旋挖钻在卵石_泥岩地质条件下钻孔灌注桩施工

Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ工　程　技　术

旋挖钻在卵石、泥岩地质条件下钻孔灌注桩施工

徐随安１　　马友利２

（１．中铁大桥局集团第一工程有限公司；　　２．中技集团河南建筑设计分院　　河南郑州　　４５０００２）

摘　要：本文就武康铁路二线汉江特大桥东岸卵石、泥岩地层钻孔灌注桩旋挖钻孔施工的施工工艺、方法进行一些介绍。关键词：卵石　　泥岩　　钻孔桩　　旋挖中图分类号：ＴＱ６３９．２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－０５３４（２００７）０３（ａ）－００８２－０２

１　工程概况

汉江特大桥工程为“改建铁路沪汉蓉通道襄樊至胡家营增建第二线站前工程ＸＹＳ－０２标”的控制性工程，起讫里程为ＤｙＫ４＋１５３．４９～ＤｙＫ７＋４４１．６７，全长３２８８ｍ。位于既有汉江铁路桥上游１２００ｍ处，距襄十高速仙人渡公路大桥下游４０００ｍ，跨越汉江和Ｓ３０３省道。全桥位于直线段和Ｒ＝１６００ｍ的曲线上，与汉江主流斜交约２０°。大桥为单线，其１１２ｍ主跨为国内同类型桥梁之最，桥区处地质状况第四系全新统冲积粉质粘土、中砂、圆砾土、卵石土，下伏第三系泥岩、砂岩及中元古界云母片石，且卵石密集，强度高，　粒径大。共有钻孔桩４１１根，桩长从１９ｍ至４８ｍ不等；其中主桥共有４７根，直径为１．５米，东西引桥共有３６４根，其中直径为１．２５米的３３２根，１．０米的３２根。

用电、液比例伺服控制，提高了定位，钻孔的精度，避免了误操作带来的质量问题；履带底盘为扩展式，能根据现场情况对底盘进行调整，以增加钻机的整体稳定。

３　钻孔施工

３．１　钻孔施工工艺流程

旋挖钻钻孔工艺流程为：测放桩位→插打或者人工挖埋钢护筒→泥浆调制→钻机就位→钻孔至设计标高→验孔深→下探孔器→换浆清孔（必要的话）→下钢筋笼→二次清孔→灌注水下混凝土→桩基检测。３．２　钻孔泥浆

旋挖钻机采用旋挖钻头直接取土，预拌泥浆护壁。由于不具有自拌泥浆的性能，施工中需及时补充泥浆。本标段桥梁工程基础旋挖钻施工时集中设置泥浆池，泥浆拌制选用优质红粘土，经试验室配比试验确定合理的配合比，对于上层粉质粘土较厚的地层选用优质膨润土调制钻孔泥浆。泥浆通过泥浆管路输送到达施工地点。在各墩位处围砌泥浆沉淀池，满足钻机在钻孔作业过程中泥浆正常循环的需要。

泥浆的要求：泥浆应具有良好的固壁性能，泥浆造壁时失水量和含砂量小，在孔壁上形成的泥皮薄且坚韧。

泥浆的性能指标：普通粘土相对密度１．１０～１．３０、粘度１６～２２Ｐａ．ｓ含砂率≤４％、胶体率≥９５％、ＰＨ值大于６．５。泥浆的检测每天不少于一次。每次由值班技术人员负责检测并记录。如有超标应及时调整泥浆性能。３．３　主要施工工序

３．３．１　钢护筒沉设

钢护筒直径φ１．８ｍ，壁厚δ＝１０ｍｍ。钢护筒以人工挖埋法为主，考虑旋挖钻初期施工孔内水头高度，入土深度１．５—２ｍ，有效地保正护筒在整个钻孔桩施工过程中的稳定性，钢护筒埋深以能尽可能的将护筒埋设在较坚硬密实的土层中至少０．５ｍ。护筒顶高出施工地面０．３米。护筒埋设好后，周边用土质好、易于压实的粘土回填并压实。顶面铺垫砂卵石，铺设钻机轨道。四周挖设排水沟，并在墩位附近围砌泥浆沉淀池。

护筒埋设质量要求：护筒竖直，且定位准确、护筒中心线与桩中心线重合，平面偏差不大于５ｃｍ，倾斜度不大于１％。

３．３．２　钻孔施工

本工程钻孔施工以一次成孔为主，对准桩位后钻进，取满一斗渣土，提出旋转到钻机的任何一侧倒掉，根据不同的地层选取适用该地层的钻具，特别注意的是卵石层一定要先用螺旋钻头开孔，辅以筒式钻头扩孔及掏渣，且将取出的钻渣所留的空间用泥浆泵把制好的泥

２　钻机选型

汉江特大桥钻孔灌注桩施工的难点是紧密卵石地质条件下钻孔。且工期紧，汉江西岸钻孔桩大部分位于汉江大堤内，受汛期影响大，考虑到工期的需要，正式钻孔施工前分别选用大扭矩旋转钻机、冲击钻机及旋挖钻进行钻孔试验。结果显示大扭矩回旋钻机并不适合该地质条件，冲击钻机在近主河槽紧密卵石地质钻孔效率明显，而在大堤附近１＃～２０＃墩卵石粒径较小，且地下水位相对较低处旋挖钻也可以施工，且效率很高，根据试验结果我们在１＃～２０＃墩选用旋挖钻孔施工方法。机型为ＡＦ－１８０型全液压履带式钻机。２．１　ＡＦ－１８０型全液压履带式钻机基本情况

发动机：为直列６缸，水冷式柴油发动机，功率为３００匹；底盘：为通用底盘，履带底盘为扩展式，可在３．１ｍ到４．４ｍ之间调节；旋转动力箱：为双作用驱动箱，即能进行钻孔，同时又能安放套管，最大输出扭矩为１８．５ＴＭ；钻塔：为箱形钢制造，高度为２０ｍ；钻杆：为伸缩式５节自锁钻杆；卷扬机提升能力１８ｔ，液压提升能力２０ｔ，总提升能力３８ｔ。

２．２　９０ＡＦ－１８０型全液压履带式钻机施工能力

钻孔深度：最大钻深６０ｍ；钻孔直径：０．８～２．０ｍ；钻进效率：对于一般土层每台班进尺３００ｍ左右，对于小于６０Ｍｐａ的岩层每小时进尺１．５ｍ；钻进工艺：能长螺旋、短螺旋、旋挖桶钻进。适用于地下水位以上和以下的干湿成孔作业，城市施工符合环保要求。２．３　质量检控

自动水平调整：如在钻孔时因地层较软，钻塔发生倾斜偏差，钻机报警系统将会自动报警，并进行自动调整；孔深显示：在工作过程中，操作室内荧光屏上随时对钻进深度进行显示；伺服控制：对钻机的就位，对孔钻进等，采

浆注入孔中填充，保持泥浆的液面高于地下水位２ｍ以上，以加强护壁，防止塌孔。重复此工艺直至钻到该桩的设计标高。钻孔施工时，开钻时以低档慢速钻进，钻至孔口以下５ｍ后正常钻进，保证成孔垂直度。单个桥墩桩间距较小，安排钻孔顺序时，相临两孔不能同时进行钻孔作业，其中任一孔灌注混凝土完成２４小时后其相邻孔才能开始钻孔。钻孔作业应连续进行。孔内水头始终保持在地下（施工）水位以上２．０ｍ，以加强护壁，防止塌孔。钻孔过程中如遇到塌孔、偏孔、缩孔、扩孔等故障时，尽快查明原因，采取有效措施果断处理。正常钻进时参考地质资料掌握土层变化情况，及时选取钻碴样品，判断土层，记入钻孔记录表，并与地质资料进行核对。根据核对判定的土层及时调整钻机进尺。　终孔时应经过值班技术人员及监理测量孔底标高，所使用测绳必须经过校验。

３．３．３　清孔

本工程钻孔施工中，采用二次清孔工艺。第一次清孔，在钻进成孔并对孔深孔径检查合格后进行。一次清孔重点控制泥浆相对密度及含砂率两个指标：相对密度１．０５—１．２，含砂率＜４％。二次清孔待钢筋笼安装完成，水下混凝土灌注前进行。二次清孔泥浆指标控制如下：相对密度１．０３—１．１０、粘度１７—２０秒、含砂率＜２％、胶体率＞９６％。清孔方法：用泥浆置换清孔。

３．３．４　钢筋笼制做、安装

钻孔灌注桩钢筋笼采用车间分段预制，现场对接的方式施工。钢筋笼制安过程中，主要检查钢筋笼直径、主筋间距、钢筋笼顺直度、焊接质量。另外应注意声测管的顺直度及水密性。

３．３．５　灌注水下混凝土

灌注混凝土采用工地的混凝土工厂生产混凝土，应严格按照试验室提供配合比进行生产，严格控制各种拌合料的计量偏差：水泥不大于１％，砂石料不大于３％，水外加剂不大于１％。混凝土的坍落度１８￣２２ｃｍ为宜，并宜有一定的流动度；　混凝土的运输采用搅拌车进行运输的方法；　混凝土的浇注采用汽车吊机配合Ф３００ｍｍ快速卡口垂直提升导管进行。导管使用前进行水密承压和接头抗拉实验并组装编号，下放导管时小心操作，避免挂碰钢筋笼。导管安装长度建立复核和检验制度；钻孔桩混凝土坎球必须用储料斗：１．２５ｍ钻孔桩≥２．６ｍ，１．０ｍ钻孔桩≥１．９ｍ。保证首批混凝土灌注后导管埋深≥１．０ｍ；混凝土灌注前应检查其均匀性和塌落度，不符要求时可二次拌和，如二次拌和不符要求不得使用；混凝土的灌注必须连续作业，一气呵成，避免任何原

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科技咨询导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ

２００７　　ＮＯ．０７

Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ工　程　技　术

ｉｆ　ＢｙＣａｒｄＤａｔａ［ｉ］＜＞０　ｔｈｅｎ　　ｂｅｇｉｎｓｔｒｔｅｍｐ　：＝　ｉｎｔｔｏｈｅｘ（ＢｙＣａｒｄＤａｔａ［ｉ］　＋１６０，２）　；

ｓｔｒ１　：＝　ｓｔｒ１　＋　ｃｈｒ（ＳｔｒＴｏＩｎｔ（＇￥＇＋ｓｔｒｔｅｍｐ））；　　ｅｎｄ；

ｅｎｄ；　　ｅｎｄ；

文中给出了在Ｄｅｌｐｈｉ中利用ＶＢ的ＭＳＣｏｍｍ控件实现计算机与ＰＬＣ之间通信的设计思想和基本方法。该方法已成功地应用于微机与单片机组成的某门禁控制系统中。由于Ｄｅｌｐｈｉ在开发可视化环境下的控制系统时有其独特的优势，因此本系统上位机的全部应用程序采用ｄｅｌｐｈｉ开发，其通讯模块采用上述方法实现，单片机采用Ｃ及汇编语言实现，经过一段时间的现场调试及运行表明ＭＳＣｏｍｍ控件是实现通信功能的一种简单有效的方式，它使得程序简单，结构清晰，整个系统具有可靠性、实时性等优点。随着串行通信设备的不断集成化，本系统可以更好地移植于其它工业测控系统和分布式监控系统中。

了自动退出机制，如果在１秒钟之内没收到数据，则程序返回。

本示例以射频读卡器读卡模块为例，只列出串行通信中最基本的部分的代码实现过程：

串口初始化程序：ＭＳＣｏｍｍ控件的串行口可以在设计时或运行时设置，其属性的设定可以通过ｄｅｌｐｈｉ中的对象观察器或打开该控件的串行口属性设置窗口进行设定。运行时属性及方法设定如下：

ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ＴｆｒｍＣａｒｄＯｐｅｒａｔｅ．ＩｎｉｌＰｏｒｔ（ｃｏｍｍ：ＴＭＳＣｏｍｍ；ｉ：ｂｙｔｅ）：Ｂｏｏｌｅａｎ；　／／初始化串口

　ｂｅｇｉｎ　　　ｉｆ　ｃｏｍｍ．ＰｏｒｔＯｐｅｎ　　ｔｈｅｎｃｏｍｍ．ＰｏｒｔＯｐｅｎ　：＝　ｆａｌｓｅ；

　　　ｃｏｍｍ．ＣｏｍｍＰｏｒｔ　：＝ｉ；　ｃｏｍｍ．Ｓｅｔｔｉｎｇｓ　：＝　＇９６００，Ｎ，８，１＇；

　　　ｃｏｍｍ．ＩｎｐｕｔＭｏｄｅ　：＝ｃｏｍＩｎｐｕｔＭｏｄｅＢｉｎａｒｙ；

ｃｏｍｍ．ＩｎｐｕｔＬｅｎ　：＝　０；　ｃｏｍｍ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ　：＝　１０２４；　　　ｃｏｍｍ．ＯｕｔＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ　：＝　１０２４；　ｃｏｍｍ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ　：＝　０；　　　　　ｃｏｍｍ．ＯｕｔＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ　：＝　０；　　ｃｏｍｍ．ＲＴｈｒｅｓｈｏｌｄ：＝　１；

　　　ｃｏｍｍ．ＰｏｒｔＯｐｅｎ　：＝　ｔｒｕｅ；　　　ｅｎｄ；发送、接收数据并对数据进行校验：读卡器首先将ＩＣ卡的信息传给ＰＬＣ，ＰＬＣ从串口输入缓冲区内接收数据，然后自动发送一个响应帧给上位机，上位机检测到输入缓冲区的数据开始接收数据并对数据进行校验，如果用户合法，则发送一个命令给ＰＬＣ控制开、关门。命令帧的格式为开始字符、数据块、校验密码、结束字符。为了保证通信数据的正确性，上位机对接收到的数据需要进行校验，校验是通过一个校验函数来进行。校验密码就是将开始字符和数据块组成的字符串的ＡＳＣＩＩ码以字节为单位作异或运算，并将异或运算结果作为指令的一部分传送出去。

ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ＴｆｒｍＣａｒｄＯｐｅｒａｔｅ．ＲｅａｄＣａｒｄ（ｃｏｍｍ：ＴＭＳＣｏｍｍ；Ｂｌｏｃｋ：ｂｙｔｅ）：ｂｏｏｌｅａｎ；／／读卡操作

ｖａｒ

　　ＢｙＡｒＩｎＤａｔａ，ＢｙＡｒＯｕｔＤａｔａ，ＢｙＣｈｅｃｋ：ｖａｒｉａｎｔ；

　　ｉ，ｓｔａｒ，ｅｎｄｓ：　ｉｎｔｅｇｅｒ；　　ｓｔｒ１，ｓｔｒ，ｓｔｒｔｅｍｐ　：Ｓｔｒｉｎｇ；

　　ｂｅｇｉｎ／／接收数据

ｓｔａｒ　：＝　ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ（）；

ｗｈｉｌｅ　ｃｏｍｍ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ　＜　５　ｄｏｂｅｇｉｎ　　ｅｎｄｓ　：＝　ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ（）；ｉｆ（ｅｎｄｓ－ｓｔａｒ）　＞　１００　ｔｈｅｎ

ｂｅｇｉｎ　　ｒｅｓｕｌｔ　：＝　ｆａｌｓｅ；　　ｌｉｓｔｂｏｘ１．Ｉｔｅｍｓ．Ａｄｄ（＇读卡失败＇）；　　　ｅｘｉｔ；　　ｅｎｄ；

ｅｎｄ；

／／从接收缓冲区中读取字符ｉ　：＝　ｃｏｍｍ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ；

ＢｙＡｒＯｕｔＤａｔａ　：＝　ＶａｒＡｒｒａｙＣｒｅａｔｅ（［０，ｉ］，　ｖａｒｂｙｔｅ）；　ＢｙＡｒＯｕｔＤａｔａ　：＝　ｃｏｍｍ．Ｉｎｐｕｔ；

／／测试卡中数据

ｉｆ　ｂｌｏｃｋ＝４　ｔｈｅｎ　ｆｏｒ　ｉ　：＝　０　ｔｏ　１５　ｄｏｂｅｇｉｎ　　　ｓｔｒｔｅｍｐ　：＝　ｉｎｔｔｏｈｅｘ（ＢｙＣａｒｄＤａｔａ［ｉ］，２）　；

　　　　　　ｓｔｒ１　：＝　ｓｔｒ１　＋　ｃｈｒ（ＳｔｒＴｏＩｎｔ（＇￥＇＋ｓｔｒｔｅｍｐ））；　　ｅｎｄ；

ｉｆ　ｂｌｏｃｋ　＝　５　ｔｈｅｎ　　ｆｏｒ　ｉ　：＝　０　ｔｏ　１５ｄｏ

ｂｅｇｉｎ

参考文献

［１］　陈立冬，赵性初．单片微型计算机原理与接

口技术［Ｍ］．武汉：华中理工大学出版社，１９９３：１４５～１４７．

［２］　黄军，熊勇．Ｄｅｌｐｈｉ串口通信编程［Ｍ］．北

京：人民邮电出版社，２００１：７０～７４．

［３］　徐惠民，安德宁．单片微型计算机原理、

接口及应用［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社，２０００．１０：２６６～２８６．

［４］　范逸之，陈立元．Ｄｅｌｐｈｉ与ＲＳ－２３２串行通

信控制［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．６：２８～３７．

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因的中断灌注。灌注过程中随时测量和记录孔内混凝土灌注标高和导管入孔长度，提管时控制和保证导管埋入混凝土面内２￣６米深度。防止导管提升过猛，管底提离混凝土面或导管埋深过浅，造成断桩夹泥。另一方面也要防止导管埋入过深，造成导管内混凝土压不出或导管不能提升，导致混凝土灌注终止而断桩；由于本工程钻孔桩钢筋笼贯穿整个孔深，为防止钢筋笼被混凝土顶托上升，在初灌时应较深的埋管，放慢灌注速度，当混凝土面升入钢筋笼４ｍ以上后，应减少埋管深度，恢复正常灌注；在灌注过程中应认真填写灌注记录；灌注的桩顶标高应比设计值预加１．１０米以保证桩顶混凝土的质量；每根桩混凝土试件不少于两组；为减少以后凿除桩头的工作量，可在灌注结束后，混凝土终凝前，挖除多余的一段桩头，但应保留２０￣３０ｃｍ以待随后修凿。

４　钻孔施工事故的预防及处理

武康二线汉江特大桥旋挖钻钻孔施工中共出现吸钻、塌孔、漏浆等事故。处理及预防对策如下：４．１　吸钻

旋挖钻在遇到弱风化泥岩时很容易形成吸钻现象，这样不但影响钻孔进尺，同时为了能使钻渣进入筒式钻头内，钻头会在同一深度

连续旋转很长时间，这样很容易引起局部塌孔事故的发生。碰见这种情况时，向孔内抛小片石或者卵石，使得在钻头旋转的同时卵石与泥岩加以混合，以便于正常钻进。４．２　塌孔

汉江特大桥钻孔施工中由于地质复杂水文多变塌孔事故出现的频率较高。其中最为严重有：１６＃墩－２孔，因钢护筒埋置较浅（≈１ｍ），且护筒外直接回填砂土，而非不透水的粘土。因护筒底部漏浆严重，孔内水头高度严重不足，从而孔口坍塌。处理时在孔内回填粘土及沙卵石沉淀７天左右继续钻进成孔。４．３　漏浆

钻孔施工中漏浆的产生一般是因为护筒埋置较浅，且护筒外直接回填砂土，护筒周圈回填土不密实所致。较为严重的情况处理的对策是往孔内大量投放粘土块＋小片石，加大泥浆浓度，同时以正循环冲击钻大冲程冲击，将粘土块＋小片石挤入孔壁，漏浆现象基本消失后再采用旋挖钻继续钻进。对于较轻微的漏浆可采用加大孔内水头高度，增加护筒下口压力来控制。

有效的钻孔方法。相对而言旋挖钻机对于大粒径卵石钻进效率不高，但其先进的操作简化了许多施工程序，同时相对冲击钻孔节约了不少时间，卵石层中其长、短螺旋钻头及筒式钻头之间的交换使用很好的解决了进尺问题，正常情况下进尺４．５ｍ－５．０ｍ／ｈ，同时高质量的泥浆形成了较好的护壁，不容易塌孔。另外旋挖钻机钻孔时应注意：钻孔施工中应注意控制孔内外的水头差，以１．５ｍ－２．５ｍ为宜以及筒式钻头提升时孔内泥浆高度的补充。水头差过小容易形成孔内塌方，水头差过大护筒底部压力过大导致泥浆反向流动，特别是粉砂层容易形成护筒下口塌方。

参考文献

［１］　史佩栋主编．实用桩基工程手册．中国建筑

工业出版社，１９９９．５．

［２］　彭少民．混凝土结构．武汉：武汉工业大学

出版社，２００２．２４—３１．

［３］　南京工学院编著．重庆建筑工程学院．混凝

土学．中国建筑工业出版社，１９８３．

［４］　杨兴其编著．桩基静压试验研究．北京：中

国铁道出版社，２００２年．

５　结语

旋挖钻机钻孔在卵石地层的钻孔效率相对其他地质条件不是很明显，但对于汉江特大桥这种受汛期、工期严重制约的工程是行之

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