旋挖钻机低噪声排土施工技术

俞超明 陈强 高媛 陈晓龙 宋满荣

(1.中铁四局建筑工程有限公司，安徽 合肥 230000；
2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

噪声是指环境噪音超过了国家规定的排放标准，对人们生理心理上造成损害，影响人们正常的工作、生活、休息，是当今世界公认的四大污染物之一。噪声污染一般是间接的非致命的，虽然过程比较缓慢但也会影响人们的生理心理健康。《中华人民共和国噪声污染防治法》第三十九条对施工噪声做了详细的解释和规定：建筑施工噪声是指在建筑施工过程中产生的干扰周围生活环境的声音。我国在1990年颁布了《建筑施工场界噪声限值》(GBl 2523—1990)标准将施工过程分为四个阶段，分别为土石方阶段、打桩阶段、结构阶段、装修阶段，标准对每个阶段的等效A声级进行限制，一直沿用至2011年，随后颁布了《建筑施工场界环境噪声排放标准》(GB 12523—2011)，新标准不再按施工阶段进行分别限制，而是分为昼间夜间分别进行规定。标准规定建筑施工过程中场界环境噪声昼间不得超70dB(A)，夜间不得超过55dB(A)。还规定夜间噪声最大声级超过限值的幅度不得高于15dB(A)。

近年来，随着中国城市化和工业化的进程推进，基础设施建设也在不断发展，因为旋挖钻机具有工作效率高、产生的污染少、适应的地质环境广等优点，广泛应用于现浇混凝土灌注桩的施工。旋挖钻机工作时，使用动力系统来进行驱动，控制钻杆和钻头旋转来达到挖土的目的，钻进时的压力由液压油缸提供。钻头内部装满渣土后，主卷扬回升，来回旋转钻头甩土，同时使用泥浆保护孔壁。通过循环作业完成桩基成孔。旋挖钻机钻头在卸土、甩土过程中会产生巨大的噪声，无法满足绿色文明施工要求，产生扰民现象，会极大影响与周边社区和居民的关系，也会对钻孔灌注桩施工组织及工期产生很大影响[1]。

本工程配套工程及基础工程设计有混凝土灌注桩约22万m、预应力管桩9.3万m、水泥搅拌桩约3.7万m，其中有钻孔灌注桩4478根。项目段地下土层主要为粉质黏土。且桩径1m钻孔桩桩长近80m，成桩过程需14h，考虑钻孔桩施工连续性，无法避免夜间施工。

课题组针对旋挖钻机施工过程中噪声问题展开研究，发现最大的噪声源是钻头排土时产生的，旋挖钻机在卸土、甩土过程中会产生巨大的噪声，常规钻头通过正反转动钻杆带动钻头来回转动，或快速收放钻机主缆绳，将渣土甩出，因为粘性土层的渣土很难甩出，不仅噪声巨大，效率低，且加速机械和主缆绳损耗。采用传统钻头施工钻头卸土阶段，在距钻头5m范围内实测噪音113.8dB。

本文针对如何减少旋挖钻施工噪声技术进行总结，对旋挖钻机现有钻头进行改进研究，将甩土转化为挤压推土，来解决传统钻头排土容易产生巨大噪声的问题，以满足夜间施工噪声管控要求，为类似工程施工提供经验和借鉴作用[2]。

短螺旋钻头排渣时，螺旋叶片之间的渣土受到泥土本身的重力与螺旋叶片对渣土的支持力作用，通过控制钻杆左右快速转动，带动钻头快速转动，螺旋叶片之间的渣土会因惯性被甩出。

旋挖钻斗排渣时，钻斗内泥土主要受到泥土本身的重力以及筒壁提供的摩擦力等，当土层粘性较小时，泥土可以利用本身重力轻松排出钻头；
但当土层粘性较大时，筒壁提供的摩擦力大，泥土便很难卸下，需要借助外力才能完成排渣。传统的旋挖钻斗通过正反快速转动钻杆，带动钻头，将渣土甩出或者快速收放主缆绳，将钻头内渣土抖出。施工过程中其缺陷主要有三点：①长期抖动主缆绳，会加速缆绳老化速度；
②对于粘性土层，渣土很难甩出，反复甩土、卸土，耗时耗能效率低下；
③快速转动钻杆会产生巨大噪音[3]。

2.1 静音钻头设计

针对以上问题，课题组计划改变旋挖钻斗原有排渣方式，以提高工作效率并且减少施工时产生的噪音，经过研究分析，设计了以下三种低噪声排土钻头。

2.1.1 提开斗钻头

提开斗钻头包括钻筒，钻筒上端设有连接部，下端设有削切部，钻筒包括钻筒本体和开合筒皮，钻筒本体沿其侧壁纵向开设一槽口，槽口的开口端位于钻筒本体底端面，开合筒皮设于所述槽口处，开合筒皮顶部通过第一铰链与钻筒本体转动连接；
削切部具有位置相对设置的第一连接端和第二连接端，第一连接端通过第二铰链与开合筒皮底部转动连接。开合筒皮与削切部构成偏心L形结构，当门型框与钩子脱离时开合筒皮受重力作用自动与钻筒本体实现分离，从而使泥渣自动掉落，降低钻头甩动幅度，实现降噪效果，详见图1。

2.1.2 针管式挤压钻头

针管式挤压钻头包括钻筒，钻筒上端固定连接有方头上盘总成，钻筒内活动连接有排渣部，压紧部包括与所述上盘滑动连接的压杆，压紧弹簧套接在压杆上，压杆包括至少一个长压杆和一个短压杆；
排渣部包括与钻筒上下滑动连接的排渣盘，排渣盘上端与所述短压杆的底端连接，通过长、中、短关节将压杆和排渣盘连接，在钻头提升至孔外时，钻杆上的圆盘下压压盘推动压杆从而推动排渣盘，从而快速将钻筒内的渣土推至钻筒外。详见图2。

2.1.3 静音齿板钻头/静音取芯钻头

静音齿板钻头和静音取芯钻头上部结构相同，仅底板部分不同，静音齿板钻头底板部分为左右钻板，静音取芯钻头底部无底板，筒体下端焊有子弹头截齿。静音齿板钻头包括有钻筒、固定于钻筒顶端的方头上盘总成、固定于钻筒底端的左右钻板、设置于钻筒内部的排渣盘和多个传力杆、以及位于方头上盘总成正上方且为圆环形结构的压盘，多个传力杆的顶端均穿过方头上盘总成的上盘与压盘固定连接，多个传力杆的底端均与排渣盘固定连接。通过传力杆将压盘和排渣盘固定连接，在钻头提升至孔外时，钻杆上的圆盘下压压盘推动传力杆从而推动排渣盘，从而快速将钻筒内的渣土推至钻筒外[4-5]。详见图3。

图1 提开斗钻头

图2 针管式挤压钻头

图3 静音齿板钻头

2.2 方案比选

经过表1所示的方案比选最终选择了静音齿板钻头/静音取芯钻头。

表1 三种钻头方案比选

2.3 静音钻头性能研究

2.3.1 适用地层研究

静音齿板钻头的下部结构与常规双层底板旋挖钻斗类似，使用这两种钻头在钻进时的的操作也是一致的，因此两者适用的地层也比较类似。但由于静音齿板钻头不像常规双层底板旋挖钻斗具有双层底在提升钻头时可对筒内土体有阻挡作用，在面对淤泥、粘性不强的土层、砂土，以及胶结较差、粒径较小的卵石层时，筒内的渣土会因重力作用掉回孔内影响成孔效率及成孔质量，因此静音齿板钻头不适用上述土层。通过与常规双层底板钻头旋挖钻斗进行对比分析以及在施工现场的实际使用表现，发现静音齿板钻头主要适用于粉质粘土层、胶结较好的卵石层以及强风化岩层等。

静音取芯钻头由可视为常规取芯钻头更改上部结构而来，二者除排渣操作其余操作都完全一致，适用的地层情况也一致。由于无底板，对于粘性较低的土层，渣土进筒后提杆的过程中容易掉落，因此不适用。经过施工现场使用验证，静音取芯钻头主要适用于淤泥质粘土层及微风化、中风化基岩等。两种钻头结合使用可用于绝大多数常见土层，解决了传统钻头排土容易产生巨大噪声的问题，满足夜间施工噪声管控要求。

2.3.2 降噪性能研究

针对创新研制的静音齿板钻头和静音取芯钻头，对它们的降噪性能和工作效率进行检测。静音齿板钻头适用于粉质粘土层、胶结较好的卵石层以及强风化岩石等；
静音取芯钻头适用于淤泥质粘土层及微风化、中风化基岩等。综合考虑实验难度及实用性，静音齿板钻头在选择粘土层和强风化层进行试验，并与传统的双底双开门旋挖钻斗进行对照；
静音取芯钻头在粘土层和中风化岩层进行实验，其中粘土层实验与静音齿板钻头一起对照，中风化岩层试验与传统的取芯钻进行对照。

根据《建筑施工场界环境噪声排放标准(GB 12523—2011)》5.3条对施工场界测点位置的相关规定，共选择4个测点。试验现场在野外，附近并无建筑，根据现场实际条件，分别在旋挖钻机施工现场2m内，距现场25m，50m，100m的四个点位进行了噪音测量。测量结果如表2、表3所示。

表2 静音齿板钻头排渣噪音对比[dB(A)]

表3 静音取芯钻排渣噪音对比[dB(A)]

经过数据对比可以看出，静音齿板钻头用于粘土层排土时现场所产生的噪音仅为82.5dB(A)，用于强风化岩层施工现场的噪音仅为78.1dB(A)，而双底双开门钻头在同等情况下所产生的噪音分别为105dB(A)与97.8dB(A)，静音齿板钻头用于同种土层时的噪音要远小于静音取芯钻头，降噪性能显著。中间无遮挡的情况下，针对粘土层施工，在在距现场100m处仅为51.6dB(A)。针对强风化层施工，在距现场100m处仅为52dB(A)。在距离施工现场100m处的噪音均满足相关部门对夜间施工噪声小于55dB(A)的要求。测量现场是开阔、无遮挡环境，而实际在城市应用的话，周围会有施工围挡、构筑物等，对噪音起到阻隔作用，距离施工现场相同位置的噪音会更小。根据具区路项目实际检测，针对粘土施工时，在距离施工场界50m处的临近小区房间内实测噪声为42.7dB，满足相关部门对施工噪声排放的要求。

静音取芯钻头的情况与静音齿板钻头一致，降噪性能也非常显著。用于粘土施工现场噪音为81.6dB(A)，远小于双底双开门钻头在同种土层所产生的噪音105dB(A)；
用于中风化岩层施工噪音为88.7dB(A)，也远小于常规取芯钻头在同种土层下产生的噪音103dB(A)。并且静音取芯钻头用于上述两种土层在距离施工现场100m处的噪音分别为50.2dB(A)和53.4dB(A)也均满足相关部门对夜间施工噪声小于55dB(A)的要求[6]。

2.3.3 工作效率研究

钻头钻进效率主要取决于旋挖钻机的动力头功率以及土体的性质，与钻头类型关系较小。经过现场实测，在同种粘土层与强风化岩层下，静音齿板钻头与双底双开门旋挖钻斗的钻进效率基本一致；
在同种粘土层及中风化岩层下，静音取芯钻头与常规取芯钻头的钻进效率一致。

静音排渣钻头与常规钻头的效率差异主要体现在排渣效率。常规的双底双开门旋挖钻头一次甩土排渣时间平均为30～120s，主要根据土体的性质不同而有差异，土的粘性越大则需要的时间较长；
常规的常规取芯钻头用于中风化岩石时一次排渣所需时间基本在2min以上。静音齿板钻头和静音取芯钻通过动力头直接挤压，排渣时间稳定。静音齿板钻头一次排渣平均只需10s左右，除非土的粘性非常大，一般情况下土的粘性对排渣时间的影响比较小；
静音取芯钻头用于粘土时一次排渣只需10s左右，用于中风化岩石时一次排渣平均也只需30s左右。在排渣效率上两种静音排渣钻头都明显高于常规钻头[7]。

3.1 施工工艺流程

旋挖钻低噪声排土施工按照顺序施工即可，静音排渣钻头在现有的旋挖钻机钻头上进行改进研发，不改变原有的钻机操作方式，操作手可直接操作，无须重新培训学习，节省人力资源。首先放点定位、下放护筒，然后钻机就位、钻头回旋取土，直到旋挖钻机将钻头提升至孔外时，钻杆上的圆盘下压盘推动传力杆从而推动排渣盘，排渣盘下压，快速将钻筒内的渣土推至钻筒外[8]。

3.2 操作要点

3.2.1 放点定位、下放护筒

护筒的埋设对于后期成孔有着巨大的意义，埋设护筒是旋挖钻进成孔工艺的第一步，是做好后续工序的基础。施工放样前应按规定布设测量控制网及水准点。根据控制点放样出工程桩具体位置，放样完毕后报测量监理工程师进行桩位复核，监理复核无误后方可进行下道工序施工。埋设护筒时，先采用旋挖钻机钻孔至护筒长，然后在钻头上安装扩孔装置，钻至可以埋设护筒深度，再进行护筒安装。当采用泥浆护壁成孔灌注桩施工时，护筒长度应满足孔内泥浆液面高度的要求，孔内泥浆面应保持高出地下水位1.5m以上。护筒中心与桩位中心线偏差不应大于50mm。

3.2.2 钻机行走、桅杆变幅、钻具就位

旋挖钻机的自重较大，施工场地应事先压实平整，以免旋挖钻机因地面不平整出现倾斜甚至沉陷。钻机就位时必须定位准确，机体应保持稳定，钻头中心与桩位中心误差不大于5mm。

3.2.3 泥浆护壁

泥浆护壁是指将一定相对密度的泥浆放入孔内，由于静水压力在孔壁形成一层泥皮，可以有效的保护孔壁，防止坍孔。在砂类土、砾石土、卵石土、黏砂土夹层中钻孔必须采用泥浆护壁。泥浆采用膨润土造浆，制备的泥浆指标应达到：泥浆比重：1.15～1.20，粘稠度18～25s，泥浆必须充分拌匀备用，泥浆对孔壁的稳定作用主要表现为泥浆对孔壁产生的压力和对土层的抑制作用。应合理选择配比适合的泥浆，制备泥浆的配比参考如表4所示。

表4 制备泥浆的配比参考

3.2.4 下放钻杆、钻头回旋破坏土层

钻机就位后，钻杆产生向下压力，带动钻头螺旋切削，土体压入钻头筒内。旋挖钻机施工的静音排渣钻头，包括有钻筒、钻筒外壁上为弧形结构的耐磨条、钻筒顶端的方头上盘总成、钻筒底端的左右钻板、钻筒内部的排渣盘和四个传力杆以及位于方头上盘总成上方的圆环形结构的压盘；
钻筒的筒壁上设有开口，用于降低下压阻力和排水；
静音钻头在现有的旋挖钻机钻头上进行改进研发，不改变原有的钻机操作方式，操作手可直接操作。

3.2.5 推出渣土

钻头装土完成后，将钻杆提升至孔外，随后下压钻杆圆盘推动传力杆。排渣盘下压压盘和排渣盘上均设置有多个通孔，传力杆的顶端穿入压盘的通孔且与压盘焊接固定，传力杆的底端穿入排渣盘的通孔且与排渣盘焊接固定，构造简单牢固，当压盘推动传力杆时，传力杆下压推动排渣盘，从而快速将钻筒内的渣土推至钻筒外。

项目实施过程中，采取的这些施工工艺成功解决了各阶段遇到的施工问题，保证了旋挖钻机的顺利施工，我们得出了以下结论：1)选用的两种静音钻头的创新设计，简洁牢固、操作简单、易于维护、施工噪声小、排渣迅速、适用于多种土层，在城市内施工优势尤为显著；
2)改造设计钻头形式，改变原有卸渣方式将甩土转化为挤压推土，提高了工作效率并且减少施工时产生的噪音，为低噪声旋挖钻头设计提供了参考；
3)通过现场实测确定了两种静音钻头的降噪性能和工作效率，两种钻头降噪效果明显，钻进效率和普通钻头一致，排渣效率相比普通钻头有较大提升；
4)对施工过程关键技术进行研究，针对钻机定位、护筒埋设、泥浆护壁等技术进行了分析，为在实际工程中的应用提供了理论依据。

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