全回转钻机在市政工程近地铁地段大型桥梁桩基施工中的应用

全回转钻机在市政工程近地铁地段大型桥梁桩基施工中的应用

闫柄松

中国水利水电第五工程局有限公司

摘  要：

本文主要针对市政工程中，临近地铁车站、地铁盾构区间新建大型桥梁工程，为降低桥梁桩基施工对地铁盾构区间及周围土体的扰动，采用全回转钻机进行钢套管跟进、桩基成孔工艺的研究。

通过对全回转钻机的设备选型、施工工艺及施工工法分析与介绍，总结了全回转钻机成孔的优、缺点，以及在市政工程中，位于地铁特别保护区范围内全回转钻机在桥梁桩基施工中的广泛应用。

关键词：

全回转钻机；临近地铁；桥梁桩基；应用。

1 应用背景

随着城市交通的飞速发展，城市地铁、互通立交、高架桥梁的建设在城市交通规划中从平面及空间上必定存在着相互干扰，桥梁桩基不可避免会遇到临近地铁地下构筑物及隧道盾构区间等特殊环境下施工。

城市桥梁工程施工桩基础通常分为沉入桩基础、灌注桩基础；桩基成孔工艺主要分为泥浆护壁成孔桩、干作业成孔桩等。在市政大型桥梁桩基施工过程中，一般采用泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺，桩基成孔设备包括正、反循环钻、冲击钻、冲抓钻、旋挖钻、长螺旋钻孔等。无论采用何种工艺及设备，桩基钻进均会对周围土体、管线及构筑物造成影响。市政工程中，地下构筑物、城市管网、特别是地铁盾构区间等特殊地段，如何降低桩基成孔对地下构筑物的扰动，确保地铁安全运行尤为重要。

钢套管全回转钻机最早起源于日本20世纪80年代中期，针对日本岛复杂的地质情况、丰富的地下水资源、砂层、卵砾石层等特殊地质环境，在搓管机的基础上开发出来的钢套管全回转钻孔工艺，早期全回转钻机主要应用于混凝土桩、预制桩、钢管桩的拔除。90年代国内开始引进该设备，主要用于铁路、桥梁建设。

钢套管全回转钻机施工工艺就是在常规钻孔灌注桩工艺的基础上，钻机成孔过程中利用全回转钻机进行钢套管跟进保护，形成边套管跟进、边管内取土的作业流程，利用钢套管的刚性、高强度、耐压等特点，有效防止桩基施工过程中塌孔、地面沉降等事故发生，同时最大程度降低桩基施工对土体的扰动。

2 全回转钻机的介绍

2.1 全回转钻机主要组件及参数

全回转钻机主要是由液压动力站与全回转钻机工作装置和辅助机具共三大部分组成，是一种集全液压动力和传动系统联合控制的新型钻机。

⑴ 全回转钻机工作装置

主体工作装置是对钢套管正向旋入或反向旋转拔除的关键设备，即全回转钻机主体设备，具体部件包括如下装置：

① 底盘及调平装置：全回转钻机底座、用于承受回转钻机自重及套管回转扭矩、液压千斤顶竖向压力，内部设有加持套管的下夹持圈，底盘上部设有支腿油缸，可自动调平。

② 套管回转驱动装置：钢套管的核心驱动装置，由液压抱箍设备、减速器、回转支撑等设备组成。

③ 套管上部夹持装置：主要由油缸、夹持盘、楔块等部件组成。

④ 上部操作平台及护栏、设备操作数控设备等。

⑤ 钻机反力装置：包括地锚装置、反力架等，主要承担钢套管施工过程中回转钻进产生的反向扭力、及千斤顶反向支撑力。

⑵ 液压动力站

液压动力站一般采用柴油动力的，以景安重工生产的JAR260H全回转钻机为列，采用的液压动力站型号为Cummins QSX15-500，重量为12t，发动机功率为410/1800 KW/ rpm。

⑶ 辅助机具

主要辅助机具包括负责套管内取土的冲抓斗、旋挖钻、冲击锤等桩基成孔设备；负责设备移动、配合冲抓斗进行管内取土的吊装设备，因全回转钻机自身质量较大，且桩基一般为场内封闭施工，常用吊装设备采用120t以上履带吊；桩基混凝土灌注施工过程中，因全回转钻机自身高度在2.5m以上，通常采用泵送混凝土灌注，现场配备混凝土泵车。

⑷ 景安重工JAR260H全回转钻机相关参数

以景安重工JAR260H全回转钻机为例，景安重工JAR260H全回转钻机具体参数如下：机身尺寸为：4.8m×3.3m×（2.27～3.02）m，回转扭矩5292KN.m，低速扭矩1766KN.m，瞬时回转扭矩6174KN.m；压入力830KN，拉拔力4560KN，瞬时拉拔力5160KN。具体参数如下表所示：

景安重工JAR260H全回转钻机参数表

2.2 全回转钻机使用范围

全回转钻机主要针对地质结构层复杂，含卵、漂石或大型孤石地层、流沙地层、沿海地层、溶洞地层、临近地下管线及结构物等特殊环境下桩基础施工；市政工程中常应用在咬合桩、桥梁桩基、沿海桥桩、拔桩等。

2.3 全回转钻机施工原理

全回转钻机在全套管钻孔灌注桩钻孔的施工工法是利用全回转钻机装有的液压驱动系统进行抱管、旋转、压入（或拔除）的方式将钢套管旋转压入地层，并在钢套管内利用旋挖钻或冲抓斗的方式边孔内取土边钢管下沉，直至桩长达到设计深度后，再进行钢筋笼吊放、混凝土灌注等一系列施工工艺，最后完成桩基施工。

3 全回转钻机在钻孔灌注桩钻进施工中的主要施工方法

3.1 全回转钻机钻孔灌注桩施工工艺流程

钢套管全回转钻机施工工艺主要包括全回转钻机就位、钢套管钻进、套管内取土作业、桩基成孔、钢筋笼吊装、混凝土灌注、钢套管拔除循环利用等，具体工艺流程如下图所示：

图1  全回转钻机钻孔灌注桩工艺流程图

3.2 全回转钻机钻孔灌注桩主要施工方法

3.2.1施工前的准备工作

⑴ 施工准备工作

① 全套管钻孔灌注桩施工前，组织相关人员参加技术交底、安全交底，熟悉设计图纸和地勘资料。根据现场实际情况做好排水系统、施工前先对桩位处的地下障碍物进行探明和消除。

② 施工前做好设备安装、调试检查工作并做好开孔记录（上面标明桩号、桩径、桩长、桩顶标高、护筒标高等）。并做好供水供电、以及施工照明等工作。

③ 及时上报相关施工手续及申报工作：施工方案的申报；钢筋的原材、机械连接、焊接工艺性试验；混凝土生产厂家的资质、混凝土配合比的设计、验证、原材料的抽样检测、设备及操作人员资质等。

④ 做好桩基混凝土灌注用的导管泌水试验，试验过程经监理的检验并验收合格后，方可将导管用于混凝土灌注施工中。施工前，准备好测绳，泥浆比重计、标准漏斗粘度计、含砂率计，以便在施工过程中随时抽取相关数据，了解施工情况。

⑵ 施工场地的准备工作

由于全回转钻机设备体积大、重量大，且相关辅助设施较多。因此，对施工现场进、出场通道以及全回转钻机的作业平台、钢套管的吊放平台有一定的要求。同时，全回转钻机设备的吊放需要考虑履带吊等大型吊装设备进行全回转钻机辅助吊放、移位。另外，钻孔灌注桩施工前还需要考虑桩基钢筋笼加工及制作的场地，渣土外运及桩基混凝土灌注施工道路等。确保施工作业所必须的一切通道及作业平台准备就绪。

近地铁施工是，因全回转钻机设备及履带吊自身重量较大，为满足地铁保护区安全评估要求，在施工前应进行场地平整，并考虑通过设置钢桁架等方式进行作业平台加固，确保吊机或全回转钻机停放稳定，且不发生倾斜、沉降等现象。

⑶ 钢套管准备工作

全套管全回转钻机施工关键是钢套管的钻进，因此对钢套管的性能要求较高。以杭州萧山风情大道项目高架桥施工为例，因高架桥建设临近湘湖地铁站1#线，为降低桥梁桩基施工对地铁盾构区间的扰动，确保地铁正常运行，桩基采用钢套管全回转钻机工艺施工。桥梁桩基设计桩径为φ120cm、φ150cm，设计桩长60m～80m。根据设计要求，钢套管采用3cm厚Q335C钢板卷制而成。钢护筒必须满足切削土体，嵌岩施工要求，因此，钢护筒底端1m采用5cm加厚钢板，底部镶嵌12～24把带锯齿的钛合金刀头。

3.2.2 全回转主机就位

桩基点位测量并复核后，利用履带吊等大型吊装设备进行全回转钻机设备的吊放、就位，全回转钻机就位后，利用钢筋在全回转钻机转盘上，通过搭设十字线的方式校对桩位中心，并用铅垂等方式观察转盘中心与定位桩基的十字中心是否吻合，同时调整全回转钻机设备的水平度。施工过程中随时对全回转钻机的垂直度进行观察、控制，确保满足桩基施工垂直度的相关要求。

3.2.3 钢套管的吊装、安放

为保证钢套管质量要求，一般由具有资质、具备加工条件的专业加工厂进行厂内加工制作，制作好的钢套管经检验合格后通过平板车运输至施工现场。

钢套管加工过程中应预留吊装孔，单节钢套管加工长度结合现场场地堆放条件、吊装设备选型、全回转钻机工作性能等因素，一般加工长度6～12m。现场钢套管连接可采用高强螺栓连接或焊接连接工艺。高强螺栓连接具有连接牢固、称压能力强、易安装、易拆卸等特点，一般钢套管全回转工艺宜选此连接方式，可有效提高成孔效率，同时高强螺栓可重复利用，从而降低施工成本。针对溶洞地层或临近管线、结构物等特殊区域，为保证溶洞层桩基混凝土灌注，或避免钢套管拔除过程中对周围土体及周边构筑物扰动，钢套管不进行拔除。在钢套管不拔除情况下，钢套管现场连接宜采用焊接连接。因钢套管需要承受全回转钻机钻进过程中较大的竖向压力与水平旋转扭力，现场焊接接头处宜采用单边坡口焊，焊接工艺采用气体保护焊，施工过程中重点对焊接质量的控制。

在钢套管使用前，应对每节钢套管的垂直度进行检查、校正，然后检查钢套管的长度是否满足设计要求。钢套管在下放连接前，对每节套管进行编号，并做好标记，按照标记有序地进行拼接、安装。

3.2.4 全套管内的钻进、取土

在全套管钻孔灌注桩施工过程中，每节钢套管的回旋压入的精度，直接影响到钻孔灌注桩的施工质量。

钢套管钻进过程中，每节钢套管有序回旋下压，通过高强螺栓或焊接的方式将钢套管连接好，并检查钢套管下放垂直度。为减少钢套管与土体之间的摩擦阻力，通过全回转钻机的回转系统，将钢套管进行不小于360°的回旋及旋转，利用钢套管底部的钛合金刀头切割土体，将钢套管压入土中，随后开始正常的钢套管钻进与套管内取土施工作业。

在钢套管的钻进与钢套管内的冲抓或旋挖取土过程中，随时进行地下土体钻进标高的测量及控制，利用测量绳尺从地面套管标高处下放至桩孔底部的长度，反算出全套管钻孔灌注桩孔内深度。

根据地质情况，取土一般可采用冲抓斗取土，或采用旋挖钻机钻进取土，也可采用旋挖钻机+机械抓斗接力配合使用。对于有嵌岩要求的端承桩，采用满足要求的旋挖钻机嵌岩钻进施工，或采用冲击锤配合冲抓斗进行冲击破碎、冲抓取土完成嵌岩施工。

3.2.5 全套管钻孔灌注桩钢套管的拔除

⑴ 钢套管拔除

全套管钻孔灌注桩施工中，钢套管的拔除是在桩基混凝土灌注过程中进行。

在桩基混凝土灌注过程中，随混凝土的灌注不断提升钢套管，通过全回转钻机对钢套管进行来回的转动，尽可能的减少钢套管内混凝土与钢套管之间因粘结产生的阻力，避免在钢套管在拔除过程中对混凝土的破坏。

在施工过程中，因地质结构层的不同，可能会出现由于地层下沉或孔壁坍塌等现象造成钢套管无法拔起，分析主要原因通常是由于钢套管与土层之间的摩擦力增大，拔除钢套管过程中对土层引起的扰动造成的此类现象。因此，在全套管钻孔灌注桩施工前，必须了解施工的地质条件，全回转钻机的额定提升力，以及全回转钻机的最大转矩等重要参数。

钢套管的提升分为直接提升和旋转提升，施工过程中结合现场的实际情况选取不同的提升方法。采取直接提升需要较大的提升力，且对土地的扰动较大；而采取旋转提升所需提升力较小，比较适合用于软土等松散地层。

采用旋转的方式提升钢套管，通过钢套管的旋转，可以减小钢套管与周围土体之间的摩擦阻力，并且在钢套管的拔除过程中对周围土体的扰动相对较小，在施工时优先选用旋转提升的方式进行钢套管拔除。一般钢套管在拔除过程中埋深控制在2～4m。

⑵ 钢套管不拔除

市政工程中，针对溶洞地层、砂层等特殊地质，为保证溶洞层桩基混凝土灌注成桩、降低溶洞混凝土超灌量；临近管线、地上及地下结构物等需特别保护区域，为避免钢套管拔除过程中对周围土体扰动，一般钢套管不进行拔除。

图2  全套管钻机旋挖钻进施工图

3.2.6 全套管钻孔灌注桩施工效率

全回转钻机钢套管钻进及桩基成孔效率与不同地层下的地质特性相关。以杭州萧山风情大道项目高架桥桩基施工为例，该工程桩基施工穿越地层主要包括杂填土、素填土、粘质粉土、淤泥质粘土、细砂层、圆砾层、全风化粉砂岩、中风化粉砂岩等，设计桩基为端承桩，施工有嵌岩要求，设计桩长约80m。试桩桩基穿越杂填土、素填土、粘质粉土、淤泥质粘土层时（采用冲抓斗冲抓取土），进尺长度约37.4m，钻进时长13.3h，平均钻进效率2.81m/h；细砂层、圆砾层进尺约17.6m，钻进时长15.1h，平均钻进效率1.17m/h；全风化岩层进尺17.6m，钻进时长16.3h，钻进效率1.08m/h；中风化岩层进尺0.4m，钻进时长5h，钻进效率0.08m/h（主要采用YTR400旋挖钻机嵌岩施工）。总用时49.7h，有效时长29.7h，其中包括钢套管焊接用时（共8道焊缝，平局每道焊缝焊接时长约2.5小时）。

通过试桩案例得出，采用全套管全回转钻孔灌注桩施工，桩基成孔稳定，工期可控，主要施工时长与地质结构、取土设备、套管连接有关。

3.3 施工注意事项

3.3.1 钢套管垂直度控制

全回转钻机属于装备制造业中的大型桩基础机械设备，尺寸一般在2.3m×4.1m以上，重量一般在27t以上，另外需要配置一个大型动力站，重量一般在6t以上，由于主机重量较大，且桩基施工需要频繁移位，另需配置履带吊等大型吊装设备进行设备辅助吊装。

在临近地铁段施工过程中，通过对地铁结构物受力计算、地铁监测、安全评估等相关参数，一般对地铁盾构区间上方的地基荷载有着严格的要求，需要进行详细的场地规划，尽量避免设备直接停放在地铁盾构区间上部，或采取必要的保护措施，保证地铁运行安全。

3.3.2 钢套管垂直度控制

钢套管钻进的垂直度直接影响到桩基成孔效率、桥梁桩基的成桩质量，因此，钢套管垂直度的控制是全回转工艺控制重点。

⑴ 全回转钻机钢套管垂直度控制原理

控制全回转钻机下压钢套管垂直度的工作原理，是通过将每节钢套管放入全回转钻机的夹管装置中，然后进行收缩夹管的液压缸系统，利用全回转钻机自带的导向及纠偏装置，及时调整钢套管下放角度，将钢套管回旋下压的垂直精度控制在设计要求的范围内。

⑵ 施工过程中钢套管垂直度控制措施

全回转主机就位后，进行设备的回转及钻进。利用设备的回转及下压过程，驱动钢套管快速钻入地层。钢套管在钻进过程时，利用靠尺或在套筒的两侧，通过设置X轴、Y轴的两个方向，利用线锤来及时检测、调整及控制每节钢套管在回转下压过程中的垂直度。

⑶ 首节及第二节钢套管垂直度控制

钢套管在回旋、下压过程中，第一、二节套管的垂直度控制是保证全套管钻孔灌注桩施工质量控制的关键点。调整好首节钢套管垂直度、控制首节钢套管转进速度、利用测量工具随时对首节钢套管进行复测调整，确保首节钢套管垂直度满足设计要求，一般钢套管垂直度控制指标大于或等于桩基垂直度，钻孔灌注桩垂直度偏差不大于1%，对于临近管线及构筑物，垂直度偏差应相应提高。首节钢套管钻入后，控制好首节钢套管与第二节钢套管连接，确保第二节钢套管垂直度满足要求。

3.3.3 钢套管割除

全回转钻机设备具有一定高度，一般在2m～5m左右，主要利用设备中心抱箍系统将钢套管夹紧、旋压。因此，钢套管钻进始终会残留一截套管在夹管中心位置无法完全旋入地下。一般桩基成孔后，至少有1m以上钢套管露在作业平台上方。群桩施工中，为不影响相邻桩基作业，需要对外露钢套管进行第一次切割。根据钻孔灌注桩施工工艺，桩基一般超灌0.5m～1m，超灌部分需要进行桩头凿除，破桩头施工时需要对钢套管进行第二次切割。

3.3.4 反力叉、反力架

钢套管全回转钻机灌注桩工艺需要将钢套管旋压至桩底设计高程，在钢套管穿越不同地层时，根据不同地质的摩擦阻力、饱和抗压强度等参数，选择合适的机械设备，全回转钻机必须具备足够的扭矩及压入力。同时，钢套管钻进过程中，全回转钻机还需承受套管旋入不同地层的反向力。

全回转钻机配套辅助设备一般包括反力叉、反力架，主要作用是克服钻进过程中产生的反力，施工前应固定好反力架，用销轴连接好反力叉，可有效克服钻进的扭转反力。一般软土地层或砂层依靠全回转转机自身重量，以及配套反力架设施足以保证钢套管稳定压入。钻进遇孤石、或进入卵石层、强、弱风化层时，应在反力架上压放配重，也可利用现场配置的履带吊进行压重。

3.3.5钢套管“护帽”

钢套管全回转钻机灌注桩工艺为边钢套管钻进边进行管内取土作业，套管内取土一般采用履带吊配合冲抓斗进行冲抓取土、或采用旋挖钻机进行旋挖取土，未避免冲抓斗或旋挖钻取土过程中直接触碰钢套管，确保冲抓斗下放顺利，保证钢套管钻进施工质量，同时提高取土工作效率，可设置钢套管“护帽”装置对钢套管进行保护，即制作一个类似于漏斗型装置架设在护筒顶部，引导抓斗进入套管内取土。

3.3.6 泵送混凝土灌注

全回转钻机自身高度一般在2m以上，钻机顶部通常作为钢套管连接等作业的操作平台，根据相关安全规范要求，全回转钻机顶部操作平台需要设置高度不小于1.2m的安全护栏，因此，全回转钻机施工机械设备总高度至少会高出原地面3m以上，需要考虑泵送混凝土进行灌注。若施工场地作业面较大，也可采用开挖基坑的方法来降低全回转钻机作业平台高程。

4 全回转钻机在全套管钻孔灌注桩施工优、缺点分析

4.1 全回转钻机在全套管钻孔灌注桩施工的优点

⑴ 采用全套管钻孔灌注桩的方式进行城市大型桥梁桩基施，因其钢套管连续跟进作业，孔内在插有钢套管做支撑保护的情况下，钻孔灌注桩施工过程对周围土体的扰动降到最小化。对于近地铁段桩基施工期间，可有效保障地下构筑物及地铁盾构区间的结构安全。

⑵ 全套管钻孔灌注施工过程不需要进行泥浆护壁及润滑，相对于泥浆护壁钻孔灌注桩施工比较，泥浆排放及污染较小，对城市环境污染小，有益于实现城市文明施工。

⑶ 全回转钻机机械设备以360°旋转的方式、通过静压进行钢套管钻进，相对于振动锤等设备将钢套管振动压入比较，全回转钻机无震幅、噪音低，且对周围管线、构筑物影响最小。

⑷ 在钢护筒的作用下，桩基钻进过程中不会发生塌孔等现象，桩基断面的尺寸和形状可以得到有效保障，全套管钻孔灌注桩在施工过程中的成孔率、成孔质量、施工效率均远高于泥浆护壁钻孔灌注桩施工。

⑸ 桩基成孔后，因无需泥浆护壁，孔底沉渣少、易清理，清孔效果比泥浆护壁钻孔灌注桩效果好。

⑹ 因全套管钻孔灌注桩工艺为钢套管内灌注混凝土，灌注量可控，相对钻孔灌注桩，混凝土灌注充盈系数较小，有效节约了桩基混凝土工程量。

⑺ 在全套管的保护下，群桩不需考虑跳桩施工，桩基可进行连续作业，相对于泥浆护壁钻孔桩更安全、更稳定、施工效率高。

⑻ 可利用抓斗、旋挖钻等不同类型的机械设备配合取土，可实现不同的地质层施工。

⑼ 在取土钻进过程中，充分了解桩端持力层的土质和岩性，选择适合的机械设备，可以实现靠近既有地下建筑物、尤其是城市地铁结构施工，也可以对斜桩进行施工。

4.2 全回转钻机在全套管钻孔灌注桩施工的缺点

⑴ 全套管钻孔灌注桩施工的主要缺点就是设备尺寸大、重量大、配套设施多，现场需要为全回转钻机提供较大的作业平台保证施工作业需求。对于大型桥梁工程，如采用群桩+大承台的设计，桩间距较小的情况下，全回转钻机操作较为困难。

⑵ 全套管钻孔灌注桩施工成本较高，不仅需要投入相应的全回转钻机，还要投入配套的动力站、钢套管、履带吊等设备。

5 结语

本文主要针对市政工程中，近地铁段大型桥梁采用全回转钻机进行钢套管钻孔灌注桩施工的研究，通过对全套管钻孔灌注桩施工工艺及施工工法分析与介绍，归纳了全回转钻机在全套管钻孔灌注桩施工的优、缺点。

参考文献

[1] 沈保汉，刘波，刘富华.贝诺特灌注桩施工技术的新进展[J].建筑技术开发，2002，04.

[2] 刘雪峰，李明.钻孔灌注桩技术在建筑工程施工中的应用[J].科学中国人，2014，08.

作者简介

闫柄松（1988年4月生），男，汉族，四川成都市人，工程师，现从事市政工程施工技术及管理工作。联系方式，手机号码:13438241889，QQ:373846393。

章  敏（1991年9月生），男，汉族，四川省蓬溪县人，助理工程师，现从事市政工程施工技术及管理工作。联系方式：手机号码18283583882，QQ：240802087。

李  坤（1990年10月生），男，汉族，四川省三台县，助理工程师，现从事市政工程设备物资管理工作。联系方式：手机号码：15208205869，QQ：709366492。