本刊特稿旋挖钻技术在铁路桥梁工程
周外男
（中国中铁大桥局集团有限公司桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉430050）
摘要：旋挖钻技术是利用旋挖钻机进行构筑物基础成孔施工的技术。自旋挖钻技术在青藏铁 路成功应用以来，在我国铁路桥梁钻孔桩基础成孔施工中被广泛采用。对旋挖钻机参数选取、 钻杆和钻头配置等进行研究，给出旋挖钻机钻入地层最小加压力和破岩最小扭矩的计算公式； 丝杠加工当扭矩确定后，应尽量选择转速高和提升能力强的钻机，以提高成孔效率。钻杆和钻头应根据
成孔直径、成孔深度、地层性质等进行配置。通过商合杭铁路芜湖长江公铁大桥、杭绍台铁路
椒江特大桥、巢马铁路马鞍山公铁两用长江大桥等工程实例，总结旋挖钻技术在超长桩、超大
孔径桩和高强度岩石地层钻孔桩施工中的应用情况，可为类似工程施工提供借鉴经验。
关键词：旋挖钻；施工；铁路桥梁；钻孔桩；成孔
中图分类号：U445文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）09-0087-08 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.09.087
1旋挖钻技术在我国的发展
旋挖钻技术是利用旋挖钻机进行构筑物基础成孔施工的技术。20世纪80年代之前，我国对旋挖钻机设备还知之甚少［1］。到1986年，旋挖钻机才开始在我国建筑基础施工中得到应用，但由于设备主要依赖进口、价格昂贵、运行成本较高等多种原因一直未得到推广。到2001年青藏铁路开工建设，100多台旋挖钻机参与施工并取得巨大成功，充分发挥了旋挖钻技术成孔速度快、环境污染小的优点，同时降低了对冻土的热扰动。2005年以后，随着石太、武广、京津、哈大、京沪等高铁（城际）线路先后开工建设，旋挖钻机在铁路桥梁基础施工中被大规模采用，旋挖钻技术得到快速发展。目前，旋挖钻技术已被广泛应用于桥梁基础成孔施工中，商合杭高铁芜湖长江公铁大桥旋挖钻施工岩石强度达
基金项目：中国中铁股份有限公司科研项目（2015-重点-01-1）；
中国中铁大桥局集团有限公司科研项目（2015-02-重大）作者简介：周外男（1966—），男，教授级高级工程师。
E-mail：
151MPa；杭绍台高铁椒江特大桥旋挖钻施工成孔孔深超过143m；巢马城际铁路马鞍山公铁两用长江大桥旋挖钻施工成孔直径达4m。在钻桅垂直度自动控制、钻机回位自动对正、发动机监控、钻孔深度测量及显示、远程控制故障诊断及虚拟仪表显示等多方面实现了智能化控制。
2旋挖钻施工方法及设备配置
2.1旋挖钻施工方法
根据施工中的孔壁防护措施，旋挖钻施工可分为干法施工和湿法施工。
2.1.1干法施工
旋挖钻干法施工的主要特征是成孔施工中不用泥浆护壁，干取土作业。干法施工技术适用于地下水位以上稳定地层钻孔施工。主要施工工艺流程为：平整场地→测量桩位→埋设护筒→钻机就位→钻进成孔→成孔检查→清孔→成桩。
2.1.2湿法施工
超低碳钢旋挖钻湿法施工的主要特征是成孔施工中采用泥浆护壁，由于旋挖钻不需要通过泥浆循环进行取渣，因此又被称作无循环泥浆法或静态泥浆护壁法。湿法施工多用于稳定性较差地层和水下地层钻孔施工。主要施工工艺流程为：平整场地→测量桩位→埋设护筒→制作泥浆→钻机就位→钻进成孔→成孔检查→清孔→成桩。
2.2钻机参数选取
旋挖钻的工作原理是旋挖钻机动力头驱动钻杆带动钻头旋转，并施加压力破碎和钻取地层，钻头容器取满土后提取钻杆和钻头至地面卸土，然后再下钻头钻取地层，不断循环往复作业成孔。旋挖钻机工作装置包括动力头、液压系统、加压装置、钻杆、钻具等，主要工作参数有动力头输出扭矩和转速、加压油缸加压力、卷扬机提升力和速度等。
选择钻机参数的目标是经济性一定的条件下能够获得较高的成孔效率。
2.2.1钻机加压力与转速
目前钻孔桩施工中岩石破碎的主要方式有3种：冲击破岩、磨削破岩和剪切破岩。旋挖钻机一般为剪切破岩。剪切破岩的原理是钻机加压系统的加压力经过钻杆的传递，使钻齿切入岩土（见图1（a）），然后利用钻杆旋转传递的扭矩使岩石发生剪切破碎［2-3］（见图1（b））。
钻齿切入岩石的最小下压力可按公式（1）估算，钻机加压力与钻杆、钻具自重之和不得小于该值。
N min＝∑A·σ1，（1）式中：N min为钻齿切入岩石的最小下压力，kN；∑A为钻齿切入岩石的水平投影总面积，m2；σ1为岩石的三轴抗压强度，kPa。
以往研究中，岩石强度均采用单轴饱和抗压强度，所需压力计算值偏小；该研究表明采用岩石的三轴抗压强度更符合实际状态。钻齿切入岩石的水平投影面积可根据钻齿锥顶角、安装角、入岩深度按图1（a）几何关系求得。钻齿入岩深度的确定与钻孔进尺期望值有关，假定钻孔进尺速度为V，则V=ηmhn（m为同一圆周上的钻齿数量，h为入岩深度，n为钻机转速，η为效率系数）
。由此可见，当进尺速度一定时，钻齿入（a）钻齿入岩（b）剪切破碎
图1剪切破岩原理
岩深度与钻机转速成反比关系，因此钻机加压力与转速应结合设备情况合理取值。
2.2.2输出扭矩
输出扭矩是旋挖钻机剪切破岩另一个重要参数。通过钻机输出扭矩使钻齿产生的切削力F克服钻齿的全部外阻力，方可切土进尺［4］。由图1（b）可见，单齿切削岩石形成剪崩碎块o-abcde，那么钻齿的外阻力包括△oab、△obc、△ocd岩石剪切面的剪力以及钻齿与岩石面的摩擦力。△oab、△obc、△ocd的面积可根据钻齿锥顶角、安装角、入岩深度、剪切角按几何关系求得，假设面积分别为S1、S2、S3，则S1＝S3。设岩石的内聚力为τ0，内摩擦角为φ，那么剪切角γ＝45°－φ/2。以单齿为对象，按照切削力F i与全部外阻力之和相等建立平衡方程式（2）：
F
i
＝［（S1＋S3）τ0＋S2（τ0＋σ0tanφ）］cosγ＋N iμ，（2）σ0＝（N i cosγ＋F i sinγ）/S2，（3）式中：σ0为岩石剪切面法向应力；μ为钻齿与岩石之间的摩擦系数；N i为第i个钻齿加压力。那么，钻机的输出扭矩应不小于∑F i·d i（d i为第i个钻齿到钻头旋转中心的距离）。
成孔效率还与钻机的提升重量和速度等参数正相关。提升钻头的容土量越大，每个钻进循环取土量就越大，并能减少循环次数；提升速度越快，越能够节省提升钻杆和钻头的时间。因此，当钻机扭矩确定后，应尽量选择提升能力强的钻机。
2.3钻杆与钻头配置
2.3.1钻杆配置
钻杆为伸缩式结构，旋挖钻机常见的钻杆有摩阻式钻杆（摩阻杆）、机械锁定式钻杆（机锁杆）和组合式钻杆（组合杆）。
钻杆配置主要是根据地层地质情况选择。一般如土层、砂层、砂砾层、淤泥地层等不大于500kPa较软地层施工可以选择摩阻杆；卵砾石层、漂石层、硬质层、板砂层和硬岩层则应选择机锁杆，机锁杆同时也适用于一般地层；组合杆是将机锁杆和摩擦杆组合在一起，在孔深0～30m范围可用于硬地层钻孔施工，在孔深30～60m范围可用于软地层钻孔施工，因此该类钻杆适用于上硬下软、成孔较深的桩基钻孔施工［5］。
2.3.2钻头配置
钻机参数选定后，成孔效率与钻头结构和有关参数具有十分密切的关系。钻头的结构和钻齿形式、安
装角度等参数不同，取土效率就不同。
钻头按结构可分为螺旋钻头、旋挖钻斗、筒式钻头、特殊钻头等四大类［6］，每种钻头可安装截齿或斗齿，齿的角度和密度可以变化，螺旋钻头的螺距大小和螺旋升角也可以改变，通过这些变化又可产生若干小类来适应具体的地层。配置钻头时，可遵照以下原则［7-12］：（1）优先选择结构简单、使用方便的钻头，特殊地层施工选择针对性强的特殊钻头；
（2）当采用单一类型的钻头钻进效率不高时，应考虑选择多种钻具组合施工；
（3）大直径桩孔钻进时，根据实际情况考虑分级钻进，按照分级方式选择相应的钻头。
3旋挖钻技术工程应用
3.1高强度岩石地层钻孔桩施工
3.1.1工程概况
商合杭高铁芜湖长江公铁大桥主桥为五跨连续钢箱板桁结合梁斜拉桥［13］。主桥0#边墩和1#辅助墩均采用22φ2.5m钻孔桩基础，设计桩长42～58m（平台以下孔深65.5～75.0m），入岩深度17～28m。覆盖层以第四系全新冲、洪积砂类土为主。基岩为闪长玢岩，最大单轴饱和抗压强度151MPa。
3.1.2钻机选型及钻杆、钻头配置
墩位处于浅水区，大型船舶无法进入。前期施工现场电力不足。通过对冲击钻、回旋钻和旋挖钻技术对比分析，旋挖钻机具有自行行走就位、自带电力、场地整洁环保效果好等优点，经试桩检验旋挖钻机施工效率高，因此选择旋挖钻施工方案。经过钻孔参数计算，选用南车TR460D型旋挖钻机施工，最大输出扭矩450kN•m，最大加压力440kN。根据岩石强度及孔深，每台钻机配置4节20.3m机锁杆。按照不同地层和功能配置钻头（见图2）：覆盖层施工配置全截面截齿钻头；岩层采用分级钻进方式，配置全截面牙轮钻头、全截面截齿钻头和取芯钻头、牙轮环切钻头等，以及φ1.5m→φ2.0m和φ2.0m→φ2.5m下导向钻头、扫孔钻头等特殊钻头。
3.1.3钻孔方法与成孔功效
墩位处于水中，采用湿法施工，选用PHP 优质膨润土化学泥浆钻孔护壁。泥浆池采用600t 舶船改造而成，共分2个隔舱，分别作为储浆池和回浆池；采用集中拌制、集中供应、集中回收的方式布置相应泥浆管路，配置4台泥浆泵和2台泥浆分离器。
施工过程中为确保泥浆面高于护筒外水位2m 。首先采用φ2.5m 全截面截齿钻头钻进并穿越覆盖层。当遇上倾斜或软硬交界面时，采用“φ1.5m 截齿钻头或取芯钻头+导正器”钻进1.2～1.5m ，再以小孔导向穿越岩面，可确保井孔垂直度（见图3）。进入坚硬岩层后，按照
φ1.5m→φ2.0m→φ2.5m 分3级钻进：（1）首先采用φ1.5m 牙轮环切钻头将岩石环切，破坏岩石的完整性，
然后使用取芯筒将岩柱取出，如此循环往复，直至将岩层钻出直径1.5m 的小孔至孔底设计标高（见图4（a ））；（2）采用φ2.0m 下导向牙轮扩孔钻头扩孔至φ2.0m （见图4（b ））；（3）采用φ2.5m 下导向牙轮扩孔钻头扩孔至孔底（见图4（c ）），然后采用φ2.5m 全截面牙轮钻头扫孔至孔底设计标高（见图4（d ））。分级钻孔时，为避免出现台阶，需采用扫孔钻头进行扫孔。
钻孔至设计高程，检孔合格后，立即进行清孔。采用泵吸反循环清孔，配备1台反循环钻机、1个8m³存渣箱、2台泥浆分离器。采用100t 履带吊机分节安装钢筋笼。混凝土运输搅拌车经栈桥将混凝土运至墩位灌注桩身混凝土。
根据实际数据统计，0#墩平均成孔时间10.8d/孔，1#墩平均成孔时间7.1d/孔。经超声波检测，全部桩基均为Ⅰ类桩。
3.
1.4主要问题与对策
施工时钻孔平台晃动较大，后对平台进行加固处
图3
倾斜或软硬交界面钻孔示意图化学泥浆
（a
）全截面截齿钻头（d
）牙轮环切钻头
（b
）全截面牙轮钻头（e
）下导向钻头
（c ）取芯钻头
（f ）扫孔钻头
图2
高强度岩石地层钻孔桩施工中配置钻头实例
理。晃动的主要原因是原平台按照回旋钻机施工设计，未考虑旋挖钻机自重大、机身高的特点。因此，采用旋挖钻机施工时，平台设计应充分考虑这一特点。
3.2
超长钻孔桩施工
3.2.1
工程概况
杭绍台高铁椒江特大桥主桥为五跨连续钢桁梁斜拉
桥。49、50号主墩均采用42φ2.5m 的钻孔灌注桩基础。按摩擦桩设计，桩长114～123m （平台以下孔深134.8～143.8m ），桩尖进入强风化凝灰岩0.5～1m 。地层为人工堆积层素填土、粉质黏土、淤
泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、含砾粉质黏土、细砂、粗砂、细圆砾土、粗圆砾土、粉土，基本承载强度小于650kPa ；下伏基岩为凝灰岩，强风化凝灰岩强度1000kPa 。
3.2.2钻机选型及钻杆、钻头配置
选取48与49号墩间主桥钢梁顶推临时墩钻孔桩施工进行桩基施工方案研究，通过试桩，旋挖钻施工效率高、环保效果好、桩基质量优良，因此确定主墩钻孔桩施工采用旋挖钻方案。根据地层强度，配置全截面截齿钻头（见图2（a ）），全断面一次成孔。由于市场上能够满足孔深140m 以上一次成孔的钻机资源稀缺，考虑采用2种型号钻机接力钻进。通过钻孔参数分析，选用徐工XR400D 和XR550D 旋挖钻机（参数见表1）接力钻进成孔，钻孔桩上部100m 范围内采用XR400D 旋挖钻机成孔，100m 以下采用XR550D 旋挖钻机成孔。XR400D 钻机配置6节20m 摩阻杆，XR550D 钻机的钻杆则采用特制机锁杆，以满足144m 孔深及强度要求。
3.2.3钻孔方法与成孔功效采用湿法施工，过程中采用钠基土泥浆护壁。检孔合格后，通过1台空压机和1台泥浆分离器配合清孔，采用内径400mm 导管灌注C50水下混凝土。桩基经超声波检测全部为Ⅰ类桩。
根据49号墩施工数据统计，综合成孔功效平均为2.9d/孔。
3.2.4主要问题与对策
施工中主要有以下问题：（1）凝灰岩层钻进困难，耗时长；（2）钻孔时垂直度控制难度大，50
号墩nhdt-471
（a ）φ
1.5m 孔施工（b ）φ1.5m →φ
2.0m 扩孔
（c ）φ2.0m →φ
2.5m 扩孔（d ）φ2.5m 扫孔
图4声纳网
岩层中分级钻孔示意图
表1
XR400D 、XR550D
钻机参数
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