旋挖速度6-32rpm，发动机额定功率250KW，最大钻孔直径1800mm。这几种旋挖均适用于粘性土、粉质土、砂土等土层施工。钻机通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土，反复循环而成孔，并具有功率大、钻孔速度快、移位方便、定位准确、工作效率高、噪音小、环保的特点。4.工程施工4.1 施工方案确定本项目部承接了南河特大桥227# 280#墩台以及320#330#墩台的桩基施工。根据该桥址处地质情况、施工工期要求紧、施工场地受到限制、环保等因素

6、，227#252#墩台以及259#265#墩台大部分的桩基施工是由旋挖钻机完成，其它桩基的施工则由冲击钻机完成。4.2 施工准备施工图纸的会审，测量放样，现场技术交底，施工场地平整，机械设备、材料的进场。组织施工人员对施工现场进行深入的调查和研究，收集与施工相关资料，采用合理的施工组织方法，使桩基施工保持连续、均衡、有节奏地进行。机械设备投入旋挖钻机3台（山河智能SW21型、SW22型以及SW25型旋挖钻机），配备泥浆泵，1625T汽车吊3台，PC200型挖掘机三台等设备。4.3 施工工艺4.3.1 机械就位、护筒埋设施工场地平整处理，保证旋挖钻机底座场地应平整、夯实，避免在钻进过程中钻机产生

7、沉陷。桩位确定后，利用十字线放出四个控制桩位（护桩），并以四个控制桩为基准进行埋设护筒。护筒埋设：护筒由厚度46mm钢板制成，护筒直径比桩基孔径大100mm，每节护筒长度1.5-3.0m，上部宜开设1-2个溢浆口，护筒埋设时至少高出地面30cm。以防止杂物、泥水流入孔内。旋挖钻机在埋设护筒时，应由挖掘机和人工进行辅助配合，护筒埋设利用旋挖机的钻斗挤压作用做相应的调整。调整完毕后，护筒下端侧面应用粘土压实以避免护筒下沉。护筒埋设完毕应当用挖掘机自护筒溢浆口挖出一条排浆沟，沟的规格应当足够造孔和浇注时的泥浆排放，从而避免泥浆外泄。4.3.2 泥浆调制钻机施工中泥浆可以防止孔壁坍塌、抑制地下水、悬浮

8、钻渣等作用，为此泥浆是保证孔壁稳定的重要因素。按照规范，除能自行造浆的黏性土层外，均应制备泥浆。泥浆制备应选用高塑性黏土或膨润土。泥浆应根据施工机械、工艺及穿越土层情况进行配合比设计。泥浆护壁旋挖钻机成孔应配备成孔和清孔用泥浆及泥浆池（箱）,在容易产生泥浆渗漏的土层中可采取提高泥浆相对密度，掺入锯末、增黏剂提高泥浆黏度等维持孔壁稳定的措施。泥浆制备的能力应大于钻孔时的泥浆需求量，每台套钻机的泥浆储备量不应少于单桩体积。由于本施工段地基岩土中粉质黏土、泥质砂岩居多，且地面水位较高，故调制出良好泥浆的各项性能指标尤为重要。造孔时泥浆相对密度： 1.10-1.25，粘度：1822s，含砂率8，泥皮厚

9、度：2mm，PH值：大于7。灌注砼前泥浆相对密度： 小于1.10，粘度：1720s，含砂率2。施工过程中随时检测清孔后灌注砼时泥浆的各项性能指标，确保泥浆对孔壁的撑护作用，避免发生施工事故。4.3.3 钻孔施工旋挖钻机施工时，应保证机械稳定、安全作业，必要时可在场地辅设能够保证其安全行走和操作的钢板或垫层（路基板）。旋挖钻机采用筒式钻斗。钻机就位后，调整钻杆垂直度，注入调制好的泥浆，然后进行钻孔。当钻头下降到预定深度后，旋转钻斗并施加压力，将土挤入钻斗内，仪表自动显示筒满时，钻斗底部关闭，提升钻斗将土卸于堆放地点，钻斗倒出的土距孔口的距离应大于6m，并应及时清除。钻机施工过程中保证泥浆面始终不

10、得低于护筒底部，保证孔壁稳定性。通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土和泥浆撑护孔壁，反复循环直至成孔。成孔前和每次提出钻斗时，应检查钻斗和钻杆连接销子、钻斗门连接销子以及钢丝绳的状况，并清除钻斗上的渣土。旋挖钻机钻孔达到设计深度时，应采用清孔钻头进行清孔，泥浆指标和孔底沉渣厚度应满足规范要求。4.3.4 改善钻斗护壁能力旋挖钻机施工初期，提升料筒时，发现提升力显著增大，有孔壁颈缩现象。经过详细分析，由于筒式钻斗完全无护壁作用，在提升钻斗时，其下部产生较大负压力作用，致使产生“吸钻”现象，从而造成孔壁颈缩现象。因此，必须对筒式钻斗进行改进。在筒壁上加焊4块双曲面护壁钢板（或增设导流槽），两两对称布置

11、，为防止升降时碰怀孔壁，钻头旋转时双曲面护壁钢板直径小于孔径2cm。由施工现场（259#-263#墩台）实践得知，改善后的钻斗在提升过程中液压系统压力显著减小，钻孔颈缩现象明显得到改善。4.3.5 控制钻进、提升速度(1) 旋挖钻机钻机过程中应严格控制钻进速度，避免钻进尺度较大，造成埋钻事故。(2) 若钻机升降钻斗时速度过快，钻斗外壁和孔壁之间的泥浆冲刷孔壁，再加上钻斗下部产生较大负压作用，造成孔壁颈缩、坍塌现象。所以钻斗提升时应严格控制其速度，经现场实践得知，钻斗升降速度保持在0.750.80m/s。当钻进至粉砂层或亚砂土层时，其升降速度应更加缓慢。（3）本施工段大部分墩

12、台施工过程中，当旋挖机造孔至30m以下地层时，该地层泥质砂岩导致钻斗钻进进尺缓慢。此时，可更换螺旋钻头进行钻进，同时使用钻斗进行掏渣，从而加快钻进速度；也可对钻斗底部斗齿进行改进，改装子弹头式斗齿，增强对硬质地层的适应能力，从而提高工作效率。在227#墩台施工过程中，SW21型旋挖钻机在未处理钻斗时，成孔时间为30-40小时/孔，改进钻斗后，成孔时间缩短为8-10小时/孔，大大提高了工作效率。4.4 清孔钻孔达到图纸规定深度后，且成孔质量符合图纸要求并经监理工程师批准，应立即进行清孔。清孔主要采取换浆、掏渣的方法。清孔时，孔内水位应保持在地下水位或河流水位以上1.52m，以防止钻孔的任何塌陷。

13、清孔时，应将附着于护筒壁的泥浆清洗干净，并将孔底钻渣及泥砂等沉淀物清除。清孔次数按图纸要求，清孔后孔底钻渣沉淀厚度除图纸特别说明外，其余应不大于5cm，不得用加深钻孔的方式替代清孔。对于冲击钻进，可在清渣前，投入水泥12袋，通过钻头低冲程的反复冲拌数次，使孔底泥浆、钻渣和水泥形成混合物，然后以掏渣工具的方式掏出。然后，用一根水管插到孔底注入高压水，使水流将泥浆冲稀。泥浆比重逐渐降低后向孔口溢出。达到要求，方可停止注水清孔。在吊入钢筋骨架后，灌注水下混凝土之前，应再次检查孔内泥浆性能指标和孔底沉渣厚度，如超过规定，应进行第二次清孔，符合要求后方可灌注水下混凝土。清孔必须达到以下标准：孔内排出或抽

14、出的泥浆手摸无23mm颗粒，泥浆比重不大于1.1，含砂率小于2%，黏度1720s；浇注水下混凝土前孔底沉渣厚度，柱桩不大于5cm，摩擦桩不大于20cm。严禁用加深孔底深度的方法代替清孔。钻孔桩成孔检测项目及要求序号检测项目要求1地质情况符合设计要求2孔径不小于设计孔径3孔深不小于设计孔深，并进入设计岩层4孔型符合设计要求5倾斜度1%6孔位中心50mm4.5钢筋笼制安、钢筋质量、存放要求、钢筋进场必须有相应的出厂合格证，并按规范要求进行抽样检查、试验，试验合格后方可在工程中使用。钢筋按相应国标有关规定进行屈服强度、抗拉强度、延伸量和冷弯试验。钢筋直径超过12mm时，进行机械性能及可焊性能试验。、

15、进场后的钢筋每批（同口种、同等级、同一截面尺寸、同炉号、同厂家生产的每60t吨为一批）内任选三根钢筋，各截取一组试样，每组3个试件，一个试件用于拉力试验（屈服强度、抗拉强度及延伸率），一个试件用于冷弯试验；一个试件用于可焊性试验。如果有一个试件试验失败或不符合要求时，另取两个试件再做试验。如果两个试件中有一个试验结果仍不符合要求，则该批钢筋拒收。、钢筋按不同钢种、等级、牌号、规格及生产厂家分批验收，分别堆存，并立牌以便于识别。 、钢筋原材料贮存于工地钢筋加工厂钢筋存放区，钢筋原材料存放时必须放置于地面以上0.5m的平台、垫木或其他支承上，并采取使钢筋不受机械损伤及由于暴露于大气而产生锈蚀和表面

16、破损的保护措施。使用时的钢筋无灰尘、锈蚀、松散锈皮、油漆、油脂、油污或其他杂质。、钢筋笼加工制作钢筋笼在钻进过程中提前进行加工制作，吊放时接长，钢筋笼在现场进行绑扎与焊接，主筋与加强箍筋全部焊接，以增加钢筋笼的刚度，钢筋笼接长主筋采用直螺纹套筒连接，接头互相错开，错开距离不小于35d，且保证同一截面内接头数目不超过钢筋总数的50%。所有钢筋的截断及弯曲均在工地现场内进行。钢筋按图纸的形状尺寸进行弯曲，采用冷弯法加工。钢筋笼加工制作在施工现场进行，采用钢筋调直机调直，M-40切断机切断， GRR-40弯曲机弯制成型。钢筋调直及弯制前必须表面洁净，无油污、浮皮和鳞锈；在调直、弯制时，不得损伤钢筋（

17、表面伤痕不得使钢筋截面积减少5%以上）。凡施焊的的各种钢筋均应有材质证明书及试验报告单。焊条、焊剂应有合格证，各种焊接材料的性能应符合现行钢筋焊接及验收规程（JGJ18）的规定。焊接前先进行试焊，试焊合格后方可正式施焊，焊接人员必须持证上岗。电弧焊接接头的外观检查在接头清渣后逐个进行目测及量测，焊缝表面平整，不得有较大的凹陷、焊瘤，焊接接头处不得有裂纹，其允许偏差不得超过规范要求。电弧焊接接头的强度试验，以300个同类型焊接接钢筋在同一焊接条件下作为一批，不足300个仍作为一批，每批取3根试件作拉伸试验，每根试件的焊接接头抗拉强度均不得小于该级别钢筋规定的抗拉强度，3个接头试件均应断于焊缝之外

18、，并应至少有2个试件呈延伸性断裂。、钢筋笼吊装钢筋笼采用起重吊车分节吊装，吊装时采用多点平衡吊放，以防止扭转弯曲发生永久性变形。吊放过程中对准孔位，吊直扶稳，缓慢下放，避免碰撞孔壁。钢筋笼按放后不能及时灌注混凝土时，将钢筋笼从孔内移出。在重放钢筋笼前，对钻孔的完整性，孔底沉淀物进行重新检查。吊装钢筋笼时，将第一节钢筋笼吊入桩孔内，当钢筋笼顶部离孔顶约1m时，用钢管或方木将钢筋笼临时支撑在护壁顶上，然后吊起第二节钢筋笼，与第一节钢筋笼按设计及规范要求连接牢固后，将其下到笼顶距护筒顶1.0m位置，再接长第三节，按此法逐节将钢筋笼下到设计位置。安装时应注意对准孔位，垂直下放。钢筋笼四周沿桩长不超过2

19、m的地方对称设置四个“钢筋耳环”，使钢筋笼下到孔内后不靠孔壁而有足够的保护层。钢筋笼下到标高后，将顶节钢筋笼上焊接的4根加长钢筋焊接固定在钢护筒上，防止钢筋笼上浮或下落情况。钢筋骨架的制作与吊放的允许偏差为：主筋间距±10mm，箍筋间距±20mm，骨架外筋±10mm，骨架倾斜度±0.5%，骨架保护层厚度±20mm，骨架中心平面位置20mm，骨架顶端高程±20mm，骨架底面高程±50mm。4.6、灌注水下混凝土灌注混凝土前，应检测孔底泥浆钻渣沉淀厚度及泥浆指标，如大于设计及规范要求，再进行二次清孔，完成后经监理工程师验收合格后

20、，立即进行灌注施工。混凝土浇筑采用导管法灌注水下混凝土的方法（见下图），混凝土搅拌运输车运送。灌注钻孔桩水下混凝土前，再次检查孔底情况，检查导管口距孔底的高度是否在允许范围2540cm之内，浇筑混凝土的机具、设备准备完好。如若无异即利用储料漏斗、导管灌注桩基水下混凝土。用隔水阀将储料漏斗下口处封严，并用吊车小钩将隔水阀吊挂住，导管上口堵塞严密后， 再将混凝土搅拌运输罐车尾部出料口处的溜槽对准储料漏斗口，开始卸放混凝土将漏斗装满，当储料漏斗装满混凝土以后，用吊车小钩将隔水阀吊起，开始首批混凝土的浇筑，混凝土搅拌运输罐车同时进行连续卸料。首批混凝土量通过计算确定，保证入孔后导管埋入混凝土深度超过1

21、.0m和填充导管底部间隙的需要。首批混凝土浇筑后对导管的埋深进行量测，确定导管底部是被封闭，并保证一次性封底混凝土埋深在1.0m以上。每车混凝土拌和物运至灌注地点时，应检查其均匀性和坍落度等指标，如不符合要求，应退回商品混凝土搅拌站。混凝土应连续灌注，中途不停顿。在整个灌注时间内，导管下部出料口伸入先前灌注的混凝土面层内不少于2m（不大于6m），以防止泥浆及水冲入管内。在灌注过程中，经常量测孔内混凝土面层的高程，及时调整导管出料口与混凝土表面的相应位置。当导管下部出料口伸入先前灌注的混凝土面层内达到6m时，停止卸放混凝土，将储料漏斗与导管上口联接扣松开，用吊车吊钩连接钢丝绳将储料漏斗吊至孔口外

22、地面上，再将导管垂直提升，拆除相应上部导管（具体需拆除导管的节数根据相应导管单节长度及拆前导管下部出料口实际埋深而定，确保导管提升后导管下部出料口的埋深不少于2m），之后重新安装上储料漏斗后再继续灌注水下混凝土。若发现钢筋笼上浮的情况，及时调整混凝土的灌注速度等方法使其下落到设计位置。为防止钢筋笼上浮，当灌注的混凝土顶面距钢筋笼底部1m左右时，应降低混凝土的灌注速度。当混凝土拌和物上升到钢筋笼底口4m以上时，提升导管，使其底口高于钢筋笼底部2m以上，即可恢复正常灌注速度。灌注过程应连续进行，拆导管的时间尽量缩短，导管的拆除要及时，以免由于混凝土的埋深过大，导致导管难以提升。混凝土坍落度控制在1

23、822cm之间。灌注时作好灌筑混凝土的数量记录，并随时测量、记录导管埋置深度和混凝土的表面高度。灌筑后桩顶高出设计标高1.0m，确保清除浮浆、凿毛后的桩顶混凝土质量满足设计要求。5. 常见事故的预防和处理5.1 塌孔塌孔是指在成孔过程中或成孔后孔壁坍塌。导致塌孔的主要原因有：（1）在提升、下落钻头或下放钢筋骨架时碰撞孔壁，使孔壁发生坍塌。（2）护筒周围未用粘土填封紧密而漏水或护筒埋置太浅，护筒周围的水流入钻孔内，水流冲刷孔壁，导致孔壁坍塌。（3）钻孔作业中泥浆损失，未及时向孔内加注泥浆而使孔内泥浆面低于孔外水位，或孔内出现承压水降低了静水压力，或者泥浆密度不够导致塌孔。（4）在流砂、软淤泥、破

24、碎底层或松散的砂层中钻孔，钻机进尺太快，转速太高或停在一处空转的时间太长，破坏该处地质稳定而塌孔。在本施工段的259#-265#墩台施工过程中，由于该处地质情况比较松散，由于泥浆密度过小，钻机钻进过程中钻进速度过快从而造成塌孔事故。针对以上问题，可以采取以下方法解决：（1）在提升、下落钻头或下放钢筋骨架时保持垂直上下，避免碰撞孔壁。（2）护筒周围用粘土填封紧密，防止周围的水流入，冲刷孔壁。（3）钻机钻进过程中及时填加泥浆，使孔内泥浆面高于孔外水位，并定时测泥浆密度，防止泥浆密度不够。（4）遇到流砂、松散土层时，应适当加大泥浆密度，严格控制钻机的进尺速度，按照正常钻进速度钻进，不要进尺太快或在一

25、处钻进时间过长。259#-265#墩台施工时，开始容易发生塌孔事故，采用以上方法处理后塌孔现象逐渐消失。（5）当遇轻度塌孔时，可以加大泥浆密度和提高水位，当塌孔严重时，投入粘土，待孔壁稳定后采用低速钻进。5.2 钻孔漏浆出现钻孔漏浆主要有以下原因：（1）在成孔过程中或成孔后，遇到透水性强或有地下水流动的土层（例如257#和258#墩台），护筒埋设过浅、周围回填土不密实或护筒接缝不严密，在乎筒底或护筒接缝处泥浆发生渗漏。（2）水头过高，孔内水压高于孔外水压，孔壁发生渗漏。（3）地质情况不良，桩基穿越岩溶层，孔壁存在孔洞（例如280-4#桩），使泥浆渗漏。出现这种情况可采取以下方法：（1）适当加大

26、泥浆稠度或填入粘土，钻机慢速转动填糊孔壁，或在回填土内掺片石、卵石，反复冲击，增强护壁强度和护筒周围及底部接缝处密实度。（2）控制孔内水头高度，不要使压力过大。5.3 钢筋笼偏位、变形、上浮出现这种情况的原因有：（1） 钢筋笼过长，箍筋刚度不够，下入孔内后钢筋笼变形。（2） 钢筋笼上未设垫块或耳环控制保护层厚度或桩孔本身偏斜或偏位。（3） 吊装时未垂直缓慢放下，而是斜插入孔内使保护层厚度不够。浇注混凝土时，钢筋笼上浮。（4） 在灌注混凝土时，混凝土向上翻时，强大的冲力把钢筋笼顶托上浮。钢筋笼偏位、变形、上浮的防治措施：（1） 钢筋笼太长时，分节制作与吊放，增加加劲箍筋的刚度。（2） 在钢筋笼部

27、分主筋上设置垫块或耳环，保证保护层厚度。（3） 当桩孔本身偏斜时，应在下钢筋笼前扫孔纠正，保持桩孔垂直。（4） 浇注混凝土时，将钢筋笼固定，并在上面压上重物（如压杠），防止上浮。5.4 断桩在灌注混凝土时，桩身截面上存在夹泥层，使桩基整体性遭到破坏，出现断桩现象。产生断桩的原因有：（1）封底混凝土数量不足，浇灌不成功，未能将桩底沉渣全部翻至混凝土上，形成泥浆夹层而造成断桩。（2）导管埋入混凝土中深度不足，混凝土的翻涌力不够，无法将顶层泥浆向上顶推。（3）导管卡住，强力拔管时，将导管拔出混凝土面，泥水夹杂于桩体内。（4）导管接头不良，泥水渗漏进混凝土中。（5）桩基灌注混凝土时出现意外事故，桩基混

28、凝土分两次灌注完成或在某一位置停留时间太长，混凝土凝结，形成施工缝。断桩的防治措施有：（1） 力争首批混凝土浇灌一次成功。（2） 钻孔时选用较大密度和粘度、胶体率好的泥浆护壁，保持孔壁稳定。（3） 导管接头应用方螺纹扣连接，并设橡皮圈密封严密。（4） 孔口护筒不要埋置太浅，防止孔口塌方。（5） 下钢筋笼过程中，避免碰撞孔壁。（6） 施工时，做好防止意外情况发生的准备，争取一次性快速灌注完毕。桩基出现断桩后，必须采取有效措施对断桩进行处理后，方可进行下一部施工。6. 施工注意事项(1) 由于钻机设备较重，施工场地必须平整、宽敞，并有一定硬度，避免钻机发生沉陷。(2) 钻机施工中检查钻斗，发现侧齿磨怀，钻斗封闭不严时必须及时整修。(3) 泥浆初次注入时，垂直向桩孔中间进行入浆，避免泥浆