旋挖钻机引孔在深水基坑防护中的应用

高飞虎

（中铁十二局集团海南工程有限公司，海南海口 570000）

0 引言

旋转桩一般是用旋挖钻机来完成的，它在工程实践中有着许多优势。①钻孔的高品质，可以保证施工质量，提高工作的工作效果。②可以降低工程对周围的环境的影响，改善人们的生活质量，从根本上减少了常规工程所带来的泥沙污染（尤其是干开式钻孔）。③适用范围广，采用了新型的机械设备，使钻机在钻井作业时，能够在钻柱的自重和动力源的双重驱动下，确保钻井的转速。鉴于以上种种优势，旋挖钻机引孔施工已被普遍用于深水基坑防护工程，它能使工程的工期和质量都得以改善。

1 深水基坑工程与旋挖桩

施工单位在确保基础地质条件的基础上进行施工。深水基坑防护是地质勘探、岩土勘探、结构法和岩土试验技术等相关技术的总称。深水基坑防护包括：巡程勘察、支护结线的规划和施工、开挖和回填、地下水控制、信息化巡检和周围的环境防护。目前，深水基坑防护施工简单、安全、经济是施工作业的唯一准则，最常用的作业方式是扩大坡面，但往往会受施工现场及外界因素的影响。

旋转桩是一种常见的深水基坑防护方法，一般指用旋挖钻机进行作业，也称为旋转式钻探。在国内科学研究的发展下，出现了自动化、智能化的生产方式，大大减少了施工的劳动强度，提高挖掘精度和挖掘效率。另一方面，随着施工作业自动化程度的提高，开挖、钻孔灌注桩打探对人力的依赖有所下降，帮助施工企业节省了很大一笔费用开支[1]。

2 深水基坑工程特征与旋挖机引孔工艺特征

深水基坑工程是目前我国目前最环保、最高的工程之一，有着很多明显的工程难度。首先，地基开挖施工风险大。目前，我国大多数深水基坑的巡视都是采取临时性的。在临时支撑系统中，其承载力、强度、变形、防渗、耐久性等方面的安全性都很弱，不能与长杆支护系统相比。其次，在深水基坑开挖过程中，存在着显著的区域性特征。在国内，由于地域的不同，我们通常将其称为地域差别。从施工的观点来看，不同地区的地理环境和水文状况都是不一样的，在某些情况下，同一个城市的地理和环境也是天壤之别。依照前面所述，由于目前我国大部分基础设施工工程都受当代建筑施工思想的影响，目前国内大部分深水基坑工程都具有明显的环保特征，相通设计人员及施工人员的环保意识相对较高[2]。根据监测结果，地基上的震动可以使周围的水体发生变化，而且应力变化还会使周围的土壤发生变化，对周围的生态系统产生更大的破坏。因此，在进行深水基坑巡查时，必须随时关注周围的地质和水对周围环境造成的污染和影响。

在建筑工程行业进入新世纪后，采用了旋挖钻机引孔技术，相比较传统的灌注桩施工，其施工率更高。近年来，钻孔灌注桩法在基础施工中的使用越来越多，已逐步为基础工程施工提供了技术支持。经过长期在深水基坑防护中的应用，逐步形成了旋转钻孔桩施工技术的大批量应用。

（1）旋挖钻机引孔技术具有对环境污染小，施工速度高，钻孔半径大等优点。目前的基础施工技术都具有环境友好性，必须确保这项技术符合相关的环境要求。为此，采用旋转桩施工工艺进行了回采，并将钻头改为干穿，将常规钻井设备的噪声最小化。另一方面，由于工程建设的自动化程度越来越高。

（2）旋转桩法具有移动方便快捷，桩孔定位准确等技术特点。随着机械化程度的逐步提高，目前大部分的旋转钻机都配备了轮式起重机，使得挖掘机可以迅速地到达预定位置[3]。除了步行方便，旋转钻具的钻孔定位准确，相对于常规的钻孔定位，目前我国采用的是利用凶猛工具进行精确的定位，促使钻机处于最佳地钻进状态。借助于主起重机的操纵装置，可以在任何时候调节支架的竖直性，从而确保了引孔质量。

3 旋挖钻机引孔施工技术的优势分析

3.1 工作效率较高

目前，常规旋转钻具的开孔期一般为2~4 个工作日，遇到坚硬地层，开孔期可达7d 以上。而采用旋挖钻机，其钻孔周期仅为1~3h，大幅度地提升了作业的工作效率，并有效地减少了工期和费用。而常规旋转钻机在施工过程中碰到了地面上的障碍，不能再进行钻孔，而采用旋转钻机，则可以利用螺旋钻头持续钻孔，直到形成钻孔为止。这是因为它的工作方式是通过将钻杆与钻头联结，通过液压缸的加压，使其迅速旋转，同时，钻具与钻杆之间采用相同的销钉，使操作工人可以迅速地将钻具拆除。

3.2 施工效果较好

一般用于基础支撑桩基的常规钻孔设备，其支架和钻柱一般都比较单薄，所以在工程实践中采用了依靠重力保持其垂直。在此条件下，在钻孔过程中，如果碰到坚硬的岩石，将会对其产生不良的作用。而且，常规的钻孔设备消耗大量的泥浆，而且这些泥浆中所含的杂质难以去除，对水下的水泥质量造成了一定的影响。不过，旋转钻机的钻柱和支架比一般的钻机要稳定得多，而且它还安装了一个可以根据钻塔垂直度和井眼深度的自动测量系统，具有可扩展和自动调整的能力[4]。另外，旋转钻具在工程中基本上不会损坏泥浆，对水下的水泥品质也没有什么影响。

4 深水基坑防腐方案

拆除后的堆土地基应采取平整措施，从而减小地基的挖掘深度。在深水基坑开挖区中，有以下6 种土质类型：①杂填土、①1泥质填土。②泥质圆砾卵石。③粉质黏土。④含角砾粉质黏土。⑤粉质黏土，基体以（泥质）圆砾卵石为主。⑥含角砾质黏土，部分以粉质黏土为主。根据施工场地的实际地质条件、场地周边环境及相关工程经验，在工程周边采取排桩式、锚杆式或内防护措施，并配合截流帷幕进行地下水隔流。提出了一种用高压旋喷灌注桩法进行截流的方法。在基坑开挖中，应用旋转法进行了基坑开挖和排水支护。

5 旋挖钻机引孔施工方法

5.1 工作原理

旋转钻机的旋转钻柱能够自由地收缩，利用旋转钻具的重量和油缸压力等各种力量进行自动地旋转，利用旋转钻具、旋转力量将泥土和碎石填满钻管，再利用卷扬的时机将土壤和碎石清除，从而产生一个引孔。旋转掘进机的旋掘工法有两种：干旋掘工法和湿旋掘工法，用于坚硬的黏土，湿旋掘工法用于静止的钻井巷道。

5.2 施工质量控制难点

5.2.1 护筒埋设

我国现在大力推广采用钢质套管，其管径通常要大于桩径大20~40cm。在进行工程前，工人需要到现场查看，看看有没有必要对钢管进行焊接，如果要进行焊接，必须在15cm 的钢筋上做刀腿。在安装护管之前，必须先清理道路，再使用旋转打桩，再将引孔位置的泥土挖出一块，这样就不会造成压力，并将其掩埋在泥土中。在进行护筒埋入期间，必须将护筒中心垂直线与桩中心线对齐，护筒中心距桩心误差不超过50mm，护筒的垂直度不得超过0.5%（使用湿旋钻工艺时，必须保证钻孔的泥水平面），如果出现偏移，必须立即进行补救，在护筒埋放后，必须对护筒周围进行泥土回填压实作业。

5.2.2 清孔

（1）采用专用的清碴钻孔：为了满足引孔的深度，必须使用专用的清碴钻筒进行清理。在钻孔入井时，钻杆与钻杆之间的空隙较小，为避免钻杆的悬挂和减小抽吸力，在选择钻具时，必须设置一个排屑口，在钻具上安装一个引导机构，开启机构尽可能接近于钻头的中央，可以选择机械和清除桶或复合形状钻具。在钻孔清理后，泥浆的密度应该在1.20 以下，黏性为18~20s。

（2）沉积物的厚度：要精确地测量沉积物的厚度，如果测量方式不对，会导致沉积物的厚度判断错误，从而无法对沉积物的厚度进行有效的控制。沉淀层的厚度=最终的钻孔深度－清除后的深度，达到设计要求。现有测定渣层厚度的主要方式包括：用绳索（锤）、取样盒、沉淀器检定等。旋挖钻机引孔在深水基坑防护中的应用。

6 深水基坑防护中旋挖钻机技术的应用要点

6.1 测量定位

在测量与定位阶段，首先要审核设计图，然后进行测量和放样。同时，在工地上要合理规划出道路，既要保证工地平整，又要满足工程的通行要求。然后，施工队将着手制作钻孔架，制作和埋设护筒，准备泥浆，安装电源和给水系统，并保证工程机械和材料的及时到达工地。同时，还要根据实际情况，充分掌握工程资料、资料等，为工程设计的正确选用提供科学依据，以保证工程建设的正常进行。

6.2 调制泥浆

在配制钻孔液时，首先需要明确淤泥与沉积物的确切方位，然后在进行掘进时，要保证所选沉降槽的高度要比淤泥槽高，事先对淤泥进行沉淀。另外，因为泥浆槽里装的水比井里的水要多，所以一般要比水槽大1.5 倍。

6.3 钢筋笼下放

在下料阶段，必须事先更换钻孔中的水泥，以保证更换出的钻井液质量符合有关规定，从而减少钻孔中的泥沙含量。同时，在进行钢筋笼子的下落作业时，工人要随时留意其竖直性，如遇障碍，切勿用力松开，以免对孔内产生无谓的刮擦，并可达到孔壁崩塌速率的目的。对于下部管道沉积物比较多的问题，采用气举反流清渣器进行二次清理[5]。另外，为了减少连续崩塌的可能性，需要对钻孔的时机、更换钻井液的品质和压力的流速进行适当的调整。

6.4 旋挖成孔

在回采过程中，施工单位要清楚地认识到引起孔眼位移的因素，如审核不严谨、对孔眼产生干扰、记录不精确等。所以，为了保证桩位置符合有关规定，必须以护套为基准，对孔位中心进行严密的监控。当采用轨道旋转掘进器进行定位时，施工工人必须先确定桩的中心相对坐标，然后确定桩的中心支座的坐标，然后把它们全部录入旋转钻计算机。同时，利用全站仪测量钻孔中心的坐标，采用十字形交叉进行校准。同时，工人们还可以在套管顶端1/4 个圆的空隙中，采用两条广线，采用十字形方法对中心进行校正，这样以后工作人员就可以重新检验它了。应指出，当桩长度超过某一限度后，其旋转时，很容易发生上部的剧烈摇晃，从而引起钻孔的倾角。这就要求工人们可以利用导轨，使钻杆上的导流管得到有效的操纵，从而使导轨可以安装在旋转钻机的钻台上，从而使它可以沿着导轨进行钻井。

在钻孔作业中，要视具体的地质条件而定：从坚硬的岩层到松软的岩层，可以适当提高钻井速率；在软岩向坚硬岩性转变时，应放慢速度；对于易收缩的储层，要合理加大钻孔数量，以避免钻头的收缩；为了增加钻井速度，对硬质塑料层孔进行快速钻孔；而在沙层中，缓慢的钻井速度较低，并适当提高了泥浆的比重和粘性。对进、出口泥浆指标进行测试，如有不符合要求，应立即进行修正，当钻孔达规定深度后，应对其进行现场余量，经监督人员确认后，方可进行首次清洞。

6.5 钻进过程常见情况及处理措施

合理地选择钻机下刀齿的外形及尺寸，可选用软卧式刀片，刀片较小，刃角较小，齿宽也略大。硬质材料应选择更大的切削角度和更细的弯角齿轮。软地层，尤其是粘性土壤，要留出较长的间距，以防泥浆粘着，而糊钻会大大地影响钻井的效果，在提升后，要定期对下边的锯齿进行定期的检查，定期清除齿之间的粘泥，并将磨损的齿轮换掉。在不带泥的沙层、流沙、流化床等地质情况较坏的情况下，由于井眼容易出现崩塌现象，为了确保井壁的稳定性，必须根据表层土壤疏松的程度，在孔洞中放一根合适的套管，并在一定程度上增大了泥浆的比重，以维持井眼的高度。在钻井过程中，如果岩体坚硬，每次钻孔深度过低，则采用螺杆式或采用冲击式钻具进行钻孔作业。

7 结语

综上所述，旋挖钻机引孔施工具有占地少，施工效率高，施工速度快，施工质量好的特征，将其应用与深水基坑防护中可以保证施工的安全性，让防护工程适应能力更强，承载能力更强，且对邻近地区的环境影响较少。由于地质条件、施工方案和施工条件等诸多原因的影响，因此，本文所述的施工技术具有较强的适应性，对相似地质条件下旋挖钻机引孔在深水基坑防护中的应用具有指导和借鉴作用。