软土地区旋挖钻机施工技术研究

软土地区旋挖钻机施工技术研究程亮（北京市地质工程公司，北京100143）摘要：软土是天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。其固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大。而在软土地区进行基础桩施工，需要综合考虑施工进度、场地地层条件及施工场地的实际情况，从施工机具合理选择配置、施工现场综合管理、人员协调管理等多方面进行针对性分析研究。结合项目情况，详细介绍了成孔技术优化、钻具优选、护筒选择、钻进速度控制、合理配置施工机械、优化施工次序及操作人员甄选等内容，提出了软土地区利用旋挖钻机进行灌注桩施工的技术措施和管理建议，对今后同类项目的开展具有现实的借鉴意义。关键词：软土地区；旋挖钻机；施工技术措施中图分类号：U445.551文献标识码A文章编号：1007-1903（2016）03-0027-04作者简介：程亮（1983-），男，研究方向：基坑工程设计与施工。E-mail：[e-mail]。ResearchontheRotaryDrillingRigTechnologyinSoftSoilAreaCHENGLiang(BeijingGeo-engineeringCompany,Beijing100143)Abstract:Softsoilisafine-grainedsoilwithhighwatercontent,highvoidratio,highcompressibilityandlowshearstrength,whichhassmallconsolidationcoefficient,longconsolidationtime,highsensitivity,easydisturbed,poorwaterpermeability,complexityinsoillayers,andthephysicalandmechanicalaeolotropism.Thefoundationpileconstructioninsoftsoilareaneedstoconsidertheprojectschedule,siteformationconditionsandconstructionsiteoftheactualsituation,thereasonablealternativeconstructionequipment,constructionsitemanagement,staffmanagement,etc.Combinedwiththeactualsituationoftheproject,thepaperdetailedstudiestherotarydrillingrigtechnicalmeasuresinsoftsoilarea,suchastheconstructionequipmentconfiguration,reasonableselectionofconstructionsite,personnelmanagementandcoordinationforanalysisandresearch.Theresearchresultscanprovideactualguideonconstructionengineering.Keywords:Softsoilarea;Rotarydrillingrig;Constructionengineering0前言软土是天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。其固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大（张晓军，2011）。本工程经过综合考虑，选用钻挖钻机作为主要成孔设备。旋挖钻机是一种桩基工程中成孔作业的施工机械（王曦等，2008），比较适合于穿越一般粘性土及其填土、粉土、黄土土层，小型机最佳成孔直径doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.005Vo1.11No.3September，2016第11卷第3期2016年9月0.6～1.2m，其施工效率高，成孔精度好（王文明，2013）。目前在国内外工业及民用建筑、高速铁路路基等不同行业的钻孔灌注桩施工都得到了非常广泛的应用，尤其在发达国家已经成为大直径钻孔灌注桩施工的首选机型（闵培雄等，2013；盛寿桥，2014；凌旭辉，2013）。旋挖钻机及施工工艺在我国北方地区也得到广泛的使用，但在南方地区特别是沿海或其他软土地区的大规模使用还相对较少，在实际的施工中需要通过多方面的工艺改善或针对性的改进措施，才能得到比较好的施工效果（周红军，2009；孔伟等，2008；薛伟，2000）。项目实施中，综合考虑施工进度、场地地层条件及施工实际情况等多方面因素，从施工机具合理选择配置、施工现场综合管理、人员协调管理等多方面进行针对性分析，通过对施工工艺、施工流程、提高综合管理能力等多方面的优化，克服了软土地区灌注桩施工过程采用常规的正反循环钻机出现的施工难度大、成孔精度低、高污染、效率低的缺点，圆满完成施工任务的同时，达到了技术先进、质量合格、经济合理的综合目标，对软土地区其他类似项目也是有益的参考。1工程概况工程施工场地位于山西省太原市小店区太原经济技术开发区开元街，3#、4#、5#楼均采用钻孔灌注桩+平板板式筏板基础。钻孔灌注桩直径为700mm，桩长为28m。小店区属于山西省内软土土性较为明显的区域。据岩土工程勘察报告，场区地基土以粉质粘土、粘质粉土为主，土质较软，尤其是第三层粉质粘土层，呈软塑、流塑状态。地下水综合水位埋深为1.90~4.35m，标高为769.10~771.71m。2施工机械的选择本工程基础桩为钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩位排布较密，桩数较多，采用非挤土成桩工艺较为适宜。受土层较软大型机械无法坑下作业的制约，基础桩成孔施工均在地面进行。单桩空桩施工近10m，而基础桩成孔精度要求较高，不宜采用潜水钻机、正循环钻机、反循环钻机，其施工速度相对较慢，且排放泥浆数量较大。受场地条件的制约，也不能大面积展开施工。施工前期受现场电力供应不足限制，基础桩施工设备必须选择自备施工能源类型机械，经过审慎考虑，最终选用旋挖钻机。3施工工艺旋挖成孔是通过底部带有活门的桶式钻斗回转破碎土体，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（张晓军，2011）。根据地层情况的不同可采用干作业法或湿作业法施工工艺，对较差土层情况，需采用泥浆护壁湿作业工艺，静态泥浆护壁钻进。4成孔技术优化改进措施影响旋挖钻机成桩质量的主要考虑因素有：地层情况、钻进深度、基桩设计类型、基础桩设计深度及桩径要求、沉渣控制、护壁效果等。对各影响因素的对比综合分析，结合地层特点，对钻机配套设备进行适应性组合及调整改进，优化工序安排，重视技术操作细节，才能取得较好的施工效果。本文主要就旋挖钻机成孔技术措施有关问题进行探讨。（1）钻具选择及改进措施旋挖钻具主要分为旋挖钻斗、长螺旋钻头和岩石筒钻等三种，旋挖钻斗主要用在第四纪土层的钻进。旋挖钻斗由连接座，开合机构，斗体，斗底，扩孔机构等几部分组成。根据不同场地及地层条件，一般对斗体，斗底，扩孔机构等部分进行改进。受成桩桩径（700mm）及连接端头大小限制，斗体锥度受限，钻斗理论进土量一定，调整余地不大，但斗体增设2～3个排浆孔（直径约8～9cm）后可明显增加钻斗提升时排浆效率，增加单次有效进土量。斗底根据不同土层的适应条件，主要有单底板钻斗或双底板钻斗。单底板钻斗使用粘土层及干作业施工，双底板钻斗主要用于砂土、小粒径卵石层及湿作程亮：软土地区旋挖钻机施工技术研究2016年28城市地质第11卷第3期29业钻进。工程初期两种钻斗都有采用，2#钻机采用双底板钻斗，7#钻机采用单底板钻斗，施工情况见图1。图12#、7#钻机施工速度对比Fig.1Comparisonof2#and7#drillingrigspeed单底板钻斗成桩速度约为2～3根/天，双底板钻斗成桩速度约为4～5根/天，施工效率提高约33%～70%，双底板钻斗的孔底沉渣挖除也明显优于单底板钻斗，有利于软土及具软土特性地区的成桩及清孔。7#钻机于4月份及时更换为双底板钻斗，施工速度增加至4～5根。施工情况统计见图2。图27#钻机月施工进度对比Fig.2Comparisonoftheconstructionspeedof7#drillingrig（2）护筒选择优化措施据勘察报告，本区域地下水综合水位埋深为1.90~4.35m。初期选用2m长护筒（直径1.0～1.2m），但护壁效果不够理想，尤其是6～16m层位进尺较慢，成孔效果不佳。根据初期钻进的情况，改用4m，6m（直径1.0～1.2m）加长钢护筒，有效防止了孔壁渗透坍塌，改善了6～12m范围内软弱性土层的钻进速度和成孔情况，减小孔壁受钻进震动的影响，确保了成桩质量，提高成孔速度20%～40%。（3）钻进速度控制据成孔钻进数据统计分析，单桩4～6m以上钻进、成孔均较为正常，钻斗有效进土量能够达到斗容量的60%～70%，成孔时间约为30分钟。6～16m土层为第三、四层粉质粘土层，土层极为软弱，呈软塑流塑状态，此部位具有高触变特性，若单次进尺过大，易引起较为明显的活塞效应，钻进扰动后超径现象加剧。分析对比多钻机施工实测数据，单次钻进50～60cm时，钻斗进土量控制在30～40%之间，稳步钻进可缩小扰动影响半径，提高钻进效率，6～16m成孔时间约2小时。16～38m部位土层条件有所恢复，钻进速度趋正常。（4）合理配置施工机械、优化施工次序受工程总进度要求和基础桩施工工程总量较大的影响，施工高峰阶段同时施工旋挖钻机总量逾10台，但根据日施工桩总量统计分析（以4月份4号、5号楼日施工基础桩数量为例），4月7日至4月18日8台旋挖钻机平均施工总量为28.17根/天，而4月19日至4月30日9台旋挖钻机平均施工总量仅为26.11根/天，施工效率降低约21.35%。结合本场地土层特点及基础桩布桩情况，综合分析，产生施工降效的主要原因为软土地层特别是饱和的粘土、粉土层，强度较低，自稳性较差，具有高触变特性，一旦扰动自行恢复周期较长。本工程4号、5号楼基础桩桩间距基本在2.1～2.5m之间，桩量较大排布密集，多台钻机同时施工，施工分区交接部位极易受扰动，施工降效严重。针对土层扰动的问题，现场及时采取了场地轮替修整的方案，以5月18日至6月15日时间段内太原孵化基地5号楼基础桩施工为例（本区域面积小，安排2台钻机施工）。5月28日～6月7日停止作业场地修整约10天后，同场地条件施工效率提高25～45%。执行场地轮替修整方案的同时，又及时从场地安排、施工区域划分、场地内同时施工机械数量控制、调整施工分区交接部位两侧施工次序及间歇等多方面0123456783月17日3月19日3月21日3月23日3月25日3月27日3月29日3月31日施工完成桩数量施工日期太原孵化基地2#、7#钻机施工记录（3月份）2#7#01234563月17日3月22日3月27日4月1日4月6日4月11日4月16日施工完成桩数量施工日期太原孵化基地7#钻机施工记录（3～4月份）7#2016年30进行了规划和布置，施工速率提高效果显著。就本工程而言，单钻机合理工作区域为2784～3216m2。（5）甄选经验丰富的操作人员软土地层钻进施工，比较明显的操作难点为钻斗抓土量和钻机进尺等问题的掌控。由于周边孔壁周边土层较为软弱，钻进时钻感不明显，易产生压入层位的情况，流坠后易包裹在钻斗周围，粘结现象比较明显。且各层土差异性较大，仪表显示的钻斗进土量也不尽准确，提钻时机、分层钻进速度掌握要求较高。因此，施工前期准备阶段，甄选熟悉作业区域，经验丰富的操作人员，施工中及时进行操作技术、经验交流、推广，施工后及时进行经验梳理、总结，对于整体施工水平的提高大有裨益。5结论（1）科学选择施工机械施工后期，由于基础桩施工区