近年来，北京地区建筑施工逐渐向西部、北部房山、门头沟、密云等山地丘陵地区扩展，基坑支护工程大直径桩（800mm以上）成孔施工多穿越浅部土层、碎石层、全风化、强风化、部分中风化岩层（1~2m），成孔土层情况复杂，如何在工期紧迫的情况下高效率的完成桩成孔也成为施工中的难点、重点。

 

　　北京地区传统山区土层、岩层成桩一般采用冲击钻机和旋挖钻机普通钻头成孔。采用普通旋挖钻机钻头结合短螺旋钻头、截齿钻头、取芯钻头施工，能在保证成孔质量的基础上增加施工速度，提高工效。

 

　　1、工作原理

 

　　1.1施工工艺原理

 

　　旋挖钻机主要是其成孔工艺与其它桩机不同，旋挖钻机采用静态泥浆护壁钻斗取土的工艺（当然也有干土直接取土工艺，视工地现场地层条件而定），是一种无冲洗介质循环的钻进方法，但钻进时为保护孔壁稳定，孔内要注满优质泥浆（稳定液）。

 

　　旋挖钻机工作时能原地作整体回转运动。旋挖钻机钻孔取土时，依靠钻杆和钻头自重切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块向斗内推进而完成钻取土；遇硬土时，自重力不足以使斗齿切入土层，此时可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中，完成钻孔取土。钻斗内装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，拉动钻斗上的开关即打开底门，钻斗内的土依靠自重作用自动排出。钻杆向下放关好斗门，再回转到孔内进行下一斗的挖掘。终孔后能快速的移位或至下一桩位施工。

 

　　本工程旋挖钻机利用卷扬机原理给钻头提供强大的扭力和轴向压力，配合短螺旋钻头、截齿钻头、取芯钻头等钻头削切破碎土层及坚硬岩体，达到在复杂土层中的成孔目的。旋挖钻机钻头结合短螺旋钻头、截齿钻头、取芯钻头施工，灵活更换关键部件，操作较简单，能在保证成孔质量的基础上增加施工速度，对比普通旋挖钻机钻头具有成孔速度快，适用地层广等优点。对比冲击钻机，能在保证成孔质量的基础上增加施工速度。

 

　　1.2各钻头特点及适用范围

 

　　1.2.1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。1.2.2螺旋钻头（1）锥形：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。（2）直螺旋钻头：a、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。b、截齿直螺：有双螺、三螺和四螺，适用于是硬基岩或卵砾石。

 

　　1.2.3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。

 

　　1.2.4适用范围

 

　　（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。（4）冻土层：含冰量少的可用斗齿直形螺钻斗和旋挖钻斗，含冰量大的可用锥形螺旋钻头，需要说明的是，螺旋钻头用于土层（除淤泥外）皆有效，但一定有在没有地下水的情况下使用，以免产生抽吸作用造成卡死。（5）胶结好的卵砾石和强风化岩石：需要配备锥形螺旋钻头和双层底的旋挖钻斗（粒径较大的用单口，粒径小的用双口）（6）中风基岩：配备截齿筒式取心钻头——锥形螺旋钻头——双层底的旋挖钻斗，或者截齿直形螺旋钻头——双层底的旋挖钻斗。（7）微风化基岩：配备牙轮筒式取心钻头——锥形螺旋钻头——双层底的旋挖钻斗如果直径偏大还要采取分级钻进工艺。1.3本工程应用

 

　　本工程在普通土层中钻进采用原配旋挖斗取土方便，成孔速度快。在碎石、全风化岩钻进中短螺旋钻头用于钻松碎石层和全风化岩层，再采用原装旋挖钻头取出。遇全风化、强风化岩岩层较硬端螺旋无法钻进时更换截齿钻，截齿钻能将强风化、全风化岩削切破碎随钻具取出。在浅部中风化岩层（1~2m）钻进中，因中风化岩硬度大，裂隙小，截齿钻钻进困难，更换取芯钻继续钻进。

 

　　短螺旋钻头图截齿钻头图取芯钻头图1取芯钻头图2

 

　　二、施工工艺流程

 

　　2.1旋挖钻机施工工艺流程定桩位→埋护筒→注泥浆→钻进取土→一次清孔→放钢筋笼→插入导管→二次清孔→砼灌注→拔出护筒。

 

　　2.2施工要点

 

　　2.2.1泥浆的配比与制备

 

　　2.2.1.1泥浆的配比

 

　　泥浆配比中所用材料作用：水：稳定液的主要成份；粘土、膨润土（以蒙特土为主的粘土矿物６～８﹪）：稳定液的主要材料；工业用碱（含量5%）：调节泥浆PH值；重晶石：增加相对密度；CMC（羟甲基纤维素钠盐0.3﹪）：增加粘性，增加泥皮强度；渗水防止剂（纸浆、棉子、锯屑适量）：防止渗水。

 

　　2.2.1.2泥浆制备

 

　　现场设泥浆池（含回浆用沉淀池及泥浆储备池）一般为钻孔容积的1.5～2.0倍，要有较好的防渗能力。在沉淀池的旁边设置渣土区，沉渣采用反铲清理后放在渣土区，保证泥浆的巡回空间和存储空间。

 

　　制务泥浆的的设备有两种，一是用泥浆搅拌机，一是有用水力搅拌器。使用粘土粉造浆时最好用水力搅拌器；使用膨润土造浆时用泥浆搅拌机。

 

　　护壁泥浆再生处理。

 

　　施工中采用重力沉降除渣法，即利用泥浆与土渣的相对密度差使土渣产生沉淀以排除土渣的方法。现场设置回收泥浆池用作回收护壁泥浆使用，泥浆经沉淀净化后，输送到储浆池中，在储浆池中进一步处理（加入适量纯碱和CMC改善泥浆性能）经测试合格后重复使用。

 

　　2.2.2埋设护筒

 

　　桩基定位后，根据桩定位点拉十字线钉放四个控制桩，以四个控制桩为基准埋设钢护筒，为了保护孔口防止坍塌，形成孔内水头和定位导向，护筒的埋设是旋挖作业中的关键。护筒选用10mm厚钢板卷制而成，护筒内径为设计桩径+20cm，高度2.0m，上部开设2个溢浆孔，护筒埋设时，由人工、机械配合完成，主要利用钻机旋挖斗将其静力压入土中，其顶端应高出地面20cm，并保持水平，埋设深度1.8m，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50mm。护筒埋设要保持垂直，倾斜率应小于1.5％。

 

　　2.2.3钻孔定位

 

　　在桩位复核正确，护筒埋设符合要求，护筒、地坪标高已测定的基础上，钻机才能就位；桩机定位要准确、水平、垂直、稳固，钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线。旋挖钻机就位后，利用自动控制系统调整其垂直度，钻机安放定位时，要机座平整，机塔垂直，转盘（钻头）中心与护筒十字线中心对正，注入稳定液后，进行钻孔。

 

　　2.2.4钻进成孔

 

　　成孔前必须检查钻头保径装置，钻头直径、钻头磨损情况，施工过程对钻头磨损超标的及时更换；根据土层情况正确选择钻斗底部切削齿的形状、规格和角度；根据护筒标高、桩顶设计标高及桩长，计算出桩底标高，以便钻孔时加以控制。

 

　　成孔中，按试桩施工确定的参数进行施工，设专职记录员记录成孔过程的各种参数，如加钻杆、钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。记录必须认真、及时、准确、清晰。

 

　　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；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进，以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。

 

　　钻机就位时，必须保持平整、稳固，不发生倾斜。为准确控制孔深，应备有校核后百米钢丝测绳，并观测自动深度记录仪，以便在施工中进行观测、记录。钻进过程中经常检查钻杆垂度，确保孔壁垂直。钻进过程中必须控制钻头在孔内的升降速度，防止因浆液对孔壁的冲刷及负压而导致孔壁塌方。钻进成孔过程中，根据地层、孔深变化，合理选择钻进参数，及时调制泥浆，保证成孔质量。在进入沙层和卵石层时，应适当减慢进尺速度，提高泥浆的稠度，减小每个钻进回次的进尺量，保证孔壁稳定。钻进施工时，利用正铲及时将钻渣清运，保证场地干净整洁，利于下一步施工。钻进达到要求孔深停钻后，注意保持孔内泥浆的浆面高程，确保孔壁的稳定。

 

　　孔底沉淤控制。旋挖钻斗的切削、提升上屑的机理与常见回转钻进的正、反循环成孔的切削、提升形式完全不同。前者是通过钻斗把孔底原状土切削成条状载入钻斗提升出土，后者是通过钻头把孔底原状土打碎由泥浆循环带出土面。前者底部面缓，钻至设计标高对土的扰动很小，没有聚淤漏斗，所以要加强稳定液的管理，控制固相含量，提高粘度，防止快速沉淀，还要控制终孔前两钻斗的旋挖量。成孔深度达到设计要求后，应尽快进行钻机移位、终孔验收工作；从清孔停止至混凝土开始浇灌，应控制在1.5-3h，一般不得超过4h，否则应重新清孔。

 

　　三、工程应用

 

　　3.1工程概况

 

　　房山两岸文化交流中心工程占地面积约16600㎡，基坑开挖深度约14m，采用上部土钉墙下部桩锚联合支护形式，桩直径800mm，水平间距1.60m，桩长度14.00m，桩顶位于自然地面下3.00m，总成桩长度6818m，成桩穿越典型土层为：粉土（0.50m）、粘性土(4m)、碎石(4m)、强风化岩(4m)、中风化（1~2m）。

 

　　3.2地层分布

 

　　根据现场勘察及室内土工试验成果，将勘探深度（25.00m）范围内的地层按照沉积年代、成因类型及岩土类别划分为人工堆积层、新近沉积层、一般第四纪沉积层和震旦纪基岩，根据岩性及工程性质进一步划分6个大层。现按自上而下顺序，对各岩土层分述如下：

 

　　人工堆积层，岩性为：

 

　　①层为粘质粉土素填土：黄褐色；稍密；稍湿~湿；断面散；表层为耕土，含砖渣、灰渣、细砂颗粒、植物根；层厚0.50~3.10m，平均层厚1.37m。

 

　　人工堆积层以下为新近沉积层；岩性依次为：

 

　　②层为粘质粉土：褐黄色；稍密；湿~很湿；断面粗糙；多孔隙，含氧化铁、云母等；局部夹有粉质粘土薄层；层厚0.40~6.10m，平均层厚2.99m。

 

　　③层为粉质粘土：褐黄色，局部灰褐色；湿~很湿；可塑~软塑；断面较光滑；含氧化铁、云母、下部姜石等；局部夹有粘质粉土薄层；，层厚0.70~6.10m，平均层厚2.99m。在7#、15#、18#、21#、24#、25#、42#及43#孔控制地段存在软塑状黑灰色粉质粘土层。

 

　　新近沉积层以下为一般第四纪沉积层；岩性依次为：

 

　　④层为粉质粘土：棕褐色，稍显红褐色；很湿~饱和；可塑~软塑；断面较光滑；含氧化铁、云母等；下部含砂颗粒较多，层厚0.50~7.00m，平均层厚3.49m。

 

　　④1层为细砂：褐黄色；中密；湿；断面散；矿物成份以石英、长石、云母为主，分选较好，砂质不纯，含粘性土，揭露层厚0.30~3.40m，平均揭露层厚1.18m。

 

　　一般第四纪沉积以下为残积层；岩性依次为：

 

　　⑤层为碎石：杂色；很湿；稍密~中密；棱角形；一般粒径2~4cm，最大粒径10cm，含量约63%，成分为白云岩、石英岩等，土质不均匀，局部为角砾混粘性土，或充填较多粘性土；揭露层厚0.50~12.0m；揭露平均层厚4.38m。

 

　　⑤1层为重粉质粘土：褐红色；很湿；可塑~硬塑；含氧化铁、少量碎石等，断面光滑；层厚0.30~1.90m；分布不连续，大部分缺失，平均层厚1.00m。

 

　　⑤2层为重粉质粘土：褐红色；很湿；可塑~硬塑；含氧化铁、少量碎石等，断面光滑；层厚0.40~2.30m；分布不连续，大部分缺失，平均层厚0.89m。

 

　　残积层以下为震旦纪基岩；岩性为：

 

　　⑥层为白云岩：灰白色；密实；湿；含遂石条带，局部变质为大理岩，岩体破碎，裂隙发育，层状构造；多为强风化，局部呈中风化，揭露层厚0.90~8.70m，揭露平均层厚4.38m。

 

　　3.3施工工艺

 

　　在本工程中，旋挖钻机多钻头结合相比于旋挖钻机普通钻头和冲击钻机有着明显的优点。相比于旋挖钻机普通钻头，多钻头结合解决了在全风化、强风化及浅部中风化岩层中普通钻头成孔困难的问题。对比冲击钻机，在土层、全风化、强风化岩层钻进中旋挖钻机多钻头结合工作效率1~1.5小时/m；冲击钻机工作效率2~3小时/m。施工中冲击钻机成孔会造成20%以上的扩孔，混凝土损耗严重，旋挖钻机多钻头结合成孔桩单桩混凝土量为8.0m³，冲击钻机成孔单桩混凝土量为10m³。旋挖钻机多钻头结合成孔可以将孔径偏差控制在10%左右。对比冲击钻孔，旋挖钻机成孔能有效控制成孔质量，避免垂直度偏差、缩径等现象发生。

 

　　四、结语

 

　　旋挖钻机的机械化、自动化程度高，现场移动就位灵活方便，成孔率高、质量好，对环境污染小。应用旋挖钻机配合短螺旋钻头、截齿钻头、取芯钻头施工对比常规普通旋挖钻机钻头扩大了成孔土层岩层范围，提高了工效。对比冲击钻头更能保证成孔质量、提高工效。在北京山区丘陵地带支护、桩基工程大直径桩施工中具有一定的推广和借鉴意义。

 

　　五、参考文献

 

　　1、北京文化硅谷-两岸文化交流基地项目基坑支护工程施工方案〔J〕中国新兴保信建设总公司，2012，4

 

　　2、刘国斌，王卫东，基坑工程手册—北京：中国建筑工业出版社，2009

 

　　3、JGJ94-2008，《建筑桩基技术规范》

 

　　4、DB11/489-2007，北京市地方标准《建筑基坑支护技术规程》

 

　　5、江正荣，建筑地基与基础施工手册，北京：中国建筑工业出版社，2005