桂青保 GUI Qing-bao

（中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，寶雞 721006）

1 錨固樁機(jī)械旋挖成樁技術(shù)市場(chǎng)需求

矩形錨固樁主要承受土體的側(cè)向壓力，截面一般為1.5～4.5m，深度一般為15～60m，傳統(tǒng)施工方式均采用人工挖孔作業(yè)，具有安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)效率低等特征：一是人工孔內(nèi)作業(yè)時(shí)面臨高空墜物、護(hù)壁坍塌失穩(wěn)、涌水淹溺、觸電、有害氣體中毒窒息等安全風(fēng)險(xiǎn)，且作業(yè)空間狹小，通道唯一，傷害事故出現(xiàn)后施救難度極大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高；二是人工開挖時(shí)多采用風(fēng)鎬鋤頭開挖、渣桶吊裝出渣的方式，特殊地質(zhì)條件時(shí)配合采用松動(dòng)爆破、水磨鉆等施工，因作業(yè)空間受限，一般只能容納1～2人作業(yè)，加之深孔時(shí)渣桶吊裝作業(yè)效率低，施工效率不高；三是人工開挖完成后鋼筋在孔內(nèi)綁扎，無法平行施工。

隨著施工機(jī)械化水平的逐步推進(jìn)和提高，尤其是對(duì)有限空間作業(yè)條件下人工挖孔樁的安全風(fēng)險(xiǎn)管控和剛性約束越來越大，采用機(jī)械施工矩形錨固樁的現(xiàn)場(chǎng)需求越來越強(qiáng)烈，機(jī)械旋挖施工矩形錨固樁的技術(shù)由此出現(xiàn)。

矩形錨固樁采用機(jī)械旋挖成樁時(shí)，鉆機(jī)旋挖掘進(jìn)、液壓抓斗器配合清渣、矩形修孔器修孔、液壓可調(diào)式吊裝模具澆筑護(hù)壁、鋼筋籠場(chǎng)外預(yù)先加工后在孔口分節(jié)連接吊裝下放、導(dǎo)管澆筑樁身混凝土的方式進(jìn)行施工，可實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)無人作業(yè)，適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)的深孔樁基施工，避免了孔內(nèi)人工作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了工序間平行施工目的，單日單臺(tái)班施工進(jìn)尺為8～24m不等，較傳統(tǒng)人工挖孔單日單班組0.3～1.5m的進(jìn)尺有較大幅度提高，極大提高了施工工效。

2 工程概況

2.1 工程概況 施工區(qū)域內(nèi)共計(jì)矩形錨固樁48根，其中：截面2.0m×3.0m的22根，樁身長(zhǎng)度40m/根；截面2.5m×3.5m的26根，樁身長(zhǎng)度45m/根。

2.2 水文地質(zhì)情況 地下水位位于樁底3～5m范圍內(nèi)，主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。樁身自上而下地質(zhì)情況依次為粗角礫土、絹云母板巖夾變質(zhì)細(xì)粒石英夾砂巖（強(qiáng)風(fēng)化）、絹云母板巖夾變質(zhì)細(xì)粒石英夾砂巖（弱風(fēng)化），實(shí)際開挖揭示中含有粒徑約1m左右的漂石和卵石。

3 施工工藝流程

大截面矩形錨固樁旋挖成樁施工工藝流程如圖1所示。

4 機(jī)具配套選擇

4.1 旋挖入巖基本原理 巖石破碎的方法主要有三種，分別是沖擊破巖、磨削破巖、剪切破巖。沖擊破巖時(shí)只有當(dāng)巖體上的壓力達(dá)到巖石極限抗壓強(qiáng)度的30%～50%時(shí)巖石才會(huì)破碎。磨削破巖時(shí)依靠鉆具與巖石接觸所產(chǎn)生的的摩擦力來研磨巖體。剪切破巖依靠壓力將鉆具截齒通過磨削的方式壓入巖石，在扭力作用下，達(dá)到巖石極限抗壓強(qiáng)度的10%時(shí)就會(huì)造成巖石因剪切而破壞。綜上可知，截切破巖較其他方式具有動(dòng)力需求小、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，因此現(xiàn)場(chǎng)采用旋挖剪切入巖，即：依靠動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，在加壓荷載和旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下，鉆具的鉆頭與巖體接觸面之間產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到巖體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，形成巖體貫穿裂紋，繼而破碎坑，使巖體發(fā)生塑性變形或局部破碎，達(dá)到剪切入巖、破巖、清理的目的。

4.2 鉆桿配套選擇 鉆機(jī)的鉆桿一般分為摩阻式鉆桿和機(jī)鎖式鉆桿。摩阻式鉆桿內(nèi)外層鍵條容易脫鎖，鉆桿提升較為方便，靠鍵條之間的摩擦力進(jìn)行向下施壓，加壓力較小，適用于普通土層施工。機(jī)鎖鉆桿每節(jié)鉆桿外壁上有兩道或三道鎖槽，向下鉆進(jìn)時(shí)每節(jié)鉆桿底部?jī)?nèi)側(cè)的驅(qū)動(dòng)鍵可進(jìn)入鎖槽使各節(jié)鉆桿鎖定，可以將鉆機(jī)向下的驅(qū)動(dòng)力全部傳遞到鉆頭，適用于較硬地層鉆進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，為適應(yīng)復(fù)雜地層條件，采用機(jī)鎖式鉆桿。

4.3 鉆頭配套選擇 鉆頭大致分為旋挖鉆斗、螺旋鉆頭、巖石筒鉆三種。

4.3.1 旋挖鉆斗 旋挖鉆斗具備鉆進(jìn)和清渣的作用，類型較多，按照底板的數(shù)量可分為單層底鉆斗、雙層底鉆斗，按斗齒類型可分為斗齒鉆斗、截齒鉆斗，按開門數(shù)量分為單開門和雙開門兩種，適用于粘土、泥巖、淤泥、土層、卵石地層。

4.3.2 螺旋鉆頭 螺旋鉆頭分為錐螺短螺旋和直螺短螺旋鉆頭，根據(jù)錐頭結(jié)構(gòu)可分為雙頭雙螺、雙頭單螺、單頭單螺，鉆齒分為截齒和斗齒兩種，適用于基巖、卵石、凍土、含水量小的土層。

4.3.3 巖石筒鉆 巖石筒鉆一般常見的有截齒筒鉆和牙輪筒鉆，適用于堅(jiān)硬基巖、大漂石、卵礫石，能在堅(jiān)硬的巖石周圍形成環(huán)槽，對(duì)巖石進(jìn)行松動(dòng)掏空，從而為旋挖鉆斗或短螺旋破巖創(chuàng)造自有破碎面，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬的巖石破碎。鑒于施工區(qū)域的地層主要為角礫土、板巖、漂石，巖層差異性大，實(shí)際采用Φ1000mm的截齒筒鉆、以及Φ1000mm、Φ1500mm、Φ2000mm的雙底板雙開門截齒旋挖鉆斗。

4.4 鉆機(jī)選擇

4.4.1 鉆機(jī)工作壓力 根據(jù)剪切破巖理論，扭力達(dá)到巖石極限抗壓強(qiáng)度的10%時(shí)就會(huì)造成巖石因剪切而破壞，揭示地層絹云母板巖夾變質(zhì)細(xì)粒石英夾砂巖的單軸極限抗壓強(qiáng)度為10.8MPa，故巖體剪切破壞的扭力應(yīng)達(dá)到：P=10.8×0.1=1.08MPa=1080kPa。截齒鉆頭的規(guī)格為：鉆頭尾部62mm，錐部直徑19mm，高度79mm。以直徑1m的筒鉆為例，筒鉆上截齒鉆頭與巖體的接觸面積為：A=3.14×1×0.019=0.05966m2。則鉆機(jī)的工作壓力應(yīng)為：F=P×A=1080×0.05966=64.4kN。

4.4.2 鉆機(jī)輸出扭矩 根據(jù)《機(jī)械工程手冊(cè)》，鉆進(jìn)的鉆進(jìn)扭矩公式為：M=CPRO。C-系數(shù)，刮刀鉆頭取0.15～0.25，楔齒滾刀鉆頭取0.10～0.15，球齒滾刀取0.08～0.13，大直徑取小值，小直徑取大值，本處取楔形0.15。P-鉆壓，kN，（4～6）G，G為鉆頭組裝質(zhì)量，本處取32t合314kN；RO-鉆頭回轉(zhuǎn)半徑，m；RO=0.35×（D+d）/2；D-鉆頭外徑，取2.032m；d-鉆頭內(nèi)徑，取2m。因此鉆機(jī)的鉆進(jìn)扭矩為：M=0.15×（6×314）×（0.35×2.016）=199.4kN·m。根據(jù)鉆孔深度、地質(zhì)、水文、扭力要求，綜合各種工況后選擇XR400D型旋挖鉆機(jī)。

4.5 矩形修孔器 為確保樁孔結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求，采用單獨(dú)制造的矩形修孔器進(jìn)行修孔，修孔器由切盤和切削斗齒組成，在鉆機(jī)壓力下對(duì)孔壁進(jìn)行切削，修孔器的外截面大小與樁徑一致，便于修孔器能順利進(jìn)入孔內(nèi)，通過鉆桿調(diào)整修孔器的位置，利用正面斗齒和側(cè)面斗齒對(duì)孔壁進(jìn)行切削以滿足樁身截面尺寸要求。

4.6 液壓抓斗 為加快孔內(nèi)清渣隧道，根據(jù)設(shè)備工況結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)水文情況，研制一套液壓抓斗進(jìn)行孔內(nèi)清渣。

4.7 液壓可調(diào)式吊裝護(hù)壁模板 為便于護(hù)壁砼澆筑，單獨(dú)研制一套液壓可調(diào)式護(hù)壁模板，施工時(shí)采用吊車將模板吊裝入孔內(nèi)，通過液壓操縱臺(tái)調(diào)整護(hù)壁模板的張開和收縮，混凝土通過模板的分流槽進(jìn)入，通過平板振搗器振搗。

5 施工工藝

5.1 施工準(zhǔn)備①施工前應(yīng)熟悉施工圖紙，掌握施工部位的水文、地質(zhì)資料，并對(duì)圖紙進(jìn)行審核，同時(shí)根據(jù)圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查，核對(duì)方樁的平面位置、高程、水文、地質(zhì)是否與設(shè)計(jì)相符。②主要施工機(jī)具及其配套設(shè)備的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收完成，操作人員的資格證書符合要求。③原材料報(bào)驗(yàn)、混凝土配比審批、測(cè)量控制網(wǎng)復(fù)核、方案審批完成。④作業(yè)人員技術(shù)交底、安全交底、崗前培訓(xùn)教育完成。⑤樁孔場(chǎng)地應(yīng)清除雜物、換除軟土、平整壓實(shí)，施工作業(yè)平臺(tái)的寬度不小于10m×7m（長(zhǎng)×寬），滿足設(shè)備作業(yè)空間需求，嚴(yán)禁在松軟地段鋪設(shè)鉆機(jī)操作平臺(tái)，保證鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)穩(wěn)固不移位，桅桿傾斜小于5°。

5.2 測(cè)量放樣 用全站儀采用坐標(biāo)法準(zhǔn)確放樣出樁軸線平面位置，并做好“十”字護(hù)樁。

5.3 鎖口施工 孔口2m范圍為鎖口，采用挖機(jī)開挖，人工配合修整，鎖口護(hù)壁應(yīng)高出地面50cm，防止施工時(shí)物體掉入樁內(nèi)或地面積水進(jìn)入樁內(nèi)。

5.4 旋挖鉆進(jìn) 鉆進(jìn)主要有兩種方式，一種是四角引孔法，一種是中心引孔法。

5.4.1 四角引孔法 揭示地層條件較為穩(wěn)定，樁身土體自承能力較好時(shí)采用四角引孔法，采用直徑Φ1000mm圓形截齒旋挖鉆斗沿著樁身對(duì)角線方向進(jìn)行鉆進(jìn)和清渣，單孔單次鉆進(jìn)深度宜5m左右。四角引孔完成后更換鉆斗，在孔位中心位置采用Φ2000mm圓形截齒旋挖鉆斗鉆進(jìn)至四角引孔位置的深度。

5.4.2 中心引孔法 揭示地層條件較自穩(wěn)性能差，孔壁容易坍孔時(shí)，宜采用單孔引孔法，采用Φ1500mm的截齒旋挖鉆斗（為防止鉆進(jìn)時(shí)鉆斗傾斜偏位，不宜采用更大直徑鉆斗引孔）在樁孔中心位置鉆進(jìn)，應(yīng)盡量一次鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁底位置，以便提前探明孔內(nèi)地質(zhì)水文情況，在后續(xù)鉆進(jìn)時(shí)可提前采取縮短進(jìn)尺澆筑護(hù)壁、下方形鋼護(hù)筒跟進(jìn)的措施。中心引孔完成后更換鉆頭，采用Φ1000mm的截齒旋挖鉆斗按四角引孔的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度根據(jù)地質(zhì)水文情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，以便于護(hù)壁澆筑為宜。鉆進(jìn)過程中遇到孤石、漂石或進(jìn)入巖層地段時(shí)，應(yīng)將旋挖鉆斗更換為截齒筒鉆，通過筒鉆的截齒切削破壞巖體形成松動(dòng)圈后采用旋挖截齒鉆斗鉆進(jìn)清渣或直接更換液壓抓斗清渣。

5.5 矩形修孔器孔壁修整 采用矩形修孔器對(duì)鉆進(jìn)后的孔壁進(jìn)行切削修整，見圖2。

5.6 液壓抓斗清渣 采用旋挖鉆斗鉆進(jìn)的地段，鉆斗本身具有鉆進(jìn)和清渣功能；采用矩形修孔器或者巖石筒鉆鉆進(jìn)時(shí)宜采用液壓抓斗器配合進(jìn)行孔內(nèi)清渣，提高施工作業(yè)效率。見圖3。

5.7 護(hù)壁施工 對(duì)于孔壁自穩(wěn)能力較好的地段，可一次鉆進(jìn)到位，不需要施工護(hù)壁，驗(yàn)基及樁身檢查后直接進(jìn)行樁身鋼筋和混凝土施工。對(duì)孔壁自穩(wěn)能力差，易坍塌的地段應(yīng)護(hù)壁逐節(jié)跟進(jìn)，旋挖掘進(jìn)并修孔后進(jìn)行護(hù)壁施工，護(hù)壁施工時(shí)采用單獨(dú)研制的液壓可調(diào)式護(hù)壁模板，模板收縮后采用履帶吊將模板吊裝入孔內(nèi)，就位后通過液壓操縱臺(tái)張開模板就位并通過液壓絲杠加固頂緊，護(hù)壁鋼筋在場(chǎng)外加工成鋼筋網(wǎng)格吊裝入孔內(nèi)后進(jìn)行連接，護(hù)壁混凝土通過串筒及護(hù)壁模板四角的分流槽進(jìn)行澆筑，通過模板自帶的平板振搗器進(jìn)行振搗。護(hù)壁強(qiáng)度達(dá)到5MPa時(shí)先松開模板便于脫模，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)完全松開后拆模吊裝出孔外。見圖4。

5.8 成孔檢查 重復(fù)上述各道工序，樁孔挖至規(guī)定的深度后，對(duì)樁中心、直徑、垂直度、深度、擴(kuò)底尺寸、持力層情況檢查驗(yàn)收，辦理隱蔽驗(yàn)收手續(xù)。

5.9 樁身鋼筋加工安裝 ①樁身鋼筋在廠內(nèi)分節(jié)加工，用平板車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，人工在孔口進(jìn)行鋼筋籠分節(jié)連接、分節(jié)下放至孔內(nèi)。②樁井縱向受力鋼筋（即豎向主筋）連接方式采用機(jī)械連接，鋼筋機(jī)械連接需滿足規(guī)范要求：1）鋼筋端部采用帶鋸、砂輪鋸或帶圓弧形刀片的專用鋼筋切斷機(jī)切平。2）鋼筋絲頭采用專用直螺紋量規(guī)檢驗(yàn)，通規(guī)應(yīng)能順利旋人并達(dá)到要求的擰入長(zhǎng)度，止規(guī)旋入不得超過3個(gè)絲牙。3）接頭擰緊后，外漏有效螺紋不超過2個(gè)絲牙，鋼筋接頭連接好后，采用扭矩扳手對(duì)鋼筋接頭的扭矩值進(jìn)行檢測(cè)。③為保證鋼筋籠能夠盡可能地整體吊裝入孔，防止吊裝過程中骨架變形，鋼筋籠中增加“十”字定位鋼筋，選取Φ25鋼筋十字交叉，縱向3m/道。④在鋼筋骨架外側(cè)采用專用保護(hù)層墊塊和混凝土塊支墊，沿鋼筋籠長(zhǎng)度方向2m設(shè)置一個(gè)墊塊，同一水平面上設(shè)置4個(gè)墊塊。

5.10 聲測(cè)管安裝①聲測(cè)管采用金屬管，外徑40mm，壁厚3mm，每根樁基四個(gè)角位置設(shè)置。②聲測(cè)管下端封閉、上端采用橡膠塞封閉，管內(nèi)無異物，連接處應(yīng)光滑過渡，不漏水。管口應(yīng)高出樁頂100mm以上，且各聲測(cè)管管口高度宜一致。③聲測(cè)管在鋼筋籠安裝下放時(shí)同步連接安裝。

5.11 混凝土澆筑①對(duì)孔底虛渣采用液壓抓斗器反復(fù)清渣后，抽干孔內(nèi)積水，采用水下灌注樁的方式進(jìn)行混凝土澆筑施工：首批砼灌注時(shí)導(dǎo)管底距離樁底25～40cm，首批砼灌注時(shí)計(jì)算好方量，必要時(shí)采用雙料斗雙料管灌注，確保導(dǎo)管的首次埋深不少于1m，后續(xù)混凝土澆筑時(shí)導(dǎo)管的埋深控制在2～6m之間。②孔內(nèi)混凝土應(yīng)一次連續(xù)灌注完畢。③澆筑至樁頂時(shí)采用人工輔助振搗，提高樁身質(zhì)量。④冬季施工的樁基在澆筑完成后立即采用“棉被+電熱毯+棉被”的方式進(jìn)行覆蓋保溫。

5.12 成樁檢測(cè) 混凝土澆筑完成并達(dá)到28d齡期后及時(shí)組織自檢和第三方檢驗(yàn)，對(duì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在的問題進(jìn)行分析總結(jié)，后續(xù)施工時(shí)及時(shí)糾偏。

6 結(jié)束語

機(jī)械旋挖成樁從源頭上避免了人員進(jìn)入樁孔內(nèi)作業(yè)的施工安全風(fēng)險(xiǎn)，在工效上有大幅度的提高，會(huì)逐漸成為矩形錨固樁施工的一種趨勢(shì)和新常態(tài)，但樁孔內(nèi)地下水位較高、地層中含有孤石或漂石、護(hù)壁自穩(wěn)能力差易坍孔時(shí)需要頻繁更換不同類型的鉆頭來適應(yīng)水文和地質(zhì)條件變化，且需要逐節(jié)施工護(hù)壁跟進(jìn)，這種工況下工效降低較為明顯，需要持續(xù)研究提高。