论文部分内容阅读
摘要：本文结合工程实例，根据井孔中土（钻渣）的取出方法不同，论述了螺旋钻孔、正循环回转钻孔等成孔方法、适用范围及其优缺点。在施工生产实践中，可根据工期要求，地质条件，经济情况选择不同的成孔方法，以保证安全、质量、进度及效益。
关键词：钻孔桩;方法;适用范围;优缺点
中图分类号：U448文献标识码： A
1引言
桥梁钻孔灌注桩是采用不同的钻（挖）孔方法，在地层中按要求形成一定形状（断面）的井孔，达到设计标高后，将钢筋骨架吊入井孔中，再灌注混凝土（有地下水时灌注水下混凝土）成为桩基础的一种工艺。
目前，我国铁路、公路桥梁桩基成孔的常用方法有螺旋钻孔、正循环回转钻孔、反循环回转钻孔、冲抓钻孔、冲击钻成孔等方法，以上各种钻孔方法的机具，都有着各自的优缺点和适用范围。
2钻孔方法和原理
根据井孔中土（钻渣）的取出方法不同，钻孔的方法和原理可分为以下几种：
（1）螺旋钻孔
螺旋钻成孔多属于干作业法，无需任何护壁措施。成孔方法和原理随螺旋钻具的长短而有所不同。长螺旋钻机的整个钻具，即钻头和钻杆都带有螺旋叶片，钻孔时在桩位处就地切削土层，被切土块、钻屑随钻头旋转，沿着带有长螺旋叶片的钻杆上升，输送到出土器后，自动排出孔外，然后装车运走，其成孔工艺具有良好的连续性。短螺旋钻机的钻具只在临近钻头2m~3m内装置带螺旋叶片的钻杆，在桩位处切削土层，被切土块、钻屑随钻头旋转，沿着有少量螺旋叶片的钻杆上升，积聚在短螺旋叶片上，形成“土柱”，此后靠提钻、反转、甩土，将钻屑撒落在孔周，一般每钻进0.5m~1.0m,就要提钻甩土一次。
（2）正循环回转钻孔
用泥浆以高压通过钻机的空心钻杆，从钻杆底部射出，底部的钻头（钻锥）在回转时将土层搅松成钻渣，被泥浆悬浮，随着泥浆上升而溢出流到井外的泥浆溜槽，经过沉淀池沉淀净化，泥浆再循环使用。井孔壁靠水头和泥浆保护。采用本法由于钻渣得靠泥浆悬浮才能上升携带排除孔外，故对泥浆的质量要求较高。
（3）反循环回转钻孔
同正循环相反，泥浆由钻杆外流（注）入井孔，用真空泵或其他方法（如空气吸泥机等）将钻渣从钻杆中吸出。由于钻杆内径较井孔直径小得多，故钻杆内泥水上升速度较正循环快得多，就是清水也可以把钻渣带上顶端流到泥浆沉淀池，净化后泥浆可循环使用。本法的泥浆只起辅助护壁作用，其质量要求较低。但如钻深孔或易坍土层，则仍需用高质量泥浆。
（4）冲抓钻孔
用冲抓锥张开抓瓣冲入土石中，然后收紧锥瓣绳，抓瓣便将土抓入锥中，提升冲抓锥出井孔，松绳开瓣将土卸掉。井壁保护同回转钻孔法。还有将钢套管沉至设计标高保护井壁的，灌注混凝土时将钢套管拔出，称为全套管（护筒）护壁冲抓成孔。
（5）冲击钻孔
冲击钻机分为实心锥和空心锥两种。
①实心锥冲击钻机。用冲击式装置或卷扬机提升实心钻锥，上下往复冲击，将土石劈裂、劈碎，部分被挤入井壁之内。由泥浆悬浮钻渣，使钻锥每次都能冲击到孔底新土层。冲击一定时间后，放入掏渣筒掏渣，提出孔外倒掉。本法泥浆一方面起悬浮钻渣作用，另一方面起护壁作用。
②空心锥冲击钻机。其钻孔原理与实心锥冲击机相同。只是因其钻锥是空心的，在上下往复冲击时，其锥尖刮刀将孔底冲碎，而且已冲碎的钻渣可以从锥底进入空心锥管内。冲击一定时间后，将钻锥提出，倒掉锥内的钻渣，再将钻锥放入井底继续冲击钻进。
3各种钻（挖）孔方法的适用范围
各种钻（挖）孔方法适用的范围，与土层、孔径、孔深、需否泥浆悬浮钻渣以及钻机的构造、功率大小有关，也与施工队伍的经济技术实力及管理水平有关。
（1）螺旋鉆适用范围：
①一般使用在粘性土、砂类土、含少量砂砾石、卵石（含量少于30%，粒径小于10cm）的土等土层；孔径一般在（40~80）cm用长螺旋、（150~300）cm用短螺旋；孔深一般在（12~30）m用长螺旋、（40~80）m用短螺旋。
②泥浆作用：干作业、不需要泥浆
（2）正循环回转钻适用范围：
①在粘性土，粉砂、细、中、粗砂，含少量砾石、卵石（含量少于20%）的土、软岩等土层；孔径在（80~300）cm；孔深（30~100）m。
②泥浆作用：浮悬钻渣并护壁
（3）反循环回转机适用范围：
①在粘性土、砂类土、含少量砾石、卵石（含量少于20%，粒径小于钻杆内径2/3）的土等土层；孔径在（80~300）cm；孔深如用真空泵小于35m，用空气吸泥机可达到65m用气举式可达120m。
②泥浆作用：护壁
（4）冲抓钻适用范围：
①一般在淤泥、腐殖土、密实性粘性土、砂类土、砂砾石、卵石等土层；孔径一般在（100~200）cm；孔深适用于小于20m(大于20米时进度慢)。
②泥浆作用：护壁
（5）冲击钻适用范围：
①实心锥在粘性土、砂类土、砾石、卵石、漂石、较软岩石等土层；空心锥在粘性土、砂类土、砾石、松散卵石等土层，孔径实心锥在（80~120）cm；空心锥（管锥）在（60~150）m，孔深一般小于50m。
②泥浆作用：浮悬钻渣并护壁
4 各种钻孔方法的优缺点
（1）螺旋钻
优点：
①设备简单，易于搬迁，施工方便
②因为是干作业成孔，无泥浆污染，最适合于城市人口密集区和西北、内蒙等干旱地区；③振动小，噪声低，对附近居民的生活和身心健康影响小;
④钻进速度快，尤其长螺旋钻机，因其连续出土、机械化程度高，成孔速度远非其他类型的钻机可比；短螺旋钻机，因其出土不能连续，故成孔效率不及长螺旋钻机，但其成孔不用泥浆也不用水，故免去造浆加水的工序和时间，因此成孔效率也较同直径、同长度的其他钻机的成孔效率高；
⑤成孔造价较低（因无需浮渣的辅助材料和机具设备）；
⑥因其成桩不是水下混凝土，混凝土质量好，故隐患少。
缺点：
①桩端或多或少留有虚土；
②长螺旋钻成桩的单方承载力（即桩单位体积提供的承载力）较打入式预制桩低；3）适用范围限制大（有地下水的地区不能使用）。
（2）正循环回转钻
优点：钻进与排渣同时连续进行，故正循环回转钻的成孔速度较快，钻孔深度较大，最大深度可达100m。
缺点：需要设置泥浆槽、沉淀池、储浆池等，施工场地占地面积较大，需要大量的水和泥浆原料；机具设备较复杂，机械故障较多；其最大缺点是由于泥浆较稠，故孔壁泥浆护壁层厚度常达5cm~7cm，大大降低了桩周摩擦力，因而正循环回转钻机发展趋势比较缓慢。
（3）反循环回转钻
优点：排除钻渣连续性好，速度较正循环快，功效较高。目前此类钻机最大嵌岩桩钻孔孔径可达250cm，普通土层钻孔直径可达300cm，深度可达80m~120m，钻进岩层的岩石强度达180MPa左右这类钻机排渣不需要泥浆，在孔壁十分稳定的地层中甚至可以用清水；在孔壁不稳定的地层中，出于护壁的特殊需要，必须调制相对密度小于1.10的优质泥浆，但其造浆原材料的用量远远低于正循环。反循环最大的优点是孔壁保护膜较薄，不减弱桩的摩擦力。
缺点：扩孔率大于正循环，并且钻机机构复杂，造价偏高，特别是当钻孔直径达300cm和孔深达100m以上时，造价会更高。尽管如此，目前反循环回转钻机在公路桥梁钻孔桩成孔中仍然处于主导地位。
（4）冲抓锥
冲抓锥不需要钻杆，进尺加深时只需多松绳即可，提锥卸土也方便。钻机结构及附属设备简单，制造容易，造价低廉，能抓起粒径较大的碎石、卵石及软岩（风化岩），且无需大量的粘稠泥浆浮渣，不需占用大面积用地，因此成孔比较经济，适用范围较广。其缺点是因无钻杆导向，不能钻斜孔；钻孔深度超过20m后，钻孔进度大为降低。
（5）冲击锥
优点：分为实心锥和空心锥（管锥）两种。前者的优点是适用的地层和土地广泛，可说是“无坚不摧”。当采用螺旋钻、回转钻、冲抓钻遇到大卵石、漂石时，只有换用实心锥才能攻克。此外，冲击锥在下冲时有些钻渣被挤入孔壁，可起加强孔壁并增加土层与桩身间的侧摩阻力作用。
缺点：钻普通土时，进度比其他方法都慢，也不能钻斜孔。空心冲击锥比实心冲击锥钻孔进度快，但因锥重较轻，因而不适用于漂石和岩层；钻大直径的孔时，需采取先钻小孔逐步扩孔方法。
5工程实例
徐州市三环东路定位为全封闭快速路标准，全线共设置立交3座，分别为古州飞虹立交、响山路立交及三环北路立交。
中铁九局集团徐州项目部在施工中根据以上各种钻（挖）孔方法的适用范围和优缺点，结合机具设备的供应情况、设计和工期要求及土层情况，合理地选择钻孔方法，以保证工程效率和效益。
关键词：钻孔桩;方法;适用范围;优缺点
中图分类号：U448文献标识码： A
1引言
桥梁钻孔灌注桩是采用不同的钻（挖）孔方法，在地层中按要求形成一定形状（断面）的井孔，达到设计标高后，将钢筋骨架吊入井孔中，再灌注混凝土（有地下水时灌注水下混凝土）成为桩基础的一种工艺。
目前，我国铁路、公路桥梁桩基成孔的常用方法有螺旋钻孔、正循环回转钻孔、反循环回转钻孔、冲抓钻孔、冲击钻成孔等方法，以上各种钻孔方法的机具，都有着各自的优缺点和适用范围。
2钻孔方法和原理
根据井孔中土（钻渣）的取出方法不同，钻孔的方法和原理可分为以下几种：
（1）螺旋钻孔
螺旋钻成孔多属于干作业法，无需任何护壁措施。成孔方法和原理随螺旋钻具的长短而有所不同。长螺旋钻机的整个钻具，即钻头和钻杆都带有螺旋叶片，钻孔时在桩位处就地切削土层，被切土块、钻屑随钻头旋转，沿着带有长螺旋叶片的钻杆上升，输送到出土器后，自动排出孔外，然后装车运走，其成孔工艺具有良好的连续性。短螺旋钻机的钻具只在临近钻头2m~3m内装置带螺旋叶片的钻杆，在桩位处切削土层，被切土块、钻屑随钻头旋转，沿着有少量螺旋叶片的钻杆上升，积聚在短螺旋叶片上，形成“土柱”，此后靠提钻、反转、甩土，将钻屑撒落在孔周，一般每钻进0.5m~1.0m,就要提钻甩土一次。
（2）正循环回转钻孔
用泥浆以高压通过钻机的空心钻杆，从钻杆底部射出，底部的钻头（钻锥）在回转时将土层搅松成钻渣，被泥浆悬浮，随着泥浆上升而溢出流到井外的泥浆溜槽，经过沉淀池沉淀净化，泥浆再循环使用。井孔壁靠水头和泥浆保护。采用本法由于钻渣得靠泥浆悬浮才能上升携带排除孔外，故对泥浆的质量要求较高。
（3）反循环回转钻孔
同正循环相反，泥浆由钻杆外流（注）入井孔，用真空泵或其他方法（如空气吸泥机等）将钻渣从钻杆中吸出。由于钻杆内径较井孔直径小得多，故钻杆内泥水上升速度较正循环快得多，就是清水也可以把钻渣带上顶端流到泥浆沉淀池，净化后泥浆可循环使用。本法的泥浆只起辅助护壁作用，其质量要求较低。但如钻深孔或易坍土层，则仍需用高质量泥浆。
（4）冲抓钻孔
用冲抓锥张开抓瓣冲入土石中，然后收紧锥瓣绳，抓瓣便将土抓入锥中，提升冲抓锥出井孔，松绳开瓣将土卸掉。井壁保护同回转钻孔法。还有将钢套管沉至设计标高保护井壁的，灌注混凝土时将钢套管拔出，称为全套管（护筒）护壁冲抓成孔。
（5）冲击钻孔
冲击钻机分为实心锥和空心锥两种。
①实心锥冲击钻机。用冲击式装置或卷扬机提升实心钻锥，上下往复冲击，将土石劈裂、劈碎，部分被挤入井壁之内。由泥浆悬浮钻渣，使钻锥每次都能冲击到孔底新土层。冲击一定时间后，放入掏渣筒掏渣，提出孔外倒掉。本法泥浆一方面起悬浮钻渣作用，另一方面起护壁作用。
②空心锥冲击钻机。其钻孔原理与实心锥冲击机相同。只是因其钻锥是空心的，在上下往复冲击时，其锥尖刮刀将孔底冲碎，而且已冲碎的钻渣可以从锥底进入空心锥管内。冲击一定时间后，将钻锥提出，倒掉锥内的钻渣，再将钻锥放入井底继续冲击钻进。
3各种钻（挖）孔方法的适用范围
各种钻（挖）孔方法适用的范围，与土层、孔径、孔深、需否泥浆悬浮钻渣以及钻机的构造、功率大小有关，也与施工队伍的经济技术实力及管理水平有关。
（1）螺旋鉆适用范围：
①一般使用在粘性土、砂类土、含少量砂砾石、卵石（含量少于30%，粒径小于10cm）的土等土层；孔径一般在（40~80）cm用长螺旋、（150~300）cm用短螺旋；孔深一般在（12~30）m用长螺旋、（40~80）m用短螺旋。
②泥浆作用：干作业、不需要泥浆
（2）正循环回转钻适用范围：
①在粘性土，粉砂、细、中、粗砂，含少量砾石、卵石（含量少于20%）的土、软岩等土层；孔径在（80~300）cm；孔深（30~100）m。
②泥浆作用：浮悬钻渣并护壁
（3）反循环回转机适用范围：
①在粘性土、砂类土、含少量砾石、卵石（含量少于20%，粒径小于钻杆内径2/3）的土等土层；孔径在（80~300）cm；孔深如用真空泵小于35m，用空气吸泥机可达到65m用气举式可达120m。
②泥浆作用：护壁
（4）冲抓钻适用范围：
①一般在淤泥、腐殖土、密实性粘性土、砂类土、砂砾石、卵石等土层；孔径一般在（100~200）cm；孔深适用于小于20m(大于20米时进度慢)。
②泥浆作用：护壁
（5）冲击钻适用范围：
①实心锥在粘性土、砂类土、砾石、卵石、漂石、较软岩石等土层；空心锥在粘性土、砂类土、砾石、松散卵石等土层，孔径实心锥在（80~120）cm；空心锥（管锥）在（60~150）m，孔深一般小于50m。
②泥浆作用：浮悬钻渣并护壁
4 各种钻孔方法的优缺点
（1）螺旋钻
优点：
①设备简单，易于搬迁，施工方便
②因为是干作业成孔，无泥浆污染，最适合于城市人口密集区和西北、内蒙等干旱地区；③振动小，噪声低，对附近居民的生活和身心健康影响小;
④钻进速度快，尤其长螺旋钻机，因其连续出土、机械化程度高，成孔速度远非其他类型的钻机可比；短螺旋钻机，因其出土不能连续，故成孔效率不及长螺旋钻机，但其成孔不用泥浆也不用水，故免去造浆加水的工序和时间，因此成孔效率也较同直径、同长度的其他钻机的成孔效率高；
⑤成孔造价较低（因无需浮渣的辅助材料和机具设备）；
⑥因其成桩不是水下混凝土，混凝土质量好，故隐患少。
缺点：
①桩端或多或少留有虚土；
②长螺旋钻成桩的单方承载力（即桩单位体积提供的承载力）较打入式预制桩低；3）适用范围限制大（有地下水的地区不能使用）。
（2）正循环回转钻
优点：钻进与排渣同时连续进行，故正循环回转钻的成孔速度较快，钻孔深度较大，最大深度可达100m。
缺点：需要设置泥浆槽、沉淀池、储浆池等，施工场地占地面积较大，需要大量的水和泥浆原料；机具设备较复杂，机械故障较多；其最大缺点是由于泥浆较稠，故孔壁泥浆护壁层厚度常达5cm~7cm，大大降低了桩周摩擦力，因而正循环回转钻机发展趋势比较缓慢。
（3）反循环回转钻
优点：排除钻渣连续性好，速度较正循环快，功效较高。目前此类钻机最大嵌岩桩钻孔孔径可达250cm，普通土层钻孔直径可达300cm，深度可达80m~120m，钻进岩层的岩石强度达180MPa左右这类钻机排渣不需要泥浆，在孔壁十分稳定的地层中甚至可以用清水；在孔壁不稳定的地层中，出于护壁的特殊需要，必须调制相对密度小于1.10的优质泥浆，但其造浆原材料的用量远远低于正循环。反循环最大的优点是孔壁保护膜较薄，不减弱桩的摩擦力。
缺点：扩孔率大于正循环，并且钻机机构复杂，造价偏高，特别是当钻孔直径达300cm和孔深达100m以上时，造价会更高。尽管如此，目前反循环回转钻机在公路桥梁钻孔桩成孔中仍然处于主导地位。
（4）冲抓锥
冲抓锥不需要钻杆，进尺加深时只需多松绳即可，提锥卸土也方便。钻机结构及附属设备简单，制造容易，造价低廉，能抓起粒径较大的碎石、卵石及软岩（风化岩），且无需大量的粘稠泥浆浮渣，不需占用大面积用地，因此成孔比较经济，适用范围较广。其缺点是因无钻杆导向，不能钻斜孔；钻孔深度超过20m后，钻孔进度大为降低。
（5）冲击锥
优点：分为实心锥和空心锥（管锥）两种。前者的优点是适用的地层和土地广泛，可说是“无坚不摧”。当采用螺旋钻、回转钻、冲抓钻遇到大卵石、漂石时，只有换用实心锥才能攻克。此外，冲击锥在下冲时有些钻渣被挤入孔壁，可起加强孔壁并增加土层与桩身间的侧摩阻力作用。
缺点：钻普通土时，进度比其他方法都慢，也不能钻斜孔。空心冲击锥比实心冲击锥钻孔进度快，但因锥重较轻，因而不适用于漂石和岩层；钻大直径的孔时，需采取先钻小孔逐步扩孔方法。
5工程实例
徐州市三环东路定位为全封闭快速路标准，全线共设置立交3座，分别为古州飞虹立交、响山路立交及三环北路立交。
中铁九局集团徐州项目部在施工中根据以上各种钻（挖）孔方法的适用范围和优缺点，结合机具设备的供应情况、设计和工期要求及土层情况，合理地选择钻孔方法，以保证工程效率和效益。