1、前言
我国在公路桥梁上采用钻孔灌注桩基础始于20世纪50年代末期，最
初采用人工转动钻头钻孔，随着施工工艺的改进和各种钻孔设备的出现，逐渐出现了正反循环钻、冲击钻、冲抓钻、潜水钻、螺旋钻、旋挖钻、人工挖孔等多种成孔工艺，成孔桩径可达3米以上，桩长可达到100米以上。近年来，旋挖钻成孔施工工艺以其低噪音、低振动、钻进速度快、施工现场内移动就位方便、施工占地面积小等诸多优点得到了广泛推广，尤其在市政工程和施工工期较紧、桥梁分布较分散的高速公路上应用较多。
2、工法特点
旋挖钻与常规回旋钻机在使用功能或施工方法上相比较具有以下特点。
2.1成孔工艺不同
旋挖钻机用筒式钻头成孔，利用钻杆和钻斗的旋转将斗齿切削下来的土直接装进筒式容器内，然后由钻杆提出。通过钻斗的旋转、削土、提升和出土，多次反复成孔。
常规回旋钻机一般用鱼尾钻锥、三翼或四翼钻锥等将土切削，通过循环泥浆带出孔口。
2.2就位方式不同
旋挖钻机通常采用履带式行走体系，移动方便，就位仅需几分钟，钻机整体置于履带上进行钻孔作业。
常规回旋钻机通过吊车或人工简易方法就位，对原地面要求高，辅助工作时间长。
2.3施工需求能源不同
旋挖钻机由自带的柴油发动机输出动力来完成钻机的行走移动和钻进成孔工作。
常规回旋钻机需要依靠施工现场提供大功率电源来完成钻孔工作。 2.4钻进工效不同
旋挖钻机钻杆为液压伸缩式，与钻头相连，可快速下钻和提钻，使钻进速度快，效益高。
常规回旋钻机的钻杆之间通过栓接或销接，每钻进到一定深度，就必须人工加一节钻杆，速度慢、效益低。
2.5自身稳定性的可调程度不同
旋挖钻机自身稳定性通过底盘伸缩式履带调整，机体垂直度，钻杆垂直度，成孔垂直度通过电子监测元件控制，操作手可直接读取，操作起来简易方便。
常规回旋钻机自身稳定性和垂直度依靠垫在钻机下面的方木和楔块通过人工来调整，成孔垂直度只有在成孔后可测设。
2.6使用的泥浆不同
旋挖钻机使用的泥浆由膨润土、烧碱、纤维素根据不同地质按一定比例组成化学泥浆，泥皮薄，护壁作用好，并可重复利用，环境污染小。
常规回旋钻机使用泥浆的造浆材料一般为桩体自身土质，遇到砂性土加些粘土或膨润土即可。
3、适用范围
旋挖钻适用于填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、砂土层、短螺旋不
易钻进的含有部分卵石或碎石的地层以及强度不高的风化岩层。成孔孔径一般在1～3m，最大成孔孔深可达100m。对于地质情况较好不易坍孔的土层除了可以采用泥浆护壁湿钻外还可以选择干钻以降低工程成本。
4、工艺原理
旋挖钻成孔施工法，又称钻斗施工法。成孔原理是在一个可闭合开启
的钻斗的底部及侧边，镶焊切削刀锯，在液压伸缩钻杆旋转驱动下，旋转切削挖掘土层，同时使切削挖掘下来的土渣进入钻斗内，钻头装满后提出孔外卸土，如此循环形成桩孔。
5、施工工艺流程及操作要点 5.1施工工艺流程 图5.1 钻孔灌注桩(旋挖成孔)工艺流程 平整场地 桩位放样 制作护筒 埋设护筒并注泥浆 钻机就位开孔 拌制和运输混凝土 拔出导管 二次清孔 钢筋笼制作和运输 吊装钢筋笼 及时补充泥浆 旋挖钻进 钻渣及时清运 清孔 吊装砼导管 灌注水下砼 制备砼试件 拔出护筒 由工艺流程图可知，当钻孔灌注桩采用旋挖成孔时，由于钻斗需要多次上下往复作业摩擦孔壁，容易发生坍孔事故，因此在钻孔过程中，要制备符合性能指标的高质量泥浆，同时要及时补充泥浆护壁，以确保孔内水头压力，防止坍孔。 5.2操作要点
5.2.1合理布置施工现场，清理场地内影响施工的障碍物，低洼处用粘土回填，达到“三通一平”，挖好泥浆循环池。
5.2.2钻孔前使用全站仪采用逐桩坐标法施放桩位点，放样后四周设护桩并复测，误差控制在5mm以内，待甲方或监理验收合格后方可进行成孔施工。。
5.2.3设置护筒：根据桩位点设置护筒，护筒的内径应大于钻头直径200～300mm，护筒位置应埋设正确稳定，护筒中心和桩位中心偏差不得大于50mm，倾斜度的偏差不大于1%，护筒与坑壁之间应用粘土填实。施工中，护筒的埋设采用旋挖钻机静压法来完成。首先正确就位钻机，使其机体垂直度、钻杆垂直度和桩位钢筋条三线合一，然后在钻杆顶部带好筒式钻头，再用吊车吊起护筒并正确就位，用旋挖钻杆将其垂直压入土体中。护筒埋设后再将桩位中心通过四个控制护桩引回，使护筒中心与桩位中心重合，并在护筒上用红油漆标识护桩方向线位置。护筒的埋设深度：在粘性土中不宜小于1m，在砂土中不宜小于1.5m。护筒应高出地面20～30cm，随即注入泥浆，并应保证孔内泥浆液面高于地下水位1m以上。
5.2.4钻机就位：钻机就位应保持平稳，不发生倾斜、位移，钻头对准孔位开启电机进行开孔。旋挖钻机底盘为伸缩式自动整平装置，并在操作室内有仪表准确显示电子读数，当钻头对准桩位中心十字线时，各项数据即可锁定，勿需再作调整。钻机就位后钻头中心和桩中心应对正准确，误差控制在2cm内。
5.2.5旋挖钻进：当钻机就位准确，泥浆制备合格后即开始钻进，钻进时每回次进尺控制在60cm左右，刚开始要放慢旋挖速度，并注意放斗要稳，提斗要慢，特别是在孔口5～8m段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度，如有偏差及时进行纠正，而且必须保证每挖一斗的同时及时向孔内注浆，使孔内水头保持一定高度，以增加压力，保证护壁的质量。
5.2.6 清孔：钻进至设计孔深后，将钻斗留在原处机械旋转数圈，将孔底虚土尽量装入斗内，起钻后仍需对孔底虚土进行清理。一般用沉渣处理钻斗（带挡板的钻斗）来排出沉渣，若沉淀时间较长，则应采用水泵进行浊水循环。
5.2.7钢筋笼制作应符合设计要求，钢筋笼存放场地应平整，钢筋笼应先进行隐蔽工程验收方能下放，下放时应保证钢筋笼顺直，严禁摆动碰撞孔壁，就位后焊制定位钢筋。
5.2.8钢筋笼下放至设计深度后，立即安装混凝土灌注导管，避免导管与钢筋笼碰撞，遇导管下放困难应及时查明原因。导管一般由直径为200～300mm的钢管制作，内壁表面应光滑并有足够的强度和刚度，管段的接头应密封良好和便于装拆。
5.2.9二次清孔：将头部带有1m长管子的气管插入导管内，气管底部与导管底部最小距离2m，压缩空气从气管底部喷出，如能使导管底部在桩孔底部不停的移动，就能全部排出沉渣，对深度不足10m的桩孔，须用空吸泵清渣。灌注混凝土前的孔底沉渣厚度应满足要求。
5.2.10灌注水下混凝土：配制的混凝土强度等级必须满足设计要求，并应具备良好的和易性。开始灌注混凝土时，为使隔水栓顺利排出，导管底部至孔底的距离宜为30～50cm，使导管一次埋入混凝土面下1.0m以上，灌注过程中导管埋深宜为2～6m，严禁将导管提出混凝土面，设专人测导管埋深及管内外混凝土液面高差。混凝土必须连续灌注，灌注的桩顶标高应预加一定的高度，一般应比设计高出50～100cm，预加高度可于基坑开挖后凿除，凿除时候应防止损坏桩身。处于地面及桩顶以下的钢护筒，可在砼灌注完毕提起，在提起过程中，要防止提起过快过猛，造成填土杂物或淤泥夹入砼，影响桩身质量。灌注完毕后，整理冲洗现场，清除设备、工器具上的砼积物。
6、材料与设备
旋挖钻成孔施工作业的主要配套设备大致见下表：
表6.1 旋挖钻成孔主要配套设备 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 设备名称 旋挖钻机 挖掘机 自卸汽车 吊车 泥浆泵 发电机 电焊机 全站仪 水准仪 规格型号 Z200 1m3 5T 16T 3pnl 75KW BX400-1 尼康 DS3 数量 1台 1台 2台 1台 2台 1台 3台 1台 1台 用途 钻孔 清理平整场地、装弃渣 运弃渣 下钢筋笼、吊装导管、协助灌注砼 泥浆循环护壁、排浆 备用电源、钢筋笼焊接 焊接钢筋笼 桩位放样 高程测量 7、质量控制
7.1钢筋笼质量检验标准 7.1.1主控项目
1) 主筋间距允许偏差±20mm 检查数量：全部检查 检查方法：用钢尺量。
2) 长度允许偏差±10mm 检查数量：全部检查 检查方法：用钢尺量。
7.1.2一般项目
1) 钢筋材质应满足设计要求 检查数量：根据规定 检查方法：根据规定。 2) 箍筋间距允许偏差-20mm 检查数量：全部检查 检查方法：用钢尺量。
3) 直径允许偏差±5mm 检查数量：全部检查 检查方法：用钢尺量。
7.2混凝土灌注桩质量检验标准 7.2.1主控项目
1) 桩位偏差满足以下规定
群桩：100 mm；单排桩：50 mm 检查数量：全部检查 检查方法：全站仪
2) 孔深允许偏差：不小于设计孔深 检查数量：全部检查
检查方法：用重锤测或测钻杆、导管长度，嵌岩桩应确保进入设计要求的嵌岩深度
7.2.2一般项目
1) 垂直度允许偏差＜1％ 检查数量：全部检查 检查方法：测导管或钻杆，或用超声波探测。 2) 桩径允许偏差：不小于设计桩径
检查数量：全部检查 检查方法：井径仪或超声波检测。 3) 化学泥浆比重1.03～1.10
检查数量：全部检查 检查方法：用比重计测，清孔后在距孔底50cm处取样
4) 化学泥浆液面标高（高于地下水位0.5～1.0m）
检查数量：全部检查 检查方法：目测
5) 沉渣厚度：端承桩≤50mm，摩擦桩≤300mm，摩擦端承、端承摩擦桩≤100mm
检查数量：全部检查 检查方法：用沉渣仪或重锤测量
6) 混凝土坍落度180～220mm 检查数量：全部检查 检查方法：用坍落度仪
7) 钢筋笼安装深度允许偏差±100mm
检查数量：全部检查 检查方法：用钢尺量 8) 混凝土充盈系数>1
检查数量：全部检查 检查方法：检查每根桩的实际灌注量 7.3确保质量的技术措施
7.3.1钢护筒埋设：护筒既保护孔口壁防止坍孔，又是钻孔的导向，因此护筒的垂直度要保证不得大于施工技术规范要求。为防止漏浆以维持孔内泥浆液面，护筒周围土要夯实，最好是采用粘土封口。在上层土质较差时，可将护筒加长至4～6m以提高护壁效果。在松散的杂填土层和流砂层成孔时，需加大泥浆比重，增加化学泥浆的粘度，以提高泥浆的护壁效果。
7.3.2对化学泥浆的要求：要根据土质情况选择合适的泥浆比重,一般应控制泥浆的比重在1. 03～1. 10 之间，粘度在18s～25s ，含砂率小于6 % ，定期测试化学泥浆的各项技术指标，出现问题及时解决。
7.3.3孔底沉渣控制：旋挖钻斗的切削、提升土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，所以要加强化学泥浆的管理，控制固相含量，提高粘度，防止快速沉淀，还要控制终孔前几钻斗的旋挖量。
7.3.4复测孔深及泥浆比重：为保证灌注桩质量，浇筑混凝土前，一要检查孔底泥浆的比重是否小于1.10 ，否则采取换浆处理；二要检查孔的深度，判断有否孔壁坍塌现象，若有可用旋钻机清孔，达到设计深度后方可安装导管。
7.3.5对导管的要求：导管在使用前必须作水密承压试验和接头抗拉试验，确保接头严密，不漏水、不漏浆。导管上料斗的体积，由桩径、桩长和导管埋入混凝土中的深度来确定，料斗体积应大些为好，确保首批浇筑混凝土的埋管深度。
7.3.6对浇筑混凝土的要求：桩基水下混凝土应连续浇筑，中间不得停顿。由于桩内混凝土不能振捣，主要靠混凝土的自重压密和混凝土的流动成型，必须控制好配合比、浇筑速度以确保混凝土的质量，随时检查混凝土的塌落度。由于混凝土浇筑到顶时残留泥浆会与混凝土混合，为确保桩头混凝土质量,实际桩顶标高应比设计标高高0.5m～1.0m ，最后机械破桩头处理。
8、安全措施
8.1 建立健全安全生产保证体系，配备专职安全员，全面落实安全生产责任制度和各项安全操作规程。
8.2 加强施工人员的安全生产教育、培训和安全交底工作，进入工地现场必须戴好安全帽、穿工作服、防滑鞋、戴防护手套。
8.3 桩基施工现场所有设备、设施、安全装置、工具配件以及个人劳保用品必须经常检查或维护保养，确保完好和使用安全，严禁机械带故障或人员带病作业。
8.4 钻机钻进时，操作人员应集中精力，旋挖钻机旋转半径内不得站人。
8.5 随时注意检查桩基施工附近地面有无开裂现象，防止钻机和护筒等发生倾斜和下沉。
8.6 在危及人身安全设备旁设立醒目警示标志，严禁人员靠近跨越。 8.7用电设备应派专人看管，应有良好的接地、接零和漏电保护装置，严禁带电作业，非电工不准随意拆卸或修理电器设备，对过路电缆应深埋。
8.8搬运、安装或拆卸导管时动作要一致，吊装桩基钢筋笼时应安排专人统一指挥。
8.9成孔后的孔口要设盖，成桩后的孔要及时回填，防止人、物掉入孔中。桩基施工结束后，泥浆循环池应及时回填处理。
9、环保措施
9.1桩基施工中产生的化学泥浆、弃渣等应按环境保护的有关法律法
规规定处理，严禁向河流或农田排放，以保护环境不受污染。
9.2在河道、水库等处施工时，应注意不得淤塞河道，影响河道正常的防洪泄洪能力。
9.3采取有效的措施和积极采用新工艺，使在施工中产生的废气、噪声、振动等不超过国家规定的标准。
9.4施工中产生的建筑垃圾按当地有关规定运弃，项目部驻地产生的生活污水、粪便等可采用化粪池处理，作为农田菜地提供肥料，生活垃圾集中堆放，定期送到当地指定地点处理。严格保持驻地周围的环境卫生，保证每个员工的身体健康。
10、资源节约
10.1旋挖钻机由自带的柴油发动机输出动力来完成钻机的行走移动和钻进成孔工作，摆脱了常规回旋钻机等对大功率电源的依赖，资源利用率较常规回旋钻机高。
10.2旋挖钻机成孔所需泥浆数量较少，与钻渣相比基本上是等量带换，并可循环利用，一般不需另外征地排放泥浆。当地质条件较好时, 旋挖钻机还可以采用干作业不需要泥浆护壁。而常规回旋钻机所需泥浆数量较多，泥浆数量与钻渣相比可达5：1，需要专门设置泥浆沉淀池收集泥浆，以一根直径1.6米、桩长30长的桩基为例，一般产生泥浆约350m3，泥浆沉淀池按3米深计算约需多征耕地0.17亩。
10.3旋挖钻机成孔速度较快,一般是常规回旋钻机成孔速度的5～10倍，施工周期较短，有利用降低施工管理成本。
11、效益分析
以一根直径1.6米、桩长30长的桩基为例：
旋挖钻机施工：纯钻进成孔时间约2小时，钢筋笼焊接时间约5小时，下导管约1小时，混凝土浇注约2小时，合计用时约10小时。用水量约55 m3，泥浆循环池大小约需70m3，不需另外征地。旋挖钻机施工承包单价约345元/米，施工内容包括清理平整场地、挖泥浆循环池、造浆、成孔、
钻渣清理运输、焊接钢筋笼、辅助灌注水下混凝土、泥浆循环池整平处理。
回旋钻机施工：纯钻进成孔时间约20小时，钢筋笼焊接时间约5小时，下导管约1.5小时，混凝土浇注约2.5小时，合计用时约29小时。用水量约275 m3，泥浆循环池大小约需350m3，需另外征地约0.17亩。回旋钻机施工承包单价约340元/米（自发电单价），施工内容仅包括造浆、成孔、焊接钢筋笼、辅助灌注水下混凝土，其他辅助工作全部由项目部负责。如采用承包施工内容与旋挖钻机相同，每延米需增加措施费约30元。
由此可以看出，采用旋挖钻机施工与常规回旋钻机相比可以节省约25元/米，同时还可以相应减少安全防护和环境保护方面的资金投入和安全生产隐患。
12、应用实例
泗县至宿州高速公路第三合同段钻孔灌注桩施工便是采用旋挖成孔施工工艺，泗宿高速公路第三合同段位于泗县屏山镇境内，全线共计桩基426根，桩径从1米至1.8米不等，设计全部采用摩擦桩，合同造价近1300万元。2008年5月6日开始首根试桩作业，2008年9月15日全部结束，历时133天，共配备两台Z200型旋挖钻机。扣除汛期阴雨天气、设备检修等因素影响，平均每天完成4.5根，最多一天完成8根，并提前半个月完成建设单位下达的节点工期目标。
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