【摘 要】采用旋挖钻机作为成孔机械是灌注桩施工方式之一，其特点是成孔速度快、可自行移动、适用范围广、实用性强等，近几年在我国工程建设领域广泛运用，旋挖钻机也从依靠进口逐步国产化，加快了旋挖钻机的普及。结合工程实例，分析旋挖钻机在超厚岩层中干作业成孔施工的特点，为类似工程积累施工经验。
【关键词】旋挖钻机 钻头 超厚岩层 干作业成孔
1.案例概况
1.1.工程概况
工程位于湖南省株洲市芦淞区，属于商住一体高层钢筋砼框架建筑，地下室三层，深基坑采用排桩＋锚索的支护形式，基坑周长约420m，开挖深度约16.5m。排桩为钻孔灌注桩，直径1.0m间距2.0m，各支护段桩长不等，长度在16.0m~19.0m之间，孔深在19.0~22.0m之间。采用三重管高压摆喷止水帷幕方式止水，止水桩设置在排桩间。锚索共四道，冠梁与腰梁均为钢筋砼结构，图1为基坑支护平面示意图。
1.2.地质概况
工程场地原始地貌单元为湘江冲击阶地，场地岩土层分布主要有四大类型，第四系人工填土层、第四系冲积层、第四系残积层和白垩系砂砾岩与白垩系泥质粉砂岩层。土层特征自上而下主要为杂填土、素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、强风化砂砾岩、中风化砂砾岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。地面下2~4m为填土层，黏土层位于地面下2~6m，以下约6.0~8.0m进入岩层，钻孔灌注桩平均入岩深度达12.0m，形成入岩深度大、钻进困难的特点，必须选用针对性的成孔方式及其相关配套设备。
1.3.地下水类型
按其含水层性质及埋藏条件，主要分为上层滞水和潜水。
上层滞水主要赋存于杂填土①-1、素填土①-2、淤泥质粉质黏土②、粉质黏土③-1、粉质黏土③-2等第四系地层中，未形成连续水面，主要受大气降水及地表水补给，一般水量较小，分布不均匀，水位季节性变化。上层滞水稳定水位埋深介于0.58～2.10m。根据场地现有水文地质条件结合地区经验，上层滞水水位变化幅度约2～3米。
潜水主要赋存于粉砂③和圆砾④中，水量较丰富，与湘江水具备一定的水力联系，略具承压性，主要受大气降水、地下水和上层滞水渗流补给，向周边低处排泄，受气候变化影响明显。勘察期间未测得潜水初见水位，潜水稳定水位埋深介于4.50～7.60m。
2.成孔方式选用分析
2.1.钻机选用分析
施工单位桩基工程施工经验丰富，主要业务范围分布在我国的中南部，近十年来选用的钻孔灌注桩成孔方式主要为人工挖孔、正（反）循环回转钻机成孔、冲击钻机成孔、旋挖钻机成孔三种，随着旋挖钻机价格下降及人工成本的提高，采用旋挖钻机成孔逐渐成为首选，而且旋挖钻机施工还具有高效、低噪、环保、成孔质量高、机械化程度高等诸多特点。
施工单位在深入了解地质及地下水情况后，认为旋挖钻机能够满足该工程成孔作业要求，但地质情况的差异对钻头选择也提出了不同要求。
2.2.钻头选用分析
该区域地质情况复杂，上层为杂填土、素填土及原旧建筑基础，中层为淤泥质黏土、粉质黏土等，下层为强风化、中风化岩层，而且形成了互层，特别是深达十多米的岩层，成孔肯定不易。旋挖钻机的钻头类型较多，没有任何一种钻头能适应所有地质情况，因此钻头的选择成为影响成孔效率的关键。
在开始试桩前，准备了三种类型的钻头以便满足地质情况要求，下面简要介绍了三种类型钻头的工作原理及适用土层，图2为三种类型钻头样式及简图。
第一种为双底板双边进土截齿硬岩捞砂钻头，该钻头底面平直，双底板结构，底板上带截齿，正向旋转时两底板重合露出左右对称进土口，反向旋转时下底板关闭进土口。采用钻机下压旋转的方式切削土体，使土体挤入钻头内，然后钻杆反方向旋转关闭底板。该钻头适用性广，可在含水量较大的砂土层、淤泥质黏土、致密黏土、砂砾石层、卵砾石层、强或中风化岩层等软硬地层和复杂地层中应用。
第二种为截齿半合钻头，该钻头为半合式，底部呈圆锥形，在孔内取土后在孔外通过钻杆正反旋转摆动，使两片钻头分开倒土的方式工作。适用于纯黏土、老黏土、淤泥等黏性太大，不容易甩土的地层；
第三种为取芯筒钻头，该钻头为环状筒体，无底板，切削具为子弹头型截齿，焊于筒体下缘，不具有取土功能，只能切削松动岩体。适用于非常硬的岩石、钢筋砼及单轴抗压强度大于80Mpa硬岩。
3.是否具备干作业成孔条件分析？
钻孔灌注桩在成孔过程中分为泥浆护壁成孔和干作业成孔两种形式，就两种工艺而言，因干作业成孔不需要配备泥浆及相关循环系统，减少了较多繁琐程序，不但节约大量机械及人力，可降低施工成本，而且场地无泥浆循环系统，便于现场文明施工的开展，肯定是首选，但地质条件是否具备干作业成孔条件，必须进行针对性的分析及相关试验。
本工程施工区域内上层填土层仅2~4m，以下为黏土层（塑性较好）、风化岩层，总深度达15m，根据施工单位多年来积累的施工经验，除上层填土层可能出现塌孔现象外（针对填土层可能出现的塌孔现象，准备了三种长度分别为2.0m、3.0m、4.0m的护筒，尽量避免填土层塌孔），黏土层以下应该具备干作业条件。为此在工程正式施工前，计划进行1~2根干作业试成孔，确定干作业施工可行性。
4.试钻
4.1.施工过程简述
施工单位选取了比较有代表性的BC支护段编号为12#钻孔灌注进行试钻，该支护段钻孔灌注桩设计桩长17.0m，孔深19.5m。
旋挖钻机型号为三一重工生产的SR285R型，同时三种规格的钻头准备就位。护筒选用直径1.3m长度3.0m的钢护筒。现场配备一台DH225型反铲挖掘机，用于护筒埋置及成孔后回填（仅试成孔，不进行下部工序施工）。
在进行测量放线、护筒埋设等前期流程后开始试成孔，首先用第一种类型双边进土截齿硬岩捞砂钻头，主要考虑该钻头适用土层广，若能够用一种钻头完成成孔作业，而且成孔速度上较好，就选用该钻头，中途不更换其他类型钻头，因为更换钻头也耗费一定时间。试成孔结果描述如下：
1、地面以下约7m 深范围内，主要为灰黑色杂填土、灰色淤泥质黏土、黄色黏土，钻进速度较快，没有难度，但在黏土层出现倒土困难的情况，期间更换第二种类型钻头（换钻头时间约10分钟）。共用时30分钟左右完成。
2、杂填土、淤泥质黏土（地面以下约4m范围）层内有地下水渗入孔内，水量一般，在护筒下口区域出现少量塌孔现象。
3、淤泥质黏土及黄色黏土层出现倒土较困难的情况，钻杆需反复多次、大幅度摇摆才能将斗内黏土倒出，更换第二种类型钻头后情况好转。
4、地面下7m至19.5m（孔底）范围内为黄褐色强风化、中风化岩层，钻头换回第一种类型，钻进速度相比上层明显变慢，12.5m深度用时约2小时30分钟。
5、黄褐色风化岩层出现遇水软化并带有黏性，具有泥浆护壁的一定特性。
4.2.试钻结果分析
以下将从成孔时间、钻头特性及地质情况，对试钻结果进行分析。
1、完成该桩成孔作业共用时约3小时，不含两次换钻头时间，净成孔时间约2小时40分钟，对于旋挖钻机来说工效比较理想。
2、后续施工填土层及黏土层，第一种类型及第二种类型钻头都可以使用，可针对具体桩位及自身喜好灵活运用，不做强制要求。
3、后续施工强风化、中风化岩层应该用第一种类型钻头为主，如果出现较大钻进困难，可用第三种类型钻头进行切削。
4、试成孔过程中3.0m长护筒底出现少量塌孔现象，根据地勘资料（地面下2~4m为填土层），可考虑将护筒长度增加至4.0m或4.5m。
根据以上分析结果，施工单位选择了干作业成孔方式，现场配备三种钻头随时更换使用。从施工结果来看，两百多根支护桩成孔时间均在2小时~3小时之间，工效比较满意。除少数桩杂填土过深出现部分塌孔外，其余孔位未出现塌孔现象。
5.结束语
本文针对特定的地质条件，对旋挖钻机施工钻孔灌注桩在成孔过程中需要考虑和解决的问题进行了探讨。建议施工单位施工前对工程地质情况进行详细分析，对旋挖钻机及钻头特性进行深入了解。并在现场进行试成孔，以便确定选用钻头的合理性，是否能够干作业成孔，甚至钻机型号选择正确性等。
参考文献：
[1]《基坑工程手册》（第二版）.
[2]《旋挖钻机及施工技术》（人民交通出版社，2010.02）.
论文作者:管东,夏远祥
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第16期
论文发表时间:2016/11/7
标签：钻头论文; 黏土论文; 钻机论文; 作业论文; 岩层论文; 土层论文; 类型论文; 《低碳地产》2016年8月第16期论文;