旋挖钻机在桩基施工中的技术优势及其在施工中常见问题的解决措施

旋挖钻机在桩基施工中的技术优势及其在施工中常见问题的解决措施前言旋挖钻机作为一种近几年逐渐被大家接受的成孔机械，在地下基础施工中得到了普遍的认同，但也出现了一些问题。通过查阅现有资料，现就旋挖钻机和以往常用的冲击、回转钻机进行比较，对在桩基施工中选择旋挖钻机作为成孔机械的技术优势进行分析，并对当前使用旋挖钻机施工中易出现的问题总结出普遍性的解决方案。当前几种常用钻机的分析对比对冲击钻机的分析冲击钻机属于“软硬统吃”的一种成孔机械，几乎适用于各种地质状况，从粘性土、砂性土、到砾石层、卵石、漂石到软岩、硬岩[5]。冲击钻机特别适用于山区丘陵嵌岩桩的成孔[1]。冲击钻机也可以根据工地的实际情况自行组装，并且具有操作简单的特点。在钻机的结构和操作程序的繁简上，冲击钻优于回转和旋挖钻机，如果单从地质条件考虑，不考虑工程进度、经济效益的话，冲击钻均可使用；从成孔速度上比较，在特定的地层中，冲击钻机不及回转和旋挖二种钻机；从单孔成孔的每米造价上进行比较，冲击钻机最高，回转钻机最低，旋挖钻机的介于二者之间。对回转钻机的分析回转钻机中无论正循环还是反循环的钻机，均适用于粘性土、含少量砾石、卵石的土层及各种岩层，不适用于大量卵石层[5]。回转钻机特别适用于内陆冲积层较厚的平原、沿海地区滩涂地区的摩擦桩成孔[1]。从成孔速度上分析，回转钻机快于冲击钻机，不及旋挖钻机。从工程造价上分析，回转钻机是三种钻机中最经济的，价格最便宜的。冲击、回转钻机不足之处：1.污染环境，不环保泥浆护壁和悬浮颗粒出渣均需要泥浆，而泥浆对现场和周围环境均造成环境污染，无法满足当代社会日益重视的环境保护和文明施工的要求。循环泥浆，沉淀出渣需要泥浆池，这就要占用较大的施工场地。2.成孔速度慢按照正常的施工质量要求和一般地质地层情况，回转钻机每天钻孔8～10m[1]，而冲击钻成孔速度则更慢。3.适应能力差除冲击钻机的适应能力强外，回转钻机不能对付含有大量卵石的地层。冲击钻机和回转钻机都只能钻垂直孔，不能钻斜孔。4.自动化程度低，操作工人劳动强度大，工作环境差冲击钻机和回转钻机的自动化程度不高，基本是露天操作，工人工作的环境恶劣，已不符合现在社会人性化和高度自动化的潮流。对旋挖钻机的分析旋挖成孔首先是通过底部带有活门的桶式钻头的回转破碎岩土,并直接将其装入钻头内,然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土,这样循环往复,不断地取土/卸土,直至钻至设计深度。对粘结性好的岩土层,可采用干式或清水钻进工艺。而在松散易坍塌地层,则必须采用静态泥浆护壁钻进工艺[7]。旋挖钻机受地层地质情况的制约较大，在硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层时，钻进就变得比较困难，但可以针对硬岩层、粒径超过100mm的卵石层、直径大于200mm的漂石地层的配备筒式取芯钻头、冲抓锥钻头，以及螺旋钻头来克服由地层带来的困难[1]。旋挖钻机的优势1.一机多用,实现多种钻进方式在国外,大型桩孔和基础施工用钻机的设计充分利用液压传动技术,采用模块化组合设计方法,在主机不变的情况下,实现“一机多用”,以满足大型施工机械对不同施工方法的适应性[18]。在我国,旋挖钻机常配合短螺旋钻头或钻斗来进行适应不同的地层要求的旋挖钻进外,还可进行套管或全套管钻进,配备地下连续墙抓斗施工地下连续墙,以及进行长螺旋钻进(CFA工法)[7]等,真正做到一机多用。2.设备性能先进,自动化程度高,劳动强度低旋挖钻机为履带式全液压自行式钻机,采用全套液压系统,有些还配备先进的电脑操作系统。为了确保旋挖钻机的优异性能,大部分旋挖钻机制造商都在世界范围内选购零部件,如美国卡特比勒(CAT)的底盘、德国的液压系统、日本的电器等,这样可延长旋挖钻机的整体寿命,不致因某一个部件损坏而影响其使用[4]。旋挖钻机机、电、液一体化高度集中,结构紧凑,操纵灵活方便,机械化、自动化程度高,施工现场内可自行移动,自立桅杆,移动、对孔位方便、快捷。采用伸缩式钻杆,节省了人力和加接钻杆的时间,辅助时间少,时间利用率高[6]。3.钻进效率高旋挖钻机可根据地层情况配置不同的钻头,在粘性土层可使用长钻筒,加快钻进速度;对于砂卵石含量较大的地层可使用短钻筒,配置泥浆护壁,控制钻速;对于含孤石、漂石及较硬岩石地层可换用长、短螺旋钻头进行处理,松动后再换上钻筒继续钻进[4]。与常规钻机相比,旋挖钻机回转扭矩大,并可根据地层情况自动调整。钻压大,并易于控制。同时由于旋挖钻进钻头直接从孔内提取岩土,故其钻进速度非常高。一般情况下,在土层、砂层的钻进速度可达10m/h,在粘土层可达4～6m/h,是普通回转钻进的3～5倍,甚至更高[2]。4.成桩质量好旋挖钻进对地层扰动小,孔壁泥皮薄,形成的孔壁为粗糙型[2],有利于增加桩侧摩阻力,保证桩基设计承载力。孔底沉渣少,易于清孔,提高桩端承载力。5.环境污染小旋挖钻进为干式或无循环泥浆钻进,所用泥浆量仅为正反循环钻进的1/10～1/20[5]。因而,施工现场整洁,对环境造成的污染小。同时旋挖钻进振动小,噪声低。旋挖钻进施工中易出现的问题及解决措施[8-20]1.卡埋钻具卡埋钻具是旋挖钻进施工中最容易发生的、也是危害较大的事故,因此在施工过程中一定要采取积极主动的措施加以预防,一旦出现事故,要采取有效措施及时处理。发生的原因及预防措施(1)较疏松的砂卵层或流砂层,孔壁易发生大面积塌方而造成埋钻。在钻遇此地层前,应提前制定对策,如调整泥浆性能、埋设长护筒等。(2)粘泥层一次进尺太深孔壁易缩径而造成卡钻。所以,在这类地层钻进要控制一次进尺量,如在15m以深钻进时,一次钻进深度最好不超过40cm[8]。(3)钻头边齿、侧齿磨损严重而无法保证成孔直径,钻筒外壁与孔壁间无间隙,如钻进过深,则易造成卡钻。所以,钻筒直径一般应比成孔直径小6cm以上,边齿侧齿应加长,以占钻斗筒长的2/3为宜,同时在使用过程中,钻头边齿、侧齿磨损后要及时修复[9]。(4)因机械事故而使钻头在孔底停留时间过长,导致钻头筒壁四周沉渣太多或孔壁缩径而造成卡埋钻。因此,平时要注意钻机本身的及时保养和维修,同时要调整好泥浆性能,使孔底在一定时间内无沉渣。[9]处理卡埋钻的方法主要有:[13-18](1)直接起吊法,即用吊车或液压顶升机直接向上施力起吊。(2)钻头周围疏通法,即用反循环或水下切割等方法,清理钻筒四周沉渣,然后再起吊。(3)高压喷射法,即在原钻孔两侧对称打2个小孔(小孔中心距钻头边缘0.15m左右),然后下入喷管对准被卡的钻头高压喷射,直至两孔喷穿,使原孔内沉渣落入小孔内,即可回转提升被卡钻头。(4)护壁开挖法,即卡钻位置不深时,用护筒、水泥等物品护壁,人工直接开挖清理沉渣。[10]2.主卷扬钢绳拉断钻进过程中如操作不当,易造成主卷扬钢绳拉断。因此,钻进过程中,要注意提下钻时卷扬机卷绳和出绳不可过猛或过松、不要互相压咬,提钻时要先释放地层对钻头的包裹力或先用液压系统起拔钻具。如果钢绳出现拉毛现象应及时更换,以免钢绳拉断而造成钻具脱落事故。3.动力头内套磨损、漏油发生这一现象的原因除了钻机设计上存在欠缺外,主要是超钻机设计能力钻进所致,所以要注意旋挖钻机的设计施工能力,不要超负荷运行。4.塌孔主要是因为钻进过程中不使用泥浆,或使用很少的泥浆,护壁效果差所致。为防止钻孔坍塌,钻进过程中应保持孔内水位适当高出地下水位,同时注意控制钻斗的升降速度,避免压力激动。5.漏浆漏浆事故主要与地下水位和泥浆的性能有关，如发生大裂隙漏浆，应采用回填的办法处理；漏浆不太严重则应调整泥浆性能，形成的泥皮应有足够的韧性；可在泥浆中渗入适量的水泥，搅拌均匀后使用。6.不进尺主要原因：钻头被粘土糊满打滑或钻进过程中遇到漂石、坚硬的卵石层、基岩等。防治措施：出现打滑时,调整斗齿的角度为60°，可往孔内投入石块、换螺旋钻头或截齿钻头等办法来处理。如遇到漂石、坚硬的卵石层、基岩等情况时，更换或改造钻头，重新安排刀具角度、形状、排列方向或改用全截齿旋挖钻斗。7.扩孔、缩孔遇有扩孔、缩孔时应采取防止塌孔和防止钻锥摆动过大的措施。缩孔是钻斗磨损过甚、焊补不及时或因地层中有遇水膨胀的软土、粘土泥岩造成的，前者应注意及时焊补钻斗，后者应采用失水率小的优质泥浆护壁。已发生缩孔时宜在该处用钻锥上下反复扫孔。8.掉钻头、钻头底板[15]钻杆与钻头的连接不结实或者钻头地方接头与钻头体焊接不牢、穿销强度不够等都可能造成钻头脱落。钻头底板的连接轴强度不够、连接钻头底板的螺栓剪切破坏、钻头底板连接轴与轴套焊接不牢等都可能造成钻头底板脱落。施工过程中要注意对这些部位的检查。如果造成钻头脱落，用筒钻进行打捞[16]。总结旋挖钻进技术及设备在基础工程施工中具有一系列无法比拟的优点,在施工前要调查了解施工现场实际情况，认真熟悉地质勘察报告、设计图纸及有关设计、施工、验收规范，检查机械设备的关键部位，对施工过程中可能会发生的一些问题及时进行分析处理，做到科学组织，精心施工，严格管理，充分利用旋挖钻机在桩基施工中的技术优势，不断推进旋挖钻机机械设计及施工技术的不断发展。参考文献[1]张忠学，丁小亭.钻孔灌注桩设计与施工[M].建筑工业出版社.2007,296页[2]韩金亭.大口径旋挖钻机在桩基施工中的技术优势[J].西部探矿工程.2002,7[3]吴允成.旋挖钻斗结构的探讨[J].探矿工程.2000年2期.31-28-28.31页.[4]张启君.浅析旋挖钻机的研发[J].工程机械与维修.2004年11期.[5]刘伟.旋挖钻机的发展及应用[J].建筑机械化.2004年11期.[6]公路桥涵施工手册[S].人民交通出版社.交通部第一公路工程总公司主编.2000年3月第1版.[7]窦春风,杨国俊,童金槽.旋挖钻机的施工工艺控制及应用[J].公路交通技术.2008年第10期.[8]黎中银,李正泉,李国太,蔡永立,赵明.北京地铁亮马河车站中桩基柱旋挖钻机施工实践[J].探矿工程，2005增刊.[9]于干良，樊敬亮.南京地区旋挖钻机的施工特征及风险分析[J].山西建筑.2008年第19期.[10]王平等.旋挖钻机选型及其在成孔施工中存在问题的探讨[J].探矿工程,2001,1[11]候再民.旋挖钻机卡钻原因及其对策[J].探矿工程,2001,11[12]刘伟.旋挖钻机的发展及应用[J].建筑机械化,2004,11.[13]祝景寰.BG系列旋挖钻机钻孔桩施工技术[J].铁道建筑技术,2004,4.[14]赵伟民,吴雪梅,胡长胜,等.多功能旋挖钻机发展中若干问题的研讨[J].建筑机械,2004,(7).[15]白云峰,刘新华.复杂地质情况下保证钻孔桩成孔的几种方法及措施[J].中国西部科技,2004,(8).[16]王欣.旋挖钻机成孔灌注桩常见问题的分析及对策[J].吉林水利,2004,(11).[17]李粮纲,陈惟明,李小青.基础工程施工技术[M].武汉:中国地质大学出版社,2002.[18]JerryShae1,JeremyKing,andRichard(Bo)Botteicher,PE,M.ASCE.Demandinghddinstallationoffusible24-inchpvcpipesetsnewrecord[J].Pipelines2010:ClimbingNewPeakstoInfrastructureReliability—Renew,Rehab,andReinvest2010ASCE.[19]Baars,D.L,Watney,W.L,Steeples,D.W.BenefitsofDualRotaryDrillinginUnstableOverburdenFormations[J].Trenchless,Technologies,September,2009,BenjaminMedia.[20]R.Hanzal;R.J.K.Wood.SANYRotaryDrillingwithhighinvestment-ledgrowthtomeetthe4trillion-SanyHeavyIndustry,RotaryDrilling,a