旋挖钻孔法施工工艺

旋挖钻孔法施工工艺1前言旋挖钻机是一种适合在土建工程基础施工中快速成孔作业的施工机械，具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高等特点，适应我国大部分地区的土壤地质条件。其成孔工艺广泛应用于铁路、公路桥梁、市政建设、高层建筑等地基基础钻孔灌注桩工程。2工艺特点（1）旋挖钻机采用动力头形式，其工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗，利用强大的扭矩直接将土或砂砾等钻碴旋转挖掘，然后快速提出孔外，在不需要泥浆护壁的情况下，可实现干法施工，即使在特殊地层需要泥浆护壁的情况下，泥浆也只起支护作用，钻进中的泥浆含量相当低，这使污染源大大减少，降低了施工成本，改善了施工环境，成孔效率高。噪音低、振动小、污染小，非常适于在繁华市区施工。（2）伸缩式钻杆的使用，避免了钻杆的频繁装配，减轻了劳动强度，加快了工程进度。由于钻头的拆卸方便，可以根据土层的变化和钻进的需要随时更换钻头，加快了钻进速度，扩大了工艺的适用范围。（3）由于旋挖钻机的特殊成孔工艺，它仅需要静压泥浆作护壁，所采用的泥浆一般用膨润土、火碱、纤维素等配置，在孔壁不形成厚的泥皮。此外由于钻头的多次上下往复，使孔壁粗糙、不易产生缩径，旋挖钻孔灌注桩的承载能力有所提高。（4）钻机的安装比较简单，在施工场地移动比较快捷方便。3适用范围旋挖钻机一般适用于粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。不适用的地层为含有强承压水的土层及岩层。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度达120m。4机械性能及参数目前，生产旋挖钻机的厂家众多。国内生产旋挖钻孔机厂商有十余家，主要有徐工的RD系列钻机、山河智能SWDM系列旋挖钻机、三一的SR系列旋挖钻机、河北石家庄煤矿机械公司XZ-20A型旋挖钻机等，另外杭州天锐、北方重汽、哈尔滨四海等公司，国内这些公司的产品与发达国家的同类产品相比还有一定的差距。国外主要生产厂商有:德国宝峨（BG系列）、意大利土力（R系列）、意大利MAIT（HR系列）、意大利IMT（AF系列）、以及芬兰永腾（JUNTTAN）、日本日立等公司。国外旋挖钻机产品中最大扭矩可达620kN·m，发动机功率达448kW，钻孔直径3～4m，钻深120m。旋挖钻机由底盘、钻桅、自行起落架、主副卷扬、动力头、钻杆、发动机系统等结构组成。（1）底盘。旋挖钻机的底盘可分为专用底盘、履带液压挖掘机底盘、履带起重机底盘、步履式底盘、汽车底盘等。底盘一般为液压驱动，轨距可调，刚性焊接式车架，履带自行式的结构。底盘主要包括车架及行走装置，行走装置主要包括履带张紧装置、履带总成、驱动轮、承重轮托链轮及行走减速机等组成。国内外生产的旋挖钻机大多数应用的是专用底盘，轨距可调，能根据施工情况对底盘进行宽度调整，以增加钻机的整体稳定性。（2）钻桅。目前国内旋挖钻机的变幅机构一般采用两级变幅油缸，平行四边形连杆机构，上端一级变幅油缸两端具有万向节头便于调整，钻桅截面形式为梯形截面，钻桅下端有液压垂直支腿，上端有两套滑轮机构，上下两端均可折叠，钻桅左右可调整角度为±50°前倾可调整的角度为50°，后倾可调整的角度为150°。国外意大利、德国制造的各类旋挖钻机可自行移动，自立桅杆，整个工作机构可在履带底盘上做±360°回转，因而现场转移、对孔位灵活方便，辅助时间少；钻架采用“平行四边形连杆机构加三角形”的支撑结构，非常适合城市狭窄场地的施工；钻架上装有垂直度检测仪，可以检测和显示钻架的偏斜度，并可通过钻机的微动系统调整钻架的垂直度。（3）动力头。动力头是旋挖钻机的关键工作部件，其性能好坏直接影响钻孔机整机性能的发挥。动力头是钻机工作的动力源，它驱动钻杆、钻头回转，并能提供钻孔所需的加压力、提升力。动力头有液压传动、电机传动、发动机传动，无论何种都具备低速钻进、反转高速甩土功能。目前大都采用液压驱动，主要包括回转机构、动力驱动机构及支撑机构。动力头的钻进速度一般都具有多档，适合在多种工况下作业。（4）钻杆。钻杆是旋挖钻机的关键部件，是决定钻机地层适应能力的主要因素。目前旋挖钻机采用凯式伸缩钻杆，凯式钻杆可以分为摩擦钻杆和锁紧钻杆两大类。摩擦钻杆是指钻杆上的键只能传递扭矩而不能传递钻压的钻杆，而锁紧钻杆是指钻杆之间通过加压平台可以锁成一个刚性体对地层加压钻进的钻杆。摩擦钻杆用于普通地层钻进，锁紧钻杆用于坚硬地层钻进。国内外旋挖钻机的钻杆采用四节或五节伸缩内锁式钻杆，每节长度大约为13m，装配后总长不小于48m，采用高强度合金钢管，钻杆与动力头采用长压嵌内锁式连接方式。第四节上端用可滑转万向节与主卷钢丝绳相连，下端采用方形截面杆通过销轴与钻头相连，每个钻头应与方形截面杆相配，具有互换性。为了提高作业效率，一台钻机大多配备两套钻杆。（5）钻头。钻头是决定旋挖钻机能否较好适应复杂地层、提高工效的重要部件，目前国内外旋挖钻机的钻头可分为以下几种常用的结构：1）短螺旋钻头。适用于地下水位以上的粘性土、粉土、杂填土、中等密实的砂土；2）回转斗钻头。适用于淤泥、地下水位高的粘性土、粉土、砂土、人工填土以及含有部分卵石、碎石的地层；3）筒形钻头。筒底带活门的锅锥钻斗，适用于流塑状土层的钻进及孔底沉碴的捞取；此外还有捞砂斗、扩底钻头等辅助钻头。（6）主副卷扬。国内外旋挖钻机的卷扬有主副卷扬两种，主卷扬是旋挖钻机的关键部件，在钻机的每个工作循环中，主卷扬的结构和功能都非常重要。卷扬的结构采用卷扬减速机，具有卷扬、下放、制动功能，卷筒自行设计，主卷扬应具有自由下放功能，且实现快、慢双速控制。主、副卷扬应配有压绳器。国外旋挖钻机主卷扬都采用柔性较好的非旋转钢筋绳，提高使用寿命。（7）发动机系统。旋挖钻机的发动机系统一般包括发动机、散热器、空滤器、消音器、燃油箱等。一般旋挖钻机的发动机都选用电喷涡轮增压中冷式发动机。（8）电子控制技术。90年代国外旋挖钻机的控制技术逐步实现智能化，目前国外旋挖钻机普遍具备发动机和泵的电子控制系统，能指导主泵最佳输出，使液压负载与发动机转速相匹配，从而利用发动机的最大功率。发动机转速可在负荷较小或无负荷时实现自动控制，自动降低发动机转速，减少油耗、降低噪声和废气的排放量。桅杆垂直度自动调平系统能对桅杆进行实时监控，可实现手动和自动切换，在一定范围内自动调整角度，保证施工中桩孔的垂直度要求，提高施工质量。还具备回转倒土控制、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测、报警及信息显示、整机启动前预先自动检测功能。几种常用旋挖钻机机械性能及技术参数见表1。表1几种常用旋挖钻机机械性能及技术参数表性能指标宝峨BG20意马AF220土力R-412麦特HR180三一重工220C最大扭矩（kN·m）191250122207220最大钻孔桩径（m）2.02.01.51.82.0最大钻孔深度（m）7066566065卷扬机拉力（t）172214.51820整机重量（t）72666554655钻孔施工工艺5.1施工工艺流程图1施工工艺流程图5.2施工工艺步骤5.2.1施工准备（1）平整场地（陆地）。场地为旱地时，施工前应进行场地平整，清除杂物，对局部松软、淤泥进行换填夯实处理，保证钻机位置处平整、夯实，避免在钻进过程中钻机产生不均匀沉陷。（2）围堰筑岛（浅水）。施工场地处于浅水时，采用围堰筑岛。清除堰底河床上的杂物、树根、石块，以减少渗漏，围堰施工从上游开始进行，填筑至下游合拢。采用粘土、亚粘土填筑筑岛，围堰填筑时沿河堤向河中间逐步推进，将填筑料倒在露出水面的堰头上，顺坡送入水中，以免离析，造成渗漏，水面以上的填土要分层夯实。防止围堰外坡面受到冲刷，应在外坡面设置土袋加以防护，土袋堆码至堰顶，堆码时上下左右应错开，堆码整齐。围堰填筑完成后再将筑岛顶面土层平整压实后作为钻机的施工平台。围堰筑岛的高度应比施工期间可能出现的最高水位高出1.5～2.0m。（3）测量定位。场地平整后进行桩位放样，桩位测设采用全站仪根据坐标进行放样，桩位放出后，钉好十字护桩，做好测量复核。（4）制作、埋设护筒。钢护筒采用6～10mm的钢板经过卷板机弯卷后焊制而成，节长一般为2m。护筒内径比设计桩径大20cm。护筒埋置深度视现场的地质情况而定。护筒埋设采用旋挖钻机开孔埋设，人工进行辅助配合。首先使用与设计桩径匹配的钻头进行钻孔，钻孔深度应超过护筒埋设深度1.0m以上时，及时换用扩孔钻头对埋设护筒段进行扩孔，扩孔深度至护筒设计埋设深度处，然后用钻斗将护筒压入。根据十字护桩控制桩位偏差。护筒至少高出地面30cm，以防止杂物、泥水流入孔内。（5）钻机就位、安装.钻机钻孔的作业平台应基本水平，使主机左右履带板处于同一水平面上。钻机钻孔时的站位一般应对准孔桩位置，动力头施工方向应和履带板方向平行，钻机侧向应留有排碴场地。开钻前调整好机身前后左右的水平。（6）泥浆制备及指标控制.泥浆在钻机施工过程中可防止孔壁坍塌、抑制地下水以及悬浮钻碴等，因此泥浆是保证孔壁稳定的重要因素。旋挖钻机施工一般采用化学泥浆护壁，化学泥浆采用优质膨润土、火碱、纤维素及渗水防止剂等按一定比例配制。为了有利于膨润土和羧甲基纤维素完全溶解，应根据泥浆需用量选择澎润土搅拌机，其转速宜大于200r／min。泥浆拌制材料的投放顺序：应先注入规定数量的清水，边搅拌，边投放膨润土，膨润土大致溶解后，均匀地投入纤维素，然后投入分散剂，最后投入增大比重剂及渗水防止剂。泥浆性能指标见表2。表2泥浆性能指标表序号项目名称性能指标备注1相对密度1.1～1.152粘度（Pa·s）18～243静切力（Pa）1～2.54含砂率（%）≤45酸碱度（PH）7～96胶体率（％）≥957失水率（ml/30min）30施工过程中经常检查泥浆的各项性能指标，确保泥浆对孔壁的撑护作用。5.2.2钻进成孔（1）开孔钻进的控制。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。开始钻进时，采用低速钻进，主卷扬机钢丝绳承担不低于钻杆、钻具重量之和的20%，以保证孔位不产生偏差。（2）旋挖钻进的成孔工艺。旋挖钻机成孔工艺是通过底部带有活门的桶式钻头利用动力头驱动钻杆、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。钻进过程中，操作人员随时观察钻杆是否垂直，并通过深度计数器控制钻孔深度。当钻头下降到预定深度后，旋转钻头并施加压力，将土挤入钻斗内，仪表自动显示筒充满时，钻头底部关闭，提升钻头到地面卸土。开始钻进时采用低速钻进，钻进护筒以下3m可以采用高速钻进，钻进速度与压力有关，采用钻头与钻杆自重摩擦加压，150MPa压力下，进尺速度为20cm/min；200MPa压力下，进尺速度为30cm/min；260MPa压力下，进尺速度为50cm/min。钻进过程中严格控制钻进速度，避免进尺过大，造成埋钻事故。钻进过程中要保证桩孔内泥浆标高，泥浆补充一般采用泵送方式，其速度以保证液面始终在护筒底面以上为标准。钻孔前先用水准仪确定护筒标高，并以此作为基点，按设计要求的孔底标高计算孔深，以钻具长度确定孔深，孔深偏差不短于设计深度，超钻深度不大于50cm；孔径用孔径仪测量，若出现缩径现象应进行扫孔，符合要求后方可进行下道工序。（3）扩孔率的施工控制。成孔过程中，操作人员随时观察钻杆是否垂直，钻斗进入孔内要匀速缓慢，控制钻斗提升速度，避免钻斗下产生较大负压作用，造成孔壁坍塌；钻斗挖土时转杆不能转动过快，使桩径增大。（4）泥浆的回收及排碴处理。在现场设置泥浆循环系统，设置储浆池、沉淀池，浆池容量根据桩长、桩径确定，浆池池壁及池底采用砂浆抹面处理。新拌制的泥浆存放在储浆池内，从桩孔内抽排的泥浆存放在沉淀池内。防止泥浆污染场地，泥浆排放均采取泥浆泵抽排。泥浆在使用过程中经常检查泥浆的各项性能指标，及时清理沉淀池内的沉碴，超标的泥浆采用泥浆处理器分离处理后循环使用。钻孔过程中，桩孔内挖出的弃碴，由装载机转运至临时存放点，然后用自卸车运至指定弃土场。（5）终孔时的清孔方法及验孔标准。当钻孔达到设计高程后，及时组织有关人员