软岩地区钻机选型探讨

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摘要： 中车青岛四方机车车辆厂厂区铁路试验线工程大桥工程沿线地势平坦，局部风化岩裸漏，施工工期短，施工场地狭小，在软岩中施工桩基成为本桥工期保证的关键项。本文详细介绍了钻机选型过程、试验结果以及应用过程，取得完美的实际应用效果。

Abstract： The construction of the special bridge project in the railway test plant of Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Plant has the characteristics of flat terrain， local weathering rock leakage， short construction period and narrow construction site. The construction of pile foundation in soft rock is the key to guarantee the duration of the bridge item. This paper introduces the process of drilling rig selection， test results and application process， and obtains the perfect practical application effect.

P键词： 软岩；旋挖钻机；选型

Key words： soft rock；rotary drilling rig；selection

中图分类号：U455.3+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0110-03

0 引言

本文通过在软岩中使用旋挖钻机和冲击钻机现场试验，在工期、组织管理、环保及综合成本方面进行详细比选，旋挖钻机获得了明显的工期、环保、经济优势，降低了组织管理难度，有力地保证了项目整体目标。在工期要求紧张的情况下，在软岩地质中旋挖钻机施工桩基具有明显优势，具有可推广性。

1 工程概述

本工程为中车青岛四方机车车辆厂厂区铁路试验线工程，位于青岛市棘洪滩镇。线路与厂外铁路专用线0号道岔直向岔尾连接，沿既有废弃盐专线走行约1.7km，后设R=400m曲线沿宏祥二路中心走行至李王路；该线路分联络（DK0+000-DK2+311）及动调试验线（DK2+311-DK7+226）两部分。联络线按Ⅳ级铁路设计，时速60km/h；动调试验线按Ⅰ级铁路设计，最大时速160km/h。工程沿线地势平坦，局部风化岩裸漏，大里程侧有大量人工开挖的鱼塘、虾塘分布，穿插有多条排洪渠。试验线特大桥位于棘洪滩镇附近，桥梁中心里程为DK4+480.1，桥长5478.62延长米，孔跨布置形式为25-16m+18-24m+141-32m预应力混凝土简支T梁（2109型，带声屏障）。

桥梁基础为桩基础，圆端型桥墩，T梁采用架桥机架设。

2 地质情况

本工程下卧基岩顶面起伏不大，基岩强度较高，选取典型地质柱状图描述如下：

0-2m为素填土：褐黄色、稍湿，中密～密实，以黏性土为主，含少量砖渣、灰渣及水泥渣及风化岩块，其中0.00～0.30m为柏油路面褐。

2-3.1m为全风化粉砂质泥岩：棕红色，岩性呈砂土状夹少量块状，局部区域夹土状，块状用力可掰碎，原岩结构隐约可见。

3.1-18.6m为强风化粉砂质泥岩：棕红色，岩芯呈块状夹柱状，局部区域分布块状夹砂土状，柱长5～30cm为泥质结构，中厚层构造，风化裂隙发育，锤击易碎，局部块状用力可掰碎，原岩结构明显，钻探进尺较快。

18.6-30.6m为中等风化粉砂质泥岩：棕红色，岩性呈柱状，局部夹块状，泥质结构，中厚层构造，节理裂隙稍发育，一般柱长 10～40cm，最长柱长60cm，锤击声哑，用力可敲碎，浸水后易软化，易晒裂，钻进平稳，进尺稍快。

30.6m以下为中等风化玄武岩：灰绿色，岩性呈柱状，局部区域分布块状，细粒质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯断面新鲜，一般柱长10～20cm，最长柱长30cm，锤击不易碎，响声清脆，钻进平稳，进尺较慢。

地下水主要赋存于第四系松散堆积物中的上层滞水和下卧基岩中的基岩裂隙水。上层滞水主要接受大气降水和邻近区域渗流补给，排泄方式主要为地表蒸发和排向邻区；基岩裂隙水主要由邻区补给和排向邻区。勘察期间为丰水期，稳定水位埋深1.15～3.70m；水位标高1.74～4.13m，地下水位年变幅在0.50m左右，地下水的抗浮设计水位标高可按自然地表考虑。

3 桩基设计情况

该桥承台尺寸为7.0×5.8×2.5m，桩基直径1.25m，最大桩长25m，每墩5根桩，共计920根。

按照设计资料，本工程桩基为摩擦桩，冲击钻成孔，桩长为20-25m。桩基大部分位于强风化、中风化粉砂质泥岩中，中风化粉砂质泥岩RQD≈90%，自然抗压强度标准值8.12MPa，地勘定级为软质岩石（饱和单轴抗压强度为5-15MPa）；个别桩基嵌入弱风化粉砂岩1-2m，弱风化粉砂岩RQD≈75%，饱和抗压强度标准值33.3MPa，岩石坚硬程度为较硬岩石。全桩地质分布普遍为0-3m为素填土，3-18m为强风化泥岩，18-30m为中风化泥岩，25-30m局部出现弱风化泥岩。

4 钻机方案比选

4.1 冲击钻

按桩基数量计算：按照整体工期计划倒排工期，桩基施工工期仅为100天，每天需完成920÷100=9.2根桩，按冲击钻成孔指标5天/根计算，需布置46台冲击钻机施工。

按区段工程量计算：根据架梁顺序安排全桥分四个区段，每区段46个墩，需采用平行作业同时施工，每墩布置钻机1台（套）（鉴于场地狭窄原因，只能布置1台钻机），配发电机1台、泥浆池1个、钻渣运输车1台。工期指标为桩基25天/墩。按照以上布置需要钻孔设备46台（套），单台最大工作量为20根桩，工作时间为3个月。

若按照上述机械设备安排，项目部存在风险有四个，一是需在短时间内集结大量冲击钻机进场，况且每台设备只能成孔5个，单台作业总量特别小，投入大，项目部设备组织难度特别大；二是理论计算工期为5天/桩，设备数量多，难免会有老旧设备，出现故障机率非常大，对工期不确定性因素较多，造成实际工期压力特别大；三是需要315 kVA变压器约16台（若考虑1000kVA变压器也可以），需倒装4次，所需临时用电时间短，变压器安装成本高，增容费用高，成本压力特别大；四是大量设备集中施工，造成临时场地、泥浆池、钻碴、临时用水等O施集中建设。这些设施使用期短，场地布置困难，无形中增加了组织管理难度，增加了组织风险和管理分险，同时也大量增加临时设施成本。

4.2 旋挖钻

鉴于以上存在问题，我们对市场上各型钻机进行了大量调查，经与国内多个知名厂家联系，认为也可以用旋挖钻代替冲击钻，只要旋挖钻机型号动力头扭矩为360kN・m以上的钻机均可以完成软岩地质下的钻孔。

4.3 比选

经过认真分析，最终决定采用冲击钻机和旋挖钻机在现场进行钻孔工期及成本比选，通过试验来最终确定钻机选型。钻机调查情况见表1（d=1.25m）。

根据表1所列，结合现场实际情况，选择冲击钻机和360型旋挖钻机各一台进入施工现场，各选一根桩基进行钻进试验。旋挖钻机钻进试验结果如表2。

试钻结果分析：

旋挖钻机：27h钻进31m，柴油消耗760ml，其中截齿钻每米约1h，牙轮筒钻每米约3h。其费用成本为：柴油150元/延米，机械台班费用600元/延米，钻碴外弃费用55元/延米，合计成本805元/延米。

冲击钻机（配120kW发电机）：钻进1天后，进度仅为5m，柴油消耗400ml，随后冲击钻撤出场。其费用成本为柴油480元/延米，机械台班费用306元/延米，泥浆外弃费用100元/延米，合计成本886元/延米。若采用大临电接入，因工期极短，其安装和增容费大约533元/延米，且安装周期与工期不匹配。由于每台钻机进场作业量仅为20根桩，实际费用还要高于此统计值。

通过试钻及经济比选，最终现场采用动力头扭矩360kN・m以上旋挖钻机。

5 现场施工组织

5.1 大临布置

电力主干线：由地方高压电力干线接入，变压器间距800m设置，计8台500kVA变压器，为先期照明用电和后期承台墩身施工使用。

水：本桥范围内设置两处自来水接口，先期采用汽车拉水，各工点设蓄水池蓄水。

道路运输：本桥材料运输主要拟利用既有公路。各区段便道宽度考虑汽车吊架梁条件，0#-27#墩在线路左侧修筑10m宽临时便道，28#-105#墩利用既有道路作为施工便道，106#-184#墩考虑架梁以及筑岛施工条件，以桥梁中线为界左侧设置15m便道，右侧设置10m临时施工场地，合计全断面宽25m（含承台基坑在内）。便道和机械作业场地需铺设泥结碎石，跨鱼塘、水沟段埋设承重式砼排水管。

5.2 旋挖钻机成孔

5.2.1 场地准备

每6个承台为一小区段，布置1台钻机施工。由于桥梁轴线位于场地中心，钻孔施工时，钻机选择在两桥墩间站位，桥梁左侧作为临时堆放弃碴场地，桥梁右侧作为施工通道。其他小型机具堆放在左侧，钢筋笼随用随拉，不在现场堆放。施工过程中不得堵塞相邻区段的通道。

5.2.2 埋设护筒

护筒用6 mm厚的钢板制作，其内径大于钻孔直径200mm-400mm。为增加刚度防止变形，在护筒上、下端口和中部外侧各焊一道加劲肋。

护筒的底部埋置在地下水位或河床以下1.5m，护筒顶面高出地下水位1.5m-2.0m左右（同时高出地面0.5m）。护筒埋设尽量穿透素土层至风化岩面顶部。

桩基护筒埋设采用挖埋法。首先在桩位处用旋挖钻头开挖2-3m深，再吊装护筒到桩位上，用旋挖斗压入土层中。护筒中心与桩位中心的偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于1%，保证钻机沿着桩位垂直方向顺利工作。

5.2.3 钻孔施工

旋挖钻机通过履带自行就位，就位后，钻头中心点对准桩位中心，同时调整钻桅是否垂直，然后钻进，其工作循环为：对孔落钻钻进提钻反转解锁提升钻机回转卸土再对孔。每次钻孔时在深度表上对零，以检查钻进情况，提放钢丝绳适度。每一循环检查钢丝绳是否在滚筒槽内，检查钢丝绳是否有毛刺、断股现象，如有及时更换。

旋挖钻机成孔在表层土中采用普通钻头，进入强风化或中风化岩层采用截齿钻头钻进，进入弱风化岩层采用牙轮筒钻切削边缘，截齿钻头取芯成孔。

5.2.4孔底沉碴清理

孔底沉碴首先是通过底部带有活门的桶式钻头回转收集孔底岩土，在不附加压力情况下直接将其装入钻头内，然后再由钻孔机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，直至清除孔底沉碴，达到设计要求。

5.2.5 成孔检查

钻孔灌注桩在成孔过程中及终孔后以及灌注混凝土前，对钻孔进行阶段性的成孔质量检查。

孔径检测在桩孔成孔后，下入钢筋笼前进行。笼式检孔器用？准12的钢筋制作，其外径等于钢筋笼直径加100毫米，但不大于钻孔的设计孔径，长度等于孔径的3～4倍。检测时，将检孔器吊起，孔的中心与起吊钢绳保持一致，慢慢放入孔内，上下通畅表明孔径满足要求。

孔深和孔底沉渣采用标准锤检测。测锤一般采用锥形锤，锤底直径13cm～15cm，高20～22cm，质量4kg～6kg。测绳采用钢尺进行校核。

正常施工期间，平均每天每台钻机完成1根桩。大量节约桩基施工工期，1个月后就具备了承台施工条件，为后续施工提供较多、较快的工作面，确保了全标段工期顺利实现。

由于大部分时间是在软岩中钻进，钻头磨耗非常大，合理的钻进压力是平衡钻头磨耗与钻进速度的关键技术，此部分与操作司机的经验息息相关，也是控制钻机效率的重要因素。现场经常会出现掰掉截X现象，必须及时补齐。

6 经验总结

在软岩地质中采用旋挖钻机进行钻孔施工，使本项目成功实现了工期目标和经济目标。其优点如下：

①旋挖钻机钻进岩层速度快。每天完成1根桩基，5天就可以完成1个承台，15天后即可开挖承台。速度远快于冲击钻。工期效果明显。②旋挖钻机采用履带机构行走，移钻速度快。工期效果明显。③旋挖钻机采用柴油机作为动力，不需要设置大量变压器，降低了对大临电的依赖，降低了组织风险。④由于表层覆土仅有2-3米，旋挖钻机钻进过程中采用干钻，没有泥浆排放，污染少，占地少，钻渣可直接用于其他工程的填料。经济效果明显。⑤由于不用泥浆，对自来水的需求量极低，经济效果明显。⑥经济指标为：在本项目中实施后，旋挖钻孔直径1.25米桩最终平均成本为800元/延米，远低于同类项目冲击成孔的成本。在本项目中旋挖钻机比冲击钻机综合经济效益优势明显。

7 结束语

通过本工程施工中的工期和经济比较，在工期要求紧张的情况下，旋挖钻机施工软岩地质中的桩基具有明显优势，具有可推广性。

参考文献：

[1]中车青岛四方机车车辆股份有限公司铁路试验线建设项目桥梁专业施工图，中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，2015年12月设计.

[2]旋挖钻机使用说明书.

[3]李冰.无钻杆旋挖钻孔机工作装置监控系统研制[D].哈尔滨工业大学，2011.