旋挖钻机技术研究.docx
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旋挖钻机技术研究
第三章旋挖钻机施工技术研究
第一节不同地质条件下施工
一、准备工作
1．场地平整
首先要进行场地平整，清除场地中的大石块、树根等杂物，在原地面上铺设宕渣，宽度在8～10m左右，厚度视原有地面的好坏程度而定：
地基较好的可以薄一些，地基很软、很差的，就需要铺的厚些，毕竟70多吨的重量要压上去的，地基不稳的话，很容易发生桩基偏位、孔斜等问题，还有可能造成钻机倾倒等安全事故。
2．测量放样，埋设护筒
场地平整好后进行测量放样，由测量人员放出桩的中心位置，然后用φ8钢筋作四角保护桩，据此埋设钢护筒并把控制桩引到护筒上用十字线标明孔的中心位置，钻机以此对中开钻。
钢护筒长度以地基的软硬程度而定，一般来说不小于2.5m；护筒的直径比桩的直径大20～40cm，便于钻头上下时不碰到护筒；护筒顶面应高于地面30cm防止孔周围的泥土，石头等杂物掉入孔内；护筒要垂直埋设，其中心线与桩位中心线重合，偏差小于5cm，护筒埋好后需再复核桩位，符合要求后用粘土分层回填并夯实，特别是护筒底角要密不透水，防止护筒下沉。
3．泥浆制备
在施工过程中，为了防止坍孔，稳定孔内水位及便于挟带钻渣，采用膨润土、粘土、水制备泥浆来进行护壁。
泥浆护壁时利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，保护孔壁的稳定，因此比重起到保持这种压力差的关键作用。
如果钻孔过程中泥浆的比重过小，泥浆护壁就容易失去阻挡土体坍塌的作用；若泥浆的比重过大，则容易使泥浆泵产生堵塞妨碍循环，对之后的清孔和浇筑砼也产生影响。
选取泥浆的指标能够充分的发挥泥浆的作用，实际工程中，根据具体地质情况，控制不同地层中泥浆的指标，数据见表1。
一般来说，工地内都不光只有旋挖钻机，还有回旋钻，冲击钻等其他的工艺施工，那么可以使用小钻机浇筑砼时前半部分时间排出的泥浆，这是小钻机二次请孔之后的泥浆，粘性很好，适当的加大比重之后就可以使用了。
准备的泥浆数量不少于两个孔的方量，才能循环起来施工。
表1不同地质中的泥浆指标
泥浆指标
淤泥粘土、亚粘土
细砂
粗砂、沙砾
卵石、岩石
比重
1.1～1.2
1.05～1.20
1.2～1.4
1.4～1.5
粘度
19～20
18～20
21～24
25～28
静切力
1.0～2.5
1.0～2.5
2.0～4.0
3.0～5.0
含砂率
﹤4
﹤4
﹤4
﹤4
塑性指数
﹥15
﹥15
﹥15
>15
二、钻孔成孔
钻机采用旋筒式钻头，泥浆不循环的情况下直接出土的方式进行。
钻机就位后，调整钻杆垂直度，通过护筒上的标记拉十字线找准桩位，钻头对准桩位后开钻。
钻进过程中要持续加入调制好的泥浆进行，钻头下降到预定深度后旋转切土并施加压力，将土挤入钻头中，待筒满后钻头反向旋转关闭底部，提升钻头将土卸于指定地点，要及时运走，避免堆积过多影响施工。
如此反复通过钻头的旋转、削土、提升、卸土直至成孔。
在地层条件较好情况下如：
粘土、亚粘土等地层中，旋挖钻机每小时可以钻进10m，以50m的孔来说，5个小时左右就可以成孔。
像甘肃西长风高速公路4标，地处黄土高原，项目路线绝大部分地区位于黄土塬区，地势平坦，地貌构造简单，塬区地表以下10m范围内为上更新统马兰黄土，具湿陷性，其下1.5～2.5m厚粉质粘土，局部具弱湿陷性，终孔在中更新统离石黄土。
全线地质情况很好，平均桩长28m，成孔速度很快，2～3个小时就能打出来1根，而且无需泥浆护壁干打成孔，也不会坍孔，因此在这里更能体现旋挖钻机的优越性：
成孔快速度，效率高。
从准备上就少了很多，不用制备泥浆，现场只需将黄土铺平，埋设的胡同只有1.5m长，钻机站立位置加铺一块后钢板就可以了。
施工中遇到的唯一问题就是孔底的浮土，实际成孔过程中，钻头的上下会挂擦孔壁，使土落到了孔底，而钻头底部也不是平的，并不能将切土全部提上来，这就使孔底积累了浮土。
像这种不用泥浆的干打孔，孔底必须要夯实，不允许有浮土出现，不然灌注砼时会夹在砼中间形成夹层，对桩质量有影响。
考虑到孔深较深，人工下去夯实并不安全，最终经过讨论、商议，采取如下办法来解决：
提升钻头时尽量不要碰到孔壁，防止将孔壁上的土刮下；成孔后用钻头将孔底渣土压实，多压实几次；下钢筋笼、导管时也要注意，不要碰到孔壁等措施来避免孔底浮土增加而导致的砼夹层出现。
如果工程地层松散，就要控制进尺速度，做到轻提慢放，每次进尺三分之二左右，还要保证泥浆不间断，而且比重要偏大些。
北仑大碶疏港高速公路软土地段，表层分布软塑冲海积亚粘土，层厚为0.5～2.8m，上部分布厚层海积软土，层厚约16.7～46.3m，中部为淤泥质粘土层，向下为粘土层或亚粘土层，夹有4～8m圆砾层，再向下为持力的卵石层，部分区域还有2m左右含圆砾亚粘土层，地质情况较复杂，平均桩长55m。
圆砾层、卵石层这些地层不注意的话就很容易扩孔，甚至会坍孔，因此钻到这一层时就要放慢速度，并随时注意孔内的变化。
接近终孔时，应减少回次进尺量，逐渐把孔底的粘稠泥浆掏出，达至终孔深度时，要稍稍停滞，使泥浆中的悬浮物沉降后用钻头捞出。
项目部采用的是进口检孔仪器进行检孔，孔的倾斜度能很明显的看出，这就要求钻孔时钻杆一定要垂直，这样打出的孔才能满足要求。
由于地层中夹有圆砾、卵石层，钻头钻到这一层，碰到大一些的卵石就会将钻头挤偏离中心，使得孔的倾斜度超出规范要求。
开始时一直是认为钻杆没有调垂直或者是场地不平引起的，于是就专门安排人观察是否钻杆发生倾斜，如果倾斜了立即调整，用钻机的电脑和人工挂线垂来同时双重控制，场地用厚宕渣铺设，再加铺两块走道板保证钻机稳定，可是即使是这样，打出来的孔还是有倾斜。
经过了几个孔之后才发现原来是地层的原因，那么每次打到圆砾、卵石层时都要放慢速度，随时可以进行调整，这样做时间会长些，但是保证了孔的倾斜度，不用再返工扫孔，也节省了很多时间。
遇到这种地层就需要耐心，多加注意，因此成孔的时间相应的就会增加，以50m的孔来说，就会增加1～2小时才能成孔。
舟山大陆连岛工程宁波连接线项目，上跨宁波市化学工业园区道路、管廊带、新泓口河、骆霞线，下穿宁波绕城高速公路东段，再上跨镇骆公路，全长3845m。
该工程区域内地质稳定性、连续性较好，地下水对混凝土无腐蚀性，地表为素填土，土质较好，钻机坐在上边不会发生沉陷现象，地质情况为：
淤泥质亚粘土，亚粘土，之间夹有8～10m的粉砂或细砂层，2～5m粗砂层，终孔在中细砂层中，平均桩长57m。
总体来说地层情况要好于北仑疏港项目，但对于砂层、淤泥层来说，如果钻进速度过快容易造成孔壁径缩、坍塌等现象发生，因此钻进过程中要根据地层的变化来控制进尺速度和扭矩，严格控制钻进速度，升降速度一般保持在0.75～0.8m/s。
这就要求钻机操作工时刻关注地层变化，在进入淤泥层、砂层时，放慢钻进、提升速度，宁可钻进时间长些，也要保证孔的质量；由于夹有砂层的缘故，泥浆的各种指标都会增加，虽然这对于护壁有好处，但会使得清孔时的难度加大，因此在钻孔时就要控制好泥浆指标，适当时候在泥浆里加入清水，以保证泥浆质量，同时也为清孔做好准备。
北仑和镇海这两个项目有一个共同点，就是为了防止护筒底部漏泥浆坍孔，埋设的护筒都比较长，有5～6m，这么长的护筒单用吊机拔不起来，配合一台挖机摇动的话，桩顶砼又会被摇散，影响桩基质量，因此解决方法就是加大吊机吨位，或用两台吊机配合起吊。
第二节旋挖钻机施工质量控制
一、施工注意事项
桩基的成孔质量直接影响桩基的整体质量，这就对钻孔的质量要求很高，因此必须注意以下几点：
1．护筒的埋设、泥浆的制备、钻孔的清孔要有专人负责，严禁缩颈、夹层、歪斜等质量通病。
2．配合放样人员认真复核桩位，并在护筒就位、钻机就位及钻进过程中随时检查，防止偏位发生。
3．桩的钻孔和开孔，只有在距离该桩的中心距离5m内的其它任何桩的混凝土浇筑24小时后才能进行。
4．桩位放好后要先打好保护桩，保护桩一定要保护好，选在远离护筒且施工时碰不到的地方，埋设护筒、钻头对中开钻、钢筋笼定位等都要根据保护桩来确定桩的中心位置。
5．钻孔过程中，要密切注意地层的变化，进尺有突变或其它异常情况要立即停止施工，找清楚原因，采取有效措施后，才能继续施工。
6．钻孔过程中，护筒周围1m以内禁止堆土，挖出的土及时运走。
7．为防止钻斗内的土砂掉落到孔内，使泥浆性质变坏或沉淀到孔底，斗底活门在钻进过程中始终应保持关闭状态。
8．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；在易缩颈的地层中应适当增加扫孔次数；对硬地层要快速钻进，提高效率；砂层则需慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。
9．钻孔时要时刻注意钻杆竖直，采用电脑和人工挂线垂双重控制，保证成孔的倾斜度。
10．钻孔时，要时刻注意泥浆面，不能低于护筒底部，以保证孔壁稳定，防止坍孔；钻机因故停止钻孔时，应设专人值班补浆，防止泥浆过少而坍孔。
11．成孔后要及时灌注，不得长时间放置，以免造成缩径和坍孔。
二、旋挖钻机施工常见问题分析及防治
1．护筒下沉
原因分析：
①埋设护筒时回填土不密实；②护筒水位差太大；③钻头起落时碰撞护筒。
防治措施：
①埋设护筒时坑底与四周要选用最佳含水量的粘土分层夯实；②在护筒适当高度开孔，使护筒内保持有1～1.5m水头高度；③提升下落钻头时，操作工要集中注意力，放慢速度，避免钻头碰撞护筒。
处理措施：
开钻初发现护筒冒水时可用粘土在四周填实加固；如果钻进过程中发现护筒下沉或位移，则应用钢丝绳将护筒固定在钻机上或拴在长度大于护筒直径的枕木上，尽快成孔、成桩。
2．钻进极慢或不进尺
在硬土层中钻进极慢，一般为8～10m，占大部分单桩钻进时间。
原因分析：
①钻头选型不当，刀片磨损严重、切土过浅；②泥浆比重过大，钻头被粘土糊满。
防治措施：
①更换或改造钻头，重新安排刀具角度、形状、排列方向；②清理钻头，降低泥浆比重或改用钻进方式。
3．桩孔孔壁坍塌
成孔中或成孔后，孔壁不同程度塌落，成孔中排出的泥浆不断出现气泡，或护筒内的水位突然下降，均为塌孔的兆头。
原因分析：
①土质松散，护筒埋设不好，筒内水位不高；②泥浆护壁不好；③钢筋笼变形或安装时，挂擦孔壁，致使泥浆护壁变薄；④成孔后待灌时间太长或灌注时间太长等都易引起钻孔下部坍塌。
防治措施：
①在松散易坍塌土层中适当埋深护筒，密实回填土，注意补给泥浆保持要求的水头高度；②使用优质泥浆，提高泥浆比重和粘度；③保证钢筋笼制作质量，防止变形；安装时要对准孔位，吊直扶稳缓缓下沉，防止碰撞孔壁；④成孔后待灌时间一般不超过3h，并尽可能加快灌注速度缩短灌注时间。
处理措施：
在钢筋笼未下孔内的情况下，将砂、粘土混合物回填至坍塌处向上1～2m的位置重新成孔，或全孔回填并密实后再用原钻头和优质泥浆扫孔；在钢筋笼碰到孔壁而引起轻微坍塌的情况下，用直径小于钢筋笼内径的钻头以优质泥浆扫孔或用导管清孔。
4．桩孔局部缩颈
局部缩颈是指局部孔径小于设计孔径。
原因分析：
①泥浆性能欠佳，失水量大，引起塑性土层吸水膨胀，或形成疏松蜂窝状厚层泥皮；②邻桩施工间距不当，土层中应力尚未消散，新孔孔壁软土流失；③钻头直径磨损过大。
防治措施：
①采用优质泥浆，控制泥浆比重和粘度，降低失水量；②当设计桩距<4D时应跳隔1～2根桩施工，新桩尽可能在邻桩成桩36h后开钻；③钻头磨损过大的补足钻头直径，随时检查钻头是否有磨损。
处理措施：
用泥浆和足尺寸钻头扫孔，扫通后尽快灌注砼。
5．桩孔偏移倾斜
成孔后桩孔出现较大垂直偏差或弯曲。
原因分析：
①钻机安装不平或钻机下有虚土产生不均匀沉陷；②桩架不稳，钻杆导架垂直，钻机磨损，部件松动；③护筒埋设偏斜，钻杆弯曲，主动钻杆倾斜；④遇到旧基础或大石等地下障碍物，土层软硬不均或基岩倾斜。
防治措施：
①钻机安装水平、稳固，钻头中心和护筒中心一条线，钻机所站立位置用宕渣铺垫，上面铺好钢板；②定期检查钻机部件，进行维修和保养；③护筒埋设时要垂直、不偏斜，保证钻杆垂直，采用线垂和电脑双控制；④采用沉井、控孔桩等方式清除地下障碍物。
处理措施：
发生偏斜超出规范要求时，用粘土或砂、料土混合物回填偏斜位置以上1～2m处，待密实后重新成孔。
6．孔底沉渣过多
孔底沉积淤泥，残留泥沙过厚或孔壁泥土塌落在孔底。
原因分析：
①清空不干净，清空泥浆比重过小或清水换置；②钢筋笼吊放时未垂直对中，碰刮孔壁泥土塌落孔底；③清孔后待灌时间太长，泥浆沉淀；④沉渣厚度测量参照面不一致。
防治措施：
①打好最后一斗土后，用钻头挤压孔底使其密实；清孔采用优质泥浆，控制泥浆比重和粘度不要直接用清水置换；②钢筋笼放入空中要垂直居中，尽量避免碰到孔壁；③减少等待时间，并尽可能加快灌注速度缩短灌注时间；④注意选择同意参照面进行测量。
处理措施：
采用导管二次清孔，循环时间以导管内测量的孔底沉渣厚度达到规范要求为准；提高混凝土初灌时对孔底的冲击力，导管底端距孔底控制在30～40cm，初灌砼量必须满足导管底端能埋入砼中1m以上的要求。
7．孔内漏浆
原因分析：
①埋设护筒回填土时未填实，底部有空隙，致使泥浆从护筒底部漏出；②卵石层或流砂等地层，地质条件不好，也很容易漏浆。
防治措施：
①埋护筒回填土时，要用粘土将护筒底角填密实；②提前了解地质资料，钻到特殊底层时放慢速度，时刻注意孔内变化。
处理措施：
孔内漏浆，需要用水泥、粘土、或砂和粘土的混合物回填至略高于漏浆位置，并用钻头在漏浆位置反复旋转，挤压回填物使其堵住漏浆处，待不再漏浆后，继续成孔。
三、工程实例
旋挖钻机打孔打的多了，遇到的问题也就不少。
我们在宁波北仑大碶疏港二标施工的时候，C匝道桥有一根桩打到50多米时，忽然发现孔内漏浆较严重，泥浆面很快就降到了护筒底以下，而旁边不远处就是一个22万伏高压电线架的基础，若孔坍塌的话，那么高压塔基础也可能会随之坍塌，高压电线架也会倒掉，后果不堪设想。
我们的处理措施是：
先向护筒内加入泥浆，使泥浆面升到护筒内部，然后用粘土回填至漏浆处，将十几包袋装水泥倒入孔中，并用钻头在漏浆位置反复上下及旋转钻头，同时增加泥浆比重，直至护筒内泥浆面不再下降，说明漏浆处已经被粘土和水泥堵住，问题解决，迅速成孔，用最短的时间下好钢筋笼和浇筑好混凝土，这样很危险的一个孔就顺利的完成了。
第三节设备的维修及保养
旋挖钻机主要靠平时的保养来保证钻机的高频率使用，操作时按规范操作，定期检查各部分配件有无松动，是否需要加油等，同时也要注意各种油品的更换周期。
1．柴油：
油水分离器每天排放一次；油箱底部每天排放一次，每半年清洗一次油箱；柴油滤芯根据需要或每250小时更换一次。
2．发动机机油：
首次50小时更换机油和滤芯，以后正常每250小时更换机油和滤芯。
3．发动机冷却液：
发动机冷却液每2000小时更换一次；滤芯每1500小时或一年更换一次。
4．齿轮油：
动力头每2000小时更换一次；动力头减速机首次50个工作小时更换，以后没2000小时更换一次；卷扬机首次50小时更换，以后每2000小时更换一次，主卷扬最好1000小时就更换；最终传动首次50工作小时更换，以后每500小时检查高度，每3000小时更换一次；机身回转减速机首次50工作小时更换，以后每50小时检查高度，每3000小时更换一次。
5．液压油：
液压油每3000小时更换一次；液压油滤芯每500小时更换一次。
6．润滑脂：
钻杆轴承和牵引器每天打一次黄油；各铰座每两个台班打一次黄油；机身回转轴每月打一次黄油。
7．钢丝绳：
每台班检查是否有磨损及磨损情况，根据实际情况打黄油或更换。
如果平时能够按要求及时保养和按规范操作钻机，就可以减少钻机发生故障的频率，提高了钻机的使用效率，节省不少成本。
第五章旋挖钻机功效评价
目前国内常用的钻孔方法有很多，各种方法都有它的优越性和局限性，这里只对正循环回旋钻、冲击钻和旋挖钻三种工地中常用的方法进行比较，见表2
表2几种钻孔方法之间的比较
成孔方法
主要施工工艺
适用地质及施工特点
施工局限
正循环回旋钻机
利用钻具旋转切土钻进，泥浆泵将泥浆压进泥浆笼头，通过钻杆中心从钻头喷入孔内，泥浆携带钻渣沿钻孔从孔顶部排出，至泥浆池。
适用于土层、泥沙层，不适用强度在中风化以上的岩层。
钻进速度较快，成本较小。
需设泥浆槽、泥浆沉淀池，占地大，机具笨重，搬家不方便，耗电量大，对环境影响大
冲击钻机
用卷扬机在冲桩架上挂冲击锤，利用冲击锤自重冲出成孔，泥浆护壁
适用于各类土层、卵石层及岩层。
成本小，岩层中有很大优势
需设泥浆池，沉淀池，成孔速度不理想，易偏孔、易掉锤，大直径孔须分级扩孔，冲击振动干扰大
旋挖钻机
钻机就位—调整钻杆—钻头旋转切土—提斗弃土—成孔
适用于各类土层，砂层，软石层，卵石层。
成孔速度快，移位方便，对环境污染小，噪音小，效率高
岩层施工难度大，桩长桩径受限制较大，柴油耗量大，成本高，维修不方便
由表中可以看出，旋挖钻机较之传统工艺有着很多优点，自然也就成为了每个施工项目的首选，特别是对于工期紧张、环境条件受到限制的工程来说，旋挖钻机的优越性就更能体现。
另外，许多人认为旋挖钻机比传统循环钻机的钻孔直径更大、深度更深，其实这是一个误区。
通常旋挖钻机适合的钻孔深度在50～60m之间，钻孔直径都在2m以内，大多数是在1.8m以内，1.5m最为合适；而国产的正循环回旋钻机和冲击钻的钻孔深度可达上百米，钻孔直径可达到3m。
而旋挖钻机几乎做不到，这是由钻机的结构所决定的。
旋挖钻机的取土依靠伸缩钻杆，当孔深加大时，必然要使用更长的钻杆，而钻杆加长必然会造成钻杆自重的增加，这样考虑整机平衡使得设备成本增高。
另外，如果钻深过大，将造成在孔内钻进时间大大少于提钻卸土等辅助时间，使得工效大打折扣。
虽然旋挖钻机的钻孔深度和直径相对于循环钻机没有优势，但是在工效、环保、移位，尤其是地层适应能力等方面占有绝对的优势，而这些特点正好能解决基础施工中最常见的问题
通过以往工地的实际情况来看，
1．时间上：
旋挖钻机月生产量能达到3000m，而其他两种钻机月生产量只有500m，甚至更少，效率几乎是6倍以上。
2．环境上：
旋挖钻机施工需要考虑的土的安置问题，而回旋钻机和冲击钻要考虑的是泥浆的排放问题，可见土要比泥浆容易安置，污染性要比泥浆小很多。
本来旋挖钻机的成孔成本就低于回旋钻机和冲击钻机，如再考虑扩孔系数、混凝土节约、弃渣运输费用低，加上工期、环境等因素，那么对施工单位来说，就实现了施工信誉和降低成本的双赢目标。
通过分析不难看出，旋挖钻机的施工工艺已经非常成熟，与传统钻机比较，不仅在技术上具有巨大的优势，还能降低工程成本，从经济角度上也是非常可行的，并能在环保施工方面做到与国际接轨。
综上可以看出旋挖钻机具有广阔的应用前景，相信在不久的将来，施工现场将展现出旋挖钻机越来越多的身影。
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