三种钻孔方法的比较

[桥涵] 旋挖钻与冲击反循环、回旋钻施工比较

一、旋挖钻机

旋挖钻机在国际上的发展已经有几十年的历史，在中国也是在最近四五年才被逐渐认识和应用，成为近年来发展最快的一种新型桩孔施工方法，旋挖钻孔灌注桩技术被誉为“绿色施工工艺” ，其特点是工作效率高、施工质量好、尘土泥浆污染少。旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩桩孔的成孔设备，可以实现桅杆垂直度的自动调节和钻孔深度的计量；旋挖钻孔施工是利用钻杆和钻斗的旋转，以钻斗自重并加液压作为钻进压力，使土屑装满钻斗后提升钻斗出土。通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆置换护壁，反复循环而成孔。吊放钢筋笼、灌注砼、后压浆等同其他水下钻孔灌注桩工艺。

此方法自动化程度和钻进效率高，钻头可快速穿过各种复杂地层，在桩基施工特别是城市桩基施工中具有非常广阔的前景。

1 旋挖钻孔桩的施工特点

1.1 可在水位较高、卵石较大等用正、反循环及长螺旋钻无法施工的地层中施工。

1.2 自动化程度高、成孔速度快、质量高。该钻机为全液压驱动，电脑控制，能精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度和自动量测钻孔深度，最大限度地保证钻孔质量。其工效是循环钻机的20倍，最重要的是，工程的质量和进度得到了充分的保证。目前在我国的公路、铁路、桥梁和大型的建筑物的基础桩施工中均有采用。

1.3 伸缩钻杆不仅向钻头传递回转力矩和轴向压力，而且利用本身的伸缩性实现钻头的快速升降，快速卸土，以缩短钻孔辅助作业的时间，提高钻进效率。

1.4 环保特点突出，施工现场干净。这是由于旋挖钻机通过钻头旋挖取土，再通过凯式伸缩钻杆将钻头提出孔内再卸土。旋挖钻机使用泥浆仅仅用来护壁，而不用于排碴，成孔所用泥浆基本上等于孔的体积，且泥浆经过沉淀和除砂还可以多次反复使用。目前很多城市在施工中的排污费用明显提高，使用旋挖钻机可以有效降低排污费用，并提高文明施工的水平。

1.5 履带底盘承载，接地压力小，适合于各种工况，在施工场地内行走移位方便，机机动灵活，对桩孔的定位非常准确、方便。

1.6 旋挖钻机的地层适应能力强旋挖钻机可以适用于淤泥质土、粘土、砂土、卵石层等地层。

1.7 在孔壁上形成较明显的螺旋线。有助于提高桩的的摩阻力。

1.8 吊放钢筋笼、灌注砼等施工场地较其他工艺容易布置。

1.9 自带柴油动力，缓解施工现场电力不足的矛盾，并排除了动力电缆造成的安全隐患

2 适用范围

旋挖钻机一般适用粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层，借钻具自重和钻机加压力，耙齿切入土层，在回转力矩的作用下钻斗同时回转配合不同钻具，适应于干式（短螺旋）、湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业。根据不同的地质条件选用不同的钻杆、钻头及合理的斗齿刃角。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层的施工。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度达120m，（主要集中在40m以内），最大钻孔扭矩620kNm。

3 工艺原理

主要是其成孔工艺与其它桩基不同，旋挖钻机的钻进工艺旋挖钻机采用静态泥浆护壁钻斗取土的工艺（当然也有干土直接取土工艺，视工地现场地层条件而定），是一种无冲洗介质循环的钻进方法，但钻进时为保护孔壁稳定，孔内要注满优质泥浆（稳定液）。

旋挖钻机工作时能原地作整体回转运动。旋挖钻机钻孔取土时，依靠钻杆和钻头自重切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块向斗内推进而完成钻取土；遇硬土时，自重力不足以使斗齿切入土层，此时可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中，完成钻孔取土。钻斗内装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，拉动钻斗上的开关即打开底门，钻斗内的土依靠自重作用自动排出。钻杆向下放关好斗门，再回转到孔内进行下一斗的挖掘。

旋挖钻机行走机动、灵活，终孔后能快速的移位或至下一桩位施工。

4、施工工艺

4.2.1 泥浆制备

现场设泥浆池（含回浆用沉淀池及泥浆储备池）一般为钻孔容积的1. 5～2. 0倍，要有较好的防渗能力。在沉淀池的旁边设置渣土区，沉渣采用反铲清理后放在渣土区，保证泥浆的巡回空间和存储空间。

制务泥浆的的设备有两种，一是用泥浆搅拌机，一是有用水力搅拌器。使用粘土粉造浆时最好用水力搅拌器；使用膨润土造浆时用泥浆搅拌机。

护壁泥浆再生处理：施工中采用重力沉降除渣法，即利用泥浆与土渣的相对密度差使土渣产生沉淀以排除土渣的方法。现场设置回收泥浆池用作回收护壁泥浆使用，泥浆经沉淀净化后，输送到储浆池中，在储浆池中进一步处理（加入适量纯碱和CMC改善泥浆性能）经测试合格后重复使用。

4.2.2 埋设护筒

桩基定位后，根据桩定位点拉十字线钉放四个控制桩，以四个控制桩为基准埋设钢护筒，为了保护孔口防止坍塌，形成孔内水头和定位导向，护筒的埋设是旋挖作业中的关键。护筒选用10mm厚钢板卷制而成，护筒内径为设计桩径+20cm，高度2.0m，上部开设2个溢浆孔，护筒埋设时，由人工、机械配合完成，主要利用钻机旋挖斗将其静力压入土中，其顶端应高出地面20cm，并保持水平，埋设深度1.8 m，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50mm。护筒埋设要保持垂直，倾斜率应小于1.5％。

4.2.3 钻孔定位

在桩位复核正确，护筒埋设符合要求，护筒、地坪标高已测定的基础上，钻机才能就位；桩机定位要准确、水平、垂直、稳固,钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线。旋挖钻机就位后，利用自动控制系统调整其垂直度，钻机安放定位时，要机座平整，机塔垂直，转盘（钻头）中心与护筒十字线中心对正，注入稳定液后，进行钻孔。

4.2.4 钻进成孔

成孔前必须检查钻头保径装置，钻头直径、钻头磨损情况，施工过程对钻头磨损超标的及时更换；根据土层情况正确选择钻斗底部切削齿的形状、规格和角度；根据护筒标高、桩顶设计标高及桩长，计算出桩底标高，以便钻孔时加以控制。

成孔中，按试桩施工确定的参数进行施工，设专职记录员记录成孔过程的各种参数，如加钻杆、钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。记录必须认真、及时、准确、清晰。

钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度：由硬地层钻到软地层时，可适当加快钻进速度；当软地层变为硬地层时，要减速慢进；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。

钻机就位时，必须保持平整、稳固，不发生倾斜。为准确控制孔深，应备有校核后百米钢丝测绳，并观测自动深度记录仪，以便在施工中进行观测、记录。钻进过程中经常检查钻杆垂度，确保孔壁垂直。钻进过程中必须控制钻头在孔内的升降速度，防止因浆液对孔壁的冲刷及负压而导致孔壁塌方。钻进成孔过程中，根据地层、孔深变化，合理选择钻进参数，及时调制泥浆，保证成孔质量。在进入沙层和卵石层时，应适当减慢进尺速度，提高泥浆的稠度，减小每个钻进回次的进尺量，保证孔壁稳定。钻进施工时，利用正铲及时将钻渣清运，保证场地干净整洁，利于下一步施工。钻进达到要求孔深停钻后，注意保持孔内泥浆的浆面高程，确保孔壁的稳定。

孔底沉淤控制。旋挖钻斗的切削、提升上屑的机理与常见回转钻进的正、反循环成孔的切削、提升形式完全不同。前者是通过钻斗把孔底原状土切削成条状载入钻斗提升出土，后者是通过钻头把孔底原状土打碎由泥浆循环带出土面。前者底部面缓，钻至设计标高对土的扰动很小，没有聚淤漏斗，所以要加强稳定液的管理，控制固相含量，提高粘度，防止快速沉淀，还要控制终孔前两钻斗的旋挖量。成孔深度达到设计要求后，应尽快进行钻机移位、终孔验收工作；从清孔停止至混凝土开始浇灌，应控制在1.5-3h，一般不得超过4h，否则应重新清孔。

旋挖成孔灌注桩的施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔率高、适应性强大大缩短了工期，废浆少、低噪音、污染小保护了环境，克服了机械成孔时孔底沉淤土多，桩侧摩阻力低，泥浆管理差的缺点，极大地提高了施工质量。尽管一次投入费用较大，但成孔费用消耗等经济技术指标比其他方法成孔费用低，是一种理想的施工工艺，同其它工艺相比综合考虑是降低了成本。从目前看该工艺有着相当可观的经济效益和社会效益。

二、冲击反循环钻机和反循环回转钻机

回转钻成孔灌注桩，又称正反循环成孔灌注桩，是用一般地质钻机在泥浆护壁条件下，慢速钻进，通过泥浆排渣成孔，灌注混凝土成桩，为国内最为常用和应用范围较广的成桩

方法。其特点是：可利用地质部门常规地质钻机，可用于各种地质条件，各种大小孔径（300mm~200mm）和深度（40m~100m），护壁效果好，成孔质量可靠；施工无噪音，无震动，无挤压；机具设备简单，操作方便，费用较低，但成孔速度慢，效率低，用水量用水量大，泥浆排放量大，污染环境，扩孔率较难控制。适用于高层建筑中、地下水位较高的软、硬土层，如淤泥、黏性土、砂土、软质岩等土层应用。

随着高层建筑、公路、铁路、桥涵工程的发展对基础工程的施工要求也越来越高,考虑建筑的载荷和工程地质状况、目前较大一部分工程桩基的施工要穿过第四系土层、卵石层等复杂地层,并将桩基础的持力层设计在基体岩石上,提高单桩承载力,同时也给桩基础施

工提出了更高的要求,在回转钻机施工成本高,又无法满足卵砾石、漂石、块石、基岩、施工难度大,易坍孔的情况下,20世纪90年代中期桩机制造厂为适应市场要求,研制开发了冲击反循环钻机满足桩基工程施工要求。

1 施工工艺

冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击,使

岩石产生破碎,然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外。冲击钻头由两根钢绳平衡连接,无论起、下钻都非常方便,大大缩短了辅助时间。

因此,冲击反循环钻头是冲击钻进的主要工具,其结构的合理与否直接影响到钻进效率和质量。在冲击钻进过程中,关键是冲击和吸渣量是否匹配,也是确保孔壁稳定正常钻进最基本最重要条件。在钻进过程中吸渣工作应根据钻进地层和情况而定,不应过量汲渣以免造成孔壁失稳坍孔。发生埋钻事故。另外,在冲击过程中,必须经常检查钢丝绳的磨损情况以及转向装置的灵活性和连接的牢固性,以防磨断或因转向不灵而扭断钢丝绳,发生掉钻事故。

根据地质情况,钻头出量研磨材料提钻时要应经常检查,一般地层每小班至少提钻一次检查,复杂地层提钻头次数要增加,往往钻头底量和外出量在砂卵石和基岩中磨损严重,所

以应及时进行修补,这样就增加了修补钻头的铺助时间,降低了纯钻进冲击时间,又减少了

修补钻头的辅助时间,再则在提升钻头时,要小心谨慎,尤其是在快到护筒底部将钻头慢慢

提起,防止碰撞孔口护筒以免造成护筒底部坍孔或护筒错位或变形事故。

2 冲击反循环钻机与回转钻机在施工过程中的优缺点

根据已施工的工程,不同的地层、不同的区域但钻进口径相同来对比,发现冲击反循环与回转正循环各有各的优点,一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时,通过钻孔记录报表,取各程平均数据分析,回转钻机要比冲击反循环钻机施工快1.2倍,且因冲击反循环钻机自重大搬迁困难、时间长等因素,在土层中施工不如回转正循环钻机快,但在卵砾石层、基岩施工中,冲击反循环钻进明显比回转钻机要快3倍,一般5cm以下砾石要快2倍以上,5～10cm砾石要快3倍以上,而且冲击反循环钻进5级以下的岩石,钻进速度比回转钻进

要快5～6倍,从上述情况分析来看,冲击反循环在施工复杂地层即卵石层,嵌岩钻孔桩成孔速度上优点明显,尤其在一些丘陵山区地带较为适用,优越性更加显着。

对桩孔成型方面,冲击反循环施工孔径一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时为防止坍孔,仍然采用正循环冲击钻进,但易缩径,但桩的垂直度比较好。在卵、砾石层施工中都采用冲击反循环钻进,由于冲击力较大,容易坍孔,充盈系数偏大,根据我公司已施工的几个工程数据表明,在回转钻机进段的平均充盈系数为1.15；而冲击反循环钻进段的充盈系数则为1.25，在土层中的充盈系数冲击和回转基本接近在1：1。

在成本消耗方面:在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工,冲击反循环的成本消耗要比回转钻机消耗大,主要冲击钻机动力功率大、耗电量高。再则钢丝绳消耗大,因冲击耗绳、自身重量大,搬迁运输成本大等,但在卵、砾石层、漂石、块石、基岩施工中,冲击钻进效率高,而回转钻机研磨材料消耗大,钻进速度慢,成孔周期长,成本比冲击钻进大5倍以上,如遇大漂石、大块石、硬度较高的花岗岩回转钻机是无法钻进,只用冲击反循环钻机来完成。

在环境影响方面,冲击反循环钻进振动对周围环境影响比回回转钻进要大,特别是冲击下部坚硬基础岩面时,冲击振动对周围产生声音较大,影响人们休息。

三、体会

总之,在施工基础时,设备的选型非常重要,对不同的地层采用不同的施工工艺方法,从我们多年来的施工经验和设备使用情况来看,在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工,采用回转钻进,其成本低,成孔质量好,桩机自重轻,搬迁方便等优点较为适应;而在卵砾石、漂石、块石、基岩等复杂地层及旧基处理方面施工,使用冲击反循环钻进较为适应,因可加快施工周期,提高钻进效益,确保工程质量。因此我们在施工钻孔桩时,要根据现场条件、工期要求、地制质情况及成本分析等,用科学的方法来选择设备和工艺手段,用最佳的施工工艺,在保证质量、工期、安全的情况下产出最佳的效益。