浅谈旋挖钻机在自在城市花园二期(诺德名都)的应用

2022-09-12

旋挖灌注桩施工工艺于20世纪80年代后期引进中国, 目前已广泛应用于各类工程建设中, 且旋挖钻机的类型与厂商较多。尽管该桩型具有一定的适用条件, 但近年来发展迅速, 已越来越广泛地应用到桩基工程中, 与其它钻孔灌注桩相比, 虽然有其自身的局限性, 但其成孔方式、适用范围及在环境保护等方面均有一定的优势。旋挖入岩钻进已有较大的突破, 比如利用截齿作业中的自转与公转, 形成对岩面静压、冲击、碾压及拖动剪切, 实现岩石在复合力的作用下形成开裂区, 并通过截齿公转与自转中作用力方向的变化, 自行捕捉最容易发育的裂纹及最有利于破碎的路径, 达到高效掘进的目的。

特别是, 采用合理的施力作用方式, 在Ra≤10MPa花岗岩钻进效率可达1m/h~2m/h;在Ra≤20MPa花岗岩钻进效率也可达0.4m/h~0.9m/h。

1 工程概况

1.1 工程概况及桩端设计要求

自在城市花园二期 (诺德名都) 位于广州市番禺区迎宾路与兴业路交汇处, 整个工程分成A、B、C三个地块, 由高层住宅, 一座独立占地幼儿园、商业及配套公建等几部分组成。

高层住宅——由9栋高层组成, 层数分别为1、2、3栋为33层, 4、5栋为30层, 6栋为18层, 7、8、9栋为11层;总建筑面积336507.1m2, 结构为框架混凝土剪力墙结构和框支剪力墙结构体系, 抗震设防7度。

桩基采用钻孔 (扩底) 灌注桩基础, 桩直径1.2m (扩底至1.7m) 、1.3m (扩底至1.9m) 、1.5m (扩底至2.2m) 、1.7m (扩底至2.5m) 。1.2设计桩端持力层及扩大头要求

桩基础设计桩端进入中风化花岗片麻岩 (单轴抗压强度12MPa) , 入岩深度≥0.5m。

2 扩底灌注施工机具的选择

目前, 市场上能施工扩底灌注桩的钻具主要有回转钻机与旋挖钻机, 正式施工前对上述两种钻具分别进行了试桩作业, 试桩情况如表1所示。

经过试桩, 从以下几个方面进行比较, 最终选择旋挖钻机施工本工程。

2.1 技术方面

(1) 旋挖成孔挖出的岩样清晰可见, 对岩样的判断准确可靠, 而回转钻机在泥浆中捞渣取样, 对岩样判断存在一定的不确定性; (2) 旋挖成孔产生的泥皮较薄, 而回转钻机成孔过程中孔壁会形成较厚的泥皮, 旋挖成孔灌注桩桩侧摩阻力大; (3) 旋挖成孔速度快, 效率高。

2.2 安全文明施工

(1) 由于旋挖机成孔效率高, 在相同工作量的情况下, 所需的成孔设备较少, 且与旋挖成孔相配套的吊车、挖机及其它设备需求量也少, 对机械设备的管理相对简单。

(2) 由于旋挖成孔泥浆的循环利用, 施工过程中不再产生泥浆, 施工现场干净;同时, 现场所需的电箱及电缆少, 安全文明施工易管理。

(3) 旋挖钻机相比其它钻机施工产生的噪音小, 且由于其成孔效率高, 成孔时间可全部安排在白天进行 (但钻孔需24小时连续作业, 若停钻时间长易蹋孔) , 对周边居民噪音污染小。

2.3 经济方面

(1) 旋挖钻机自带柴油动力, 节省了施工用电; (2) 旋挖成孔泥浆的循环利用, 减少了配置泥浆的水用量; (3) 与旋挖机配套使用的吊车、挖机少, 且配套设备的使用效率高, 费用相对较小。

3 旋挖技术特点

3.1 旋挖 (扩底) 成孔工艺流程

旋挖钻机成孔一般使用静态泥浆护壁成孔, 因成桩质量高、高效节能、污染较少、成本低, 且旋挖钻机扭矩大、捞渣能力强 (使用磨盘式捞渣钻头) , 可使孔底沉渣厚度有效地控制在规定的范围之内, 达到高效优质的目的。

工艺流程:设置护筒→钻机就位→钻进→成孔至设计持力层→换扩底钻头扩底→换筒式钻头捞渣 (一清) →钢筋笼制安→插入导管→气举反循环清孔 (二清) →水下灌注混凝土→拔出导管、护筒, 成桩。

3.2 成孔质量控制

3.2.1稳定液的配制

稳定液即通常所说的泥浆, 是旋挖钻机成孔作业中的关键, 成孔时钻斗需多次上下往复作业, 且地下水位较高, 稳定液质量稍差即有可能导致坍孔。

针对上述情况, 施工中稳定液配合比采用8kg膨润土掺100L水。其管理标准如下:

粘度:20S~28S;

比重:1.1~1.2;

含砂率:小于90%。

钻进过程中, 随时用泥浆泵向孔内补浆, 保持孔内液面标高高于地下水位。砂层钻进时, 需适当加大稳定液的比重和粘度。在整个旋挖成孔施工中, 由于稳定液管理措施得当, 未出现塌孔事故, 且孔底沉渣少。

3.3 钻进技术措施

(1) 土层钻进, 回次钻程一般控制在300mm~500mm。入岩钻进时, 采用加压钻进并考虑必要的扭矩、压力, 确定钻斗转数。 (2) 为防止出现孔壁坍塌事故, 施工或钻斗升降速度一般控制在0.8m/s~0.9m/s, 空斗时控制在1.1m/s~1.3m/s。 (3) 经常检查调整桅杆的垂直度, 以保证孔壁的垂直度小于1%。 (4) 钻进过程中, 经常检查刀尖磨损情况, 保证钻斗外径与刀尖之间的距离, 防止升降、旋转时刀尖刮伤孔壁。 (5) 钻至地层分界处时, 提前控制钻程, 确保一个钻程穿过地层分界处。

3.4 入岩钻进

岩石是自然赋存物, 是一种各向异性、不均质不连续的组织物。破碎是指力作用岩石从岩石中分离出大小不等的岩块或把大块变成小块的两个过程:先是将工具侵入岩石, 然后才产生其周围岩石的大块崩落。

广东地区普遍接受黎中银、夏柏如、吴方晓总结的动静载耦合加压+不控制转速钻进方式, 即恒定加压力加压钻进和恒定转速钻进+动静载耦合加压钻进。动静耦合的加压力加载方式可对岩石产生冲击作用, 比恒定加压力加载方式钻进效率高出3倍。钻头所受转动反力发生变化时, 钻头转速快慢交替, 此时截齿冲击凿削岩面可提高破碎效率。施压能力不足时, 无论加载方式如何变化, 破岩效率都极低而且效率基本相同。

施工中采用加压钻杆, 入岩时采用截齿钻头, 很好的解决了本项目的桩端入岩。如何在现有设备能力下提高入岩效率, 是目前旋挖钻进面临的一个难题, 其中施工人员丰富的施工经验对入岩是极其关键的。

4 气举反循环清孔

气举反循环清孔是将压缩空气沿输气管送入导管内一定深度, 经混合器注入管内与液体混合, 由于混合液的密度小于冲洗液的密度, 在导管内与排渣管间产生压差, 在压力作用下使排浆管内混合的气液以较高的速度向上流动, 从而将孔底的岩心或岩屑连续不断的排出地表。该方法具有清孔速度快, 清渣干净, 在松散地层中施工不易发生孔壁坍塌事故等优点。

5 应用前景

应国家基础建设发展需要, 充分利用旋挖钻机钻进速度快、适应地层广的特点, 特别是广东地区桩基础施工中正在推广使用旋挖钻机, 并已经取得平均每天单机进尺100米的效率。因此, 旋挖技术在广东地区具有广阔的发展前景。

6 结语

从自在城市花园二期 (诺德明都) 整个项目使用情况看, 旋挖成孔技术相比其它成孔工艺具有以下几个方面的优越性。

(1) 成孔效率高。设备具有良好的机动性能、直接钻取原状土层等优势, 提高了施工工效。成孔时间仅4h~5h, 其工效相当于7台GPS-15型循环钻机, 减少了设备的投入及设备管理工作。 (2) 成孔质量高。钻斗对孔壁扰动小、孔底沉渣少、泥皮薄, 桩周摩阻力大, 单桩承载力高。在所有施工中未发生过塌孔、埋钻及孔壁倾斜等质量问题。采用钻斗钻取原状土, 便于直观地验证桩端持力层。 (3) 自带动力, 可缓解供电压力, 减少了用电安全生产隐患, 减轻施工现场管理工作难度, 增强了施工生产的安全性。自行就位, 大大缩短了施工准备时间。 (4) 不采用泥浆循环, 减少了泥浆沟槽设置, 避免泥浆溢出污染城市道路, 有利于现场的文明施工管理。 (5) 由于工效高, 从而大大减少现场投入钻机设备的数量, 最大限度地减少施工场地的占用, 降低对道路交通的影响。 (6) 施工噪音小, 对周边环境影响小。

旋挖钻机在施工过程中还存在一些问题急需解决。

(1) 孤石处理、提高入岩性能、特别是单轴抗压强度超过30MPa的岩层钻进方面, 如何提高效率、减少消耗, 是摆在旋挖机械生产厂家、基础施工单位面前急需解决的问题。 (2) 旋挖钻机工法研究、调研、统计、总结和推广工作势在必行, 由于土层的多样性和复杂性, 钻进工法也是多样和复杂的。一些好的实践经验上升为理论;一些有效的、针对性的措施的总结归纳;一些意外事件的分析与探讨;大量施工标本的采集与发掘;相关行业有效措施的借鉴与发挥等等。这些都给旋挖成孔工法工作压上了艰巨的任务。

总之, 通过实践, 证明了旋挖钻机在自在城市花园二期 (诺德明都) 的成功应用。虽然, 旋挖钻进理论和实践还需要不断完善, 但是, 广阔的前景给了岩石工程界以极大的信心和希望。

摘要：目前, 我国旋挖灌注桩已广泛应用于各类工程建设中, 本文根据广东地区建筑工程中桩基础的施工设备的应用情况, 结合自在城市花园二期 (诺德名都) 的特点, 客观分析了旋挖钻机的使用效果, 并对钻孔 (扩底) 灌注桩的设计与施工提出了一些建议。

关键词：旋挖钻机,入岩钻进,气举反循环清孔,应用前景