大口径旋挖桩嵌岩施工工艺研究
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［摘要］国内外旋挖钻孔灌注桩相关技术已经相当成熟，但是在硬地层如岩石或极硬岩中，嵌岩式的大口径旋挖桩施工技术仍处于不断探索和完善阶段。本文提供一种大口径旋挖桩嵌岩施工方法，通过施工技术的改变，结合新型钻具的使用，提高了入岩效率，节省了施工时间，有效地降低了施工成本，能够实现桩基的较大嵌岩深度。
［关键词］大口径旋挖桩;嵌岩;新型钻具;施工工艺
0引言
我国旋挖钻孔灌注桩始于20世纪60年代初，首先在桥梁和港口建设中使用，20世纪70年代中期旋挖钻孔灌注桩开始在国内一些大城市应用于高层和重要建筑，80年代后期旋挖钻孔灌注桩迅速发展，广泛应用于各项工程建设。随着社会发展、工程需求，大口径旋挖钻孔灌注桩也应运而生［1］。国内外旋挖钻孔灌注桩相关技术已经相当成熟，但是在硬地层如岩石或极硬岩中，嵌岩式的大口径桩基施工技术仍处于不断探索和完善阶段，在应用和施工经验方面的资料也很有限，为了适应城市化发展的要求，随着越来越多的超高层建筑、大桥梁的建设，将会有更多的大口径桩基需要嵌岩施工。某公司之前公开了一种复杂地质条件下旋挖钻机嵌岩桩施工方法，该工艺基于岩石破碎理论，根据岩性特点选用不同嵌岩钻钻头和合理布齿，辅以合理钻进工艺，一般都可取出完整的岩石，达到旋挖钻机高效入岩目的，施工进度快。但是，该工艺只采用了大功率的旋挖装备来作业，大功率的旋挖钻机采购及使用成本高，运输超限、特别是对超出桩径1.5m的大口径桩基的嵌岩单纯采用大功率旋挖装备不能完全满足施工需求，无法实现桩基的较大嵌岩深度［2］。
1工作原理
为了解决上述技术问题，本文通过对旋挖筒钻的改进、施工技术的改变，大幅提高了入岩效率。目前常规使用的旋挖筒钻是单层筒体结构，本项目将其改进成了双层筒钻。该双层筒钻由内筒体和外筒体构成。内筒体外表面与外筒体内表面之间形成环形空腔，内筒体和外筒体底部沿圆周边缘固定有若干倾斜且朝向一致的钻齿，内筒体内部还嵌套旋挖钻头，旋挖钻头直接连接在旋挖钻机的钻柱端部上，内筒体的下缘低于外筒体的下缘，旋挖钻头的下缘低于内筒体的下缘。旋挖钻头与钻柱连接的一端为安装端，与岩石接触的一端为操作端。旋挖钻头包括主体、围绕主体外周且从主体向外延伸的若干支撑片以及固定在支撑片上的若干砍割器，砍割器通过旋转在水平方向上砍岩，支撑片沿安装端纵向延伸连接至操作端，操作端底面的中心处有斜向固定的柱切割器。柱切割器用于通过旋转在竖直方向上切割钻孔，钻柱的旋转带动连接在钻柱末端的旋挖钻头旋转切割砍岩。旋挖钻头转动时，砍割器接触钻孔壁，孔壁的岩石产生切向力，柱切割器与钻孔底接触可用于定钻孔切割岩石。其中，砍割器和柱切割器均为多晶金刚石制成的圆柱体，砍割器呈水平向设置，其侧壁嵌入支撑片中，柱切割器与操作端水平面之间的夹角为60～70°。主体为中空钢管，相邻支撑片之间留设有限定通道，限定通道上设置有若干浆孔。浆液流经钻柱后进入主体内，在旋挖钻头旋转时可通过浆孔喷出冲洗钻孔中的岩屑。内筒体和外筒体通过一连接部件固定在旋挖钻机的钻柱上，内筒体和外筒体在旋挖钻机的带动下转动。施工中，内筒体和外筒体在旋挖钻机驱动装置的作用下能够进行钻进操作，随着内筒体和外筒体的钻齿不断旋转切割地层。钻渣进入内筒体的内腔以及内筒体与外筒体之间所形成的环形空腔后上移，一次钻进工作完成后提钻，此时，驱动装置进行正、反转交替高速转动，从而快速地完成卸渣操作。
2工程概况
福州市某工程项目采用的工程桩是桩径为1.5～2.0m之间的大口径桩。根据设计图纸要求灌注桩桩底需穿透圆砾层及砂层进入中风化岩不小于4.5m或者微风化岩2.0m。本工程场区地层结构较复杂，岩土层种类较多，岩土层的埋深、厚度及性能变化较大。工程桩范围分布地层主要为:杂填土、淤泥、含泥粗中砂、粉质粘土、淤泥质土、含泥卵石、强风化花岗岩(砂土状)、强风化花岗岩(碎块状)。工程桩桩底主要位于强风化花岗岩(碎块状)，设计要求需嵌入中、微风化岩。
3成孔方式选择
目前常规桩基成孔方式主要有旋挖成孔和冲击成孔。鉴于本工程桩为大口径桩，且对桩基嵌岩深度要求高，同时项目工期十分紧张，为此，选用正确合适的成孔方式将是首要任务［3］。旋挖机、冲孔桩机整桩成孔工效会随着成孔深度的增加而逐步提高，但旋挖机的工效提升速率会比冲孔桩机的大。尤其在嵌入硬岩层时，旋挖机与冲孔桩机的工效比达到最大值。因为旋挖机是带动力的主动钻进，在输出功率保持一致的情况下，其对土层、岩层的破坏力是一致的，而冲孔桩机是靠桩锤的自由落体产生的冲击力作为掘进力，故对岩层的破坏力远远比对土层破坏力低。所以在入岩阶段，冲孔桩将会大幅降低工效，而旋挖机虽然也降低工效，但降低的幅度没有那么大。说明旋挖机比冲孔桩机更适合在入岩深度大或岩层地质条件多变的情况下施工。经试验，在相同的地层中，旋挖机的成孔速度是冲孔桩机的3～5倍，优势明显。由此，本项目选定旋挖成孔方式是正确合理的。
4主要施工难点
(1)成孔垂直度偏差大①深距离钻进地层阻力大，易使钻杆弯曲偏斜。②软硬地层交替易致钻头偏钻，形成斜孔。(2)成孔孔径难保证上软下硬地层易使桩径出现上端大、下端小的现象，原因是上端桩穿越软土地层，成孔时间久，孔壁受泥浆循环扰动影响大，易出现塌孔等不良问题，造成孔径扩大［4］。在软硬层过渡区域，钻机钻进困难，钻头偏向较软地层，从而使钻头不断向各个方位钻进，但一旦进入硬岩层，钻头握裹力强劲，就不再扩孔，所以易造成孔径大小不一的情况发生。(3)成桩工效低，成本高由于桩径大、入岩深，岩层单轴抗压强度高，钻齿磨损大，钻头进尺缓慢，成桩工效过低，造成施工成本高。
5施工技术要点
根据本项目特点和施工难点分析，本文提出的一种大口径旋挖桩嵌岩施工工艺不仅要实现桩底硬岩破碎，保证成孔垂直度、孔径质量，而且要保证施工工效高、成本低，特制定如图7施工工艺流程。(1)平整场地，测量放样:将放置小口径钻机和旋挖钻机的位置夯实并现场整平。一般情况下坡度不大于3°，地基承载力特征值不小于200kPa，以适宜施工机械旋挖钻机、吊车、混凝土罐车出入施工现场。施工现场水、电、路三通，达到施工要求［5］。(2)小口径钻机引孔:利用小口径钻机重复引孔，在桩基底部岩石内部引成蜂窝状孔，便于后续旋挖钻机继续碎石钻孔。(3)旋挖钻机成孔:桩基底部被打成蜂窝状孔后，替换旋挖钻机钻孔，一边利用旋挖钻机的旋挖钻头钻至设计孔深;钻孔至设计深度后，可通过旋挖钻头向孔内通入携渣泥浆，携渣泥浆可携带钻渣通过双层筒钻实现捞渣。(4)钻孔完毕后，形成桩孔，在桩孔内吊装制作好的钢筋笼，并在钢筋笼内部安装导管。(5)钢筋笼和导管安装完毕后，利用导管灌注桩浇筑，完成桩基嵌岩作业。
6结论
本文提出的一种大口径旋挖桩嵌岩施工工艺，是采用小口径钻机和旋挖钻机的组合钻具进行大口径桩基的嵌岩施工。小口径钻机具有钻孔、引孔以及打断桩基底部岩石内部结构的作用，旋挖钻机配备旋挖钻头和双层筒钻，旋挖钻头具有砍岩作用，双层筒钻能够钻孔携渣，从而满足桩基的嵌岩深度要求。该新工艺方法具有以下优点:(1)小口径钻机和旋挖钻机的组合钻具能适用于将大口径的灌注桩嵌于强度超过100MPa的硬岩中。(2)本工艺结合了小口径钻机和旋挖钻机设备特点。小口径钻机和旋挖钻机组合使用，用小口径钻机在桩基位置先施工到桩基设计深度，把岩石打成蜂窝状，用以破坏桩基底部岩石结构，然后再使用旋挖钻具，提高入岩效率，节省施工时间。有效地降低施工成本，同时能够有效地降低施工现场的噪音污染，保护环境，特别适用于市区等对于噪音环境要求较高地段。(3)本工艺对旋挖钻具进行改进，提高现有旋挖设备的使用工况，使用双层筒钻，在双层筒钻内部设置有旋挖钻机实施砍岩工作，同时旋挖钻头的侧壁上还设置有浆孔，浆液通过浆孔喷出后可用于清洗钻孔，改进后的旋挖钻头即能够保证可靠的钻进导向又能够实现有效的携带出渣，提高成孔质量和成孔效率。
参考文献
［1］文敏．深空孔超长嵌硬岩桩关键施工技术研究与应用［J］．广东土木与建筑，2015(04):34－36．
［2］于春红．如何控制建筑工程中钻孔灌注桩质量和技术［J］．黑龙江科技信息，2013(09):312．
［3］曹新苗．河床岩石边坡上大口径钻孔桩施工技术［J］．中国煤炭地质，2018，20(07):62－63．
［4］雷世松，魏春来．大直径超长桩基成孔方法的探讨［J］交通世界，2019(z1):190－191．
［5］殷志坚．论灌注桩在建筑施工中的应用［J］．科技传播，2010(15):186－187．
作者:唐文 陈国占 单位:福建建中建设科技有限责任公司
