第103篇SWDM-20型旋挖钻机在钻孔桩施工中的应用.doc

　SWDM-20型旋挖钻机在钻孔桩施工中的应用

摘 要：SWDM-20型旋挖钻机是一种用于桩基础施工的成孔机械，该机械具有成孔效率高和功能多的特点，广泛适用于我国大部分地区土壤的基础施工，本文就该机械的一些特点结合工程实际进行简要介绍。
关键词：SWDM-20型旋挖钻机 钻孔桩 施工
一 前言
随着我国基础建设的迅速发展，钻孔灌注桩成为各类土建工程的首选，广泛用于道路、桥梁、码头、高层建筑等地基基础工程中。长期以来如何能够优质高效成桩成为广大科技工作者的追求，旋挖钻机是目前世界上最为先进的成孔机械之一，近几年在我国得到了迅猛的发展。SWDM-20型旋挖钻机是我国自行制造的成孔机械，广泛用于武广客运专线铁路基础施工，取得了良好的效果，该机械在武广铁路施工中展现了以下几个方面的优点：
⑴钻机操作由全液压系统控制，能满足规范对于桩基垂直度、孔位、孔深、沉淀厚度等各项指标的要求。
⑵钻机适用本铁路桥梁不同地质情况，适用性强，施工效率高。
⑶孔壁稳定性好，成孔后清孔彻底，施工进度快。
⑷施工噪音低，不污染环境。
本文结合我公司在湖南岳阳辖段的武广铁路客运专线桥梁桩基础施工中的案例，就旋挖钻机成孔原理谈谈施工经验，以供本公司广大技术人员参考借鉴。
二、工程概况
中铁大桥局武广客运专线Ⅱ标项目经理部第二项目队戴屋场综合工区施工里程范围为：DK1435+150~DK1451+523.48，线路全长16373.48米，分别位于湖南省岳阳市、汨罗市境内。管段内共有特大桥6座，大桥3座，桥梁总长8411米，钻孔桩2327根，桥梁墩台基础采用8～12根φ1.0m桩基不等，桩长16m～54m , 设计以摩擦桩居多，陆地桥墩大多处于水田和荒地上。
1、地层岩性及地质构造
根据地质资料显示，大多地层由上而下大致依次为填筑土（淤泥）、黏土（σ0=120～150kPa）、泥质板岩（σ0=200～500kPa）、花岗岩（σ0=200～800kPa，少数桩基有）。
2、水文地质
地下水类型为第四系孔隙潜水，埋深不大，补给来源为大气降水，地表水有溶出型中等腐蚀，地下水有溶出型腐蚀。
三、SWDM-20型旋挖钻机简介
SWDM-20型旋挖钻机是一种用于基础工程现场灌注桩施工的成孔机械,机械最大回转扭矩20(Tm)，履带式走行系统，可配制长螺旋、短螺旋钻头、回转斗、岩心钻、液压桩锤等多种钻具，适应黏土层、沙土、卵石层和中风化岩层的钻进。其外型结构见图1，主要技术性能参数见表1。

图1 SWDM-20型旋挖钻机结构图
表1 SWDM-20型旋挖钻机主要性能参数表
项目
参数

项目
参数
最大钻孔直径(m)
带套管
φ1.5
卷扬机
最大卷扬力(KN)
180
不带套管
φ2.0
卷扬速度(m/min)
73
最大钻孔深度(m)
60
钢丝绳直径(mm)
φ28
外形尺寸(mm)
工作状态
9030×4400×21000
钻桅倾角
左右倾(°)
±5
运输状态
15245×3360×3365
前倾(°)
5
整机重量(工作状态)(T)
70
后倾(°)
90
发动机
额定功率(kw/rpm)
246/2100
转台
回转角度(°)
360
最大扭矩(n.m/rpm)
1458/1300
回转速度(r/min)
3
液压系统
最大工作压力(MPa)
主30,副28
底盘
最大走行速度(km/h)
3.5
最大流量(L/min)
主2×210,副90
最大爬坡度
30%
动力头
最大扭矩(kN.m)
200
最小离地间隙(mm)
468
转速(r/min)
6~26
履带宽度(mm)
800
最大抛土速度(r/min)
110
轨距(mm)
2560~3600
加压油缸
最大加压力(KN)
185
履带纵向轮距(mm)
4700
最大提升力(KN)
210

最大行程(m)
5

1.钻具介绍
1.1 螺旋钻头
1.1.1锥形螺旋钻头：双头双螺，适用于坚硬基岩。双头单螺，适用于风化基岩、卵石、含冰冻土等。以上钻头配装各种截齿，通过齿型、螺距、螺旋升角的变化又可派生出很多类型的钻头。
1.1.2直螺旋钻头
①斗齿直螺：双头双螺，适用于砂土，胶结差的小直径砾石层;双头单螺，适用于砂土、土层;单头单螺，适用于胶结差的大直径卵石，粘性土及硬胶泥。
②截齿直螺：有双螺、三螺和四螺，适用于是硬基岩或卵砾石。
1.2 旋挖钻斗
按所装齿可分为截齿钻斗和斗齿钻斗;按底板数量可分为双层底斗和单层底斗;按开门数量可分为双开门斗和单开门斗;按桶的锥度可分为锥桶钻斗和直桶钻斗;按低板形状可分为锅底钻斗和平底钻斗。以上结构形式相互组合，再加上是否带通气孔、开门机构的变化，可以组合出几十种旋挖钻斗。一般来说双层底钻斗适用地层范围较宽，单层底的只适用于粘性较强的土层，双门钻斗适用地层范围较宽，单门钻斗只是用于大直径的卵石及硬胶泥。
1.3 筒式取芯钻头
目前常见的有两种：截齿筒钻(适用于中硬基岩和卵砾石)，牙轮筒钻(适用于坚硬基岩和大漂石)。在筒式取芯钻的两大类钻头中，又带取芯装置和不带取芯装置之分，主要取决于取芯的难度。因为牙轮取芯钻头主要用于硬岩钻进，且钻取的环状面积大，如果有条件的还可以通在在钻头部分加装反循环钻进，以提高钻进效率。
1.4 扩底钻头
在桩径不增大桩深不增加的基础上，为了提高单桩的承载力，设计部门往往通过扩底桩来实现，旋挖钻机施工扩底是无需任何改动就可施工，只需选用扩底钻头即可。扩底钻头常用的以机械式为主，这种钻头使用和维护都比较简单，有上开式和下开式的，张开机构一般为四连杆的，用于土层、强风、中风化地层甚至坚硬基岩。由于旋挖钻进是非循环钻进，扩底完成后用清渣桶清渣即可。
1.5 冲击钻头、冲抓锥钻头
在钻进大直径卵石、大漂石和坚硬基岩，使用冲击钻头、冲抓锥钻头配合旋挖钻进特别有效，这类钻头的使用是通过旋挖机副钩吊挂来作业，因为要有冲击作用，所以要求副钩具有自由放绳功能效果才能更好。
1.6 液压抓斗
目前连续墙和防渗墙的施工工程日趋见多，如果对旋挖钻机稍作改动就可作业，液压抓斗的开闭是通过液压来驱动的，液压抓斗上只有一根油缸，所以只需进出两个油管，一个控制阀即可。
2. 钻具选择
旋挖钻机主要的功能是在地表形成孔槽，工作对象是岩石，由于所施工的桩孔深度较浅，岩石经过构造运动、自然界的机械和化学的作用，结构、粒度、孔隙率、胶结状况、产状、抗压强度等发生了复杂的变化，加上我国幅原辽阔，所以旋挖钻机工作的对象是特别复杂的。归纳起来有以下几类。
按岩性分(常见)为泥页岩、砂岩、灰岩、花岗岩等;按成因分岩浆岩、沉积岩、变质岩;按力学特性分为坚固、塑性和松散。那么如何根据地层情况来选用钻头呢?下面分类介绍。
(1)粘土：选用单层底的旋挖钻斗，如果直径偏小可采用两瓣斗或带卸土板的钻斗。
(2)淤泥、粘性不强土层、砂土、胶结较差粒径较小的卵石层，可配用双层底的钻挖钻斗。
(3)硬胶泥：选用单进土口的(单双底皆可)旋挖钻斗，或斗齿直螺。
四、旋挖钻成桩工艺
旋挖钻成孔工艺与其它钻机成孔工艺差别不大，其一般成桩工艺见《图2 SWDM-20型旋挖钻机成孔工艺》，只是旋挖钻成孔绝大部分的钻渣是通过抛土作业直接取出，剩余钻渣在清孔时通过泥浆循环系统清除。
由于旋挖钻成孔速度快，对泥浆要求与其它钻机有些不同。旋挖取土成孔中，静态泥浆作为成孔过程的稳定液，主要作用是护壁，在孔壁处形成一薄层泥皮，使水无法从内向外或从外向内渗透来进行防护。针对工程的地质情况，加强泥浆技术，重新调整泥浆配比，控制泥浆比重，提高泥粉质量，增加粘性及润滑感，适当添加处理剂，增强絮凝能力是重要的，确保护壁泥皮的厚度及强度。初次注入泥浆，尽量竖直向下冲击在桩孔中间，避免泥浆沿护筒侧壁下流冲塌护筒根部，造成护筒根部基土的松软，正式钻进前，再倒入2～3袋膨润土，启动钻机的高速甩土功能，进行充分搅拌，提高膨润土的含量，增大护筒底部同基土结合处护壁泥皮的厚度，防止钻进过程孔口渗漏坍塌。 另外也可在钻孔前进行泥浆提前配置，将好的黄土或膨润土，火碱及专用纤维素按照相关的比例进调配，（泥浆的详细配比调制在这不作详解）。

图2 SWDM-20型旋挖钻机成孔工艺
五、基本工作原理
钻机主要功能为上车钻孔作业和下车移动行驶，两部分控制系统实现互琐。
1、钻进作业原理：动力头驱动马达经减速机减速及大小齿轮减速带动钻杆旋转，同时供油给加压油缸，使动力头有垂直向下的压力，实现钻进作业。
2、抛土作业原理：提升钻杆主卷扬回转，将钻头提升至地面，转台回转至地面的弃土位置，若为回转斗则再提升钻头至动力头下端挡板位置，通过撞击下挡板使回转斗底盖开启，采用回转急停或快速抛土方式进行抛土作业；若为短螺旋钻头，则直接采用回转急停或快速抛土方式进行抛土作业。
3、下放钢护筒：可由辅助支腿直接压入或动力头驱动护筒将其旋入地下，这样可以提高成孔质量。
六、钻机的钻进控制
钻进时应根据土层情况掌握钻进速度：
（1）、一般在粘土层采用泥钻，每钻进尺在50cm左右。
（2）、在松散砂砾、砂层采用砂钻，每钻进尺在40cm左右
（3）、在密实度较大的砂、卵石层宜先用岩石钻将密实的地层搅松，避免直接用泥钻、砂钻时，损坏机具，对于无水或水位较低的干孔部位，可采用螺旋钻成孔，可大大提高成孔效率，并可提高工效，然后将松散的砂、卵石用砂钻提出。
（4）、成孔中若遇见卵石层或松散层时应注意漏浆情况，必要时，可在漏浆部位回填粘土，堵漏或在泥浆中增加防漏剂，避免泥浆流失，引起坍孔事故。
（5）、因钻机结构及性能决定钻斗钻进时，钻斗要上下往复作业。如果护壁泥浆管理不善就可能发生塌孔事故。
（6）、严格控制钻斗在孔内升降速度，因为如果快速地上下移动钻斗，那么水流将以较快速度由钻斗外侧和孔壁之间的空隙流过，导致冲涮孔壁，有时还会在上提钻斗时，在其下方产生负压，而导致孔壁坍塌，所以按孔径大小及土质情况来调整钻斗的升降速度。
钻斗升降速度空斗升降速度
桩径（mm） 升降速度（m/S） 桩径（mm） 升降速度（m/S）
700 0.973 700 1.21
1200 0.748 1200 0.83
1300 0.628 1300 0.83
1500 0.575 1500 0.83
七 施工注意事项
　　(1) 由于钻机设备较重，施工场地必须平整、宽敞，并有一定硬度，避免钻机发生沉陷。
　　(2) 钻机施工中检查钻斗，发现侧齿磨坏，钻斗封闭不严时必须及时整修。
　　(3) 泥浆初次注入时，垂直向桩孔中间进行入浆，避免泥浆沿着护筒壁冲刷其底部，致使护筒底部土质松散。
　　(4) 因粘土层中钻进过深易造成颈缩现象，在钻机施工时应严格一次钻进深度。
　　(5) 钢筋笼或探孔器向孔内放置时，应由吊车吊起，将其垂直、稳定放入孔内，避免碰坏孔壁，使孔壁坍塌事故。
　　(6) 根据不同地质情况，必须检测清孔后灌注砼时泥浆性能指标，确保泥浆对孔壁的撑护作用。
(7) 其他施工工艺事项，应严格按照桥涵施工技术规范和标准进行施工。　
八 结束语
　　 旋挖钻机在武广铁路客运专线钻孔桩施工中被大量采用，该钻机施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔效率高、适应性强、环保等诸多优点。我部负责施工的桩基合格率达100%。优良率98%，约半年时间内即完成了全部2327根钻孔桩的施工，大大缩短了工期。尽管旋挖钻机投资较高，但适应性强，综合经济效益综合指标还是远大于回旋钻机，是一种理想的施工工艺。

参考文献
《武广客专乌花施图II（桥）》
《山河智能旋挖机SWDM20型使用说明书》