坚硬斜层岩钻孔灌注桩钻进施工技术.pdf

74坚硬斜层岩钻孔灌注桩钻进施工技术万巧叶任一杰/中国水利水电第十一工程局有限公司【摘要】本文通过单轴饱和抗压强度大于6 0 MPa中风化斜岩地质条件下的钻孔灌注桩施工，总结了在此地质条件下，为解决高强度基岩桩基施工难度大所采取的措施，以及冲击锤体改进、钻孔钢护筒结构及钻孔工艺优化方面的经验与教训。【关键词】坚硬斜岩钻孔灌注桩设备改进工艺优化1工程概况栾卢高速项目位于豫西深山区，地处秦岭山脉东段，地形起伏大，峰峦连绵，谷深坡陡峭，线路区岩性主要为大理岩、片岩、石灰岩、砾岩等，由于岩层侵入岩较多，岩面变化且强度大，造成了桩基施工地质条件的复杂。对于这类地质条件复杂的桥梁基础钻孔施工仍存在一些需要解决的问题，如强度较高的倾斜岩面钻孔施工一直比较困难。柏松树大桥跨越伊河，补充勘察钻孔揭示，河道内桩基的地层为坚硬斜层岩。13号、14号桥墩桩基施工采用了潜孔钻施作先导孔，通过在桩内钻5个直径为15.2cm的小孔，从地面钻至设计桩底位置，破坏底部基岩的整体性，再采用小冲程冲进使基岩从小孔中先破坏。钻机施工中因泥浆有防止孔壁塌、抑制地下水等作用，所以泥浆选用优质膨润土掺加泥浆处理剂造浆，优质黏土选用了水化快、造浆能力强、黏度大或接近地表经过冻融的黏土。泥浆处理剂选用纯碱、CMC和聚丙烯酰胺，使用前配成一定浓度的水溶液，以提高其效果。2施工难点分析及关键技术应用钻孔灌注桩施工主要包括筑岛平整场地、护筒埋设、泥浆制备、钻孔、清孔、钢筋笼制作安装、灌注水下混凝土等内容。在坚硬斜层岩中的钻孔灌注桩施工步骤与其他地层基本一致，但与其他类似钻孔灌注桩施工相比难度较大。首先，其护筒结构不仅需要解决岩层上部覆盖层护壁稳定，且要对人岩成孔起导向作用，在满足钻孔孔斜精度要求的同时，能够抵抗冲击锤沿斜层岩产生侧向冲击破坏；其次，泥浆在钻孔灌注桩施工中，不仅是冷却钻头、钻孔固壁的重要手段，而且可以挟带孔内钻孔沉淀返出孔外，减少孔内钻渣沉淀，提高钻孔效率；最后，钻孔灌注桩穿过覆盖层进人岩层时，斜层岩在孔底为软硬不一的岩体结构，钻孔过程中的“吃软不吃硬”现象将造成钻孔沿斜层岩倾向偏斜。因此，对钻孔灌注桩人岩接合部孔底结构改善是控制钻孔偏斜的另一重要措施。上述三者是制约斜层岩钻孔灌注桩施工质量、进度与安全的关键因素。2.1施工准备（1）合理规划钻孔施工场地，将钻孔范围内的杂物清理干净。采用机械设备碾压平整场地，用细骨料填平局部不平整处并夯实，保证钻孔冲击设备底座水平，施工过程中不产生沉陷或倾斜。（2）桩位放样。场地检查合格后确定桩位与地面标高，并设置桩位标识。及时测设桩孔中心与标高，方便施工期间质量检测与控制。（3）桩位点测放后，在护筒上口标注东、南、西、北四个方位，再用细钢丝绳拉成十字交叉线找出护筒中心点。调整桩孔中心位置与钢护筒中心位置一致，然后进行钢护筒埋设。（4）钻机就位后，检验钻机基础底部是否牢固和水平，校正钻头垂直度，符合要求后开始钻孔。2.2钢护筒埋设每根桩均应安设钢护筒，护筒采用48 mm厚钢板制作，内径大于钻头直径2 0 0 mm，护筒高度不小于3.5m，上部开设12 个溢浆孔。护筒埋设开挖的边线与护筒外壁的间隙回填为不小于2.0 m的黏土并填实。75坚硬斜层岩钻孔灌注桩钻进施工技术在受河道水位涨落等特殊地质条件影响区段，增加护筒埋设深度，必要时应深人不透水层中。护筒埋设要点如下：（1）钢护筒埋设时，保证护筒中心线与桩孔中心线同心。除非设计有其他特定要求，否则，钻孔灌注桩孔中心位置允许偏差不超过50 mm，钢护筒倾斜度不大于1%，护筒四周所填黏土分层夯实。（2）钢护筒埋设高度要高出地面0.3m。如果孔内有承压水时，护筒高度需要高出稳定后的承压水位2 m以上。（3）钢护筒埋设深度距离岩石基面不得大于冲击钻头或钻头粗径钻具高度的1/2，以便套筒对钻孔起到导向作用。（4）护筒的埋置深度在满足上述条件的同时，还应满足设计要求或桩位的水文地质情况要求。即护筒在黏性土中埋深不得小于1.0 m，砂土中不应小于1.5m。2.3泥浆制备泥浆的制作分为以下三个步骤：首先，粉碎黏土；其次，将粉碎后的黏土移到护筒内；最后，通过冲击锤有节奏地对粉碎后的黏土进行冲击，让黏土转变成浓度合适的泥浆，再进行钻孔。钻机施工中因泥浆有防止孔壁塌、抑制地下水等作用，所以泥浆是保证孔壁稳定的重要因素。根据机械钻机钻进的特点选用优质膨润土掺加泥浆处理剂造浆，优质黏土需要选用水化快、造浆能力强、黏度大或接近地表经过冻融的黏土，其胶体率不低于95%、含砂率不大于4%、造浆能力不低于2.51kg/m，施工中注意排除粒径为0.2 0.5cm、含量约占2 5%的碎石颗粒的影响即可充分利用。泥浆处理剂如纯碱、CMC和聚丙烯酰胺，使用前配成一定浓度的水溶液，以提高其效果。纯碱水溶液浓度为2 0%，CMC和聚丙烯酰胺水溶液为1.5%。钻进时泥浆性能技术指标见表1。表1钻进时泥浆性能技术指标失水钻孔相对黏度含砂率胶体率静切力/(mL/方法密度/(Pas)/%/%/Pa30min)反循环1.2022304952035钻孔1.402.4天开孔在开孔施工过程中，施工人员需要对机械设备的振动力度大小进行有效控制，避免振动力度过大造成相邻孔洞塌。2.5钻进操作控制（1）将钻头慢速回转、缓慢送人孔底，启动空压机，开始反循环正常作业。钻头正常工作后，转速逐渐加大，增大压力，压力限度以钻头吸渣口不造成堵塞为准。开始钻进时，要用低压低转速方式钻进。（2）避免因泥浆密度过大导致反循环中断。桩孔内排浆中钻渣含量较多、或排浆量减少时，应严格控制钻进速度。钻进时应仔细观察排浆出渣和进尺情况。（3）钻进参数应根据桩径、地层情况，参考钻机的经济钻速和气举排渣合理排量来调整和选择。（4）接钻杆时，要先停止钻进，再进行加接钻杆，保持12 min泥浆循环清洗孔底，排净钻杆孔道内的钻渣，同时将钻具提高至距桩孔底部位置8 0 10 0 mm以上，然后停止泥浆泵工作，加接钻杆。（5）钻杆连接螺栓应拧紧上牢，防止螺栓、螺母及操作工具等掉人孔内。（6）钻进过程中，如孔内发生涌砂、塌孔现象，应马上将钻具提离孔底，排除涌入孔内的砂和塌落物，同时保持泥浆循环。将满足要求的泥浆注人孔内，以维持孔内外静压力平衡，避免继续塌孔和涌砂。钻进恢复后，不宜过量地进行排浆，防止孔壁被吸塌。（7）桩孔深度钻进至设计标高时，停止钻进，继续保持泥浆正常循环，清洗桩孔底部沉淀，直到含砂率小于4%的泥浆返出。起钻时应严格控制速率，并补人适量优质泥浆到孔内，保持桩孔内外水头稳定，并避免孔壁被钻头拖刮。（8）在距护筒底3m处减慢进尺，采用不超过2 m/h的进尺速度，并置换密度较大的泥浆，慢速钻进磨平桩孔底部，直至钻头进入岩层。因地层岩面起伏大，人岩处为岩石与覆盖层混合地层，软硬不一，极易造成桩孔垂直度偏差超标情况。故在钻头通过护筒底部，并接触岩面时，必须减压钻进，利用钻头的自重及内导向结构控制桩孔的垂直度。2.6钻孔工艺改进在坚硬斜层岩条件下，为解决钻孔灌注桩钻孔效率低、施工成本高、发生斜孔、锤体爆裂事故，根据地质构造现状，结合锤体爆裂和桩孔偏斜的原因分析，采取了以下措施，对钻孔工艺进行改进。（1）优化冲击锤结构。在冲击锤钻头中添加硬质合金，提高冲击锤的强度和韧性，使冲击锤破岩的牙口硬度和耐磨性能提高。对冲击锤的脚趾焊接工艺进行改进，使整个冲击锤底部全断面无间隙，消除局部薄弱容易破坏的部位，避免冲击锤的锤体因局部损伤而产生爆裂。同时专门制作棱柱式斜角强力冲击钻头破岩，实现高效成孔，提高施工效率，减少桩底沉渣量，克服了桩底沉渣厚度大、沉渣清除难度大的端。（2）钢护筒埋设是本次桥梁桩基工程中的重要环节，具有导向和定位等作用，靠护筒内的水位和泥浆密度使孔内水压超过外部水压，从而能够防止塌孔问题出76地基与基础工程现，本次工程中所采用的护筒内径超过桩径约2 0 0 mm，护筒顶高度超出地面0.3m以上，如果孔内有承压水存在时，护筒高度需要高出稳定后承压水位2 m以上。钢护筒壁厚=48 mm，采用Q345钢板卷制，高度为3.5m；受河道水位涨落等特殊地质条件影响的区段，需要增加护筒埋深，必要时应打人不透水层。安装钢护筒是为保证最终桩基成孔质量和钻进过程护壁效果，但在施工过程中遇坚硬斜岩面护筒会发生严重偏位问题，成孔位置难以保持。因此，栾卢高速项目桩基施工时研发了一种桩基冲击钻用钢护筒结构（见图1)。5014016301201图1桩基冲击钻用钢护筒结构1一地面层；2 一钢护筒；2 0 1一钢护筒底部外侧设置的多组加强肋；3一钢护筒外侧与地面层相接处设置的压板；30 1一压板底部设置的导向筒；4一钢护筒顶端外侧设置的两组定位环；40 1一安装板；5一液压缸；50 1一液压缸伸缩端固定压盘；6一定位环两侧竖向连接的固定板：7 一水泵；8 一储料罐通过在钢护筒外侧设置可沿钢护筒外壁水平下移的压板，从而确保钢护筒外侧地面的夯实平整性，确保钢护筒中心倾斜度偏差满足施工要求，且在钢护筒外侧设置调整泥浆黏度的水泵和储料罐，以对钢护筒内水分以及泥浆含量进行调整，降低人工操作的危险性。（3）破岩导孔施工。在桩孔内钻5个直径为15.2cm的小孔（周边孔从桩基边线向内2 0 cm作为中心等距布置4个孔，桩孔中心布置1个孔），呈十字形布置，从地面钻至设计桩底位置，破坏底部基岩的整体性，增大冲击锤与岩石接触面的接地比压，从而提高冲击锤的破岩能力。潜孔钻施工先导孔布置见图2。（4）调整坚硬斜层岩钻进方法。采用小冲程冲进，将冲程由2 m左右减少到11.2 m，减少坚硬斜层岩的瞬时冲击力。在冲击钻进过程中，根据基底倾斜情况及时投人高强片石将基底填平后再继续冲击钻进。这样可减少坚硬斜层岩与锤体接触处的软硬差异，使冲击钻进的能量均匀分布在孔底，避免斜岩冲进对冲击锤的破坏，且可确保成孔垂直度和成孔效率。（5）优化泥浆性能。提高泥浆性能，增加桩孔内钻渣排出速度，避免反复冲进。采用高性能黏性土和钠基膨润土双掺制浆工艺，提高泥浆的工作性能。钻进过程中采用大功率除砂器进行除砂，控制泥浆含砂率。钻进过程中泥浆比重调整到1.31.4，黏度大于40 S，含砂0.15RO.90桩基直径外轮廓RO.70$15.2cm先导孔先导孔施工外轮廓图2潜孔钻施工先导孔布置图率低于6%，除渣速度大大提高。在冲孔过程中，充分考虑地质因素，避免冲孔引起土体塌。施工区域内发生塌孔，则需选择小行程进行冲孔施工（小行程应控制为0.5m）。冲孔过程中应加人黏土，以提高黏土的黏附性和相对密度。冲孔过程中适当加人砾石，使砾石嵌人孔壁。如果施工区域为黏土层，采用12 m的中小冲程，降低泥浆密度，减少卡钻问题。此外，冲孔过程中遇到密度较大的卵石或岩石，则将行程在原基础上增加1.0 m，以取得较好的冲击成孔效果。77坚硬斜层岩钻孔灌注桩钻进施工技术2.7清孔清孔是钻孔灌注桩施工技术的一个重要环节。为保证钻孔灌注桩后期的施工质量，避免孔底沉渣过多，进行清孔处理，使成孔满足后期灌注混凝土的要求。在钻孔完成后，必须尽快清孔。采用抽浆、换浆、冲渣等方式进行清孔，通过泥浆的循环流动清理孔内沉积物，保证清孔的顺利进行。在钢筋笼安装完毕后，再次进行清孔，以清除钢筋笼安装过程中可能带来的沉渣，保证灌注桩的整体施工质量。采用两次清孔工艺清理钻孔桩，第1次清孔在钻孔至设计标高后进行，采用气举反循环，使泥浆含砂率小于2%，泥浆的相对密度降至1.2 以内。第2 次清孔在导管和钢筋笼安装完毕后进行，在导管内安装风管，反循环清孔，清孔后底部沉渣厚度控制在5cm以内。3结语在坚硬斜层岩钻孔灌注桩施工中，通过优化冲击锤性能，避免了冲击锤锤体的爆裂。施工中研发桩基冲击钻适用钢护筒结构，在钢护筒外侧设置压紧地面的压板，通过压板沿钢护筒外壁水平下移，确保钢护筒外侧地面的平整性，确保钢护筒中心倾斜度偏差满足施工要求。采用先导孔破坏底部基岩的整体性，增大冲击锤与岩石接触面的接地比压，从而提高冲击锤的破岩能力。采用小冲程冲进，根据基底倾斜情况及时投入高强片石将基底填平，减少坚硬斜层岩与锤体接触处的软硬差异，冲击力均匀分布在孔底，减少斜岩对冲击锤体的破坏，保证了成孔垂直度和成孔效率。优化泥浆性能，增加孔内钻渣排渣速度，避免了反复冲进，除渣速度大大提高，冲击成孔效果也得到了提高。参考文献1赵建忠。公路桥梁钻孔灌注桩施工技术及质量控制J.交通世界，2 0 2 3（11)：18 1-18 3.2肖志国桥梁桩基中冲击钻钻孔灌注桩施工技术J.四川水泥，2 0 2 1（12)：12 7-12 8.3李华龙，罗国龙，郭弘鹏，等复杂地质冲击钻十反循环桩基成孔技术C/2021年全国工程建设行业施工技术交流会论文集（上册）施工技术（中英文）编辑部，2 0 2 1：2 47-2 49.4陈清作在复杂多样的地质条件下冲击钻孔施工的应对方法和措施C/2021年全国土木工程施工技术交流会论文集（下册）出版者不详，2 0 2 1：163-166.5张群水上冲击钻孔灌注桩基施工质量管控J.中国标准化，2 0 17（4）：2 32-2 33.6吴哗晖，章邦超，陈伟强，等复杂地质条件下钻孔灌注桩试桩效果分析及关键措施J广东土木与建筑，2 0 2 0，2 7（9)：34-36.