旋挖工法

中铁十四局集团公司 祝景寰 杜春惠 夏晓中 尹德学 曹玉新

一、前言

旋挖钻机是近两年来国内新引进和制造的新型钻孔桩基施工设备，它适用于各种直径（φ60~φ300cm）的钻孔桩。采用不同的钻头和护壁方法，可适应多种地质状况的成孔需要。其成孔速度快，工程质量好，环境污染小，是目前国际工程界公认的性能优越的土木工程钻机。在考察国内外多种钻机、多种地质构造施工过程和总结施工经验的基础上，形成本工法。

二、工法特点

1． 钻孔直径范围广。目前最大功率的旋挖钻机可成孔直径范围为φ60~φ300cm。 2． 适应地层广。尤其适用于一般土层、松软土层和砂卵（砾）石地层，其成孔速率特别高；岩石地层成孔速率也较普通钻机快许多；孤石、漂石粒径小于钻孔直径的三分之一成孔速率较快，当孤石、漂石粒径大于钻孔直径的三分之一时钻进较为困难。

3． 垂直度可控。通过主机桅杆控制系统可随时调整桅杆的垂直度，保证钻孔质量。以BG-22型钻机为例，可施作左右倾8度、后倾10度、前倾6度的斜孔。

4．压拔护筒。利用护筒驱动器、动力头扭矩及压拔油缸可压入或拔出钢护筒。

5．环境污染小。当为全护筒或在地下水位以上或冻土、黄土地区成孔时可以干法成孔，避免泥浆循环及排放所造成的环境污染、冻土的热扰动和黄土的湿陷等。 三、工法原理 （见下图）

1． 主机：履带自行式柴油发动机及卷扬 机、高压油泵及自动化控制、操纵系统。

2． 动力头：经高压油管将压力油输入， 油缸 驱动液压马达变速系统驱动钻杆旋转。

3． 钻杆：有六键式、三键式可伸缩的机

锁钻杆和摩擦钻杆两种形式，靠主卷扬利用钻 钻杆 头的自重实现钻头、钻杆的上下运动，载荷大 时，可利用动力头进行加压和上拔作业。

桅杆 4． 钻头：为适应不同的地层，钻机可为

用户配备多种形式的钻头，用户也可自行设计 动力头 和加工。一般地层为双底捞砂钻头；硬岩石地 护筒驱动器 层采用滚轮式岩芯钻头加滚轮十字形钻头再加

捞砂钻头等组成。干法成孔或软岩地基承载力 支撑油缸 （单轴抗压强度小于20Mpa时）用螺旋钻头效 率较高。 钻头 5．护筒：一般随具体的地质情况或工程 设计要求，由施工单位自行加工。一般情况下 主机 要求护筒的厚度不低于 8mm， 当桩径大于 φ1500mm时要求护筒厚度以10—16mm为宜。

护筒长度以3—6米为最佳。 钻孔时，驱动液压马达，使钻头作顺时针

旋转，钻头与钻杆在其自重作用下旋转进入待钻地层，将土体转入钻头后提升钻头到地面，再驱动钻头作逆时针旋转排除钻头中碴土。如此反复作业，完成设计桩（孔）的成孔工序。

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6．桅杆调整油缸：通过调整油缸可调节孔的斜度，以适应垂直度或斜桩等要求。 四、适用范围

本工法适用于各种地质情况的土木工程类中长及超长桩、群桩挡墙、咬合桩，配专用抓斗可施工地下连续墙开槽等工程，也可适用于污水井、深水井的钻孔作业。 五、钻机主要技术参数（以宝峨BG系列为例）

（一） 主要技术性能（见表一1）

表－1 型号 指标 最大高度（m） 扭矩（KNM） 主卷扬起重力（KN） 输出功率（KW） 整机重量（t） 最大钻孔直径（m） 最大钻孔深度（m） 钻孔进尺速率 （一般土m/h） BG-12 18.78 123 120 169 51 1.80 48 BG-15H 20.80 145 120 169 57 1.8 48 BG-22 22.20 215 220 177-224 75 1.8 53.6 BG-25 24．5 245 250 365 90 2.6 70 BG-36 25.4 365 300 291 120 2.3 76.4 BG-40 29.00 415 400 414 165 3.0 82 15~22 六、施工工艺 （一）工艺流程（见图2）

1.场地准备：

若为陆上钻孔，钻机工作范围内地面必须保持平整和压实，以设备的使用说明书中要求的平整度和接地比压为准来确定。出碴车辆出入便道修筑完毕，并有较完善的排水系统、泥浆循环系统（必要时）等。

水上钻孔需准备好水上钻孔工作平台及弃碴排出运输系统等。 2.测定桩位：

与普通钻孔桩要求相同。 3.钻机就位： 钻机为自行式，先将钻机直接驶入并将钻头中心直接对位，再精确调整桅杆的垂直度后，将钻头精确定位。

定位后，将适合本桩位地层的各种钻头有序地排列在主机回转半径上（约占1/3~1/2圆周），以利快速更换钻头。同时排碴区（约占1/3--2/5圆周）要考虑运输设备驶入场地，并进行排碴对位试验，以有效配合，减少干扰，提高钻进速度。

4.压入钢护筒：

护筒的压入有自埋设、利用护筒驱动器压入、震动桩锤打入等多种方式。一般情况下以自埋入居多，护筒采用钢护筒，其内径比桩径大15--20cm。护筒中心轴线位于桩位中心，并严格保持护筒的竖直度。在护筒周围对称、均匀地回填最佳含水量的粘土，并分层夯实，有利于护筒的稳定。护筒顶端要高出原地面。

现分别详述如下：

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（1）自埋设

初钻1～2m，初钻地表土层一般为无护筒钻孔（水上或淤泥质软土应打入护筒），然后用钻机自备的副卷扬或起重机将护筒放在已钻1～2m的孔中，利用钻机加压系统压入护筒，护筒周边用黏土分层（不大于30cm）夯实。如果没有黏土建议使用干水泥拌和砂再浇水稳定护筒。

（2）利用护筒驱动器埋设

如果钻机自备护筒驱动器为最佳，将护筒与护筒驱动器联结，驱动动力头顺时针旋转，加压油缸加压，边旋转边压入护筒。此工序不需要护筒周边开挖并夯实。

（3）震动锤打入

将震动锤与护筒联结，利用钻机副卷扬或起重机吊装震动锤，精确定位后启动震动锤打入护筒。此工序不需要护筒周边开挖并夯实。

5.钻进到设计要求：护筒以下部分考虑地下水及工程地质状况，决定采用干孔法或者泥浆护壁施工法，泥浆要求同普通钻机,即需要保持孔内外水头差及泥浆比重、稠度等满足孔壁稳定的要求。当钻进到设计高程或满足设计承载能力时，经监理工程师同意，即可终止钻进。

6.成孔质量检查：

由于本钻机具有较高的垂直度控制系统和刚性较大的钻杆及导向系统。其孔径、垂直度、孔底残碴等均可满足规范及验收标准要求。

7.安放钢筋笼、安装导管、灌注水下混凝土：

与一般钻孔桩相同。需要指出的是：由于本钻机成孔速度极快，钢筋笼制作、安装、水下混凝土灌注必须与之相适应，否则，不能充分发挥该钻机的工作效率。

8.拔出护筒：

本钻机可以利用护筒驱动器、起重机进行拔出护筒作业。若利用钻机本身拔出护筒困难时可采用起重机辅以震动锤拔出钢护筒。

七、其它辅助设备（见表一2）

表－2 序号 1 2 名称 泥浆泵 震动锤 工作能力 一般30~50m3/h 200-600KN 台（套） 2 1 说明 需要时使用，依具体桩径、钻孔速率等确定泥浆泵的工作参数 需要时使用，依桩径、地质情况计算工作能力 安拆钻机、安放钢筋笼、钻头就位、需要时拔出护筒，依具体设计等综合确定 依具体设计和施工速度综合确定 依运输方式和钻进速率匹配 清理渣土 3 起重机 钢筋加工设备 排碴设备 装载机 16-50t 1 4 5 6 1 1 1 3

1、钻机就位 2、埋设临时性护筒 3、钻掘到设计深度

4、利用清底旋挖斗清除淤泥 5、以除砂机过滤泥浆或泥浆置换 6 、 下钢筋笼

7、浇注混凝土 8、拔除临时性护筒

图2 旋挖钻机成孔工艺流程图

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八、劳力组织（每班）（见表一3）

表－3 工种 负责人 钻孔组 钢筋组 混凝土组 混凝土供应组 测试组 工作内容 安排任务、协调工种配合 操作钻孔、填写钻孔记录、更换钻机卡具、导管泥浆循环系统、排水和排碴系统 制作、安放钢筋笼 导管拆放、安装、清洗、拔出等，灌注混凝土 混凝土生产、运输 测量检查桩位、检查钻孔记录，记录核对地质情况，检查孔底高程、泥浆参数等 人数 1 4 10～25 5 1 说明 旋挖钻机驾驶员1人，工程技术人员1人，钻孔辅助工人2人， 依具体情况计算确定 随加工供应方式计算确定 九、质量控制 （一）质量标准

1.钻机及主要附助设备出厂质量验收标准

2.地基与基础工程施工及验收规范（依工程类别采用相应的规范） 3.施工图设计的具体要求 （二）质量控制措施

1.防止塌孔，提高成孔质量

（1）本钻机重量较大，可成孔直径大，再加上可能反复使用大型起重机械辅助作业等，均会引起地基的较大附加应力，容易引起地表一定深度范围内产生缩径、塌孔。在计算护筒壁厚、埋深时应充分考虑重型设备的影响，必要时通过试钻确定。当出现地表严重下沉（主机下沉3cm/天以上）应立即停止钻进，查清原因，必要时接长补打护筒。

（2）泥浆水头控制非常重要。由于旋挖钻机采用钻头上下活塞式运动，钻头下放和提出后，泥浆上下落差1.0—3.0米,容易造成护筒之下的松散砂土遭受泥浆高速冲洗,护筒下方砂层被淘洗,是导致护筒掉落的主要原因。

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（3）当采用泥浆护壁法施工含有易塌孔、缩径地层时，一定要注意钻头提升速度。因为旋挖钻机的自造浆能力较差，泥浆的质量较普通钻机要差许多。且满斗土料的快速提升会形成活塞作用，出现孔内负压和较高的泥浆流速，容易产生塌孔。所以一般提升速度应严格控制在10—20米/分，含有砂土、软土的桩孔提升速度应小于10米/分。

（4）当出现深层局部塌孔时，可采用部分回填黏土，提高泥浆比重，提高内外水头差方法，易塌孔地层可采用膨润土加纤维的优质泥浆增加护壁效果。由于旋挖钻机斗容大、施工速度快所以补浆能力要与之配套。当同一施工工地或较近的工程项目有普通钻机施工时，可以使用普通钻机的废浆进行二次利用。比重较高的废泥浆对旋挖钻机施工易塌地层固壁效果非常好。而对普通钻机来讲也减少了废浆的干化与外运成本。

（5）旋挖钻机钻孔桩建议膨胀土泥浆参数（见表－4）

表－4

性能 比重 黏滞度 滤过水量（30min） 酸碱值(PH) 含砂量 试验频率 单位 新浆 g /ml sec ml % <1.10 30--60 <30 7--11 <1 每天壹次(拌新浆时) 使 用 阶 段 工作浆 <1.20 30--90 <50 7--12 n.a. 每天壹次(钻掘时) 浇注砼前 <1.15 30--60 n.a. 7--11 <4 比重计 马氏漏斗(1500/946ml) 过滤压试验 PH计,PH试纸 含砂量计 实验设备 （6）及时清理外运废渣，在孔旁堆放高度不得超过2米。 （7）提高水头差可以采用钢护筒高出地面的方法。

（8）经常检查纠正钻机桅杆的水平和垂直度，根据出碴情况和钻杆进尺，及时记录地质情况，保留典型地层的地质标本。

（9）经常检查钻孔记录和灌注记录，发现问题及时纠正。 （10）按规范、验收标准进行检查验收。 （三）控制方法（见表一5）

表－5 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 孔深 沉碴厚度 垂直度 缩径 泥浆的比重、稠度 混凝土强度 桩完整性、承载能力 检测项目 桩位偏移 测量 测绳加水准仪测量 （清孔后孔深）－（灌注前孔深） 仪器测井架、查钻孔记录、检孔器检查 检孔器检查 比重计、稠度计 按设计及规范验标要求 按设计及规范验标要求 检测方法 检测频率 1次/每桩 2～4点/每桩 2～4点/每桩 1次/每桩 1次/每桩成孔后 1次/每桩 十、安全注意事项 1.严格按各种机具操作规程施工，交接班必须有交接记录并签字。定期检查设备各部件的主要情况，定期检查润滑油、高压油管路及其连接情况。

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2.定期检查绞盘、钢丝绳、动力头、滑轮及其连接件，超过有关规定应及时更换。 3.及时检查更换、补焊钻齿、牙轮及连接。并及时检查、测量钻头直径，发现直径磨损时应及时补焊。

4.因故停钻，需将钻具提出孔外，并将钻头落放地表，防止塌孔埋钻和残碴坠落伤害。 5.安放钢筋笼、打拔护筒时应严格执行起重作业安全管理有关规定。 十一、经济效益分析

以青藏铁路三岔河特大桥为例，其地质情况为含漂石、卵石、致密砂砾石地层（漂石直径≤50cm）

冲击式钻机成孔： φ150~φ180 平均150cm/24h 回旋反循环成孔： φ150~φ180 平均30cm/24h BG-22： φ150~φ180 平均500cm/h

（即BG-22成孔速度是冲击钻机成孔速度的93倍，是回旋钻机成孔速度的400倍。） 按台班成本计算（桩径Φ180cm）：

冲击式钻机台班费用797.35元 折合1594.7元/m 回旋式钻机台班费用416.89元 折合4168.9元/m BG-22钻机台班费52000元(分包价) 折合1300元/m（按一、二类费用分析约1000元/m） （即：BG-22每成孔米的单位成本比冲击式钻机、回旋式钻机分别低18%和68.8%。） 综上所述：采用BG系列型钻机其社会效益、施工速度、经济效益等都非常明显。 十二、工程实例

实例1、青藏铁路三岔河特大桥全桥设计Φ150钻孔桩117根计3068.8m，Φ180钻孔桩12根计425.6m，总计桩长3494m。按铁道部青藏铁路建设工期要求必须在三个月内完成全部基础工程，即在两个半月必须完成129根计3494m的钻孔桩任务。

其地质情况为表层1～3m砂砾石，其下主要为圆砾土（σ0=400～500kpa）和卵石土（σ

；大于60mm的颗粒占10%～30%，60～40mm的约占15%～35%，40～20mm的约占30%～0=600kpa）

40%，孤漂石最大粒径达500mm，余为砂土充填、中密状态。

施工初期，我单位根据地质情况和本单位现有的钻孔设备，安排投入了冲击式钻机20台，回旋式反循环钻机6台，已满足工期的需要。实际情况是Φ180cm钻孔桩冲击钻机成孔35m，耗时达29天；Φ150cm钻孔桩回旋反循环钻机成孔26m耗时需70天以上，根本无法保证青藏线的阶段性工期要求。为此我们于开工一个月之后果断决定选用BG-22型旋挖钻机

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一台，撤出24台普通钻机，保留2台冲击钻机施工岩石地基的18墩基础。BG-22旋挖钻机最快成孔速度达到8.0m/h，平均达到5.0m/h，仅用50天时间完成了全部钻孔桩工程。旋挖钻机为保证青藏线按期铺架作出了非常重要的贡献。

实例2、济南市经十路西延工程段店立交桥，设计316 根长38～52米、桩径1.2～2.0米的钻孔桩基础，钻孔桩施工工期仅为40天。地质情况自上而下大致为：亚黏土、黏土、沙夹砾石、强风化闪长岩、弱风化闪长岩等。地下水位为地表下1.2-1.5米。

由于本工程地处市区，对施工环保要求很高：再加本工程工期短、场地狭窄和地质情况较为适合旋挖钻机的施工。我们在投标阶段就确定了采用旋挖钻机的施工方案。工程中标后，我们立即调回正在南京市施工的自有的BG-40型旋挖钻机投入了该工程的施工，同时又租赁

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了一台BG-50型钻机。平均成孔价格为230元/m，平均每台钻机每天成孔3个；同项工程的其它标段使用了普通冲击或回旋式钻机近50台，平均每台钻机十天成孔一个，且工地一片泥泞，到处都是机械设备，非常混乱。业主、监理的多次、多项检查评比我集团公司均获第一。旋挖钻机施工虽然单价较高，但由于其它方面的投入少，工程总成本反而是较低的。

十三、结束语

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旋挖钻机由于其优越于普通钻机，具有高速度、低污染、工程成本较低廉等特点，越来越呈现较高的市场前景，在今后的工程实践中，我们将发挥其优点、克服其弱点，使其发挥更大的作用。

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