公路施工：山地小直径旋挖扩孔桩施工工法

1 山地小直径旋挖扩孔桩施工工法 1 1 前前 言言 旋挖钻机因其高效、移动灵活、环保和适应地层性广等优点而被广泛 应用于公路桥梁、铁路、市政、水利和房建等桩基工程之中。旋挖钻机常 见的钻头有螺旋钻头、旋挖钻斗、筒式取芯钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头 和液压抓斗等，可以适用于黏土、粉土、砂土、淤泥质土、卵石、碎石等 软土地层以及较致密的卵砾层、 孤石层和硬岩层等不同地层钻进。 近年来， 为提高地基承载力和基础抗拔性能， 结构物桩基开始采用钻孔灌注扩孔桩， 因此对钻孔设备提出了更高要求。特别是针对山地复杂环境下的小直径扩 孔桩，旋挖钻机的应用也受到一定的限制。因此，针对上述难题，我公司 研究开发了一种变径扩孔旋挖钻头及施工方法，并应用于浙江交工总部及 科研创新基地项目的工程实践中，取得了良好效果，现将其总结编制成工 法。该工法涉及到的一种旋挖钻机扩孔钻头，已申请国家实用新型专利， 申请号为 202120852929.2。 2 2 特点特点 2.0.1 操作简便。采用该工法，扩孔钻头根据桩基扩孔参数加工定制， 采用三翼链条式扩张装置，待钻头进入桩底，钻杆施加一定的压力即可扩 张至设计桩径进行削土钻孔，简便可靠。 2.0.2 施工高效。根据桩底所入岩性特点，在翼片上选用斗齿或截齿 （子弹台）和合理布齿，辅以合理钻进工艺，可以达到不同地质旋挖钻机 高效入土（岩）目的。 2.0.3 经济效益好。旋挖钻进时，通过螺旋钻头、截式筒钻和扩张式钻 头的应用和掘进工艺，不仅入土效率高，斗齿磨损少，施工进度快，同时 可节约施工成本。 第 1 页 共 13 页 2 2.0.4 成孔效果好。 桩底扩孔桩， 采用三翼式扩孔装置， 钻头稳定性好， 成孔时孔壁受力更均匀，有利于成孔。 3 3 适用范围适用范围 适用于公路桥梁、铁路、市政和房建等小直径（Φ1.2m 及以下）的钻 孔灌注桩旋挖扩孔桩施工。 4 4 工艺原理工艺原理 基于灌注桩桩底扩孔原理，设计一种与旋挖钻机钻杆相匹配的可伸缩 调径钻头，由上连接座、加筋环、带滑套钻杆、翼片和底座组成。上连接 座与旋挖钻杆采用销轴连接， 翼片上端通过支撑板与带滑套钻杆销轴连接， 下端通过链杆滑套上支座销接，翼片上根据扩孔桩岩性布置钻齿（斗齿或 截齿） ，如图 4-1 所示。 当旋挖钻机钻至桩基设计标高后，提升旋挖钻机钻杆，更换成可扩张 钻头，钻杆连接后吊起直立时，在翼片、链杆、滑套管等构件自重作用下， 翼片收缩，使扩孔钻头能顺利通过桩基上部等径孔下放到已达设计标高的 桩底，然后通过旋挖钻机钻杆施加一定的压力，使三翼链杆张开至扩孔桩 设计桩直径，然后进行旋转切削土体或岩层，达到扩孔的目的。成孔后， 提起钻头，通过构件自重，钻头完成收缩出孔，如图 4-2 所示。 图图4-14-1 旋挖钻机扩孔钻头旋挖钻机扩孔钻头 图图4-24-2 三翼扩孔钻头施工工艺原理图三翼扩孔钻头施工工艺原理图 第 2 页 共 13 页 3 5 5 工艺流程及操作要点工艺流程及操作要点 5.15.1 工艺流程工艺流程 施工工艺流程见图 5.1-1 所示 图图5.1-15.1-1施工工艺流程图施工工艺流程图 5.25.2 操作要点操作要点 5.2.15.2.1 施工准备施工准备 5.2.1.5.2.1.1 1 研究分析工程地质研究分析工程地质 施工前对工程地质、 水文情况进行研究， 认真分析设计提供的地质勘察 报告，对工程地质进行全面分析。对于岩性地质，需了解岩石的成因和种 类，岩石颗粒的大小和形状、岩石构造及裂隙发育情况，胶结的性质及胶 结形式等等。 5.2.1.5.2.1.2 2 施工机械与设备配置施工机械与设备配置 针对工程不同地质情况，对旋挖钻机的钻杆、钻具、斗齿、护筒、泥浆、 清孔工具等施工机械与设备进行选择和优化。对于山地桩基穿越黏土、含 砾粉质黏土、全（强） 、中风化泥质粉砂岩等多种地层的复杂环境，旋挖钻 机至少需要配置若干数量的不同规格和类型的钻具、斗齿，以适应软土和 硬岩基层的钻进。 5.2.1.5.2.1.3 3 技术参数设计技术参数设计 针对不同地质情况，优化钻进参数、质量控制措施等。如土壤切削、岩 石钻削时加压方式、钻进扭矩、钻头速度、进尺速度等控制指标。 5.2.1.5.2.1.4 4 测量放样测量放样 第 3 页 共 13 页 4 建立测量控制网， 依据控制网测放各桩位中心点， 打好十字控制桩并做 好保护措施。 5.2.25.2.2 扩孔钻头设计加工扩孔钻头设计加工 根据设计图纸桩基扩孔部位所在土层岩性及扩孔桩相关设计参数（扩 孔桩径、 桩深） ， 进行扩孔钻头尺寸设计、 确定翼片上钻齿类型， 对于沙层、 泥层、土层选用斗齿，对于风化地层或是岩层、卵石层选用合金截齿（子 弹头） ，前面镶有合金和耐磨焊层。为提高施工工效，扩孔钻头选用三翼片 式可扩张钻头。利用自重自然下垂时，翼片收缩，其桩径小于设计待扩孔 桩径 30cm 以上， 当放至孔底通过钻杆施加一定压力后， 可扩张至扩孔桩设 计桩径，如 5.2.2-1 所示。4.1 a所示。 5.2.35.2.3 钻机等径部成孔钻机等径部成孔 5.2.3.5.2.3.1 1 护筒埋设护筒埋设 陆上桩基钢护筒采用挖埋法，埋设钢护筒通过定位的控制桩放样，使 钢护筒中心与钻孔中心位置重合，同时用水平尺或垂球检查，使钢护筒平 面位置与垂直度准确。陆上护筒高度一般在 1.5m2.5m，具体根据桩位处 的土质情况而定。在易缩径的淤泥质粘土和易垮孔的沙层及严重透水地层 使用长护筒。护筒采用振动锤埋设法，护筒顶比原始地面高出 300mm，以 达到控制地面渣土及浆液流入孔内，如图 5.2.3-1 所示。 图图5.2.3-15.2.3-1 振动锤埋设钢护筒振动锤埋设钢护筒 5.2.3.5.2.3.2 2 泥浆制备泥浆制备 第 4 页 共 13 页 5 根据旋挖成孔工艺，旋挖钻进时不易形成泥皮，护壁性相对较差，易 缩径和塌孔。因此，在施工时，为防止坍孔，稳定孔内水位及便于挟带钻 渣，通常采用澎润土、CNC 羧甲基（纤维素钠盐）和木质素族分解剂碱类 （Na2CO3）制备泥浆。 泥浆指标根据工程地质具体情况进行合理配制，各种材料掺量配比如 表 5.2.3-1 所示。 表表 5.2.3-1 泥浆配合比设计泥浆配合比设计 土层 水掺量（L） 膨润土掺量（kg） CNC 羧甲基（kg） 碱掺量（kg） 粘性土 100 6 0.8 3 粉砂层 100 15 0.8 3 卵石层 100 15 0.8 1.8 砂岩 100 8 0.8 3 泥岩 100 10 0.8 1.8 5.2.3.5.2.3.3 3 软土层旋挖钻进软土层旋挖钻进 当在不含地下水的在黏土、粉土、砂土、及含有部分卵石、碎石等软 土地层钻进时，旋挖钻机采用摩擦钻杆、螺旋钻头或单底回转钻头钻进， 如图 5.2.3-2 所示。 图图 5.2.3-2 螺旋钻钻孔螺旋钻钻孔 图图 5.2.3-3 螺旋钻成孔出渣螺旋钻成孔出渣 当地下水位较高时，钢护筒埋设后，用泥浆泵向孔内注入稳定液，孔 内注满泥浆后，开始钻进，钻进过程中随时不断补充泥浆，使孔内始终高 第 5 页 共 13 页 6 于地