旋挖钻孔灌注桩在桩基工程中的应用和改进

旋挖钻孔灌注桩在桩基工程中的应用和改进

作者：张川 邵本科 田元

来源：《科技创新导报》2011年第05期

摘 要:论文从当前国内旋挖钻机在桩基工程中的运用情况出发,针对不同地层、不同直径桩孔分析对比,得出在常见地层（砂层、土层等第四纪Q 1地层）中优化钻进参数,最后结合笔者所经历多个旋挖钻进成孔工程,分析了在具有一定抗压强度地层中使用旋挖钻进成孔所需要解决的问题,提出旋挖钻机局部改进方案并提出阶段性建议。 关键词:旋挖钻机 岩层钻进 技术改进

中图分类号:TU473 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0085-02 1 前言

随着我国改革开放及加大基础设施建设等大的实施,从交通、建筑和港口码头等基础桩的施工都提出了优质、高效、快捷的要求。旋挖钻因其施工速度快、成孔质量高、环境污染小、操作灵活方便、安全性能高及适用性强等诸多优势,成为工程界钻孔桩施工的主要成孔设备。从旋挖钻在基础桩中应用开始到目前,旋挖钻进施工工艺仍然具有其局限性,尤其是在对于大口径（>2.0m）、硬岩中成孔时,其时效性（单位时间内的进尺）都受到重大影响。因此在与循环钻进等传统施工对比情况下,有效地提高旋挖钻机在硬岩和大口径钻孔中的成孔效率,将使得旋挖钻进施工工艺在更大的领域中得以运用,提高施工效率、降低经济成本、提高桩基质量等。

论文以内蒙古鄂尔多斯市康巴什新区电力厂址基础工程为工程实例,结合国内外众多旋挖钻进的施工参数,与本工程改进后旋挖钻进工艺对比,分析旋挖在中风化、强风化、全风化等砂岩地层中钻进的时效性和工程施工成本分析。

2 旋挖钻机适用性分析

鉴于旋挖钻机的性能特点以及众多的工程优越性,旋挖钻孔灌注桩在各类基础工程基桩中得到了普遍的应用。纵观国内外旋挖钻机的发展历程,其基本构成（如图1所示）还是具有一致性。

2.1 旋挖钻机成孔工序

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旋挖钻机就位→埋设护筒→钻头轻着地后旋转开钻,当钻头内装满土砂料时提升出孔外→旋挖钻机旋回,将其内的土砂料倾倒在土方车或地上→关上钻头活门,旋挖钻机旋回到原位,锁上钻机旋转体→放下钻头→钻孔完成,清孔并测定深度→放入钢筋笼和导管→进行第二次清孔→进行混凝土灌注→拔出护筒并清理桩头沉淤或渣土回填,成桩。 2.2 适用范围

旋挖钻孔灌注桩广泛应用于各类基础工程桩基施工中,从地区来看,目前主要应用在西北、华北、东北、中原、江浙的大部分地区以及其他部分地区; 从地层来看,较适用于土层、淤泥层、卵石粒径小于30mm的卵石地层、强风化页岩等。通过更换不同的工作装置可进行钻孔桩、地下连续墙、预制桩、咬合桩、全套管钻进等施工。 2.3 时效性分析

根据施工经验,合理设计旋挖钻机钻齿角能有效提高钻机的时效性。若钻齿角过小,容易发生空钻,不进尺,如果单方面加大钻压,则容易导致钻齿损坏;若钻齿角过大,旋挖钻进过程中产生扭矩过大,容易导致钻杆扭曲变形,损坏钻机设备。图2是对在第四纪Q1地层采用旋挖钻进设置不同斗齿前角度的关系曲线。

从上图中可得到,旋挖钻机在第四纪Q1地层中成孔时,最优斗齿前角应该介于32°～43°之间,根据不同钻孔直径合理设计斗齿前角,实现高效、准确的桩位施工。同时,根据工程所使用钻机性能,对于钻机功率偏大旋挖钻机,斗齿刃前角应该设置偏大,相反对于功率偏小钻机斗齿刃前角需要设置小些,以实现最优钻进成孔。

随着旋挖钻孔灌注桩在不同区域、不同地层中的应用,出现了在中风化、强风化地层中采用旋挖钻进的工程。对于常见具有一定抗压强度地层,旋挖钻机在其的适用性受到较大,图3对于旋挖钻机常见地层及岩层中钻进的时效性分析。从图中可以得出,旋挖钻机对于砂层和土层具有良好的成孔效率,不同钻孔直径之间时效性差别不是很大。当在卵石、强风化岩层中钻进时,时效性有明显的下降,主要是由于旋挖钻机的破土、碎岩机理所决定。

因此在全风化、强风化岩层中采用旋挖钻机成孔时,对斗齿刃前角的合理、优化设计十分重要。

3 工程实例研究 3.1 工程概况

工程实例位于内蒙古自治区鄂尔多斯市,主体工程为康巴什新区电力厂址基础桩基工程。作业区域位于鄂尔多斯高原,平均海拔为12m,本工程处于软岩地基,上部荷载较大,地基采用桩

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基,桩基施工对软岩地基的扰动破坏不明显,设备基础很多且基础埋深高低不一,使得基坑内局部存在高差。桩基成孔工艺选用钻孔灌注桩,桩径1米,桩长28米。本标段桩数为502根。基础工程计划施工周期为30天,为确保工程施工质量并能在预计施工周期内完成工作量,拟用旋挖钻孔灌注桩施工工艺。根据施工区域内地层属性特点确定采用干成孔方式进行旋挖成孔,减少对工程周边环境的影响。 3.2 工程及水文地质条件

根据设计及建设方提供的工程施工区域勘察报告,采用旋挖钻机施工区域工程地质条件及地层参数在表1有具体说明:

从工程设计到现场勘查报告中得出,需要施工的钻孔局部嵌入强风化砂岩和强风化泥岩中。岩层抗压强度随着埋深的增加逐渐增加,这对采用旋挖钻进施工成孔的效率造成了一定的难度。

拟建场地内地下水埋深变化较大,勘察期间埋藏于现地表下3.0m～12.2m,相当于绝对标高1292.47m～1301.58m之间。地下水类型为基岩裂隙水,由于拟建场地内的基岩裂隙发育程度不同及补给来源的变化,造成水位变化幅度较大。根据区域地质资料拟建场地内含水岩系为第三系上新统碎屑岩类含水岩系。该含水岩系大部分被切割裸露于沟谷中,造成地下水位普遍下降,含水层埋深一般在3～10m之间,水量微弱。一般单井涌水量在10～100t/日之间。含水层主要岩性为泥质粉砂岩。 3.3 旋挖钻头改进

基于所施工钻孔局部嵌岩,工程前期钻孔施工采用使用传统旋挖钻头,在进入岩层后钻进的时效性明显下降,按照在岩层中钻进的时效性,不能保证在预期工程周期内完成工程量,因此通过与建设方、工程设计等方面的洽谈,拟对旋挖钻机钻头进行改进,以提高在岩层中钻进的时效性。

在土层和全风化地层中钻进仍然采用斗齿进行钻进,在进入强风化和中风化岩层中钻进时,调整旋挖钻机斗齿刃前角的角度,原先角度为26°,现将斗齿前角加工为38°,同时加大钻压。钻进速度明显提高,同时旋挖钻进的扭矩也明显增大,需要做好钻压和回转速度之间的合理配合,实现准确、高效钻进。图4是现场对修改后斗齿前角情况。 3.4 旋挖钻进时效性分析及工程成本对比

主体工程钻进接近14056m的进尺,提高每一桩位的进尺速度对整个工程的影响重大。将旋挖钻机原配斗齿刃与改进后钻头斗齿刃对比,可以得出:改进后成孔的速度平均提高为7小时,钻进时效性平均已经接近旋挖钻机在土层和砂层中出现最优的时效性。同时对节省的时间做施工经济分析,改进后旋挖钻机为本桩基工程节约大概为30万元的经济支出。实现了工程质量和工程经济效益的共赢。

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4 结论

通过国内旋挖钻孔灌注桩施工经验并结合作者所负责的工程实例,对旋挖钻机在不同地层中的施工情况作了具体的分析和对比,并根据工程现场设计情况对旋挖钻机局部做出改进,提高了旋挖钻机在岩层地层的钻进时效性。通过上述分析对比,笔者可以得出以下结论:

1)与传统循环成孔工艺相比,旋挖钻机在砂层、土层等地层中具有明显的优势,并且依据旋挖钻机工艺特点,在越来越多的桩基工程得到广泛应用;2)旋挖钻机施工桩基最适宜钻孔直径应该在1.0～2.0m之间,桩径过小或过大都不能够体现出旋挖钻机的优势;3)对于在中风化、强风化等砂岩地层中钻进,需要对旋挖钻机钻头斗齿刃前角做出改进,实现在岩层中良好的钻进时效性;4)从工程实际出发,综合评价采用旋挖钻进施工工艺的优缺点,权衡使用旋挖施工工艺的性价比和意义。

由于笔者工程经验有限,上述提出的是在前人工程施工经验的基础上上加上个人的一些见解,望与工程界多多交流,促进旋挖钻进施工工艺更好更快的发展。 参考文献

[1] 李粮纲,.基础工程施工技术[M].武汉:中国地质大学出版社,2000. [2] 邓元启.“江汉运河特大桥桩基旋挖钻机施工”[J].四川水力发电,2009.

[3] 张兴胜,孙文怀,等.“郑西客运专线旋挖灌注桩成孔施工技术”[J].施工技术,2009.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文