大粒径和高含量卵碎石地层钻孔施工
2009-09-28
摘要：桥梁等钻孔桩基础遇到地质特征为超深厚、大粒径、高含量卵碎石地层时，钻孔过程中极易造成坍孔、扩孔，采用一系列严格的施工工艺，选择合适的钻机类型、成孔方法，提前对地层进行注浆加固处理等措施，可使坍孔、扩孔大大减少，成孔率提高。
关键词：卵碎石地层 钻孔施工 坍孔 扩孔 注浆
现以浙江临海灵江特大桥主桥7＃墩钻孔桩施工为例，来介绍大粒径和高含量卵碎石超厚地层的钻孔施工。
1 工程概况
灵江大桥全长1687.02米，跨越临前公路、灵江和104国道。桥梁分左右幅，其主墩7#墩共14根钻孔桩,设计桩径为1.8米，为摩擦桩，设计桩底标高为-80.0米，桩顶标高为1.8米。
2 水文、地质特征
2.1 水文：灵江特大桥桥址水文特征既受迳流作用，也受潮流影响，灵江潮汐为不规则半日潮，涨潮流速1.3～2.0m/s，落潮流速1.2～1.5 m/s，涨潮历时4.5h, 落潮历时7.5h,最高潮位6.25 m，最低潮位-2.53m，一般潮位3.95m，一般低潮位-1.90m，一般高潮位5.00m。
2.2 地质：7#墩上部土层主要为淤泥质土，下部以卵、碎石土为主，含漂石或块石，底部为风化凝灰岩，基岩面标高达-91.1m。河床面至-13.40m为粉砂，-13.40m至-28.20m为淤泥质粘土，-28.20m至-87.00m为含卵碎石50～80%的卵碎石层，部分卵石粒径大于30cm。由地质资料和起初钻孔施工情况，确定该墩位处的地质特征属超深厚、大粒径、高含量卵碎石地层，钻孔过程中极易造成坍孔。
3 钻孔施工
3.1 钻机选型：根据已有经验，采用冲击法钻孔，对于卵碎石土层其成孔深度一般在70米以内，采用气举反循环回转钻机钻孔时其深度可达120米，但其土层的卵石粒径小于钻杆内径的2/3或含少于20%的卵碎石土。7#墩地质条件指标均超出上述范围，目前国内还没有针对该类地质情况的钻孔设备。为了保证在超深厚、大粒径、高含量卵碎石地质条件下超长钻孔桩的施工质量，我单位采用以旋转钻机（KPG-3000型）为主，冲击反循环钻机（CJF-20型）为辅的联合成孔的施工方案，CJF-20型冲击反循环钻机破碎大直径卵碎石，其钻进高程宜控制在-50.00m以内，主要考虑到含漂石、块石、卵碎石地层中钻孔易卡钻、掉钻、塌孔埋钻头等，发生此类事故处理较复杂，并且耽误工期，因此控制冲击钻冲击深度。待钻进高程达-50.00m左右时，改用KPG-3000型旋转钻机，进行气举反循环钻孔，对于解决深层钻孔比较有利。
3.2 护筒埋设：为固定桩位，导向钻头，隔离地面水，保护孔口地面及提高孔内水头，增加对孔壁的静压力，以利钻孔护壁防坍塌，于钻孔前埋设护筒。护筒的埋置深度以嵌入稳定土层，钻孔时护筒口不坍塌为原则。根据现场地质条件及规范要求确定7#墩护筒底标高-29.2m。壁厚按施工中震动打桩机插打时受力的需要确定，因采用中-160震动打桩机，拟采用直径Ф2500mm，臂厚δ=16mm的钢护筒。为保证护筒的垂直度，插打之前先在平台顶面和底面分别焊一层导向架，插打过程中严格控制垂直度，要求垂直度%26lt;1%。
3.3 钻孔施工：
3.3.1 CJF-20型冲击钻机开孔：冲击钻开孔时，向护筒内倒入小片石夹粘土混合物（比值约1：1），用冲击锥以小冲程反复冲击造浆，泥浆指标达到要求后开始冲击进尺；当冲击钻进到护筒底口时，仍需向泥浆中投入小片石，以小冲程高频率反复冲击，其目的是使泥膏、小片石挤入孔壁，使护筒至卵碎石层之间形成圆顺、坚实的过渡段；进入卵碎石层后，加入大比重（γ=1.3）、高质量泥浆和少量水泥，采用重锤导向冲击法钻孔，使卵碎石层形成坚硬的孔壁，防止塌孔，直至钻到高程-50.00m左右。
3.3.2 KPG-3000型反循环钻机钻进：旋转钻机的钻头直径宜比冲击钻机的钻头直径小2～5cm，以形成上大下小的孔径过渡。因土层软硬不均，钻头跳动、钻头摆动加大和钻头偏斜等现象，易使钻机因超负荷而损坏，钻进时采用优质泥浆、重锤导向减压钻进法，可减少斜孔、弯孔和扩孔现象，保证钻孔垂直度，保证成孔质量。采用减压钻进法，应随时掌握钻具（钻杆、配重块等）的重量，使钻杆始终在受拉状态下进行工作。
钻压选定:根据本桥基岩种类和单轴极限强度的不同,钻头刃口线压强选为q=160/220kgf/cm2,
钻压值： P=∑τ*q
=1.5*90*160=21600kg=21.6t。
式中, ∑τ=1.5R，R为钻头半径90cm。
钻头加配重重量值： Q=7.85P/[a*(7.85-γ)]
=37.0t
式中, Q 为钻头和配重重量(t)
P 为钻头加到孔底的钻压
γ 为泥浆比重(取1.3tf/ cm3)
a 为减压系数,取0.7。
3.3.3 水头控制：为保证孔壁的稳定性，在整个钻孔作业中，护筒内泥浆面一定要保持高出护筒外江水2～3m，由于钻孔作业在潮水涨落较大处施工，为此应取动态法施工工艺，使护筒内外水头差始终不低于2m。现场采用泥浆船内泥浆面定高控制，与护筒内用泥浆管连通。
3.3.4 认真研究钻头的刀具刀型，7#墩采用盘齿刀具与楔齿刀具相结合的形式，有利于破碎较大粒径漂石和块石。
3.3.5 掏渣：对原来的钻头进行改进，进渣管为φ30cm的直管两侧开φ20cm的孔，进渣口布置4把盘齿刀，间隙为20cm，防止粒径大于20cm的卵石进入钻杆内造成堵管。每进尺0.5～1.0m掏渣一次，一般取渣到泥浆内含渣显著减少，相对密度恢复正常为止。
3.3.6 泥浆控制：卵碎石地层泥浆性能指标要求钻孔采用复合泥浆，复合泥浆用粘土、膨润土、Na2OH和CMC调剂，粘土的塑性指数大于15，膨润土为钢质膨润土。泥浆配比为：水1000kg、粘土200kg、膨润土100kg、CMC1.5 kg和Na2OH 1.5kg。泥浆指标要求为：相对密度（比重）1.30~1.45，粘度23~28秒，静切5-7Pa，含沙率＜4%，胶体率＞95%，失水率＜15ml/30min，泥皮≤3mm，PH值8-10。
终孔时泥浆相对密度可以适当降低，但不宜小于1.15，PH值宜控制在8～10；含沙率＜2%；沉渣厚度符合设计与规范要求。
当达不到上述要求时，可在泥浆中掺入碳酸钠（Na2CO3）、氢氧化钠（NaOH）或膨润土粉沫，掺量由实验决定。在泥浆试配阶段，上述指标要全部测定。施工阶段，现场测定相对密度、含沙率、PH值，每小时检测一次，不符合以上标准时及时调整。其余指标视具体情况抽检测定。
3.3.7 气举反循环
掌握气举反循环法泥浆循环量与排渣能力的关系。根据施工平台的高程（+5.5m）、施工水位、钻机钻盘顶的高程，通过公式：q0=γh/23·η·log[（γH +h）/h]计算出提升1m3泥浆需要的压气量（按终孔深度计）。
泥浆循环量Q=900π·Dp2·Vp/（1+q0）
从而得出所需压风机风量大小：Q风=Q·q0/60（m3/min）
式中：
q0：提升1m3泥浆所需的压气量（米3/米3）
γ：泥浆相对密度（比重）（吨/米3）
h：护筒内泥浆面到排浆口的高度（即扬程）（米）
H：护筒内泥浆面到气室的高度（即吸程）（米）
η：压气提升有效系数，由扬程h和吸程H决定。即吸入系数α=H/（H+h）
Q：泥浆循环量（米3/时）
DP：钻杆内径（米）
VP:泥浆、岩屑、空气混合液在水龙头处喷出速度（当扬程h=10米，吸程H=55米，γ=1.25时，VP=8米/秒）（米/秒）
α与η的关系表：
α
0.30
0.40
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.90
η
0.37
0.44
0.50
0.54
0.57
0.59
0.60
0.62
0.63
0.64
3.3.8 钻进中认真研究，记录转速、扭矩及钻进速度三者之间的关系，避免转速太大，对孔壁冲刷过大，造成塌孔、扩孔及对刀具严重磨损现象,以及因为刃口作用于岩石上的时间太短，硬岩石不易破碎，从而影响进尺。
4 施工中遇到的主要问题
虽然在施工中采取了一系列严格的技术措施，并选用CJF-20和KPG-3000型钻机联合钻孔施工，但由于地层中卵石含量太高，粒径超大，层厚超深，在成孔过程中仍无法形成有规则的孔壁，扩孔很大，泥浆无法起到护壁作用。在最初开钻的几个孔中，有三根桩冲击钻钻至-40m或-50m左右坍孔，一根钻至-72.3m坍孔，一根钢筋笼安装完准备清孔时坍孔。大卵石难以破碎而堵钻杆、孔壁坍塌等严重问题不断发生，在成孔过程中每根桩均出现严重漏浆，有的扩孔率达100％以上，成孔效率很低，施工风险很大。
5 注浆施工
为了解决漏浆严重、易坍孔扩孔现象，对该特殊地质问题专门成立技术小组，并请教了一些这方面的资深专家，进行深入细致的研究，最后确定在钻孔前采取对地层进行钻小孔注水泥浆加固措施。
现将注浆施工方法介绍如下：
5.1 注浆孔布置：在钻孔桩中心位置布置一根钻至-70.0至-80.0m高程的注浆孔，另在钢护筒外侧约0.5m处对称布置两根钻至-50.0高程的注浆孔。
5.2 钻小孔钻机的选择：因为注浆孔要穿透含大块石、漂石、易坍孔的高含量卵石地层，必须选择大扭矩、超钻深的大型工程地质钻机，本工程选用钻岩深度可达1000米的JY-1000型的地质钻机进行注浆孔的钻进。
5.3 注浆孔钻孔施工：首先插打内径10cm、壁厚6mm的钢套管至-25m左右，保证钢管垂直度在5‰以内，起钻小孔导向作用以及避免泥水进入钢护筒，利用JY-1000型工程地质钻机配置金刚石钻头和加强钻杆（钻头直径大于钻杆直径5-10cm），在钢管内钻小孔，当钻机扭矩达到最大时，停止钻进，利用钻杆先注浆待水泥浆终凝后再继续钻进，直至达到需要的深度，此时注浆是为防止孔壁坍塌。一般钻至桩底标高-80米需分二次完成，钻孔的全过程均利用注浆机向钻杆内注入江水循环，防止钻头钻进中堵管。
5.4注浆施工：首先选用具有3.0～5.0MPa压力的双液压注浆机和3～5m3/h搅拌量的搅拌机，根据试验配制水泥浆，水灰比为0.6，为方便施工，降低水泥浆注入卵石层的强度，加入适量的膨润土，掺量为水泥的30%，7天强度为10MPa左右，注浆时利用钻杆从下往上注入水泥浆，水泥浆由钻头的出浆口喷出，注浆量一般为2.0～3.0m3/m。
6 注浆后钻孔施工效果
卵石层注入水泥浆后，形成具有一定强度的固结层，在后来的钻孔过程中，克服了漏浆、坍孔现象，卵石破碎比例增大，堵管现象大为减少，扩孔率降低30%左右，剩余的9根桩钻孔顺利，成桩质量较好。
7 结束语
本桥采用冲击钻和旋转钻机联合成孔，钻孔前先进行注浆施工，对于超深厚、大粒径、高含量卵石地层钻孔施工是一种探索，取得了较好效果，希望对该类地层的钻孔施工提供参考。
参考文献：1、灵江特大桥设计、施工及地质资料
2、《公路桥涵施工技术规范》
3、《钻孔桩施工》（QB MBEC1001-2004）
