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一、旋挖鉆機
旋挖鉆機在國際上的發展已經有幾十年的歷史，在中國也是在最近四五年才被逐漸認識和應用，成為近年來發展最快的一種新型樁孔施工方法，旋挖鉆孔灌注樁技術被 譽為“綠色施工工藝” ，其特點是工作效率高、施工質量好、塵土泥漿污染少。旋挖鉆機是一種多功能、高效率的灌注樁樁孔的成孔設備，可以實現桅桿垂直度的自動調節和鉆孔深度的計 量；旋挖鉆孔施工是利用鉆桿和鉆斗的旋轉，以鉆斗自重并加液壓作為鉆進壓力，使土屑裝滿鉆斗后提升鉆斗出土。通過鉆斗的旋轉、挖土、提升、卸土和泥漿置換 護壁，反復循環而成孔。吊放鋼筋籠、灌注砼、后壓漿等同其他水下鉆孔灌注樁工藝。
此方法自動化程度和鉆進效率高，鉆頭可快速穿過各種復雜地層，在樁基施工特別是城市樁基施工中具有非常廣闊的前景。
1 旋挖鉆孔樁的施工特點
1.1 可在水位較高、卵石較大等用正、反循環及長螺旋鉆無法施工的地層中施工。
1.2 自動化程度高、成孔速度快、質量高。該鉆機為全液壓驅動，電腦控制，能精確定位鉆孔、自動校正鉆孔垂直度和自動量測鉆孔深度，最大限度地保證鉆孔質量。其工效是循環鉆機的20倍，最重要的是，工程的質量和進度得到了充分的保證。目前在我國的公路、鐵路、橋梁和大型的建筑物的基礎樁施工中均有采用。
1.3 伸縮鉆桿不僅向鉆頭傳遞回轉力矩和軸向壓力，而且利用本身的伸縮性實現鉆頭的快速升降，快速卸土，以縮短鉆孔輔助作業的時間，提高鉆進效率。
1.4 環保特點突出，施工現場干凈。這是由于旋挖鉆機通過鉆頭旋挖取土，再通過凱式伸縮鉆桿將鉆頭提出孔內再卸土。旋挖鉆機使用泥漿僅僅用來護壁，而不用于排 碴，成孔所用泥漿基本上等于孔的體積，且泥漿經過沉淀和除砂還可以多次反復使用。目前很多城市在施工中的排污費用明顯提高，使用旋挖鉆機可以有效降低排污 費用，并提高文明施工的水平。
1.5 履帶底盤承載，接地壓力小，適合于各種工況，在施工場地內行走移位方便，機機動靈活，對樁孔的定位非常準確、方便。
1.6 旋挖鉆機的地層適應能力強旋挖鉆機可以適用于淤泥質土、粘土、砂土、卵石層等地層。
1.7 在孔壁上形成較明顯的螺旋線。有助于提高樁的的摩阻力。
1.8 吊放鋼筋籠、灌注砼等施工場地較其他工藝容易布置。
1.9 自帶柴油動力，緩解施工現場電力不足的矛盾，并排除了動力電纜造成的安全隱患
2 適用范圍
旋挖鉆機一般適用粘土、粉土、砂土、淤泥質土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地層，借鉆具自重和鉆機加壓力，耙齒切入土層，在回轉力矩的作用下鉆斗同 時回轉配合不同鉆具，適應于干式（短螺旋）、濕式（回轉斗）及巖層（巖心鉆）的成孔作業。根據不同的地質條件選用不同的鉆桿、鉆頭及合理的斗齒刃角。對于 具有大扭矩動力頭和自動內鎖式伸縮鉆桿的鉆機，可以適應微風化巖層的施工。目前，旋挖鉆機的最大鉆孔直徑為3m，最大鉆孔深度達120m，（主要集中在 40m以內），最大鉆孔扭矩620kNm。
3 工藝原理
主要是其成孔工藝與其它樁基不同，旋挖鉆機的鉆進工藝旋挖鉆機采用靜態泥漿護壁鉆斗取土的工藝（當然也有干土直接取土工藝，視工地現場地層條件而定），是一種無沖洗介質循環的鉆進方法，但鉆進時為保護孔壁穩定，孔內要注滿優質泥漿（穩定液）。
旋挖鉆機工作時能原地作整體回轉運動。旋挖鉆機鉆孔取土時，依靠鉆桿和鉆頭自重切入土層，斜向斗齒在鉆斗回轉時切下土塊向斗內推進而完成鉆取土；遇硬土 時，自重力不足以使斗齒切入土層，此時可通過加壓油缸對鉆桿加壓，強行將斗齒切入土中，完成鉆孔取土。鉆斗內裝滿土后，由起重機提升鉆桿及鉆斗至地面，拉 動鉆斗上的開關即打開底門，鉆斗內的土依靠自重作用自動排出。鉆桿向下放關好斗門，再回轉到孔內進行下一斗的挖掘。
旋挖鉆機行走機動、靈活，終孔后能快速的移位或至下一樁位施工。
4、施工工藝
4.2.1 泥漿制備
現場設泥漿池（含回漿用沉淀池及泥漿儲備池）一般為鉆孔容積的1. 5～2. 0倍，要有較好的防滲能力。在沉淀池的旁邊設置渣土區，沉渣采用反鏟清理后放在渣土區，保證泥漿的巡回空間和存儲空間。
制務泥漿的的設備有兩種，一是用泥漿攪拌機，一是有用水力攪拌器。使用粘土粉造漿時最好用水力攪拌器；使用膨潤土造漿時用泥漿攪拌機。
護壁泥漿再生處理：施工中采用重力沉降除渣法，即利用泥漿與土渣的相對密度差使土渣產生沉淀以排除土渣的方法。現場設置回收泥漿池用作回收護壁泥漿使 用，泥漿經沉淀凈化后，輸送到儲漿池中，在儲漿池中進一步處理（加入適量純堿和CMC改善泥漿性能）經測試合格后重復使用。
4.2.2 埋設護筒
樁基定位后，根據樁定位點拉十字線釘放四個控制樁，以四個控制樁為基準埋設鋼護筒，為了保護孔口防止坍塌，形成孔內水頭和定位導向，護筒的埋設是旋挖作業中的關鍵。護筒選用10mm厚鋼板卷制而成，護筒內徑為設計樁 徑+20cm，高度2.0m，上部開設2個溢漿孔，護筒埋設時，由人工、機械配合完成，主要利用鉆機旋挖斗將其靜力壓入土中，其頂端應高出地面20cm， 并保持水平，埋設深度1.8 m，護筒中心與樁位中心的偏差不得大于50mm。護筒埋設要保持垂直，傾斜率應小于1.5％。
4.2.3 鉆孔定位
在樁位復核正確，護筒埋設符合要求，護筒、地坪標高已測定的基礎上，鉆機才能就位；樁機定位要準確、水平、垂直、穩固,鉆機導桿中心線、回旋盤中心線、護 筒中心線應保持在同一直線。旋挖鉆機就位后，利用自動控制系統調整其垂直度，鉆機安放定位時，要機座平整，機塔垂直，轉盤（鉆頭）中心與護筒十字線中心對 正，注入穩定液后，進行鉆孔。
4.2.4 鉆進成孔
成孔前必須檢查鉆頭保徑裝置，鉆頭直徑、鉆頭磨損情況，施工過程對鉆頭磨損超標的及時更換；根據土層情況正確選擇鉆斗底部切削齒的形狀、規格和角度；根據護筒標高、樁頂設計標高及樁長，計算出樁底標高，以便鉆孔時加以控制。
成孔中，按試樁施工確定的參數進行施工，設專職記錄員記錄成孔過程的各種參數，如加鉆桿、鉆進深度、地質特征、機械設備損壞、障礙物等情況。記錄必須認真、及時、準確、清晰。
鉆孔過程中根據地質情況控制進尺速度：由硬地層鉆到軟地層時，可適當加快鉆進速度；當軟地層變為硬地層時，要減速慢進；在易縮徑的地層中，應適當增加掃孔次數，防止縮徑；對硬塑層采用快轉速鉆進,以提高鉆進效率；砂層則采用慢轉速慢鉆進并適當增加泥漿比重和粘度。
鉆機就位時，必須保持平整、穩固，不發生傾斜。為準確控制孔深，應備有校核后百米鋼絲測繩，并觀測自動深度記錄儀，以便在施工中進行觀測、記錄。鉆進過程 中經常檢查鉆桿垂度，確保孔壁垂直。鉆進過程中必須控制鉆頭在孔內的升降速度，防止因漿液對孔壁的沖刷及負壓而導致孔壁塌方。鉆進成孔過程中，根據地層、 孔深變化，合理選擇鉆進參數，及時調制泥漿，保證成孔質量。在進入沙層和卵石層時，應適當減慢進尺速度，提高泥漿的稠度，減小每個鉆進回次的進尺量，保證 孔壁穩定。鉆進施工時，利用正鏟及時將鉆渣清運，保證場地干凈整潔，利于下一步施工。鉆進達到要求孔深停鉆后，注意保持孔內泥漿的漿面高程，確保孔壁的穩 定。
孔底沉淤控制。旋挖鉆斗的切削、提升上屑的機理與常見回轉鉆進的正、反循環成孔的切削、提升形式完全不同。前者是通過鉆斗把孔底原狀土切削成條狀載入鉆斗 提升出土，后者是通過鉆頭把孔底原狀土打碎由泥漿循環帶出土面。前者底部面緩，鉆至設計標高對土的擾動很小，沒有聚淤漏斗，所以要加強穩定液的管理，控制 固相含量，提高粘度，防止快速沉淀，還要控制終孔前兩鉆斗的旋挖量。成孔深度達到設計要求后，應盡快進行鉆機移位、終孔驗收工作；從清孔停止至混凝土開始澆灌，應控制在1.5-3h，一般不得超過4h，否則應重新清孔。
旋挖成孔灌注樁的施工方法具有施工質量可靠、成孔速度快、成孔率高、適應性強大大縮短了工期，廢漿少、低噪音、污染小保護了環境，克服了機械成孔時孔底沉 淤土多，樁側摩阻力低，泥漿管理差的缺點，極大地提高了施工質量。盡管一次投入費用較大，但成孔費用消耗等經濟技術指標比其他方法成孔費用低，是一種理想 的施工工藝，同其它工藝相比綜合考慮是降低了成本。從目前看該工藝有著相當可觀的經濟效益和社會效益。
二、沖擊反循環鉆機和反循環回轉鉆機
回轉鉆成孔灌注樁，又稱正反循環成孔灌注樁，是用一般地質鉆機在泥漿護壁條件下，慢速鉆進，通過泥漿排渣成孔，灌注混凝土成樁，為國內最為常用和應用范圍 較廣的成樁方法。其特點是：可利用地質部門常規地質鉆機，可用于各種地質條件，各種大小孔徑（300mm~200mm）和深度（40m~100m），護壁 效果好，成孔質量可靠；施工無噪音，無震動，無擠壓；機具設備簡單，操作方便，費用較低，但成孔速度慢，效率低，用水量用水量大，泥漿排放量大，污染環 境，擴孔率較難控制。適用于高層建筑中、地下水位較高的軟、硬土層，如淤泥、黏性土、砂土、軟質巖等土層應用。
隨著高層建筑、公路、鐵路、橋涵工程的發展對基礎工程的施工要求也越來越高,考慮建筑的載荷和工程地質狀況、目前較大一部分工程樁基的施工要穿過第四系土 層、卵石層等復雜地層,并將樁基礎的持力層設計在基體巖石上,提高單樁承載力,同時也給樁基礎施工提出了更高的要求,在回轉鉆機施工成本高,又無法滿足卵 礫石、漂石、塊石、基巖、施工難度大,易坍孔的情況下,20世紀90年代中期樁機制造廠為適應市場要求,研制開發了沖擊反循環鉆機滿足樁基工程施工要求。
1 施工工藝
沖擊反循環破碎入巖工藝的破碎機理是利用沖擊鉆頭對巖石進行較高頻率的沖擊,使巖石產生破碎,然后利用反循環排渣方式及時將破碎巖屑第一時間排出孔外。沖擊鉆頭由兩根鋼繩平衡連接,無論起、下鉆都非常方便,大大縮短了輔助時間。
因此,沖擊反循環鉆頭是沖擊鉆進的主要工具,其結構的 合理與否直接影響到鉆進效率和質量。在沖擊鉆進過程中,關鍵是沖擊和吸渣量是否匹配,也是確保孔壁穩定正常鉆進最基本最重要條件。在鉆進過程中吸渣工作應 根據鉆進地層和情況而定,不應過量汲渣以免造成孔壁失穩坍孔。發生埋鉆事故。另外,在沖擊過程中,必須經常檢查鋼絲繩的磨損情況以及轉向裝置的靈活性和連 接的牢固性,以防磨斷或因轉向不靈而扭斷鋼絲繩,發生掉鉆事故。
根據地質情況,鉆頭出量研磨材料提鉆時要應經常檢查,一般地層每小班至少提鉆一次檢查,復雜地層提鉆頭次數要增加,往往鉆頭底量和外出量在砂卵石和基 巖中磨損嚴重,所以應及時進行修補,這樣就增加了修補鉆頭的鋪助時間,降低了純鉆進沖擊時間,又減少了修補鉆頭的輔助時間,再則在提升鉆頭時,要小心謹 慎,尤其是在快到護筒底部將鉆頭慢慢提起,防止碰撞孔口護筒以免造成護筒底部坍孔或護筒錯位或變形事故。
2 沖擊反循環鉆機與回轉鉆機在施工過程中的優缺點
根據已施工的工程,不同的地層、不同的區域但鉆進口徑相同來對比,發現沖擊反循環與回轉正循環各有各的優點,一般在粘土、亞粘土、淤泥質土層、粉砂層 施工時,通過鉆孔記錄報表,取各程平均數據分析,回轉鉆機要比沖擊反循環鉆機施工快1.2倍,且因沖擊反循環鉆機自重大搬遷困難、時間長等因素,在土層中 施工不如回轉正循環鉆機快,但在卵礫石層、基巖施工中,沖擊反循環鉆進明顯比回轉鉆機要快3倍,一般5cm以下礫石要快2倍以上,5～10cm礫石要快3 倍以上,而且沖擊反循環鉆進5級以下的巖石,鉆進速度比回轉鉆進要快5～6倍,從上述情況分析來看,沖擊反循環在施工復雜地層即卵石層,嵌巖鉆孔樁成孔速 度上優點明顯,尤其在一些丘陵山區地帶較為適用,優越性更加顯著。
對樁孔成型方面,沖擊反循環施工孔徑一般在粘土、亞粘土、淤泥質土層、粉砂層施工時為防止坍孔,仍然采用正循環沖擊鉆進,但易縮徑,但樁的垂直度比較 好。在卵、礫石層施工中都采用沖擊反循環鉆進,由于沖擊力較大,容易坍孔,充盈系數偏大,根據我公司已施工的幾個工程數據表明,在回轉鉆機進段的平均充盈 系數為1.15；而沖擊反循環鉆進段的充盈系數則為1.25，在土層中的充盈系數沖擊和回轉基本接近在1：1。
在成本消耗方面:在粘土、亞粘土、淤泥質土層、粉砂層施工,沖擊反循環的成本消耗要比回轉鉆機消耗大,主要沖擊鉆機動力功率大、耗電量高。再則鋼絲繩 消耗大,因沖擊耗繩、自身重量大,搬遷運輸成本大等,但在卵、礫石層、漂石、塊石、基巖施工中,沖擊鉆進效率高,而回轉鉆機研磨材料消耗大,鉆進速度慢, 成孔周期長,成本比沖擊鉆進大5倍以上,如遇大漂石、大塊石、硬度較高的花崗巖回轉鉆機是無法鉆進,只用沖擊反循環鉆機來完成。
在環境影響方面,沖擊反循環鉆進振動對周圍環境影響比回回轉鉆進要大,特別是沖擊下部堅硬基礎巖面時,沖擊振動對周圍產生聲音較大,影響人們休息。
三、體會
總之,在施工基礎時,設備的選型非常重要,對不同的地層采用不同的施工工藝方法,從我們多年來的施工經驗和設備使用情況來看,在粘土、亞粘土、淤泥質 土層、粉砂層施工,采用回轉鉆進,其成本低,成孔質量好,樁機自重輕,搬遷方便等優點較為適應;而在卵礫石、漂石、塊石、基巖等復雜地層及舊基處理方面施 工,使用沖擊反循環鉆進較為適應,因可加快施工周期,提高鉆進效益,確保工程質量。因此我們在施工鉆孔樁時,要根據現場條件、工期要求、地制質情況及成本 分析等,用科學的方法來選擇設備和工藝手段,用最佳的施工工藝,在保證質量、工期、安全的情況下產出最佳的效益。 |