大直径工程桩分级旋挖成孔技术探索与研究
摘要: 在中风化泥质粉砂岩层地基施工中，采用分级旋挖成孔技术进行桩基施工可有效解决旋挖机输出扭矩不足的问题，且旋挖成孔速度快，成孔质量高。本文就大直径工程桩分级旋挖成孔施工技术进行探讨，利用理论分析证明其可行性，为今后同类型施工提供参考。
关键词: 中风化粉砂岩，大直径工程桩，最大输出扭矩，分级旋挖成孔
1 方案背景
华创国际广场工程地基基础设计等级为甲级，建筑桩基设计等级为甲级。主塔楼采用人工挖孔灌注桩为端承桩，持力层为中风化泥质粉砂岩，桩端极限端阻力为 qpk=6900Kpa，设计直径为2.5米（18根）和2.4米（20根），桩底绝对标高低于5.750米，有效桩长约为7.400米~12.55米。桩基设计采用人工挖孔灌注桩。人工挖孔桩具有施工工艺简单、施工方便、单桩承载力高等优点；但其井下施工条件差、环境恶劣、劳动强度大、施工周期长同时安全难以保证。为确保工期并减少安全隐患,本工程决定采取其它工程桩施工法进行施工。经过对现行工程桩施工方法的对比，发现冲击钻成孔和旋挖成孔符合本工程要求。冲击钻成孔工艺成熟且成桩质量可靠，由于本桩基基本处于中风化粉砂岩中，基岩强度高，冲击成孔速度非常缓慢，故无法满足工期要求，且施工成本高。旋挖成孔桩的优点是能一次成孔，成孔速度快，孔壁不易产生泥皮，孔壁上会生产明显的螺旋线，这两点可有效地增加桩基摩擦力，提高桩基承载力且安全系数高。根据对冲击钻成孔和旋挖钻机成孔施工特点的比选。结合对工期、施工成本、环保等综合考虑，决定采用旋挖钻机作为本工程的桩基施工机具。本文主要研究2.5米大直径工程桩的旋挖成孔施工技术在中风化泥质粉砂岩地质条件下的应用。
2、技术准备
2.1施工难点
本工程持力层为中风化粉砂岩（属软岩），钻孔直径每增加 10 cm，扭矩增加约 15 kN·m~ 20 kN·m，本工程桩基φ2.5 m，所需扭矩约375kN·m~ 500kN·m。目前国内旋挖钻机功率最大的为三一重工生产的SR460 型钻机，输出扭矩最大可达470 kN·m，考虑到安全储备系数，实际输出功率须按 80%考虑，经计算，扭矩最大约 380 kN·m，能满足施工要求，但造价昂贵，施工成本极高，国内极少使用。
2.2方案优化
目前湖南省输出扭矩最大的为恒天九五生产的JVR280D旋挖钻机，最大输出扭矩为280 kN·m，最大钻孔深度85米，最大钻孔直径为2.5米，如果继续采用旋挖钻机施工，必须把桩基钻孔所需扭矩控制在实际输出扭矩范围内。
钻孔时扭矩的计算可按美国休斯顿公司莫伦公式（1）计算（其中为工作扭矩，为接地比压，为开挖直径，是地质常数，此处=3.2）。
计算直接开挖工作扭矩，取，计算结果如下
得出其工作扭矩为432 kN·m，超出JVR280D的最大输出扭矩。若要满足旋挖机的最大输出扭矩可根据莫伦公式进行逆向计算。设工作扭矩。
由式
得到最大输出扭矩下旋挖直径。
根据上述计算结果，考虑分两次开挖，来解决输出扭矩不足的问题。即先用小直径钻头引孔，再用2.5米直径钻头开挖剩余部分。首先进行理论计算分析其可能性。经上述计算已得出在最大输出扭矩下旋挖直径可为2米，设剩余部分扭矩为，2.5米直径开挖扭矩为 ，2米直径开挖扭矩为，则，即，小于JVR280D的最大输出扭矩。上述证明在旋挖钻机输出扭矩不足的情况下采用分级开挖的成孔技术能开挖大直径工程桩。实际施工中为了保证安全施工，工作扭矩设定为输出扭矩的80%即224 kN·m，通过计算得出此时一级开挖直径可取1.8m，二级开挖扭矩，小于最大输出扭矩，满足施工要求。
由上述理论支撑，本项目正式采用分级旋挖技术进行施工，分级旋挖示意图如下：
图1 分级旋挖成孔示意图
1）第 1 级开挖（引孔）：开挖 φ1.8 m，所需扭矩约为200 kN·m ~224kN·m；
2）第 2 级开挖（扩孔）：开挖 φ2.5m，所需扭矩应考虑中心 φ1.8 m 泥浆阻力所产生的扭矩，约 200 kN·m~240 kN·m。
3、施工工艺
3.1钻前准备
桩位检查，对设计单位提供的坐标基点、水准基点及其测量资料进行检查、核对。采用全站仪定出各钻孔桩的中心位置，钻机就位前由技术员复查桩位，准确无误后方可就位对中。
3.2 钻进
1）一级小直径（φ1.8 m）成孔。按方案，先采用小直径（φ1.8 m）双底双门截齿旋挖钻头挖孔，因本桩基桩体基本处于中风化粉砂岩中承载力能达施工要求，所以一次挖至孔底标高。
2）二级全桩直径（φ2.5 m）旋挖成孔。待一级小直径（φ1.8 m）旋挖到底后，应及时更换上 φ2.5 m 的双底双门截齿旋挖钻头，进行二级旋挖扩孔。
3）每次钻进深度以不超过 0.5 m 为宜。钻进中应随时通过钻机本身的三向垂直控制系统，反复检查成孔的垂直度，以确保成孔质量，若发现偏位和倾斜应及时进行处理。
4）在中风化粉砂岩中钻孔时，钻进速度宜控制在 2 m/h~ 2.5 m/h。
5）在钻进过程中，应做好钻孔记录，并经常注意土层的变化。
6） 在特别坚硬的中风化粉砂岩中进行施工，宜采用双底双门截齿旋挖钻头和镶有钨钴硬质合金单锥截齿型嵌岩短螺旋钻头配合使用。
7)二级开挖成孔后，应进行清底并进行成孔检测。桩孔质量标准为：孔径偏差+50 mm；垂直度偏差≤0.5%。
4、结语
近年来，随着旋挖钻机在桩基施工中的普遍使用，旋挖成孔技术的应用面越来越广泛。在本工程中，通过理论分析产生分级旋挖成孔的想法，再通过计算证实分级旋挖的可能性，并在实际生产中采取分级旋挖成孔施工工艺圆满完成主塔楼桩基的施工。分级旋挖施工工艺适用于土质较硬场地进行施工，如强风化、中风化岩层等，大直径工程桩分级旋挖成孔施工工艺在未来的工程施工中展现了更好的应用前景。
参考文献
[1] 马小军、何二天、王万民、阮晓赞、周俊.超高层建筑中风化泥质砂岩层地基施工技术,建筑技术，2012（11）：第42卷第11期；