李紅星 黃鵬 王佳

(中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢 430040)

1 概述

為了經(jīng)濟穩(wěn)定增加，提高人民生活水平，保障人們?nèi)粘Ｉ罘奖悖诳深A見的將來，大江大河上、島礁之間的橋梁、城市之間的軌道交通及高層建筑等建(構)筑物會越來越多。鉆孔灌注樁因具有“顯著提高單樁承載力，減少樁和承臺數(shù)量，降低成本;使用靈活、受力明確、計算簡潔”等優(yōu)點，在上述建(構)筑物基礎中得到了廣泛的應用，且樁直徑、樁長越來越大。

作者從事跨江、跨海橋梁、軌道交通及高層建筑等建(構)筑物施工中機械生產(chǎn)和管理工作多年，對旋挖工法在鉆孔灌注樁成孔方面的幾個關鍵問題拋磚引玉，供同行在施工設備選型時借鑒與參考。

2 旋挖工法

旋挖工法是指以旋挖鉆機為基礎設備的成孔工藝。旋挖鉆機的英文名稱為Rotary Drilling Rig，是指能附帶鉆動套管的驅(qū)動機構、配備旋挖斗、短螺旋鉆頭、全液壓驅(qū)動、具有大扭矩輸出的履帶式鉆機。這種鉆機在1947年由美國開發(fā)的回轉(zhuǎn)斗鉆機的基礎上改進發(fā)展而來的。旋挖工法的優(yōu)勢如下:

1)在土層中成孔效率高。在堅硬、密實、卵石、碎石、漂石及塊石地層中，由于傳統(tǒng)鉆機的自重有限，不可能給鉆頭施加更大的鉆進壓力。而旋挖鉆機采用動力頭裝置(見圖1)，動力頭裝置將加壓力傳遞給鉆桿，加壓力加上鉆桿的重量形成鉆進壓力。鉆進壓力大，鉆進能力強。一般來說，在相同的地層中，旋挖鉆機的成孔速度是回旋鉆機成孔速度的5倍以上。

圖1 旋挖鉆機工作時加壓力、彎矩及扭矩圖

2)環(huán)保性好。傳統(tǒng)鉆機采用泥漿正、反循環(huán)方式，依靠泥漿攜帶鉆渣而鉆進成孔，因為成孔時需要泥漿，所以泥漿產(chǎn)生的污染處理成本高。而現(xiàn)在對工程建設的環(huán)保要求越來越嚴格，使得傳統(tǒng)鉆機面臨要求嚴格的環(huán)保危機。旋挖鉆機采用動力頭形式，其工作原理是通過旋挖斗、短螺旋鉆頭，利用強大的扭矩直接將土、砂礫等旋轉(zhuǎn)挖掘(見圖1)，然后快速提到孔外。對于物理力學性能參數(shù)高的地層，不需要泥漿護壁實現(xiàn)干法成孔。即使需要泥漿護壁的土層，泥漿也只起到維護孔壁穩(wěn)定性的作用。所以，旋挖工法中泥漿用量少，污染源大大減少，保護了環(huán)境，施工成本降低。正因為旋挖工法能干法成孔，從2001年6月開始的，在生態(tài)環(huán)境十分脆弱敏感的青藏鐵路樁基施工中，主要采用旋挖工法中的干成孔工藝，保證了青藏鐵路沿線生態(tài)環(huán)境的原始性。

3 旋挖工法關鍵問題的探討

3.1 旋挖工法是否適合于巖層

從已有施工實踐看，旋挖工法適合于粘土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的土層中鉆進成孔。旋挖鉆機單機價格高，一般起步價300萬元，最佳使用年限5年，設備折舊費高，造成旋挖工法成孔單價高，但由于旋挖鉆機的成孔速度是回旋鉆機成孔速度的5倍以上，對于講究高周轉(zhuǎn)的房地產(chǎn)開發(fā)商來說，旋挖工法性價比高。同樣，如果對鉆孔灌注樁施工進度要求高的建(構)筑物工程，建議在成孔中使用旋挖工法。

橋梁、軌道交通及高層建筑等建(構)筑物的安全使用年限為百年，所以，樁端需嵌入中風化層甚至微風化層數(shù)米，可以用旋挖工法進行嵌巖段施工。但如果樁基礎全孔段為軟巖、較軟巖及以上，則用旋挖工法成孔值得探討。如圖1所示，旋挖工法在孔口通過動力頭，產(chǎn)生加壓力。加壓力、鉆桿重量形成鉆進壓力。而鉆桿重量僅占鉆進壓力的小部分，絕大多數(shù)的鉆進壓力由動力頭產(chǎn)生的加壓力承擔。此時，在孔口產(chǎn)生的加壓力和孔底產(chǎn)生的、阻礙鉆桿嵌巖阻力的共同作用下，鉆桿中產(chǎn)生彎矩(MB)。如果鉆桿的剛度不夠，則在成孔過程中，鉆桿會彎曲。這種彎曲不僅難以測量，而且由于累積誤差，導致孔壁傾斜，使孔壁垂直度偏差超過1%的規(guī)定。這種由于樁基礎全孔段為軟巖、較軟巖及以上，導致孔底偏差超過數(shù)米的案例在施工實踐中經(jīng)常遇到。解決辦法是回填，用另外成孔工藝重新成孔，不僅大大增加了施工成本，而且延誤了工期。

3.2 旋挖工法破巖鉆進理論計算

根據(jù)施工實踐，旋挖鉆機穿越第四系土層時，旋挖鉆機旋挖斗活門底板或短螺旋鉆頭上的切削刃用斗齒。當旋挖鉆機穿越巖石單軸飽和抗壓強度20 MPa以內(nèi)的巖層，活門底板或短螺旋鉆頭上的切削刃用截齒。旋挖鉆機穿越巖石單軸飽和抗壓強度20 MPa以上巖層，旋挖斗的邊緣加切削刃，俗稱筒鉆，此時，巖石單軸飽和抗壓強度60 MPa以內(nèi)，切削刃用截齒;巖石單軸飽和抗壓強度60 MPa以上，切削刃用牙輪齒。

無論用截齒，還是牙輪齒，破巖前必須齒尖先楔入巖層內(nèi)，此時，鉆進壓力P按下式確定(見圖2)。

其中，P為旋挖鉆機提供的鉆進壓力;α為P1與水平面的夾角;P1為平行于截齒齒尖或牙輪齒齒尖的鉆進壓力分量;P2為垂直于截齒齒尖或牙輪齒齒尖的鉆進壓力分量;S為每個截齒或牙輪齒與混凝土接觸的齒尖面積;fcu為巖石單軸飽和抗壓強度。

當齒尖所受到的壓強不小于巖石單軸飽和抗壓強度時，齒尖楔入巖層表面進入巖層內(nèi)部。因為巖石單軸飽和抗壓強度大于巖石飽和抗剪強度，當齒尖隨鉆桿旋轉(zhuǎn)時，在扭矩(MT)作用下，楔入巖層內(nèi)部的齒尖在巖層內(nèi)部進行切削作用，對巖層進行剪切破壞，把孔內(nèi)巖層與孔外巖層分離開來。

由上式計算得到的鉆進壓力，減去鉆桿重量，即為動力頭裝置所需要提供的加壓力(FV)。

圖2 截齒所受的鉆壓力分解示意圖

3.3 旋挖工法時泥漿密度理論計算

在旋挖工法成孔過程中，當把樁直徑范圍內(nèi)的土體清除時，相當于擋土結(jié)構離開土體的方向位移，此時，會在土體中產(chǎn)生主動土壓力，可用朗肯土壓力公式計算此時的土壓力。在主動土壓力作用下，引起孔壁坍塌或孔壁向孔內(nèi)位移。另外，場地面上發(fā)育地下水，在地下水壓力作用下，也會引起孔壁坍塌或孔壁向孔內(nèi)位移。最后，樁位附近的成孔施工機械會增加地層的附加力，即地面荷載也會導致孔壁坍塌或孔壁向孔內(nèi)位移。

為了確保成孔時孔壁的穩(wěn)定性，人們通常在孔內(nèi)補充泥漿。泥漿具有平衡主動土壓力、地下水壓力、地面荷載，從而阻止孔壁坍塌或孔壁土體向孔內(nèi)位移、維持孔壁的穩(wěn)定。另外，泥漿還具有懸浮攜帶鉆渣、降低鉆頭溫度、潤滑鉆頭等作用。因此，泥漿是樁基礎成孔時必備材料之一，在實踐工程中，泥漿性能指標主要有密度、粘度、含砂率。在3個泥漿性能指標中，其中密度的參數(shù)可以通過理論計算獲得。只要所計算地層底的泥漿壓力≥主動土壓力+地下水壓力+地面荷載，則能確保整個所計算土層段孔壁的穩(wěn)定。

其中，σak為土中豎向應力標準值，kPa;Ka，i為第 i層土的主動土壓力系數(shù);ci為第i層土的粘聚力，kPa;φi為內(nèi)摩擦角，(°)。

其中，σac為淤泥自重產(chǎn)生的豎向總應力，kPa;Δσk，j為計算點所在地層上覆第j個土層附加荷載作用下計算點的土中附加豎向應力標準值，kPa;q0為成孔時，樁位附近場地面上均布附加荷載標準值，kPa。

為了確保成孔時孔壁的穩(wěn)定性，必須滿足如下公式:

其中，H為泥漿高度，m;γ泥為泥漿密度，kN/m3。

在實踐中，采用水土合算，基于主動土壓力、地下水壓力及地面荷載的泥漿密度理論計算方法及計算公式得出的泥漿密度值偏大。應用時，應減去 0.3 g/cm3～0.5 g/cm3。

3.4 旋挖工法鉆孔灌注樁的樁長、樁徑

隨著橋梁、軌道交通及高層建筑等建(構)筑物規(guī)模的日益擴大，樁長不小于90 m的超長、樁直徑不小于2.5 m的大直徑鉆孔灌注樁越來越多。

旋挖鉆機的鉆桿分為兩種:一種是互鎖式鉆桿，標準型3節(jié)～4節(jié)鉆桿，允許每節(jié)鉆桿傳遞全部扭矩，最大鉆孔深度100 m;另一種是摩阻式鉆桿，不可鎖，標準型5節(jié)鉆桿，在縮減扭矩模式下工作，最大鉆孔深度120 m。鉆孔灌注樁直徑越大，旋挖斗或短螺旋鉆頭切削巖層所需要的扭矩就越大，而此時如果樁越長，所需要鉆桿數(shù)量就越多。但容納鉆桿空間是有限的，所以，只能減薄鉆桿壁。鉆桿壁薄，如果鉆桿的剛度沒有相應增加，在成孔中易發(fā)生鉆桿折斷的事故。

樁越長，樁直徑越大，切削刃楔入、剪切破碎巖層時阻力越大，需要增加扭矩和加壓力。于是，勢必增加動力頭性能及鉆桿的剛度，來輸出、傳遞更大的扭矩和加壓力。這樣，設備的重量就會增加，導致對場地要求增加。表現(xiàn)在兩個方面:如果在水上，則搭建鋼棧橋的鋼管樁的壁厚、埋入地層中的深度要增加，貝雷桁架的力學強度要增加，橋面板厚度要增加，上述做法皆要增加鋼棧橋的成本;如果在陸地上，則對場地的承載力要求提高，自然也會增加提高場地承載力的費用。

對于超長、大直徑鉆孔灌注樁，用旋挖工法成孔時，加壓力增大，會在鉆桿中形成更大的彎矩MB，導致孔壁傾斜更加嚴重。

所以，總結(jié)作者多年旋挖工法施工實踐，性價比最好的旋挖工法是對樁直徑不大于2 m，不大于60 m的鉆孔灌注樁。

4 結(jié)語

1)旋挖工法盡管施工單價高，但在土層中成孔效率高。

2)旋挖工法的鉆進壓力由動力頭產(chǎn)生的加壓力和鉆桿重量產(chǎn)生。旋挖工法采用楔入、剪切破壞兩種破巖方式鉆進，前提是切削刃的齒尖壓強不小于巖石單軸飽和抗壓強度。

3)旋挖工法在孔口產(chǎn)生的加壓力和孔底產(chǎn)生的、阻礙鉆桿嵌巖阻力的共同作用下，在鉆桿中產(chǎn)生彎矩，這種彎矩會導致孔壁傾斜。

4)采用水土合算，基于主動土壓力、地下水壓力及地面荷載的泥漿密度理論計算方法及計算公式得出的泥漿密度值偏大。應用時，應減去 0.3 g/cm3～0.5 g/cm3。

5)性價比最好的旋挖工法是對樁直徑不大于2 m，不大于60 m的鉆孔灌注樁。