旋挖钻机施工工法及技术.docx
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旋挖钻机施工工法及技术
旋挖钻机施工工法及技术
旋挖钻机常用工法装备
1.凯氏钻杆配钻具工法及装备
2.钢护筒驱动工法及装备
3.配摇管机工法及装备
4.反循环工法及装备
5.CFA长螺旋工法及装备
凯氏钻杆配钻具工法及装备
旋挖钻机常规施工工法。
一般国内旋挖钻机生产商会为用户配备可伸缩钻杆加钻具、短螺旋工作系统。
钻斗
钻斗主要用于含水较高的砂土、淤泥、粘土、淤泥质亚粘土、砂砾层、卵石层和风化软基岩等地层。
可根据旋挖斗直径和钻机类型及所钻地层选用直筒或锥筒，根据地层情况制定斗齿或截齿焊接角度。
旋挖斗底板一般采用高强度锰板制作，切削具为适合钻进软至中软土层、粘土层、泥质地层的耐磨合金钢铲式斗齿、适合钻进卵石层及硬质土层的截齿及适合钻进软硬互层及胶结性强的卵砾石层钻进的斗齿与子弹头截齿混装三种类型。
单层底板适合钻进粘性地层及胶结性强的地层;双层底板适合钻进砂土层及胶结性差的卵砾石层。
进土口分为单开门及双开门:
单开门钻头由于开口大，适合于钻进粒径较大的砾石层及大的卵石层、漂石层等;双开门钻头适合钻进一般砂土层及小直径砾石层。
钻斗操作规程及使用注意事项:
当单开门钻斗进土量为斗容积的5/6，双开门钻头进土量为斗容积的2/3~4/5时即可提钻，提钻之前要给压反转1~2圈待斗门关闭后再提钻。
斗门打开后如砂土不能自卸，机动时操作手要反复正反转动钻具，直至把土卸完，严禁上下提升或左右摆动撞击其它固定物来卸土。
提钻时如遇卡阻，要在遇卡处上下移动钻具并慢速回转，待解卡后再提钻，切不可强行提钻。
发现钻齿已磨损严重或损坏要及时更换同一规格齿。
孔内发现异物严禁下钻或把钻具充当事故处理工具处理事故。
螺旋钻
岩石螺旋钻头
岩石螺旋钻头切削具为尖部镶焊有钨钴硬质合金截齿。
主要用于风化基岩、胶结较好的卵砾石地层及各种土质的永冻土层。
锥螺岩石钻头
用于比较坚硬的基岩、胶结较好的卵砾石地层及硬永冻土层。
其中单螺钻头钻进速度快，清渣容易，回转阻力小。
双螺钻头导向性能好，携土能力强。
锥螺一般可分为180、270和360度三种，岩石越硬头部锥度设置越大。
直螺岩石钻头
分单头单螺、双头单螺和双头双螺。
用于中硬至硬风化地层及冻土层钻进。
较之于锥螺导向性好，携土能力强，但回转阻力较大。
单螺钻头钻进速度快，清渣容易，回转阻力小。
双螺钻头导向性能好，携土能力强，但回转阻力大。
土层螺旋钻头
切削具为铲形耐磨合金斗齿或斗齿加截齿。
主要用于地下水位以上的土层、砂土层、含少量粘土的密实砂层以及粒径不大的砾石层。
分单头单螺、双头单螺和双头双螺。
单螺钻头由于清渣容易，回转阻力小，适合钻进卵砾石层及胶结性好的粘土层;双螺钻头携土能力强，导正性能好，适合钻进松散地层及软硬互层地层。
螺旋钻操作规程及使用注意事项
新钻具下孔前首先检查钻齿是否齐全及连接牢固，操作时轻压慢钻。
因该类钻头钻取地层较硬，钻进时一定不能大钻压和高转速钻进，遇到大块漂石时钻进困难要提起一段钻具再轻压钻进，反复几次即可。
一般给压钻进2~3个螺距长度即可提钻，提钻时一定要慢速防止钻头与孔壁碰撞造成取土脱漏及孔内机械事故。
提钻时如遇卡阻，要在遇卡处上下移动钻具并慢速回转，待解卡后再提钻，切不可强行提钻。
卸土时反转钻具，严禁上下提升或左右摆动撞击其它固定物来卸土。
发现钻齿已磨损严重或损坏要及时更换同一规格齿。
孔内发现异物严禁下钻或把钻具充当事故处理工具处理事故。
筒钻
对于比较硬的基岩地层、大的漂石层及硬质永冻土层直接用螺旋钻头或旋挖钻头钻进比较困难，需要筒式环状钻头配合螺旋钻头及捞砂钻头钻进。
分为取心环状筒式钻头和不取心环状筒式钻头。
根据所钻地层不同又分为可用于风化基岩及永冻土层钻进的截齿式环状钻头及用于硬质基岩钻进的牙轮环状筒式钻头。
取心环状筒式钻头结构特征及原理:
斗体分内管和外管两层，外管上焊接主切削齿，内管上焊接副切削齿，内管下端装有承托岩心的合页片。
钻进时岩心将合页片顶开进入管内，提钻时合页片靠自重处于水平位置将岩心封堵在内管内，将岩心带出孔内。
不取心环状筒式钻头结构特征及工作原理:
在钻头筒体下部直接焊接切削齿，钻进时筒式钻头先将地层环状钻进成圆柱状，然后再下入螺旋钻头将圆状岩心破碎成碎块，再用捞砂斗将碎块捞出。
筒钻操作注意事项:
钻满时即可提钻，提钻时一定要慢速，因该钻头有内出刃，不取心钻头也有可能取出岩心或大漂石，如取不出也属正常，因它主要是形成一切削自由面，以便再下捞砂斗或螺旋钻头钻取。
扩底钻头
扩底钻头分类:
与旋挖钻机配套的扩底钻头也分为用于一般土层钻进、切削齿为合金块或合金钎头的土层扩底钻头及用于硬质基岩及硬质冻土层钻进、切削具为截齿的岩石扩底钻头。
根据所用钻机不同又分为适合小型钻机钻进的下推式扩底钻头及适合大型钻机钻进的上压式扩底钻头。
对于粘性太大的粘土层不适合用扩底钻头扩孔。
扩底钻头操作规程及使用注意事项
检查钻头收缩与张开是否灵活。
将钻头吊起然后缓缓放下扩底钻头的扩底翼将随之收缩和张开，反复数次使钻头动作灵活。
根据工程所需的最大扩底直径确定其行程。
将钻头提起使其处于收缩状态然后再缓缓放下使钻头处于扩底直径，记下两种状态上方管在下方管的位置差，此差值为扩底行程。
扩底时应逐渐撑开扩刀，随时注意观察动力设备运转情况，及时调节扩孔刀片的切削土量，防止出现超负荷现象。
由于扩底钻头本身没有清渣机构，所以每次扩底进尺约为总行程的1/3即要提钻，或靠钻头底部托盘将部分岩粉带出或下捞砂斗将岩粉捞出或下螺旋钻头捞取孔底钻渣，完成一次扩孔一般需要3~4次提出钻头。
如提取扩底钻头时遇阻或收回机构不灵活，严禁强行提钻，需在孔底不加压的情况下正反转几次即可提出。
如遇漂石应停钻，待使用其它方法把漂石取出后再继续操作。
因粘性土会包住收回机构造成无法收回，一般不推荐钻头在该地层中钻进;如确需如此，可在孔中适量加水，提钻之前在孔底空转钻具数圈有可能解阻。
提升钻具时，必须将扩刀完全收拢。
每提出钻头后应立即检查开合机构是否灵活和切削齿是否损坏，有问题检修正常后再下孔。
扩底工作完成后，应立即进行清孔和灌注混凝土，以防桩孔垮塌。
作业机理
作业时动力头通过驱动盘、连接盘、钢护筒驱动连接器将转矩传递给钢护筒、护筒靴，使钢护筒、护筒靴产生旋转运动;同时，旋挖钻机加压装置下压动力头并通过动力头将下压力传递给钢护筒、护筒靴。
这样边向下压边旋转的运动使护筒钻入地层，钢护筒钻入与钻机取土交替进行，保证了在回填土层、浅层砂卵石层、多溶洞石灰岩层中不塌孔、不漏水、不浪费混凝土情况下高效作业。
钢护筒驱动装置造价低廉，常作为一些旋挖钻机生产商的标准配置。
电液桩机配多轴连续墙钻机
多轴连续墙钻机适用于SMW工法，即土层搅拌（地下）连续墙工法。
该工法对周围地层影响小;抗滲性好;施工噪音小、无震动、工期短;废土产生量小，无泥浆污染;大壁厚、大深度;成孔垂直精度高，安全性好;施工成本低、速度快。
多轴连续墙钻机可适用于从软弱地层、砂砾地层及直径100mm以内的卵石，甚至强风化岩层等。
如果用预削孔方法还可适用于硬质地层和单轴抗压强度60Mpa以下岩层。
特别适合于城市地铁，高层建筑深基坑和江河堤坝防滲连续墙等工程应用。
反循环（硬岩钻进）工作系统是旋挖钻机与反循环钻进工艺的组合，反循环系统能在岩石单轴抗压强度在40Mpa~200Mpa时有效钻进。
常常成为旋挖钻机钻孔时最后几米的解决方案，它有效结合了旋挖钻机钻孔的高效和反循环钻岩的有效，随着承载桩需求量的不断增多，这种组合将越来越多地应用于工程实践中。
现在国内大口径桩、深桩、入岩桩钻孔市场被工程钻机垄断，反循环工作系统能代替工程钻机完成深桩和入岩桩钻孔，只有这种工作系统得以推广，才有可能使工程钻机逐渐退出桩机市场。
相关概念链接
反循环钻进：
循环介质从钻杆与孔壁之间的环状间隙进入钻孔，再从钻杆内返回孔口，如此循环的钻进方法。
采用反循环钻进，泥浆上返速度一般可达2~3.5m/s（约10倍于最低临界上返速度），因此能够及时有效地将孔底钻屑清除并带出孔口。
即使是在卵砾石层钻进，只要卵砾石粒度小于钻杆内径，就可以不经破碎直接排出孔口。
气举反循环：
原理是将压缩空气通过供气管路送至孔内气液混合室，压缩空气膨胀，并与浆液混合后形成密度小于液体的液气混合物，在钻杆内外重度差和压气动量联合作用下，沿钻杆内孔上升，带动孔内的冲洗液和岩屑一起向上流动，形成空气、冲洗液和岩屑混合的三相流。
当三相流流至地面沉淀池时，空气逸散，钻屑沉淀，冲洗液流回钻孔进行循环。
电液桩机配中掘工法钻机
中掘工法又称内外回转式长螺旋工法，用外套管与内侧螺旋钻杆的相对旋转进行钻孔。
中掘工法特别适合在南方及沿海地区水位较高的软土地基中施工。
电液履带桩机配中掘工法钻机也可实现中掘工法施工。
这种钻机还能将混凝土预制桩或钢管桩埋入地下，应用前景十分广阔。
长螺旋钻进适合在口径不大、钻孔深度较深的地下水位以上的钻孔中进行无循环钻进，长螺旋钻具一般为双头双螺结构而钻杆则为单螺结构。
钻杆可分为单壁空心钻杆和双壁钻杆，前者当钻至预定深度时，随钻具提出的同时连续灌入混凝土，再插入钢筋笼。
后者可在钻进时一边钻进一边输送空气以减少回转阻力。
在口径较大、地层复杂、易于坍塌的地层钻进时，可采用全套管跟管螺旋钻进法，就是使用双动力头螺旋钻机，在一个动力头带动螺旋钻杆进行螺旋钻进的同时，另一动力头带动外套管向相反方向旋转，与螺旋钻杆同步跟进下行。
也就是前面讲到的中掘工法。
扩大的钻孔市场
护坡桩和降水井一般孔径为500~800,深度小于20m。
旋挖钻机加装长螺旋工作系统能够经济地完成钻孔，也解决了旋挖钻机钻小孔困难的问题。
提高灌注桩承载力的技术方法
目前提高灌注桩单桩竖向承载力常用的技术方法有扩底法和钻孔灌注桩后压浆法。
扩底钻头扩底法
同一地层中，桩端阻力与桩端底面积成正比。
在桩身直径不变的前提下，增大桩端底面积，能大幅度提高桩的端承力。
因此，采用扩底钻头将桩孔底部尺寸扩大，
形成上面小、下面大的扩底桩，是一种提高单桩竖向承载力和抗拔力的有效技术方法。
日本旋挖钻机动力头下大多配有与扩底钻头有关的油管盘架，使用扩底桩可节省混凝土50%，因此日本95%的桩孔为扩底桩。
后压浆法
此法使桩底处的沉渣隐患得到根治，桩身得到补强，桩周土体得到密实，桩与桩周土体的粘结力得到提高，从而提高单桩承载力，一般可以提高30~90%。
后压浆工艺产生的效果
压注的水泥浆液与桩底沉渣相结合形成混凝土，消除了桩底沉渣的影响。
压注的水泥浆充填由于离析而形成的“虚尖”、“干渣石”等，提高桩尖混凝土强度
桩底后压浆使桩底土体得到挤密，而且水泥浆渗入桩底土体内形成固结体，提高了桩底土体强度，从而提高了钻孔灌注桩的桩端承载力。
灌注高压浆液，在桩底可形成向上的预应力，对端承桩有利。
桩侧高压压注浆液对桩周土体有挤压密实作用，并渗入桩周土体中，形成竹节状浆泡，具有竹节桩效应，提高桩侧摩阻力。
在桩孔钻成之后，安放钢筋笼时，预设压浆管路，灌注桩身混凝土，凝固后压浆。
压浆前进行注清水试验，证实管路畅通后再压浆。
先桩侧后桩底，先群灌注，后群压浆。
旋挖钻机工法发展趋势：
工法装备及工具的多样性
工法装备及工具针对性强
开发推广新的基础形式
研发新的工法装备
旋挖钻机常规钻进工艺
静浆护壁钻孔
全护筒钻孔
钻干孔
造壁钻孔（提前注浆处理孔壁）
国内常用静浆护壁钻孔。
孔内泥浆水位至少高出地下水位1.5m,提钻，下钻要慢。
静浆护壁钻孔工艺流程
安装护筒与检测复核
作用:
1）固定桩孔位置2）保护孔口，防止塌落3）保证孔内液位以保证静水压，维护孔壁稳定。
直径:
大于钻孔直径100~300mm,视地质而定。
护筒埋深:
根据土质和地下水位而定，一般下入稳定土层，上高出地表300~500mm。
埋设方法:
1）挖孔埋设2）旋压3）用振动锤振动下沉4）河上钻孔下护筒要有导向架。
固定:
1）填粘土夯实2）用沙袋挤实3用低标号水泥浇注固定4）焊在施工平台上。
检测复核:
护筒顶平面位置偏差不大于10mm。
施工过程尽量避免撞击护筒。
泥浆配置
作用:
1）护壁一液体支撑与泥皮2）冷却机具与清渣3）润滑4）软化土质。
成分:
泥浆一般用优质粘土或膨润土配制。
配比:
水:
膨润土（质量比）=100:
（造浆用水为当地淡水。
若遇海水，则需软化（加纯碱Na2CO3））
水:
CMC（质量比）=1000:
1~1.5;
少量腐殖酸族分解剂（木质素族分解剂）;
流塑层加少量重晶石;
粗砂及砂、卵石层加少量纸浆、棉子、锯木屑等。
泥浆指标:
相对密度:
1.05~1.5;（通常泥浆密度在1.1~1.2，密实碎石孔可选1.5，泥浆密度过小则水压不足，易塌孔，密度大则失水量大，地层遇水松散、剥落）
粘度:
18~22s;
静切力:
1.0~2.5Pa;
含砂率:
<4%;
胶体率:
>90%;
30分钟失水率:
14~20ml;
30分钟泥皮厚度:
<2mm;
PH值:
8~10。
（PH值大于11，泥浆会产生分层，失去护壁作用）
钻进成孔
钻进成孔包括钻孔方法，钻杆钻具选择与钻具现场改造，钻压、钻速、转速控制，提放钻操作，操作注意事项等内容。
钻孔方法根据土质选择:
1）在有自由水影响的松软粉土、粘土层、砂土层，砂卵、砾石层，砂土卵、砾石层，松散砂、土碎石层一般选用静浆护壁钻孔。
2）层厚几乎无泥质胶结松散砂圆砾、角砾层，卵石、碎石层，溶洞地层，素填砂土、碎石土层，建筑、生活垃圾填土层，水上钻孔，严重涌水、漏浆地貌一般选用全护筒钻孔。
全护筒钻孔包括护筒下到位后钻孔和护筒跟进钻孔。
3）钻孔全程无自由水、密实土层可选用钻干孔。
4）层厚，几乎无泥质胶结松散卵石、碎石层，漂石、块石层，极破碎岩层一般选用造壁钻孔。
钻杆钻具选择与钻具现场改造
钻杆按传压方式分机锁钻杆、摩擦钻杆和机锁摩擦混合钻杆。
按层数分常规层数钻杆和增加层数钻杆，五层机锁钻杆和六层摩擦钻杆属于增加层数钻杆。
1）根据钻孔深度选择钻杆2）根据钻孔直径、土质强度调节钻机钻速和转速并配置钻杆3）根据土质硬度和加压方法选择钻杆。
钻具种类繁多，现有钻具有单底钻斗、双底钻斗、锥螺旋钻头、直螺旋钻头、岩用筒钻、体开钻头、扩孔钻头、反循环钻头、套管、旋挖钻机CFA工法钻头等十大类，每类又分若干小类。
要根据土质和施工工艺选配和现场改造。
钻进质量检查
成孔过程中要进行钻进质量检查。
1、观察护筒周边回填土是否发生松动，护筒是否在原位，如发生变化要及时处理，不然会造成漏浆。
2、观察机座支撑是否发生塌陷，如发生变化要及时调整水平仪，以保证钻孔不倾斜。
3、保证钻杆中心、护筒中心在桩心上，否则会造成扩孔（灌注超方）与刮碰塌孔。
4、软硬互层要选用平头对称布刀钻具，操作上要轻压慢转，以免发生钻孔导向倾斜。
清孔
当钻孔测深显示钻深到位后，用钻机复测钻深，注意测深基准必须一致。
用双底清渣钻斗将孔底沉渣清理干净，有些地层清孔前要先扫孔，以便刮削缩径。
当泥浆比重大于1.2时，须置换泥浆，使比重小于1.2，若比重变化太大，要将护筒中泥浆位提高，以防压力不足塌孔。
清孔后用测绳复测孔深，以防提钻刮碰塌孔和提钻速度过高塌孔。
吊放钢筋笼灌注混凝土前用探笼复测沉渣厚度和成孔直径，若沉渣太厚要重清孔，直到符合灌注要求。
成孔待灌注时间一般不超过8小时，但有些土质要到23~25小时，以使缺陷充分显现而不被带入成桩。
钻孔灌注桩施工事故及预防
钻孔灌注桩施工中常遇到如下事故
塌孔
吸钻
钻孔倾斜
缩径
超方
卡钻
钻不进
断钻杆
塌孔
泥浆塌孔:
（1）泥浆比重过低，孔壁支撑压不足塌孔
（2）泥浆比重过大，扩散速度快，地层遇水松散、剥落塌孔（3）泥浆PH值大于11，泥浆胶体变为悬浮液而分层起不到护壁作用塌孔（4）泥浆位偏低塌孔（5）泥浆材料不对塌孔（6）护筒周边土松动漏浆塌孔（7）地下洞穴造成漏浆塌孔（8）地层漏浆严重而塌孔（9）泥浆补充不及时塌孔
涌水塌孔:
（1）承压水压力被释放而造成涌水塌孔
（2）涨潮造成涌水塌孔
支撑破坏塌孔:
（1）墓穴朽木折断支撑破坏塌孔
（2）孔壁大块石、漂石被刮下支撑破坏塌孔
地下河冲塌孔壁
大型机械对有振动流动性地层的振动造成塌孔
操作塌孔:
（1）提放钻速度过快塌孔
（2）钻进速度过快塌孔（3）钻机转速过高塌孔（4）泥浆扰动塌孔（5）冒钻塌孔（6）形成抽吸活塞塌孔（7）对不准孔心撞击塌孔
预防措施
正确选择泥浆比重。
正确选用泥浆PH值。
预测并保证泥浆位。
预测并观察漏浆，及时补充泥浆。
针对性选择不同层深的护壁方法。
预测承压水和涨潮，采取合理的钻进工艺。
预测朽木和漂石，采取相应的钻具和钻进速度。
有地下河时选好钻进工艺。
避开与大型机械同时作业，钻孔灌注后桩孔5米内8小时内不准大型机械通过。
针对土质选择合理的操作方法。
吸钻
吸钻的种类
1）流塑粘土吸钻。
2）膨胀土吸钻。
3）钻孔冒钻吸钻。
4）钻斗在粘土中静止时间太长吸钻。
5）钻具结构不合理吸钻。
预防措施
不准在粘土中停留
1）选好或改造钻具。
2）扫孔。
3）不准冒钻，时间过长。
4）有流塑粘土和膨胀土时，提钻速度不宜过快。
钻孔倾斜
产生原因
1）钻桅竖直度不够。
2）软硬互层钻具选择不合理。
3没有预测和处理地下洞穴。
4）没有清除孔壁探头石或僵核。
预防措施
1）常常观察水平仪，纠正钻桅倾斜。
2）在软硬互层选择平头钻具、双进土钻斗，避免产生钻孔导向倾斜。
3有地下溶洞时要采取填充溶洞或加设护筒等防止钻孔倾斜的措施。
4）有探头石或僵核要采取两步钻进法，即先松动后取土。
缩径
产生原因
1）在流塑粘土层钻孔未采取相应的措施。
2）在膨胀土层钻进未采取相应的措施。
预防措施
1）扫孔。
2）不要提钻过快。
3）预防吸钻。
4）保证钻具流水畅通。
超方
产生原因
1）主机晃动严重。
2）钻具选用不合理。
3）泥浆配比与土质不符造成孔壁泥皮脱落。
4）泥浆比重过大造成局部塌孔。
5）操作原因:
（1）提放钻速度过快水流冲掉泥皮。
（2）钻速过快，破坏了泥皮与孔壁土的结合而脱落。
（3）没有采取减少泥浆对孔壁扰动的措施而使泥皮脱落。
能造成超方的原因都能造成塌孔。
预防措施
1）选择稳定的主机。
2）在砂性大的土质，钻杆要用动力头和随动架来导向。
3）在砂性大的土质，要增加泥皮强度和粘度。
4）操作方式要因土质而异。
卡钻
产生原因
1）石子或砂子卡在岩石和钻筒中间。
2）钻齿嵌入岩缝。
预防措施
1）选择合理钻具结构。
2）在钻经砂质土层进入岩层时要采取相应措施，特别是套管或旋压护筒钻经此处必须采取措施。
3）在钻进泥质胶结强风化硬岩时，不要采用长钻齿，为不堵塞后角可在齿与钻底间加导板。
钻不进
种类：
1）粘土硬钻不进。
2）粘土打滑钻不进。
3）松散土质滑钻不进。
4）各种岩层钻不进。
产生原因
1）钻压不足。
2）钻具选择不合理。
3）打滑。
4）钻压过大。
5）中心钻选择不合理。
预防措施
1）合理选择掘进角。
2）调整刀头覆盖率。
3）根据土质选择钻齿。
4）根据土质粒径选择钻具进土口大小。
5）钻进粘土时用破坏再生粘土粘性的方法处理打滑，钻进岩层时要通过选择钻齿改变钻压等方式处理打滑。
6）在松软土质钻压过大会造成钻斗托底而钻不进。
7）钻进能力差的中心钻项到其不能钻进地层会造成钻不进。
断钻杆
产生原因
1）钻杆与主机扭矩不匹配。
2）在松散漂石、块石层钻进方法不得当。
3）卸土方法不得当。
4）使用小扭矩钻杆钻进时转速过高。
预防措施
1）注意钻杆与主机扭矩匹配。
2）注意钻杆与主机转速匹配。
3）钻进松散漂石、块石层时要两步进行，先用螺旋钻松动漂石、块石，再用钻斗取土。
4）甩土时要先开底甩土再合底甩土再开底甩土。
5）使用小扭矩钻杆时钻进转速不可过高。
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