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摘要：随着全球经济的高速发展，基础设施建设范围持续拓宽，以人为本和保护环境的理念及相关法津法规的实施力度得到了不断强化，公路、铁路、水利、房屋等基础设施建设中桩基础特别是现浇混凝土灌注桩基础成为了最主要的基础形式。桩基础施工技术中，旋挖钻进成孔技术因其效率高、污染少、功能多的特点，适应社会综合发展的需求，在国内外的桩基成孔施工中得到了广泛应用。近年来，随着桥梁施工技术的持续发展，桩基旋挖成孔技术在常规桩基尤其城区基础施工中已逐渐成为主导技术，在基础设施的建设领域拥有着广阔的发展前景。
关键词：桥梁；桩基；旋挖；施工；技术；应用；
Abstract: With rapid development of global economy, infrastructure construction for broaden the scope, people-oriented and protecting the environment and related legal regulations of the idea to carry out strength have been strengthened, highway, railway, water conservancy, housing and other infrastructure construction of pile foundation especially cast-in-situ concrete foundation piles as the main form of foundation. Pile foundation construction technology; dig into whole drilling spin technology because of its high efficiency, less pollution, the features of the function, to adapt to the needs of the development of the social comprehensive, at home and abroad in the construction of pile into a hole to a wide range of applications. In recent years, along with the continuous development of the bridge construction technology, pile foundation spin dig into holes in conventional pile foundation especially city technology foundation construction has gradually become the leading technology, in the infrastructure construction areas have with the broad development prospects.
Key Words: bridge; pile foundation; spin dig; construction; technology; application;
中图分类号：TU473.1 文献标识码：A文章编号：
前 言：笔者所在的广深沿江高速公路为集中桥梁施工项目，地处广东沿海城镇居民集中区，区内主要为剥蚀性低丘陵地貌，覆土为粘性土、砂土及软土，地表以下有较深淤泥及淤泥质土层，基岩为下古生代混合片麻岩、变质岩，岩层强度大，局部基岩抗压强度达200Mpa以上。为适应穿越人口密集的城镇居民区桥梁桩基的赶工需求，笔者主持的桥梁施工项目斥资引进意大利土力SR-100型全进口旋挖钻机，在具有桩长范围区间大、有承压水且地下水位高、淤泥层较深、基岩强度大、临近民居房屋防裂及现场环保要求高、工期紧等特点的区段，采用被誉为“绿色施工工艺”的旋挖成孔灌注桩技术取得了成功，实施团队据此探索和总结其技术成果，以供业内同行参考与借鉴。
一、工程概况
广深沿江高速A2合同段B9标全线均位于东莞虎门镇平原地貌区，主要工程为6座主线高架桥，合同总额5.6亿元。2011年1月，由于受工程拆迁滞后影响，标段范围仍有三座大桥约3.3亿元工程量未开工，剩余桩基480根，设计最大孔深73m，均为嵌岩桩，设计嵌岩1～3m，持力层基岩为弱风化混合片麻岩（花岗岩类），平均岩石强度在25～60Mpa区间，少量桩基穿越夹层石英含量大，强度达200Mpa以上。地质勘探资料显示，施工路段地质条件较差，地表素填土以下存在承压力水，且存在深度不一的淤泥层，淤泥层平均深约8m，最大淤泥层深20m。
二、工艺选择与实施难点分析
1、针对剩余桩基现场分布情况及地质条件、工期等因素分析，实施团队对冲击、回旋、旋挖、人工挖孔等多种工艺进行了比对，决定选用旋挖技术作为成孔施工的主要工艺，主要考虑该工艺如下几个方面的优势：
①、成孔效率优势，根据现场地质条件及已完桩基施工经验，平均长度为50m嵌岩2m的桩基，冲击成孔平均工效为10天/孔，回旋成孔为15天/孔，旋挖成孔可达到1.5天/孔，旋挖工艺有较大的工效优势，在工程量极为集中的情况下，对实现工期目标更有保障。
②、良好的环保性，旋挖成孔工艺采用非水介质取土成孔，钻孔出渣由钻头直接带出，泥浆仅起到稳定孔壁的作用，钻削中的泥浆含量远低于其他工艺，使污染源大大减少。
③、广泛的适用性，各种成孔方式在软土或淤泥层钻进的技术要求和工效差异较小，但在硬土及岩层钻进时,由于传统钻机自重有限，不具备主动给钻头施加可控钻进压力的条件。旋挖钻机采用动力头驱动装置,动力头的加压力加上钻杆自重，能极大程度上提高钻进能力，在相同地层中成孔速度可达到常规回旋钻机的5～10倍。
④、能显著提高成桩质量，旋挖工艺仅需要静态泥浆护壁，泥浆在孔壁不会形成厚的泥皮，使孔壁表面粗糙；同时由于成孔需要钻头多次上下往复钻进与出渣，桩孔不易产生缩径,与传统的成孔工艺相比，旋挖成孔灌注桩桩身质量及承载能力有顯著提高。
2、技术难点分析：
①、设计线路多处穿越居民区及厂房，建筑物密集，多数路段桩基20m范围内即为居住房，施工极易造成房屋开裂损坏，生活区对施工扰动、防止环境污染的要求较高。
②、按照建设单位通车目标的要求，剩余工期需满足全标段桩基施工进度达到3根桩/天以上，工期极为紧张。
③、据设计图及地质资料显示，剩余桩基桩径共有5种，分别为1.3、1.5、1.6、1.8、2.0m，其中1.8、2.0m桩径占80%，桩基平均孔深约50m，最大孔深达73m，地下水位埋藏浅，有较厚的软弱土层，极易造成塌孔等事故。
④、已完成施工的桩基孔底经取芯检测，基岩强度区间大，平均强度约40Mpa，部分石英含量大的夹层强度值达到200Mpa以上，由于旋挖成孔技术在国内的研究起步较晚，国产旋挖设备几乎不具备硬质岩的嵌岩能力，旋挖工法缺乏同条件下成功应用的案例。
三、旋挖成孔的工艺原理与主要设备
1、工艺原理
桩基旋挖成孔工艺首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使钻具正确的就位至桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头，钻头回转破碎岩土,并直接将其装入钻头内,然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土,这样循环往复,不断地取土、卸土，直至钻至设计深度。
旋挖成孔施工方法又可分为干作业成孔或清水作业成孔和静态泥浆护壁成孔湿作业成孔两类。干作业成孔灌注工艺系在桩长全段地质情况较好时，直接旋挖钻进成孔的方法，在地质条件较差时，可采用下全护筒跟进无泥浆干式旋挖成孔。湿作业则采用不断注入静态泥浆稳定孔壁，逐桶旋挖钻进成孔。
2、嵌岩机理
旋挖成孔岩石破碎的机理为钻头脆性剪切碎岩方式，是在岩石颗粒边界处利用两向力即加压力和扭矩共同作用产生搓碾剪切从而导致岩石破碎的一种准静载破岩方式，常用的碎岩工具有点式或圆球形切削刃面（如装有子弹头形钻锥的短螺旋钻头、嵌岩筒钻等）。对于基岩强度相对较小的岩层，可直接通过硬岩捞砂钻头实现钻进与出渣成孔；基岩强度较大的岩层直接钻进困难时，可采用取芯钻头破除孔内岩石边缘后换用短螺旋钻头进行破碎，再采用硬岩捞砂钻头实现逐桶出渣成孔。
旋挖钻进入岩的几种钻头图片
3、成孔设备选用
意大利土力SR-100型系列旋挖钻机的结构从功能上分，分为底盘和工作装置两大部分。钻机的主要部件有：底盘（行走机构 、底架、上车回转）、工作装置（变幅机构、桅杆总成、主卷扬、辅卷杨、动力头、随动架、钻杆、钻具等）。
SR-100型旋挖钻机结构图
1、底盘 2、变幅机构 3、桅杆总成 4、随动架 5、动力头 6、钻杆 7、钻具 8、主卷扬 9、辅卷扬
四、试钻进及技术成果整理
为获得规模施工的各项指标，同时考虑到广东沿海主要为软土地质的特点，旋挖成孔干法作业不具可操作性，现场按静态泥浆护壁湿法作业进行了试钻。通过对试钻的及时调整与理论分析，在以下几个方面取得了重要的论证和决策依据：
①适用性，旋挖成孔施工技术具备在最大桩径2m、最大桩长73m、最大软弱地层深20m、最大基岩强度≥200Mpa条件下的应用基础，实施效果可采用技术手段进行优化；
②工法及技术参数，通过试钻进，确定了同类地质条件下的旋挖工艺流程、含护筒埋设深度、护壁与清孔泥浆的配比、水头、循环工艺指标、砼浇筑工艺控制指标及护筒起拨时间等技术参数；
③工效分析，通过旋挖成孔技术在试钻阶段的应用实践，确定了旋挖钻进设备在不同基础条件下可达到的成孔工效；
④配套条件分析，确定了不同条件下旋挖成孔施工需配备的现场平台、护筒规格、操作人员、供水、供电及相匹配机械设备等条件；
⑤经济效益测算，确定了主要设备在施工过程中的最佳劳务、施工路线及油料配备，并据此测算出单位成品的成本及效益指标。
五、工艺流程及施工要点
1、工艺流程
旋挖成孔灌注桩施工工艺流程框图
2、施工要点
⑴主要设备及周转材匹配
根据桩基设计规格、土层条件、施工环境及工期要求，旋挖成孔施工配套的主要设备及周转材料详见下表：
主要设备及材料配备表
⑵泥浆池规划及泥浆指标控制
①泥浆池规划：
旋挖成孔采用集中泥浆池造浆，全标段泥浆数量由1个泥浆池制备，分阶段利用泥浆泵转移抽至其他泥浆池循环利用，现场配备泥浆搅拌机对护壁泥浆及清孔泥浆进行指标的及时调整与控制。桩基成孔施工现场按照每两个桥墩范围共用一个泥浆池及沉渣池规划，泥浆池大小按大于2.5倍桩基体积布置，具体规划详见图示。
泥浆池在钻机就位前进行开挖，每个泥浆池分沉淀池与循环池，中间用隔墙隔开，隔墙比泥浆池顶部低30cm左右，成孔作业时，利用循环池角安装的泥浆泵定时向孔内注入泥浆以保持水头，泥浆池的分区设置及隔墙应能保证清孔作业时孔内泥浆进入泥浆池后从沉淀池漫过隔墙进入循环池。
旋挖成孔桩泥浆池现场规划图示
②泥浆控制：
旋挖成孔采用桥梁钻孔常用的PHP泥浆作为护壁泥浆，施工前需选择和备足良好的造浆材料供泥浆制备，造浆量以单孔体积的2.5倍计算最小材料配备，其基准配合比可按下表选用（比重1.1）：
新鲜护壁泥浆基准配合比表
泥浆应具有良好的物理性能、流变性能和稳定性能。成孔钻进的过程中，护壁泥浆是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，以确保孔壁的稳定，其中泥浆比重起到了保持压力差的关键作用，若孔内泥浆比重过小，则护壁泥浆失去了阻挡土体坍塌的作用；当泥浆比重过大，则容易使泥浆泵堵塞甚至使砼的置换产生困难进而造成成桩质量问题。要充分发挥泥浆的作用，其指标的选取是非常重要的，这就要求在成孔施工中，根据地层的特点，合理的控制不同土层中泥浆的指标。经本项目实施总结，成孔过程中的护壁泥浆指标可参照下表使用：
护壁泥浆性能指标选择表
⑶施工过程控制
①鉆机平台
旋挖钻机自重大（SR-100型旋挖钻机装配重150T），在软基路段成孔作业及移机行走时极易因局部受力不均造成设备倾覆，对施工平台、便道的地基承载力提出了较高的要求。本项目绝大部分桩基软弱土层深度超过7m，有地基局部沉陷和钻孔偏位的风险，采用在钻机左右履带板底部各支垫一块600*150*3cm钢板，以扩散应力防止地基沉陷及塌孔事故。施工平台尺寸应大于钻机底部边长1m以上，施工前做好场地平整和压实，平台及钻机行走路线施工便道的地基承载力控制在150Kpa以上。
②护筒的制备、埋设及拨除
旋挖成孔桩基护筒采用δ＝12mm厚钢板卷制而成，按不小于于桩径20cm制作，每节高度2m并视情况焊接接长，每条护筒制作时顶部20cm范围加焊钢板，并在顶面以下10cm处设Φ6cm吊钩孔。考虑到桩孔位软弱地层较深且多处存在高承压水的特点，护筒平均长度按6m制备，为适应施工时旋挖成孔、清孔及砼浇筑作业同时进行的状况，每种桩径制备3根护筒用量以供周转使用。
护筒高出地面0.3m或孔内水面1-2m，采用人工或挖掘机开挖干孔后埋设，履带吊配合振动锤击振入的方法，在管线密集区采用人工探挖，其他区段采用挖掘机开挖约2m，吊车携振动锤夹护筒埋入已挖好的孔位，视地质情况以锤重静压或开动振动锤振入护筒，埋设后在护筒外侧回填粘土夯实，最后对就位的护筒进行检查，要求其平面位置偏差：群桩不大于10cm，单排桩不大于5cm，倾斜率不大于1%。
桩基水下砼浇筑完成并初凝后，采用吊车配合振动锤起拨护筒。
③钻机就位
钻机就位前，测定桩位和地面标高，并在桩的前后左右距中心>2m处分别打入定位钢筋设置护桩，以供随时检验桩中心及钻机对中情况，钻机开动履带行走系统，正面朝向拟开孔孔位，保证整机支垫于平台钢板平面后，安装钻头并利用钻机对中系统移动钻杆与护桩十字线对中。
④钻进成孔
开始钻进时，进尺速度需适当控制，使初成孔竖直、圆顺，防止孔位偏心、孔口坍塌。钻进过程中随时注意地层变化，捞取渣样并判断地质类别，记入钻孔记录表中。钻进过程中粘土、砂土等土层每3～5m取样一次，岩层每1m取样一次，地质变化处必须取样，每次取样不少于0.5Kg，渣样保留至分部工程结束后。
钻进时，下放钻杆至孔底，开动钻机旋转动力头，逐斗作业，在钻渣达到一定装斗容量时（容量的视地质情况确定），即可提钻卸土。提钻时将钻杆反转1～2圈，使钻斗门关闭。在将动力头抬高的同时，操纵主卷扬将钻杆、钻具提出孔口，操纵上车转至卸土位置，操作动力头下行顶开斗门，倒出渣土。如此反复作业钻进成孔。具体在各土层中钻进的注意事项如下：
粘土层钻进阻力小，吸附性强，不易脱落。因此动力头输出扭矩不宜过大，控制液压手柄高速钻进（23rpm左右为宜）。钻进时连续加压，一次进尺量由钻斗高度和直径决定，一般可装斗容的60%－90%。如果粘土的吸附力太强，导致钻渣不能倒出，可快速正反转钻杆利用惯性使渣土脱离钻斗。
淤泥层钻进时，需特别注意控制进尺速度，进入淤泥层后，旋挖钻机驱动头不再加压，钻杆适当悬空匀速钻进，保持进尺速度的同时，调整泥浆指标，并使孔内泥浆与孔壁随钻机旋转形成护壁薄层，以防止钻进时塌孔。
砂层钻进尤其中粗砂层钻进，由于地层没有胶结性，比较松散，在提升时钻斗中的砂流失比较大，钻进时阻力也较大。为了提高钻进效率，动力头钻进中可提供最大扭矩，同时点加压钻进，当动力头扭矩输出达到额定值时，应提升动力头释放压力反复钻进，直到钻斗装进一定量的渣土后起钻倒渣，开始第二回次钻进。旋挖钻机80%埋钻的事故发生在砂层。经验证明：在操作中应格外注意砂层作业，特别是施工大直径孔时更不可野蛮操作。一次钻进过深，加上混合在泥浆中的砂回落极易造成埋钻。钻进砂层时应该优先选用双层底门的捞砂钻头为佳，可最大程度避免埋钻事故。
卵石地层进尺靠钻齿旋转切入卵石间缝隙将卵石颗粒装进钻斗。钻进该层时，要持续点加压并提供最大扭矩，快速加压钻进到不能进尺时提钻倒渣，开始第二轮次钻进。
钻头进入岩层后，应适当控制加压力及钻进扭矩，进尺不宜过快，尤其在基岩与土层结合部位应保持匀速钻进，以防止岩面倾斜造成偏孔，遇到钻孔倾斜情况时，应及时提钻，抛填片石后重新钻进处理。由于施工区段基岩强度较高，在30Mpa以上基岩强度时换用筒式钻头破壁后改用短螺旋钻头碾碎基岩，再使用捞砂筒装填钻渣提出孔外卸渣。
⑤成孔检查
成孔的检查项目主要由孔径检查与孔深、孔底沉渣检查组成，分别采用检孔器及标准测锤检测。检孔器外径等于钻孔的设计孔径，长度等于孔径4～6倍，为保证探孔器能顺利到达孔底，需在主筋上加焊帮条钢筋加重。孔深和孔底沉渣采用标准测锤检测，测锤一般采用锥形锤，上小下大，锤直径10cm～20cm，高20～22cm，重量为4～6Kg。
⑷清孔
①第一次清孔：
终孔后，应立即进行组织清孔，清孔前，必须保持孔内水头以防止坍孔； 清孔分两次进行，旋挖桩首次清孔前采用钻机清孔钻头旋转刮底捞渣，底部沉渣及基岩颗粒由钻头底板斗口进入钻头，回转后关闭钻斗提升至孔外卸渣，钻机清理孔底后移至下一孔位。将泥浆管放入孔底，开动泥浆泵向孔底注入泥浆，通过泥浆置换实现清孔，达到第一次清孔泥浆指标后进行钢筋笼安装。
②第二次清孔：
第二次清孔在钢筋笼下放安装就位后进行，旋挖成孔桩二次清孔可同样采用泥浆正循环清孔置换法，首先下入砼灌注用导管至孔底，导管顶口接入泥浆泵管，由泥浆泵往孔内不断泵入新鲜泥浆，孔内沉渣由泥浆带出。清孔全过程中，需采用人工移动导管位置以保证孔底无死角，必要时使用分砂器将回流泥浆含砂率降低，以保证清孔效率和质量。
③清孔后的泥浆指标值：
清孔后的泥浆指标
清孔次数 相对密度 胶体率 粘度 含砂率 PH值
首次清孔 1.2～1.25 >98% 17～20S <2.5% 8～10
二次清孔 1.03～1.10 >98% 17～20S <2% 8～10
六、社会、经济效益
通过对试钻进成果的整理与方案优化，实施团队在旋挖施工中逐一解决了大直径、深长桩、有承压水且地下水位高、淤泥层深、含软硬相间夹层、基岩强度大、民房防震防裂要求高、工期紧、投入大等一系列技术及管理难题，单台旋挖设备从2011年5月至10月共完成桩基90根，达到了桥梁1.8～2.0m桩径平均桩长50m嵌岩桩每两天完成1根的国内领先水平，极大程度上为项目建设创造了良好的社会与经济效益，同时有效降低了高速公路桥梁建设对城镇居民环境的影响，超计划实现了各项预期目标。
结束语：笔者所在项目采用旋挖工艺应用于特殊环境下的施工实践，成桩质量情况良好，进度、成本指标完成出色，创造了较好的社会与经济效益，进一步反映了旋挖成孔技术作为常规桥梁桩基成孔施工主导技术和发展趋势的工艺特点。由于采取非水介质取土，大大减少了泥浆需求和排放，避免了环境污染；旋挖设备自行走装置及伸缩钻杆的使用，减轻了劳动强度；钻孔出土随出随运，降低了施工成本；桶式钻头旋转切土并提升卸土的工作原理，加快了成孔速度；施工过程噪音低、振动小，污染少，尤其适用于城市繁华地段及城镇居民密集区桩基作业。本文据项目实践成果总结经验，在成熟技术成果的基础上，为类似条件下桩基施工提供了一套应用性较强的方法，可供业内同行参考与借鉴。
参考文献：
[1]《探讨旋挖桩施工质量的监理》 陈炎生城市建设理论研究2011年第23期；
[2]《旋挖钻機与施工技术》 黎中银 焦生杰 吴方晓编 人民交通出版社 2010年2月；
[3]《桥梁施工专项技术手册》桂业昆 邱式中编 人民交通出版社 2004年9月；
[4]《旋挖钻钻孔施工技术》赵敫军山西科技2008年第2期；
[5]《桥梁桩基旋挖钻施工新技术的应用》刘建国岩土工程界 材料与装备2008年第12期；
[6]《旋挖钻施工技术在洋河大桥工程中的应用》王万文河北工程技术高等专科学校学报 2005年12月第4期。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：桥梁；桩基；旋挖；施工；技术；应用；
Abstract: With rapid development of global economy, infrastructure construction for broaden the scope, people-oriented and protecting the environment and related legal regulations of the idea to carry out strength have been strengthened, highway, railway, water conservancy, housing and other infrastructure construction of pile foundation especially cast-in-situ concrete foundation piles as the main form of foundation. Pile foundation construction technology; dig into whole drilling spin technology because of its high efficiency, less pollution, the features of the function, to adapt to the needs of the development of the social comprehensive, at home and abroad in the construction of pile into a hole to a wide range of applications. In recent years, along with the continuous development of the bridge construction technology, pile foundation spin dig into holes in conventional pile foundation especially city technology foundation construction has gradually become the leading technology, in the infrastructure construction areas have with the broad development prospects.
Key Words: bridge; pile foundation; spin dig; construction; technology; application;
中图分类号：TU473.1 文献标识码：A文章编号：
前 言：笔者所在的广深沿江高速公路为集中桥梁施工项目，地处广东沿海城镇居民集中区，区内主要为剥蚀性低丘陵地貌，覆土为粘性土、砂土及软土，地表以下有较深淤泥及淤泥质土层，基岩为下古生代混合片麻岩、变质岩，岩层强度大，局部基岩抗压强度达200Mpa以上。为适应穿越人口密集的城镇居民区桥梁桩基的赶工需求，笔者主持的桥梁施工项目斥资引进意大利土力SR-100型全进口旋挖钻机，在具有桩长范围区间大、有承压水且地下水位高、淤泥层较深、基岩强度大、临近民居房屋防裂及现场环保要求高、工期紧等特点的区段，采用被誉为“绿色施工工艺”的旋挖成孔灌注桩技术取得了成功，实施团队据此探索和总结其技术成果，以供业内同行参考与借鉴。
一、工程概况
广深沿江高速A2合同段B9标全线均位于东莞虎门镇平原地貌区，主要工程为6座主线高架桥，合同总额5.6亿元。2011年1月，由于受工程拆迁滞后影响，标段范围仍有三座大桥约3.3亿元工程量未开工，剩余桩基480根，设计最大孔深73m，均为嵌岩桩，设计嵌岩1～3m，持力层基岩为弱风化混合片麻岩（花岗岩类），平均岩石强度在25～60Mpa区间，少量桩基穿越夹层石英含量大，强度达200Mpa以上。地质勘探资料显示，施工路段地质条件较差，地表素填土以下存在承压力水，且存在深度不一的淤泥层，淤泥层平均深约8m，最大淤泥层深20m。
二、工艺选择与实施难点分析
1、针对剩余桩基现场分布情况及地质条件、工期等因素分析，实施团队对冲击、回旋、旋挖、人工挖孔等多种工艺进行了比对，决定选用旋挖技术作为成孔施工的主要工艺，主要考虑该工艺如下几个方面的优势：
①、成孔效率优势，根据现场地质条件及已完桩基施工经验，平均长度为50m嵌岩2m的桩基，冲击成孔平均工效为10天/孔，回旋成孔为15天/孔，旋挖成孔可达到1.5天/孔，旋挖工艺有较大的工效优势，在工程量极为集中的情况下，对实现工期目标更有保障。
②、良好的环保性，旋挖成孔工艺采用非水介质取土成孔，钻孔出渣由钻头直接带出，泥浆仅起到稳定孔壁的作用，钻削中的泥浆含量远低于其他工艺，使污染源大大减少。
③、广泛的适用性，各种成孔方式在软土或淤泥层钻进的技术要求和工效差异较小，但在硬土及岩层钻进时,由于传统钻机自重有限，不具备主动给钻头施加可控钻进压力的条件。旋挖钻机采用动力头驱动装置,动力头的加压力加上钻杆自重，能极大程度上提高钻进能力，在相同地层中成孔速度可达到常规回旋钻机的5～10倍。
④、能显著提高成桩质量，旋挖工艺仅需要静态泥浆护壁，泥浆在孔壁不会形成厚的泥皮，使孔壁表面粗糙；同时由于成孔需要钻头多次上下往复钻进与出渣，桩孔不易产生缩径,与传统的成孔工艺相比，旋挖成孔灌注桩桩身质量及承载能力有顯著提高。
2、技术难点分析：
①、设计线路多处穿越居民区及厂房，建筑物密集，多数路段桩基20m范围内即为居住房，施工极易造成房屋开裂损坏，生活区对施工扰动、防止环境污染的要求较高。
②、按照建设单位通车目标的要求，剩余工期需满足全标段桩基施工进度达到3根桩/天以上，工期极为紧张。
③、据设计图及地质资料显示，剩余桩基桩径共有5种，分别为1.3、1.5、1.6、1.8、2.0m，其中1.8、2.0m桩径占80%，桩基平均孔深约50m，最大孔深达73m，地下水位埋藏浅，有较厚的软弱土层，极易造成塌孔等事故。
④、已完成施工的桩基孔底经取芯检测，基岩强度区间大，平均强度约40Mpa，部分石英含量大的夹层强度值达到200Mpa以上，由于旋挖成孔技术在国内的研究起步较晚，国产旋挖设备几乎不具备硬质岩的嵌岩能力，旋挖工法缺乏同条件下成功应用的案例。
三、旋挖成孔的工艺原理与主要设备
1、工艺原理
桩基旋挖成孔工艺首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使钻具正确的就位至桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头，钻头回转破碎岩土,并直接将其装入钻头内,然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土,这样循环往复,不断地取土、卸土，直至钻至设计深度。
旋挖成孔施工方法又可分为干作业成孔或清水作业成孔和静态泥浆护壁成孔湿作业成孔两类。干作业成孔灌注工艺系在桩长全段地质情况较好时，直接旋挖钻进成孔的方法，在地质条件较差时，可采用下全护筒跟进无泥浆干式旋挖成孔。湿作业则采用不断注入静态泥浆稳定孔壁，逐桶旋挖钻进成孔。
2、嵌岩机理
旋挖成孔岩石破碎的机理为钻头脆性剪切碎岩方式，是在岩石颗粒边界处利用两向力即加压力和扭矩共同作用产生搓碾剪切从而导致岩石破碎的一种准静载破岩方式，常用的碎岩工具有点式或圆球形切削刃面（如装有子弹头形钻锥的短螺旋钻头、嵌岩筒钻等）。对于基岩强度相对较小的岩层，可直接通过硬岩捞砂钻头实现钻进与出渣成孔；基岩强度较大的岩层直接钻进困难时，可采用取芯钻头破除孔内岩石边缘后换用短螺旋钻头进行破碎，再采用硬岩捞砂钻头实现逐桶出渣成孔。
旋挖钻进入岩的几种钻头图片
3、成孔设备选用
意大利土力SR-100型系列旋挖钻机的结构从功能上分，分为底盘和工作装置两大部分。钻机的主要部件有：底盘（行走机构 、底架、上车回转）、工作装置（变幅机构、桅杆总成、主卷扬、辅卷杨、动力头、随动架、钻杆、钻具等）。
SR-100型旋挖钻机结构图
1、底盘 2、变幅机构 3、桅杆总成 4、随动架 5、动力头 6、钻杆 7、钻具 8、主卷扬 9、辅卷扬
四、试钻进及技术成果整理
为获得规模施工的各项指标，同时考虑到广东沿海主要为软土地质的特点，旋挖成孔干法作业不具可操作性，现场按静态泥浆护壁湿法作业进行了试钻。通过对试钻的及时调整与理论分析，在以下几个方面取得了重要的论证和决策依据：
①适用性，旋挖成孔施工技术具备在最大桩径2m、最大桩长73m、最大软弱地层深20m、最大基岩强度≥200Mpa条件下的应用基础，实施效果可采用技术手段进行优化；
②工法及技术参数，通过试钻进，确定了同类地质条件下的旋挖工艺流程、含护筒埋设深度、护壁与清孔泥浆的配比、水头、循环工艺指标、砼浇筑工艺控制指标及护筒起拨时间等技术参数；
③工效分析，通过旋挖成孔技术在试钻阶段的应用实践，确定了旋挖钻进设备在不同基础条件下可达到的成孔工效；
④配套条件分析，确定了不同条件下旋挖成孔施工需配备的现场平台、护筒规格、操作人员、供水、供电及相匹配机械设备等条件；
⑤经济效益测算，确定了主要设备在施工过程中的最佳劳务、施工路线及油料配备，并据此测算出单位成品的成本及效益指标。
五、工艺流程及施工要点
1、工艺流程
旋挖成孔灌注桩施工工艺流程框图
2、施工要点
⑴主要设备及周转材匹配
根据桩基设计规格、土层条件、施工环境及工期要求，旋挖成孔施工配套的主要设备及周转材料详见下表：
主要设备及材料配备表
⑵泥浆池规划及泥浆指标控制
①泥浆池规划：
旋挖成孔采用集中泥浆池造浆，全标段泥浆数量由1个泥浆池制备，分阶段利用泥浆泵转移抽至其他泥浆池循环利用，现场配备泥浆搅拌机对护壁泥浆及清孔泥浆进行指标的及时调整与控制。桩基成孔施工现场按照每两个桥墩范围共用一个泥浆池及沉渣池规划，泥浆池大小按大于2.5倍桩基体积布置，具体规划详见图示。
泥浆池在钻机就位前进行开挖，每个泥浆池分沉淀池与循环池，中间用隔墙隔开，隔墙比泥浆池顶部低30cm左右，成孔作业时，利用循环池角安装的泥浆泵定时向孔内注入泥浆以保持水头，泥浆池的分区设置及隔墙应能保证清孔作业时孔内泥浆进入泥浆池后从沉淀池漫过隔墙进入循环池。
旋挖成孔桩泥浆池现场规划图示
②泥浆控制：
旋挖成孔采用桥梁钻孔常用的PHP泥浆作为护壁泥浆，施工前需选择和备足良好的造浆材料供泥浆制备，造浆量以单孔体积的2.5倍计算最小材料配备，其基准配合比可按下表选用（比重1.1）：
新鲜护壁泥浆基准配合比表
泥浆应具有良好的物理性能、流变性能和稳定性能。成孔钻进的过程中，护壁泥浆是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，以确保孔壁的稳定，其中泥浆比重起到了保持压力差的关键作用，若孔内泥浆比重过小，则护壁泥浆失去了阻挡土体坍塌的作用；当泥浆比重过大，则容易使泥浆泵堵塞甚至使砼的置换产生困难进而造成成桩质量问题。要充分发挥泥浆的作用，其指标的选取是非常重要的，这就要求在成孔施工中，根据地层的特点，合理的控制不同土层中泥浆的指标。经本项目实施总结，成孔过程中的护壁泥浆指标可参照下表使用：
护壁泥浆性能指标选择表
⑶施工过程控制
①鉆机平台
旋挖钻机自重大（SR-100型旋挖钻机装配重150T），在软基路段成孔作业及移机行走时极易因局部受力不均造成设备倾覆，对施工平台、便道的地基承载力提出了较高的要求。本项目绝大部分桩基软弱土层深度超过7m，有地基局部沉陷和钻孔偏位的风险，采用在钻机左右履带板底部各支垫一块600*150*3cm钢板，以扩散应力防止地基沉陷及塌孔事故。施工平台尺寸应大于钻机底部边长1m以上，施工前做好场地平整和压实，平台及钻机行走路线施工便道的地基承载力控制在150Kpa以上。
②护筒的制备、埋设及拨除
旋挖成孔桩基护筒采用δ＝12mm厚钢板卷制而成，按不小于于桩径20cm制作，每节高度2m并视情况焊接接长，每条护筒制作时顶部20cm范围加焊钢板，并在顶面以下10cm处设Φ6cm吊钩孔。考虑到桩孔位软弱地层较深且多处存在高承压水的特点，护筒平均长度按6m制备，为适应施工时旋挖成孔、清孔及砼浇筑作业同时进行的状况，每种桩径制备3根护筒用量以供周转使用。
护筒高出地面0.3m或孔内水面1-2m，采用人工或挖掘机开挖干孔后埋设，履带吊配合振动锤击振入的方法，在管线密集区采用人工探挖，其他区段采用挖掘机开挖约2m，吊车携振动锤夹护筒埋入已挖好的孔位，视地质情况以锤重静压或开动振动锤振入护筒，埋设后在护筒外侧回填粘土夯实，最后对就位的护筒进行检查，要求其平面位置偏差：群桩不大于10cm，单排桩不大于5cm，倾斜率不大于1%。
桩基水下砼浇筑完成并初凝后，采用吊车配合振动锤起拨护筒。
③钻机就位
钻机就位前，测定桩位和地面标高，并在桩的前后左右距中心>2m处分别打入定位钢筋设置护桩，以供随时检验桩中心及钻机对中情况，钻机开动履带行走系统，正面朝向拟开孔孔位，保证整机支垫于平台钢板平面后，安装钻头并利用钻机对中系统移动钻杆与护桩十字线对中。
④钻进成孔
开始钻进时，进尺速度需适当控制，使初成孔竖直、圆顺，防止孔位偏心、孔口坍塌。钻进过程中随时注意地层变化，捞取渣样并判断地质类别，记入钻孔记录表中。钻进过程中粘土、砂土等土层每3～5m取样一次，岩层每1m取样一次，地质变化处必须取样，每次取样不少于0.5Kg，渣样保留至分部工程结束后。
钻进时，下放钻杆至孔底，开动钻机旋转动力头，逐斗作业，在钻渣达到一定装斗容量时（容量的视地质情况确定），即可提钻卸土。提钻时将钻杆反转1～2圈，使钻斗门关闭。在将动力头抬高的同时，操纵主卷扬将钻杆、钻具提出孔口，操纵上车转至卸土位置，操作动力头下行顶开斗门，倒出渣土。如此反复作业钻进成孔。具体在各土层中钻进的注意事项如下：
粘土层钻进阻力小，吸附性强，不易脱落。因此动力头输出扭矩不宜过大，控制液压手柄高速钻进（23rpm左右为宜）。钻进时连续加压，一次进尺量由钻斗高度和直径决定，一般可装斗容的60%－90%。如果粘土的吸附力太强，导致钻渣不能倒出，可快速正反转钻杆利用惯性使渣土脱离钻斗。
淤泥层钻进时，需特别注意控制进尺速度，进入淤泥层后，旋挖钻机驱动头不再加压，钻杆适当悬空匀速钻进，保持进尺速度的同时，调整泥浆指标，并使孔内泥浆与孔壁随钻机旋转形成护壁薄层，以防止钻进时塌孔。
砂层钻进尤其中粗砂层钻进，由于地层没有胶结性，比较松散，在提升时钻斗中的砂流失比较大，钻进时阻力也较大。为了提高钻进效率，动力头钻进中可提供最大扭矩，同时点加压钻进，当动力头扭矩输出达到额定值时，应提升动力头释放压力反复钻进，直到钻斗装进一定量的渣土后起钻倒渣，开始第二回次钻进。旋挖钻机80%埋钻的事故发生在砂层。经验证明：在操作中应格外注意砂层作业，特别是施工大直径孔时更不可野蛮操作。一次钻进过深，加上混合在泥浆中的砂回落极易造成埋钻。钻进砂层时应该优先选用双层底门的捞砂钻头为佳，可最大程度避免埋钻事故。
卵石地层进尺靠钻齿旋转切入卵石间缝隙将卵石颗粒装进钻斗。钻进该层时，要持续点加压并提供最大扭矩，快速加压钻进到不能进尺时提钻倒渣，开始第二轮次钻进。
钻头进入岩层后，应适当控制加压力及钻进扭矩，进尺不宜过快，尤其在基岩与土层结合部位应保持匀速钻进，以防止岩面倾斜造成偏孔，遇到钻孔倾斜情况时，应及时提钻，抛填片石后重新钻进处理。由于施工区段基岩强度较高，在30Mpa以上基岩强度时换用筒式钻头破壁后改用短螺旋钻头碾碎基岩，再使用捞砂筒装填钻渣提出孔外卸渣。
⑤成孔检查
成孔的检查项目主要由孔径检查与孔深、孔底沉渣检查组成，分别采用检孔器及标准测锤检测。检孔器外径等于钻孔的设计孔径，长度等于孔径4～6倍，为保证探孔器能顺利到达孔底，需在主筋上加焊帮条钢筋加重。孔深和孔底沉渣采用标准测锤检测，测锤一般采用锥形锤，上小下大，锤直径10cm～20cm，高20～22cm，重量为4～6Kg。
⑷清孔
①第一次清孔：
终孔后，应立即进行组织清孔，清孔前，必须保持孔内水头以防止坍孔； 清孔分两次进行，旋挖桩首次清孔前采用钻机清孔钻头旋转刮底捞渣，底部沉渣及基岩颗粒由钻头底板斗口进入钻头，回转后关闭钻斗提升至孔外卸渣，钻机清理孔底后移至下一孔位。将泥浆管放入孔底，开动泥浆泵向孔底注入泥浆，通过泥浆置换实现清孔，达到第一次清孔泥浆指标后进行钢筋笼安装。
②第二次清孔：
第二次清孔在钢筋笼下放安装就位后进行，旋挖成孔桩二次清孔可同样采用泥浆正循环清孔置换法，首先下入砼灌注用导管至孔底，导管顶口接入泥浆泵管，由泥浆泵往孔内不断泵入新鲜泥浆，孔内沉渣由泥浆带出。清孔全过程中，需采用人工移动导管位置以保证孔底无死角，必要时使用分砂器将回流泥浆含砂率降低，以保证清孔效率和质量。
③清孔后的泥浆指标值：
清孔后的泥浆指标
清孔次数 相对密度 胶体率 粘度 含砂率 PH值
首次清孔 1.2～1.25 >98% 17～20S <2.5% 8～10
二次清孔 1.03～1.10 >98% 17～20S <2% 8～10
六、社会、经济效益
通过对试钻进成果的整理与方案优化，实施团队在旋挖施工中逐一解决了大直径、深长桩、有承压水且地下水位高、淤泥层深、含软硬相间夹层、基岩强度大、民房防震防裂要求高、工期紧、投入大等一系列技术及管理难题，单台旋挖设备从2011年5月至10月共完成桩基90根，达到了桥梁1.8～2.0m桩径平均桩长50m嵌岩桩每两天完成1根的国内领先水平，极大程度上为项目建设创造了良好的社会与经济效益，同时有效降低了高速公路桥梁建设对城镇居民环境的影响，超计划实现了各项预期目标。
结束语：笔者所在项目采用旋挖工艺应用于特殊环境下的施工实践，成桩质量情况良好，进度、成本指标完成出色，创造了较好的社会与经济效益，进一步反映了旋挖成孔技术作为常规桥梁桩基成孔施工主导技术和发展趋势的工艺特点。由于采取非水介质取土，大大减少了泥浆需求和排放，避免了环境污染；旋挖设备自行走装置及伸缩钻杆的使用，减轻了劳动强度；钻孔出土随出随运，降低了施工成本；桶式钻头旋转切土并提升卸土的工作原理，加快了成孔速度；施工过程噪音低、振动小，污染少，尤其适用于城市繁华地段及城镇居民密集区桩基作业。本文据项目实践成果总结经验，在成熟技术成果的基础上，为类似条件下桩基施工提供了一套应用性较强的方法，可供业内同行参考与借鉴。
参考文献：
[1]《探讨旋挖桩施工质量的监理》 陈炎生城市建设理论研究2011年第23期；
[2]《旋挖钻機与施工技术》 黎中银 焦生杰 吴方晓编 人民交通出版社 2010年2月；
[3]《桥梁施工专项技术手册》桂业昆 邱式中编 人民交通出版社 2004年9月；
[4]《旋挖钻钻孔施工技术》赵敫军山西科技2008年第2期；
[5]《桥梁桩基旋挖钻施工新技术的应用》刘建国岩土工程界 材料与装备2008年第12期；
[6]《旋挖钻施工技术在洋河大桥工程中的应用》王万文河北工程技术高等专科学校学报 2005年12月第4期。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。