旋挖鉆機低噪聲排土施工技術

俞超明 陳強 高媛 陳曉龍 宋滿榮

(1.中鐵四局建筑工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

噪聲是指環境噪音超過了國家規定的排放標準，對人們生理心理上造成損害，影響人們正常的工作、生活、休息，是當今世界公認的四大污染物之一。噪聲污染一般是間接的非致命的，雖然過程比較緩慢但也會影響人們的生理心理健康。《中華人民共和國噪聲污染防治法》第三十九條對施工噪聲做了詳細的解釋和規定：建筑施工噪聲是指在建筑施工過程中產生的干擾周圍生活環境的聲音。我國在1990年頒布了《建筑施工場界噪聲限值》(GBl 2523—1990)標準將施工過程分為四個階段，分別為土石方階段、打樁階段、結構階段、裝修階段，標準對每個階段的等效A聲級進行限制，一直沿用至2011年，隨后頒布了《建筑施工場界環境噪聲排放標準》(GB 12523—2011)，新標準不再按施工階段進行分別限制，而是分為晝間夜間分別進行規定。標準規定建筑施工過程中場界環境噪聲晝間不得超70dB(A)，夜間不得超過55dB(A)。還規定夜間噪聲最大聲級超過限值的幅度不得高于15dB(A)。

近年來，隨著中國城市化和工業化的進程推進，基礎設施建設也在不斷發展，因為旋挖鉆機具有工作效率高、產生的污染少、適應的地質環境廣等優點，廣泛應用于現澆混凝土灌注樁的施工。旋挖鉆機工作時，使用動力系統來進行驅動，控制鉆桿和鉆頭旋轉來達到挖土的目的，鉆進時的壓力由液壓油缸提供。鉆頭內部裝滿渣土后，主卷揚回升，來回旋轉鉆頭甩土，同時使用泥漿保護孔壁。通過循環作業完成樁基成孔。旋挖鉆機鉆頭在卸土、甩土過程中會產生巨大的噪聲，無法滿足綠色文明施工要求，產生擾民現象，會極大影響與周邊社區和居民的關系，也會對鉆孔灌注樁施工組織及工期產生很大影響[1]。

1 工程背景

本工程配套工程及基礎工程設計有混凝土灌注樁約22萬m、預應力管樁9.3萬m、水泥攪拌樁約3.7萬m，其中有鉆孔灌注樁4478根。項目段地下土層主要為粉質黏土。且樁徑1m鉆孔樁樁長近80m，成樁過程需14h，考慮鉆孔樁施工連續性，無法避免夜間施工。

課題組針對旋挖鉆機施工過程中噪聲問題展開研究，發現最大的噪聲源是鉆頭排土時產生的，旋挖鉆機在卸土、甩土過程中會產生巨大的噪聲，常規鉆頭通過正反轉動鉆桿帶動鉆頭來回轉動，或快速收放鉆機主纜繩，將渣土甩出，因為粘性土層的渣土很難甩出，不僅噪聲巨大，效率低，且加速機械和主纜繩損耗。采用傳統鉆頭施工鉆頭卸土階段，在距鉆頭5m范圍內實測噪音113.8dB。

本文針對如何減少旋挖鉆施工噪聲技術進行總結，對旋挖鉆機現有鉆頭進行改進研究，將甩土轉化為擠壓推土，來解決傳統鉆頭排土容易產生巨大噪聲的問題，以滿足夜間施工噪聲管控要求，為類似工程施工提供經驗和借鑒作用[2]。

2 旋挖鉆頭排渣方式研究

短螺旋鉆頭排渣時，螺旋葉片之間的渣土受到泥土本身的重力與螺旋葉片對渣土的支持力作用，通過控制鉆桿左右快速轉動，帶動鉆頭快速轉動，螺旋葉片之間的渣土會因慣性被甩出。

旋挖鉆斗排渣時，鉆斗內泥土主要受到泥土本身的重力以及筒壁提供的摩擦力等，當土層粘性較小時，泥土可以利用本身重力輕松排出鉆頭；但當土層粘性較大時，筒壁提供的摩擦力大，泥土便很難卸下，需要借助外力才能完成排渣。傳統的旋挖鉆斗通過正反快速轉動鉆桿，帶動鉆頭，將渣土甩出或者快速收放主纜繩，將鉆頭內渣土抖出。施工過程中其缺陷主要有三點：①長期抖動主纜繩，會加速纜繩老化速度；②對于粘性土層，渣土很難甩出，反復甩土、卸土，耗時耗能效率低下；③快速轉動鉆桿會產生巨大噪音[3]。

2.1 靜音鉆頭設計

針對以上問題，課題組計劃改變旋挖鉆斗原有排渣方式，以提高工作效率并且減少施工時產生的噪音，經過研究分析，設計了以下三種低噪聲排土鉆頭。

2.1.1 提開斗鉆頭

提開斗鉆頭包括鉆筒，鉆筒上端設有連接部，下端設有削切部，鉆筒包括鉆筒本體和開合筒皮，鉆筒本體沿其側壁縱向開設一槽口，槽口的開口端位于鉆筒本體底端面，開合筒皮設于所述槽口處，開合筒皮頂部通過第一鉸鏈與鉆筒本體轉動連接；削切部具有位置相對設置的第一連接端和第二連接端，第一連接端通過第二鉸鏈與開合筒皮底部轉動連接。開合筒皮與削切部構成偏心L形結構，當門型框與鉤子脫離時開合筒皮受重力作用自動與鉆筒本體實現分離，從而使泥渣自動掉落，降低鉆頭甩動幅度，實現降噪效果，詳見圖1。

2.1.2 針管式擠壓鉆頭

針管式擠壓鉆頭包括鉆筒，鉆筒上端固定連接有方頭上盤總成，鉆筒內活動連接有排渣部，壓緊部包括與所述上盤滑動連接的壓桿，壓緊彈簧套接在壓桿上，壓桿包括至少一個長壓桿和一個短壓桿；排渣部包括與鉆筒上下滑動連接的排渣盤，排渣盤上端與所述短壓桿的底端連接，通過長、中、短關節將壓桿和排渣盤連接，在鉆頭提升至孔外時，鉆桿上的圓盤下壓壓盤推動壓桿從而推動排渣盤，從而快速將鉆筒內的渣土推至鉆筒外。詳見圖2。

2.1.3 靜音齒板鉆頭/靜音取芯鉆頭

靜音齒板鉆頭和靜音取芯鉆頭上部結構相同，僅底板部分不同，靜音齒板鉆頭底板部分為左右鉆板，靜音取芯鉆頭底部無底板，筒體下端焊有子彈頭截齒。靜音齒板鉆頭包括有鉆筒、固定于鉆筒頂端的方頭上盤總成、固定于鉆筒底端的左右鉆板、設置于鉆筒內部的排渣盤和多個傳力桿、以及位于方頭上盤總成正上方且為圓環形結構的壓盤，多個傳力桿的頂端均穿過方頭上盤總成的上盤與壓盤固定連接，多個傳力桿的底端均與排渣盤固定連接。通過傳力桿將壓盤和排渣盤固定連接，在鉆頭提升至孔外時，鉆桿上的圓盤下壓壓盤推動傳力桿從而推動排渣盤，從而快速將鉆筒內的渣土推至鉆筒外[4-5]。詳見圖3。

圖1 提開斗鉆頭

圖2 針管式擠壓鉆頭

圖3 靜音齒板鉆頭

2.2 方案比選

經過表1所示的方案比選最終選擇了靜音齒板鉆頭/靜音取芯鉆頭。

表1 三種鉆頭方案比選

2.3 靜音鉆頭性能研究

2.3.1 適用地層研究

靜音齒板鉆頭的下部結構與常規雙層底板旋挖鉆斗類似，使用這兩種鉆頭在鉆進時的的操作也是一致的，因此兩者適用的地層也比較類似。但由于靜音齒板鉆頭不像常規雙層底板旋挖鉆斗具有雙層底在提升鉆頭時可對筒內土體有阻擋作用，在面對淤泥、粘性不強的土層、砂土，以及膠結較差、粒徑較小的卵石層時，筒內的渣土會因重力作用掉回孔內影響成孔效率及成孔質量，因此靜音齒板鉆頭不適用上述土層。通過與常規雙層底板鉆頭旋挖鉆斗進行對比分析以及在施工現場的實際使用表現，發現靜音齒板鉆頭主要適用于粉質粘土層、膠結較好的卵石層以及強風化巖層等。

靜音取芯鉆頭由可視為常規取芯鉆頭更改上部結構而來，二者除排渣操作其余操作都完全一致，適用的地層情況也一致。由于無底板，對于粘性較低的土層，渣土進筒后提桿的過程中容易掉落，因此不適用。經過施工現場使用驗證，靜音取芯鉆頭主要適用于淤泥質粘土層及微風化、中風化基巖等。兩種鉆頭結合使用可用于絕大多數常見土層，解決了傳統鉆頭排土容易產生巨大噪聲的問題，滿足夜間施工噪聲管控要求。

2.3.2 降噪性能研究

針對創新研制的靜音齒板鉆頭和靜音取芯鉆頭，對它們的降噪性能和工作效率進行檢測。靜音齒板鉆頭適用于粉質粘土層、膠結較好的卵石層以及強風化巖石等；靜音取芯鉆頭適用于淤泥質粘土層及微風化、中風化基巖等。綜合考慮實驗難度及實用性，靜音齒板鉆頭在選擇粘土層和強風化層進行試驗，并與傳統的雙底雙開門旋挖鉆斗進行對照；靜音取芯鉆頭在粘土層和中風化巖層進行實驗，其中粘土層實驗與靜音齒板鉆頭一起對照，中風化巖層試驗與傳統的取芯鉆進行對照。

根據《建筑施工場界環境噪聲排放標準(GB 12523—2011)》5.3條對施工場界測點位置的相關規定，共選擇4個測點。試驗現場在野外，附近并無建筑，根據現場實際條件，分別在旋挖鉆機施工現場2m內，距現場25m，50m，100m的四個點位進行了噪音測量。測量結果如表2、表3所示。

表2 靜音齒板鉆頭排渣噪音對比[dB(A)]

表3 靜音取芯鉆排渣噪音對比[dB(A)]

經過數據對比可以看出，靜音齒板鉆頭用于粘土層排土時現場所產生的噪音僅為82.5dB(A)，用于強風化巖層施工現場的噪音僅為78.1dB(A)，而雙底雙開門鉆頭在同等情況下所產生的噪音分別為105dB(A)與97.8dB(A)，靜音齒板鉆頭用于同種土層時的噪音要遠小于靜音取芯鉆頭，降噪性能顯著。中間無遮擋的情況下，針對粘土層施工，在在距現場100m處僅為51.6dB(A)。針對強風化層施工，在距現場100m處僅為52dB(A)。在距離施工現場100m處的噪音均滿足相關部門對夜間施工噪聲小于55dB(A)的要求。測量現場是開闊、無遮擋環境，而實際在城市應用的話，周圍會有施工圍擋、構筑物等，對噪音起到阻隔作用，距離施工現場相同位置的噪音會更小。根據具區路項目實際檢測，針對粘土施工時，在距離施工場界50m處的臨近小區房間內實測噪聲為42.7dB，滿足相關部門對施工噪聲排放的要求。

靜音取芯鉆頭的情況與靜音齒板鉆頭一致，降噪性能也非常顯著。用于粘土施工現場噪音為81.6dB(A)，遠小于雙底雙開門鉆頭在同種土層所產生的噪音105dB(A)；用于中風化巖層施工噪音為88.7dB(A)，也遠小于常規取芯鉆頭在同種土層下產生的噪音103dB(A)。并且靜音取芯鉆頭用于上述兩種土層在距離施工現場100m處的噪音分別為50.2dB(A)和53.4dB(A)也均滿足相關部門對夜間施工噪聲小于55dB(A)的要求[6]。

2.3.3 工作效率研究

鉆頭鉆進效率主要取決于旋挖鉆機的動力頭功率以及土體的性質，與鉆頭類型關系較小。經過現場實測，在同種粘土層與強風化巖層下，靜音齒板鉆頭與雙底雙開門旋挖鉆斗的鉆進效率基本一致；在同種粘土層及中風化巖層下，靜音取芯鉆頭與常規取芯鉆頭的鉆進效率一致。

靜音排渣鉆頭與常規鉆頭的效率差異主要體現在排渣效率。常規的雙底雙開門旋挖鉆頭一次甩土排渣時間平均為30～120s，主要根據土體的性質不同而有差異，土的粘性越大則需要的時間較長；常規的常規取芯鉆頭用于中風化巖石時一次排渣所需時間基本在2min以上。靜音齒板鉆頭和靜音取芯鉆通過動力頭直接擠壓，排渣時間穩定。靜音齒板鉆頭一次排渣平均只需10s左右，除非土的粘性非常大，一般情況下土的粘性對排渣時間的影響比較小；靜音取芯鉆頭用于粘土時一次排渣只需10s左右，用于中風化巖石時一次排渣平均也只需30s左右。在排渣效率上兩種靜音排渣鉆頭都明顯高于常規鉆頭[7]。

3 施工技術要點

3.1 施工工藝流程

旋挖鉆低噪聲排土施工按照順序施工即可，靜音排渣鉆頭在現有的旋挖鉆機鉆頭上進行改進研發，不改變原有的鉆機操作方式，操作手可直接操作，無須重新培訓學習，節省人力資源。首先放點定位、下放護筒，然后鉆機就位、鉆頭回旋取土，直到旋挖鉆機將鉆頭提升至孔外時，鉆桿上的圓盤下壓盤推動傳力桿從而推動排渣盤，排渣盤下壓，快速將鉆筒內的渣土推至鉆筒外[8]。

3.2 操作要點

3.2.1 放點定位、下放護筒

護筒的埋設對于后期成孔有著巨大的意義，埋設護筒是旋挖鉆進成孔工藝的第一步，是做好后續工序的基礎。施工放樣前應按規定布設測量控制網及水準點。根據控制點放樣出工程樁具體位置，放樣完畢后報測量監理工程師進行樁位復核，監理復核無誤后方可進行下道工序施工。埋設護筒時，先采用旋挖鉆機鉆孔至護筒長，然后在鉆頭上安裝擴孔裝置，鉆至可以埋設護筒深度，再進行護筒安裝。當采用泥漿護壁成孔灌注樁施工時，護筒長度應滿足孔內泥漿液面高度的要求，孔內泥漿面應保持高出地下水位1.5m以上。護筒中心與樁位中心線偏差不應大于50mm。

3.2.2 鉆機行走、桅桿變幅、鉆具就位

旋挖鉆機的自重較大，施工場地應事先壓實平整，以免旋挖鉆機因地面不平整出現傾斜甚至沉陷。鉆機就位時必須定位準確，機體應保持穩定，鉆頭中心與樁位中心誤差不大于5mm。

3.2.3 泥漿護壁

泥漿護壁是指將一定相對密度的泥漿放入孔內，由于靜水壓力在孔壁形成一層泥皮，可以有效的保護孔壁，防止坍孔。在砂類土、礫石土、卵石土、黏砂土夾層中鉆孔必須采用泥漿護壁。泥漿采用膨潤土造漿，制備的泥漿指標應達到：泥漿比重：1.15～1.20，粘稠度18～25s，泥漿必須充分拌勻備用，泥漿對孔壁的穩定作用主要表現為泥漿對孔壁產生的壓力和對土層的抑制作用。應合理選擇配比適合的泥漿，制備泥漿的配比參考如表4所示。

表4 制備泥漿的配比參考

3.2.4 下放鉆桿、鉆頭回旋破壞土層

鉆機就位后，鉆桿產生向下壓力，帶動鉆頭螺旋切削，土體壓入鉆頭筒內。旋挖鉆機施工的靜音排渣鉆頭，包括有鉆筒、鉆筒外壁上為弧形結構的耐磨條、鉆筒頂端的方頭上盤總成、鉆筒底端的左右鉆板、鉆筒內部的排渣盤和四個傳力桿以及位于方頭上盤總成上方的圓環形結構的壓盤；鉆筒的筒壁上設有開口，用于降低下壓阻力和排水；靜音鉆頭在現有的旋挖鉆機鉆頭上進行改進研發，不改變原有的鉆機操作方式，操作手可直接操作。

3.2.5 推出渣土

鉆頭裝土完成后，將鉆桿提升至孔外，隨后下壓鉆桿圓盤推動傳力桿。排渣盤下壓壓盤和排渣盤上均設置有多個通孔，傳力桿的頂端穿入壓盤的通孔且與壓盤焊接固定，傳力桿的底端穿入排渣盤的通孔且與排渣盤焊接固定，構造簡單牢固，當壓盤推動傳力桿時，傳力桿下壓推動排渣盤，從而快速將鉆筒內的渣土推至鉆筒外。

4 結語

項目實施過程中，采取的這些施工工藝成功解決了各階段遇到的施工問題，保證了旋挖鉆機的順利施工，我們得出了以下結論：1)選用的兩種靜音鉆頭的創新設計，簡潔牢固、操作簡單、易于維護、施工噪聲小、排渣迅速、適用于多種土層，在城市內施工優勢尤為顯著；2)改造設計鉆頭形式，改變原有卸渣方式將甩土轉化為擠壓推土，提高了工作效率并且減少施工時產生的噪音，為低噪聲旋挖鉆頭設計提供了參考；3)通過現場實測確定了兩種靜音鉆頭的降噪性能和工作效率，兩種鉆頭降噪效果明顯，鉆進效率和普通鉆頭一致，排渣效率相比普通鉆頭有較大提升；4)對施工過程關鍵技術進行研究，針對鉆機定位、護筒埋設、泥漿護壁等技術進行了分析，為在實際工程中的應用提供了理論依據。