浅谈旋挖钻机施工工艺
旋挖钻机是一种专门的灌注桩成孔作业施工机械, 广泛用于市政建设、公路和铁路桥梁、高层建筑等基础施工, 配合不同的钻头, 适应于各种地质的成孔作业。本文介绍旋挖钻机的施工工艺及施工中的质量控制进行分析。
《中国机械工程》(半月刊)1973年创刊，1983年更名为《机械工程》。经原国家科委批准，1990年主办单位变更为中国机械工程学会，同时成为中国机械工程学会会刊，其主管单位为中国科学技术协会。1992年更名为《中国机械工程》，1998年由双月刊改为月刊，2002年改为半月刊。
前言
旋挖钻机以柴油为动力，全液压驱动，履带行走，360 度回转，自行起落架，具有噪声低、振动小、扭矩大、多功能、成孔速度快、机动灵活、施工效率高、电子自动监控、泥浆排放少等特点，越来越多的应用于钻孔灌注桩的施工中。近年来, 旋挖钻机作为钻孔灌注桩施工中一种较为先进的施工机械,特别是其具有高环保性和工作效率,在城市高层建筑基础及高速公路桥梁桩基施工中,显示出明显的优越性。
1 旋挖施工
1. 1 施工流程
1. 2 施工工艺
1.2.1 钻孔准备。由于钻机自重较大，对地基要求较高，因此场地平整、压实的指标须严格按旋挖钻机施工荷载要求以及原地基承载能力进行处理，为防止孔口周围土体承载过大而产生塌孔，在钻机处铺设行走道板。旋挖钻机通过履带自行移动，施工时先初步就位，然后在测量技术人员的指挥下进一步调整钻杆垂直度，并使钻头的中心与桩位中心重合。
1.2.2 钻孔桩测量放样。利用高精度全站仪对桩基平面中心位置进行测放，施工中一次测放多根基桩，并利用各桩间的数据关系进行相互校核，减少偶然误差的出现。钻孔前对测放好的基桩中心点设置\"十\"字护桩，并妥善保护，以便随时恢复桩平面中心位置。
1.2.3 钢护筒的埋设。钢护筒利用钻机自重进行定位、压埋，护筒就位后，在护筒外侧回填粘土并层层夯实，在四周叠放灌土草袋保护，以防孔口坍塌。埋入后的钢护筒顶面应高出地面1.0m 左右。
1.2.4 泥浆拌制。由于旋挖钻机采取直接式机械取土的施工工艺, 钻挖过程中泥浆不携带泥渣循环, 仅需不断补充泥浆以置换挖取的土层, 同时起到保护孔壁的作用。因此在泥浆池边配置1 台容积不小于1 m3 的泥浆搅拌桶适时拌制新浆, 且泥浆系统只需就近开挖1 个泥浆池, 容量不少于2~ 3 倍钻孔体积( 可根据现场施工组织确定) 。泥浆指标应达到优质泥浆的要求, 具体泥浆指标控制如下: 比重1.1~ 1.25 g/cm3 , 粘度18~ 22S,含砂量小于6% , 胶体率不小于95% 。
1.2.5 成孔。启动泥浆泵向护筒内补充优质泥浆，缓慢放松钻机的主卷扬钢丝绳，使钻头入孔，启动回转动力钻头开始护筒内取土，取土筒内的取土量由测深仪计算，一般1 米长的取土筒一次进尺长度控制在0.4～0.6 米之间，取满后再由主卷扬钢丝绳收起钻杆和钻头，适时补充孔内的泥浆，转动钻机桅杆，将取出的渣土弃于孔外，然后运至指定地点弃土。回转钻机桅杆，利用钻机的回转限位装置控制钻头对准孔位，以此往返取土钻进，钻进过程中的孔深和孔的垂直度由钻机的测深仪和垂直度仪进行控制，成孔至最后2～3 米时，孔深应用测绳进行测量，并控制单筒的进尺深度。钻进时须严格控制钻进尺度，避免埋钻事故，同时，应适当控制回转斗的提升速度，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，容易引起塌孔。
1.2.6 成孔及清孔。当旋挖至离桩底设计标高约2~ 3 m 时, 技术人员要及时验孔, 孔深控制以测绳测出的周边四点平均值为准。在旋挖至设计标高后, 实施第1 次掏渣清孔, 使沉淀层厚度在规范之内。终孔后, 检测泥浆各项指标, 及时下放钢筋笼、导管。在浇筑水下混凝土前再次测量孔底沉淀层厚度, 如达不到设计要求值, 应进行第2 次清孔, 符合要求后方可进行水下混凝土的浇筑。
1.2.7 钢筋笼安装。钢筋笼采用吊机安装，吊装使用专用吊具，先用两个吊点抬吊到一定高度后，逐渐放松下吊点使钢筋笼垂直，然后缓慢吊入桩孔内，钢筋笼上端设置吊筋与压杆固定，防止浇注砼时钢筋笼上浮，安装后利用护筒十字线对钢筋笼中心位置进行调整。
1.2.8 水下混凝土施工。导管埋深控制2~4米不得小于1m。在灌注桩无钢筋段的混凝土时应尽量加快，当孔内混凝土面接近钢筋笼时，应保持较深的埋管，灌注速度控制在20m³/h以内，每斗以2min内慢慢滑入导管内，以控制混凝土上返速度，来减少其对钢筋笼的携带能力，防止钢筋笼上浮;当混凝土进入钢筋笼5m左右(h=5m)时，要把导管底端提升到笼底以上2m处，导管组配时应预先计算好，如不满足2m要求，则应继续浇灌混凝土，既能保证取管又能满足导管埋深要求。混凝土灌注到桩顶后必须进行超灌，将和泥浆混合在一起的混凝土浮浆翻出孔外，超灌高度不小于0.5m，超灌部分最终作为浮浆层被凿除，确保桩顶混凝土强度达到设计等级。桩混凝土的灌注时间应按第一盘混凝土的初凝时间，控制在4h内完成，每小时的灌注高度不宜小于10m。一经灌注，应连续进行，中途中断时间不得超过30min。
2 应用分析
2. 1 旋挖钻机施工优点
1) 钻机整体置于可自动行走的履带式底盘上,机动性大, 移位迅速, 独立作业性高, 施工移运中无需吊装, 能适应恶劣地形, 一切吊装作业可由本机卷扬设备处理。#p#分页标题#e#
2) 钻机行走、移动全部由自带的柴油发动机输出动力完成, 无需现场提供大功率电源, 节约大量的配电增容费用。
3) 成孔垂直度高。钻机底盘可伸缩并可自动整平, 钻塔垂直度及钻孔深度均有仪表显示, 因此钻进时非常稳定, 能有效保证钻孔垂直度, 提高钻孔质量。
4) 成孔速度快。旋挖钻机的钻杆为抽拉式与钻头相连, 在油缸的加压下经过提升快速回转倒土,大大提高了钻孔效率。一般成孔时间为3~ 5 h/孔。但在施工中, 应充分考虑相关的配套工作, 如钢筋笼安放、水下混凝土浇筑等。若配套工作不到位, 将无法发挥旋挖钻机成孔快的优点。
5) 地质适应性强。钻头与钻杆的连接用钢销固定, 钻头拆卸简便, 对于不同地层可迅速更换钻头。钻头主要有3 种, 即短螺旋钻头、挖泥钻头、挖砂钻头。
6) 可提高灌注桩的承载力。因旋挖钻机在成孔过程中, 仅要静压泥浆护壁, 所使用的泥浆在孔壁不形成厚的泥皮。此外, 钻头多次上下往返, 使孔壁粗糙, 提高了桩的侧摩阻力。另外, 旋挖钻头可形成平底钻孔, 有利于桩端阻力的发挥。
7) 有利于环境保护。旋挖钻机在施工过程中,噪音低, 震动小, 泥浆用量少。该机仅用泥浆护壁,不用泥浆排渣, 故钻渣流动性小, 可进行集中堆放或用翻斗车外运。
2. 2 旋挖钻机施工缺点
1) 地基要求高。由于旋挖钻机自重在60 t 以上, 虽然采用了宽履带行走, 但在多雨时期稻田中施工, 依然有一定的行走困难, 需铺设一定的辅助路基板。
2) 泥浆护壁效果差。特别是在不良地层中, 容易产生局部塌孔和扩孔。
3) 孔内泥浆补充速度较难控制。泥浆补充的速度应始终保证液面在护筒底面以上,否则将造成孔口塌陷,影响成孔质量。由于旋挖钻头操作动作频繁,且瞬间需浆多,实际施工中很难做到及时补浆。
4) 由于旋挖钻机在钻进过程中需反复提升钻杆,如提钻速度过快会在钻头下部产生一个负压,形成活塞式的抽吸作用。在软塑状粘土层中形成缩径,在砂层中形成扩孔。当砂层在护筒底部时,则更易产生护筒沉降,孔口塌陷。
5) 护孔率大。由于钻头与钻杆为销结, 钻杆为抽拉式,各部分的间隙较多,造成钻头摆动较大,成孔扩孔率比其他类型钻机大,一般为1.1~1.13.同时泥浆的护壁效果不好,也是造成扩孔率大的一个原因。
4、结束语
旋挖钻机具有优异性能和特点, 给施工单位带来巨大的经济和社会效益, 且其施工方法具有施工质量可靠、成孔效率高、环保的优点。由于旋挖钻机所形成的孔壁较粗糙, 故可增加桩侧摩阻力, 提高桩基承载力。尽管旋挖钻机投资较大, 但适应性强, 最终的综合效益还是远大于其它钻机, 因此旋挖钻机成孔是一种值得推广的施工工艺。