复杂地质层桩基的旋挖钻与冲击钻施工技术研究

Ｕ收稿日期：２０１７－０３－

２７作者简介：汪雨珍（１９６９－）

，男，安徽枞阳人，安徽省交通建设股份有限公司工程师．复杂地质层桩基的旋挖钻与冲击钻施工技术研究

汪雨珍

（安徽省交通建设股份有限公司，安徽合肥　２３００４１

）摘　要：为了解、掌握旋挖钻与冲击钻在复杂地质层桩基施工的应用情况和技术，分析旋挖钻、冲击钻各自施工工艺，对比了旋挖钻、冲击钻各自优点和不足，提出了在某长江公路大桥桩基成孔施工中采用旋挖钻与冲击钻相结合的方法，同时提出了旋挖钻与冲击钻联合施工的技术工艺。该方法显著提高了施工效率，节约了施工工期，节省了施工成本，获得了很好的社会和经济效益，可供同行业技术人员参考。

关键词：复杂地质层；桩基；旋挖钻；冲击钻

中图分类号：Ｕ４４３．１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７３－５７８１（２０１７）０１－０１２５－

０４　　旋挖钻在国际上的发展已经有几十年的历史，

近年来成为我国发展最快的一种新型桩孔施工方法，旋

挖钻孔灌注桩技术被誉为“绿色施工工艺”［１］

，其特点

是工作效率高、施工质量好、尘土泥浆污染少。旋挖钻孔施工是利用钻杆和钻斗的旋转，以钻斗自重并加液压作为钻进压力，

使土屑装满钻斗后提升钻斗出土。通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆置换护壁，反复循环而成孔。吊放钢筋笼、灌注混凝土、后压

浆等同其他水下钻孔灌注桩工艺［

２］

。冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，

然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外［３］

。冲击钻头由两根钢绳平衡连接，无论

起、下钻都非常方便，大大缩短了辅助时间。冲击反循环钻头是冲击钻进的主要工具，其结构的合理与否

直接影响到钻进效率和质量［

４］

。在冲击钻进过程中，关键是冲击和吸渣量匹配，也是确保孔壁稳定正常钻

进最基本最重要条件［

５］

。为了解、掌握旋挖钻与冲击钻在复杂地质层桩基施工的应用情况和技术，本文提出了在某长江公路大桥桩基成孔施工中采用旋挖钻与冲击钻相结合的方法，同时提出了旋挖钻与冲击钻共同施工的技术工艺。

１　某长江公路大桥工程概况

某长江公路大桥全桥长４　

６６０ｍ，其中主桥为主跨９２０ｍ非对称单侧混合梁、半漂浮体系斜拉桥，主桥长１　６５０ｍ。３＃主塔墩基础采用“矩形整体式承台十群桩基础”，承台尺寸为５８．５ｍ×２９．５ｍ，厚８ｍ；群桩设４５根Ｑ２．５ｍ的钻孔灌注桩，桩基采用Ｃ３５水下混凝土，桩长为８６ｍ。

１．１　３＃主塔地质状况

桥位覆盖层以第四系全新统冲积层为主，主要由粘性土、饱和粉砂、细砂、中砂组成（表１）。岩土物理力学性质相对较差，且其中的粉细砂层与长江河床构成了统一含水层，连通性好，对桩基施工不利，在汛期尤其突出。

１．２　３＃主塔钻孔基本情况（１）钻进难度大。３＃主塔墩桩基数量多（４５根）、桩径大（直径为２．５ｍ）、孔位深（成孔深度为９４ｍ～９６ｍ不等）；持力层为粉砂岩，基岩强度普遍在２５ＭＰａ左右。

（２

）施工工期短。３＃主塔墩处于河堤附近，河道堤防管理规定汛期（５月１５日～１０月１日）大堤５００ｍ范围内不得进行基础施工。因此，必须在４个月内完成４５根桩基施工。

（３

）成孔垂直度要求高。设计要求垂直度偏差不大于０．５％桩长，且不小于２００ｍｍ。

２　钻孔工艺比选

２．１　成孔工艺

旋挖钻成孔速度是冲击钻的４～５倍，回旋钻成

Ｊ　Ｉ　Ａ　Ｎ　Ｚ　Ａ　Ｏ　Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｈ　Ｕ

孔速度是冲击钻的１．２～１．４倍。旋挖钻、回旋钻、冲击钻特点见表２所列。

表１　３＃主塔墩桩位地层情况一览表

层数类型描　　述层底深度／ｍ地层厚度／ｍ１粉质黏土灰褐色，可塑，含少量铁锰氧化物及高岭土，采取率８０％６．４　６．４２粉土灰褐色，稠密，局部含少量泥质条采取率７５％９．４　３３粉砂青灰色，中密饱和，主要成分为石英、长石、云母、采取率５０％１３．５　４．１

４细砂青灰色，中密－密实，饱和，主要成分为石英、长石、云母，局部夹有少量泥质条

带，采取率５５％

４０．１　１６．６

５中砂为石英、长石、云母，局部夹有少量泥质条带，采取率５５％５２．４　１２．３６粗砂青灰色，密实，饱和，主要成分石英，长石，采取率５５％５８　５．６

７粉砂黏土灰绿色、浅黄色，硬塑－坚硬，含铁锰氧化物及高岭土，局部夹有泥质粉砂岩残

留体，采取率８５％

６４．２　６．２

８泥质粉砂岩灰绿色、浅红色，强风化，原岩结构已被破坏，岩芯已基本风化成砂状或碎冰状，

采取率８５％

７１．２　７

９泥质粉砂岩紫红色，中风化，粉砂质结构，厚层状构造，主要矿物成分为石英、长石，泥质胶

结，岩芯呈柱状及长柱状，节长２５ｃｍ，最长可达８５ｃｍ，采取率为９５％，

１０７．３　３６．１孔口标高：２７．８ｍ，桩底标高：６６．７２４ｍ

表２　钻孔工艺对比表

项　目旋挖钻回旋钻冲击钻

充盈系数一般为１．０一般为１．１～１．１５　１．１～１．２

环保噪音小，无扰动，费浆少，污染小噪音小，无扰动，费浆多，污染多噪音大，有扰动，费浆多，污染多黏土、砂层是冲击钻进速度的４～５倍是冲击钻进速度约１．２～１．４倍以冲击钻进速度为准

卵石、泥岩部分坚硬卵石岩石层无法钻进部分坚硬卵石岩石层无法钻进是回旋钻机钻进速度的２～３倍黏土、砂层容易钻进、成本损耗小容易钻进、成本损耗小耗电量大、钢丝消耗大、搬运成本高卵石、泥岩不易钻进、耗油大、研磨材料消耗大不易钻进、耗电大、研磨材料消耗大相对钻进速度快、成本相对节约施工成本成孔单价高、维修保养费用大成孔单价适中、维修保养费用小成孔单价低、维修保养费用小

普及率设备成本高、不常见设备成本适中、常见设备成本低、多见

２．２　联合应用旋挖钻机和冲击钻机施工技术（１）较好的机动性。旋挖钻为履带行走，就位、移位快捷。履带底盘为扩展式，能根据现场情况对底盘进行调整，以增加钻机的整体稳定。

（２）自动化程度高。旋挖钻机自身有质量检控系统，有自动水平调整功能，在钻机发生倾斜偏位时，钻机报警系统将会自动报警，并进行自动调整；有孔深显示功能；对钻机的就位，对钻进等采用电、液比例伺服控制，提高了定位、钻孔的精度。

（３）旋挖钻钻进过程中，因钻斗取土效果好，在保证孔内泥浆质量和泥浆面高度的情况下，出现缩径、扩孔等问题的概率很小，能够很好地保证桩径［６］。

（４）除了严重湿陷性和过于松散的底层外，冲击钻在其他土质均可进行钻进施工，尤其在各种夹层及硬地层的冲击造孔，解决了旋挖机在现有配套机具限

制下对硬地层造孔不理想的难题。

（５）充分发挥了旋挖钻在覆盖层中进尺快的优势和冲击钻对岩层适应性好、成孔竖直度好的优势，速度快。

３　工效分析

３．１　“回旋钻十冲击钻”成孔

采用回旋钻十冲击钻成孔，在不考虑其他辅助时间、意外因素等情况下，完成一根孔深为９５．２ｍ的桩基成孔时间需２８ｄ。各土层钻进工效情况见表３所列。

３．２　“旋挖钻十冲击钻”成孔

采用旋挖钻十冲击钻成孔，在不考虑其他辅助时间、意外因素等情况下，完成一根孔深为９５．２ｍ的桩基成孔时间需１７．３ｄ。各土层钻进工效情况见表４所列。

Ｊ　Ｉ　Ａ　Ｎ　Ｚ　Ａ　Ｏ　Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｈ　Ｕ

表３　回旋钻十冲击钻单根桩基成孔工效分析

序号地质名称地层后／ｍ工效／（ｍ·ｈ－１）持续时间／ｈ工艺备注

１２３４５６７８

回填土

粉质黏土

粉土

粉砂

细砂

中砂

粗砂

粉质黏土

１．２

６．４

３．０

４．１

２６．６

１２．３

５．６

６．２

２．５

２．５

９

９

０．７７

０．１

０．１

０．１

０．５

２．６

０．３

０．５

３４．５

１２３

５６

６２

回旋钻

９１０泥质粉砂岩（强风化）

泥质粉砂岩（中风化）

７．０

２２．８

０．１

０．０７

７０

３２６

更换为

冲击钻合计９５．２　６７５ｈ（２８ｄ）

采用“回旋

＋冲击”成

孔一根桩

基需２８ｄ

　　　　　说明：采用单旋挖、单回旋或单冲击一钻到底，工效更低。

表４　旋挖钻十冲击钻单根桩基成孔工效分析

序号地质名称地层后／ｍ工效／（ｍ·ｈ－１）持续时间／ｈ工艺备注

１２３４５６７８

回填土

粉质黏土

粉土

粉砂

细砂

中砂

粗砂

粉质黏土

１．２

６．４

３．０

４．１

２６．６

１２．３

５．６

６．２

３．５　１８．７回旋钻

９１０泥质粉砂岩（强风化）

泥质粉砂岩（中风化）

７．０

２２．８

０．１

０．０７

７０

３２６

更换为

冲击钻合计９５．２　４１４．４ｈ（１７．３ｄ）

采用“回旋

＋冲击”成

孔一根桩

基需１７．３ｄ

　　　　　说明：采用单旋挖、单回旋或单冲击一钻到底，工效更低。

３．３　工效分析结论

根据实例对比分析，单根桩成孔采用“旋挖钻十冲击钻”较“回旋钻十冲击钻”成孔能提前１１ｄ成孔，成孔后经超声波检孔，孔深、孔径及垂直度均满足设计及规范要求［７］。

４　“回旋钻＋冲击钻”的应用

经综合比选，在保证成孔质量的前提下，选用“旋挖钻十冲击钻”成孔，以加快在某长江公路大桥主墩桩基施工进度。另外，配备泥沙分离机、振动筛等辅助机械设备，可加快钻进、清孔速度。

４．１　施工工艺流程

旋挖＋冲击反循环施工工艺流程：平整场地→测量放线→埋设护筒→旋挖钻就位→校正垂直度→钻至交接深度→移机→冲击钻就位→施工至设计标高→停钻；一清→冲击钻移位→放置钢筋笼→放置导管；二清→灌注水下混凝土［８］。

４．２　泥浆制备

泥浆是大直径钻孔施工的“生命线”，尤其对于细砂、粉砂覆盖层地段。３＃主塔墩位地层上覆软砂层，泥浆性能是钻孔施工的关键之一［９］。桩基施工时采

用优质ＰＨＰ膨胀土泥浆，该泥浆主要由膨润土、水、增粘剂（掺纯碱）和ＰＨＰ配制而成。按施工配合比将水注入搅拌机内，开始机械搅拌，逐步加入各种组分搅拌成浆。进入钻孔的泥浆，要求重度１０．５～１１．５ｋＮ／ｍ３，粘度１８～２２ｓ，ｐＨ值８～１１，含砂率＜２％。该泥浆具有以下优点［１０］：

（１）可变性好，合格的ＰＨＰ泥浆呈嫩白色，粘度大，在静态时呈果冻状，泥浆从流动到静止时可恢复其悬浮作用，可以阻止钻渣下沉；当钻头钻动，泥浆流动时，可改变泥浆的结构，使其粘度减小，流动性增加，从而减少钻头阻力。

（２）相对密度小，含砂率低。

（３）粘度高、不分散、失水量小。

（４）泥皮薄，实践证明其泥皮厚度仅１～１．５ｍｍ，更能有效地保证桩侧摩阻力。

（５）环保性好，泥浆无毒无腐蚀。

５　结束语

（１）本文提出了在某长江公路大桥桩基成孔施工中采用旋挖钻与冲击钻相结合的方法。该方法充

（下转第１４１页）

Ｇ　Ｏ　Ｎ　Ｇ　Ｃ　Ｈ　Ｅ　Ｎ　Ｇ　Ｇ　Ｕ　Ａ　Ｎ　Ｌ　Ｉ

材料性能方向、路面再生技术方向、结构设计与材料性能优化方向、高速公路网路况大数据管理及集成技术等，各研究方向分工明确，相互联系，形成稳定的梯队。

（３）切忌过度依赖校企联合。企业的发展靠的是企业的内部的员工自身业务素质的提高，过度的依赖学校则会使企业慢慢失去活力。换个角度，等于企业在拿钱为学校培养人才，而最后的成果则是个未知数。退一步讲，即使一些科研项目由于某些困难无法实施而包给学校，那么企业也应当派出专门的技术人员，跟踪最新的研究状况。

（４）重视员工的发展，充分发挥员工自身的特长和积极性，使员工的业务素质不断提高。

〔参考文献〕

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［５］　李　平．高速公路养护管理模式的探索和思考［Ｊ］．科技之友，２００７（２）：６５，６７．

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［７］　何秀媛．高速公路养护管理模式研究［Ｄ］．西安：长安大学，２００６．

［８］　金艳云．高速公路养护管理存在的问题及对策［Ｊ］．交通世界，２０１６（１）：１２～１３．

［９］　李秀宏．高速公路养护市场化研究［Ｄ］．西安：长安大学，２００４．［１０］　潘新涛．谈如何做好公路养护管理工作［Ｊ］．工程建设与设计，２０１６（３）：１６１－１６２，１６５．

（上接第１２４页）

５　结束语

本文通过对路口互通Ｄ匝道桥拼宽施工两种保通方案优缺点的比较，根据项目特点，选择“全封闭施工”保通方案。对于其他高速公路互通匝道改扩建，可参考本文，进行不同方案的比选，合理选择保通方案，确保改扩建工程顺利进行。

〔参考文献〕

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［１０］　ＪＴＧ／ＴＬ　１１－２０１４，高速公路改扩建设计细则［Ｓ］．

（上接第１２７页）

分利用了旋挖钻与冲击钻各自的优点，使得旋挖钻与冲击钻二者优势互补。

（２）本文提出了旋挖钻与冲击钻联合施工的技术工艺。

（３）该方法显著提高了施工效率，节约了施工工期，节省了施工成本，获得了很好的社会和经济效益。

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［１０］　黄子阳．浅谈回旋钻机深孔钻桩成孔质量控制［Ｊ］．建材发展导向，２０１０（１０）：１３５～１３６．