旋挖成孔工法在高强岩石地基中应用探析

冉旭，庞洪刚

（重庆建工集团股份有限公司，重庆 401122）

为更好地推动钻孔灌注桩成孔工艺技术和设备的更新和改革，在重庆高家花园嘉陵江复线桥工程项目中使用了近年来桥梁工程大直径钻孔灌注桩施工中很少采用的旋挖成孔技术。该桩基成孔技术代表了当今先进的施工技术水平，具有施工工艺相对简单，施工效率高，安全性能好等特点。

1 工程背景介绍

1.1 工程设计概况

重庆高家花园嘉陵江大桥复线桥主桥桥跨布置为140+240+140m的三跨预应力混凝土连续刚构，主桥全长528m，复线桥主桥设墩位P8#、P9#、P10#墩和P11#桥台， 其中P9#、P10#主墩为连续刚构体系，P9#墩位于沙坪坝区域河漫滩，并临近于嘉陵江中心地段，P9#主墩设桩基承台基础，该墩设12根Φ2.8m桩基，桩长18m，桩平面间距纵横为6.5m，桩基混凝土强度等级C30（见图1、图2）。

图1 主桥桥型图

图2 桩基平面布置图

1.2 地质状况

根据P9#墩位处地质勘察资料，原地面地貌较为平缓，地面标高为164.92～167.01m，平均地面标高为165.965m左右，地表面有砂卵石层覆盖，厚度约0.7～3.8m，平均厚度约2.3m左右，卵石直径5～10cm。以下为泥质砂岩和砂岩互层，原始地面以下6～10m左右为强风层，局部泥质较重，裂隙较为发育，岩层倾角较小，接近于水平状态。

1.3 水文状况

水文方面，每年10月底三峡蓄水至175m标高；11月至次年1月水位维持在174～175m之间，流速缓慢；2月底水位降至166m下，此时桥墩位所在河漫滩裸露；3月至6中旬，河道进入枯水期，6月下旬开始涨桃花水，至此开始，桥位水位呈天然河道状态，进入嘉陵江汛期，一直持续到9月底。

2 设备选择与成孔原理

根据桥址区域工程地质、水文地质及水文情况，p9#墩基础施工需在三月至六月枯水期完成施工，而且需在承台外先组织土围堰施工，在土围堰保护下进行承台基坑开挖和桩基础施工，考虑到承台基坑处岩层裂隙较发育，采用人工挖孔桩排水困难，而采用冲击钻成孔速度较慢，进度难以保证，而旋挖钻孔进度快，安全性能好，但墩位基础处岩层强度较高，设计桩径较大，小型旋挖钻机难以钻进。对此，经多方对比论证，最后决定采用400t大型旋挖钻机进行桩基旋挖成孔。

该钻机由机身主体、液压杆、导向架、钻杆、钻头等组成，每台钻机自重约80t。可完成自行行走、对中、调整垂度、钻进、出碴、清孔等全部成孔动作。

其造孔原理是采取钻杆的旋转带动钻头的旋转，将桩孔内岩体进行切削磨碎，对磨碎的岩体碎碴通过进入钻头套筒内，随钻杆提升孔外后进行卸碴，如此反复钻进、出渣等施工循环，最后形成桩基的造孔。

3 工艺流程

4 施工工艺及常见问题处置

下面以高家花园嘉陵江大桥复线桥主桥P9#桩基施工为例，介绍旋挖钻机在岩石地层中的主要施工工艺及常见问题的应对措施。

4.1 孔口护筒

旋挖成孔灌注桩护筒采用钢护筒，根据P9#墩桩基断面尺寸，P9#墩钢护筒规格采用Φ3000X10mm（面板厚10mm）。旋挖钻机埋设钢护筒时，宜先采用稍大口径的钻头钻至预定位置，提出钻头后，再用钻斗将钢护筒压入到预定深度。

4.2 造孔钻机布置

该次施工的P9#墩12根桩基，P9#墩纵向布置共三排，每排4根。由于钻机工效较高，该次使用一台旋转钻机即可，采取分排一次完成后再进行第二排桩基钻孔，钻孔顺序从嘉陵江下游至上游方向依次进行。

4.3 旋挖造孔

旋挖钻机布置就位后应稳定牢靠，防止位移沉降，确保钻孔质量。钻机位置定位准确后，在桩孔中心位置上安装钻头。

针对该墩位处岩层整体情况，P9#墩先采用Φ1.5m齿板筒钻头进行套孔钻进及出碴，当钻孔深度距设计孔底0.5m时可停钻，然后采用Φ2.0m齿板筒钻头进行钻进及出碴，再采用Φ2.5m齿板筒钻头进行钻进及出碴，最后采用Φ2.8m齿板筒钻头进行钻进及出碴，最终完成0.5m深度桩孔形成。

旋挖造孔的成孔孔径和垂直度，全部由机械自身进行控制，通过操作室内的水平垂直仪观察到钻孔垂直度情况。成孔钻进过程中密切进行目测观察，发现问题好及时纠正。

在造孔过程中，跟踪检查碴样以确定各种岩石层厚度和标高，及时记录整理完善隐检资料。

经工艺性生产试验，每孔桩基造孔从开始到结束共需2天时间，完全满足施工进度计划要求。

4.4 清孔

对隐检确认后的桩孔按规定进行孔底清理。根据钻孔桩桩底的设计标高和护筒顶标高，计算出钻孔深度，用测绳检查孔深，到位后进行清孔。对孔底沉渣用沉渣仪检测，确认端承桩孔底沉渣厚度满足不大于50mm的规范要求后，方可进行下一道工序施工。

4.5 存在的问题及应对措施

（1）旋挖钻机在岩石地基施工大直径桩基时，由于岩石强度较高，导致钻机钻进破碎压力大。对此，如直接采用设计桩径的钻头施工，施工负荷大，难以钻进，应先采取小直径钻头钻芯，大直径钻头逐级扩孔的方式分次钻进，该工程P9#墩设计采用2.8m桩径，施工分4种钻头钻进，分别为1.5m、2m、2.5m、2.8m。

（2）旋挖钻机成孔存在的弊端是难以直观反应地层岩性变化。对此，旋挖钻进过程中，必须及时收集渣样以确定各层岩石厚度和标高。

（3）P9#墩基础为岩石地基，施工中不采用泥浆进行护壁。对于岩石地基上存在砂卵石覆盖层，施工中采用钢护筒安装至覆盖层以下，以避免覆盖层坍塌。

（4）本次P9#墩桩基旋挖工艺成孔的重点难点在于孔底成渣的处理，主要表现为P9#墩基础岩层裂隙较发育，河床透水夹带泥沙和旋挖钻头磨碎的岩体钻渣部分沉淀，导致终孔后孔底沉渣厚度超标，且采用专用清孔底板钻筒无法满足清孔质量要求。对此，沉渣的清理成为桩基成孔质量控制的关键。

（5）P9#墩桩基采用水下混凝土浇筑，因桩孔岩壁分布的水平裂隙与嘉陵江河床连通，桩孔内存在河床透水情况，无法采用造浆、循浆、悬渣的方法进行沉渣处理。对此，经多种处理方法分析、比选、论证，决定采用气举法进行孔底沉渣清理，经实践证明沉渣清理效果良好，清孔后沉渣厚度完全满足设计及规范要求。

（6） 清孔

第一次清孔采用旋挖钻机清孔钻头进行初步清孔，第二次采用气举法进行彻底清孔。

采用气举法进行清孔是通过空压机送风作用在导管底端形成负压，将沉渣在负压作用下上升并排除孔外，需使用空压机、导管、高压风管等设备。

将吸渣导管头置于沉渣面，沿孔边到中心依次圆周作业进行吸渣，保证孔底全断面吸渣到位；当吸出的沉渣量减少，导管出水口的水质颜色由浓变浅时，表明沉渣在逐渐减少，最后达到彻底清孔目的。

在吸渣过程中必须连续补水、保持孔内水位，采用多台潜水泵同时抽取江水进行补水，以确保负压吸渣效果。

当孔底吸渣清渣彻底后，进行沉渣检测，检测部位在孔边4点和圆中心点，共计检测点位5个，每点测2次以上，时间间隔1h，沉渣厚度符合设计及规范要求后进行钢筋笼吊放。

5 应用实效分析

（1） 复线桥P9#墩12根桩基自2013年2月28日开始旋挖成孔施工，两台钻机分次钻进后采用气举法清孔。3月25日桩基浇筑完成，施工周期仅25d。桩长与桩型完全相同的P10#墩12根桩基，采用冲击成孔施工，4台钻机同时作业，施工周期为110d。与冲击成孔相比，旋挖成孔工效优势明显。

（2）旋挖成孔的桩基全部采用超声波检测桩身完整性，结果全部为一类桩，质量合格。

（3）因桩基施工周期极大缩短，项目部原定6月底才可施工完成的桥梁承台，在4月5日即施工完成。为保证在嘉陵江涨水期间可施工基础及承台，项目原定采用双壁钢围堰渡洪。桩基施工时间缩短后，钢围堰高度由18m减至8m，节约措施费约300余万。

6 结语

旋挖钻机作为一种新型钻孔设备，具有功率大、钻孔速度快、自动化程度高、移动灵活方便、定位准确、节约劳动力、生产安全、工作方便、环保性能好、噪声小、工作效率高、工期效益显著、降低施工成本等特点。但它也有因自身工艺特点带来的一些问题，且其施工工艺环节多，孔底沉渣厚难以清除，施工控制稍有不慎，便会导致质量问题出现。根据旋挖成孔的施工作业特点，通过对旋挖成孔技术适用性的分析、论证，在施工过程中应建立针对其工艺特点的环节控制体系及应对处理措施，充分发挥其施工优势，可全面确保成桩质量。