大粒徑和高含量卵碎石地層鉆孔施工
2009-09-28
摘要：橋梁等鉆孔樁基礎遇到地質特征為超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地層時，鉆孔過程中極易造成坍孔、擴孔，采用一系列嚴格的施工工藝，選擇合適的鉆機類型、成孔方法，提前對地層進行注漿加固處理等措施，可使坍孔、擴孔大大減少，成孔率提高。
關鍵詞：卵碎石地層 鉆孔施工 坍孔 擴孔 注漿
現以浙江臨海靈江特大橋主橋7＃墩鉆孔樁施工為例，來介紹大粒徑和高含量卵碎石超厚地層的鉆孔施工。
1 工程概況
靈江大橋全長1687.02米，跨越臨前公路、靈江和104國道。橋梁分左右幅，其主墩7#墩共14根鉆孔樁,設計樁徑為1.8米，為摩擦樁，設計樁底標高為-80.0米，樁頂標高為1.8米。
2 水文、地質特征
2.1 水文：靈江特大橋橋址水文特征既受逕流作用，也受潮流影響，靈江潮汐為不規(guī)則半日潮，漲潮流速1.3～2.0m/s，落潮流速1.2～1.5 m/s，漲潮歷時4.5h, 落潮歷時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 地質：7#墩上部土層主要為淤泥質土，下部以卵、碎石土為主，含漂石或塊石，底部為風化凝灰?guī)r，基巖面標高達-91.1m。河床面至-13.40m為粉砂，-13.40m至-28.20m為淤泥質粘土，-28.20m至-87.00m為含卵碎石50～80%的卵碎石層，部分卵石粒徑大于30cm。由地質資料和起初鉆孔施工情況，確定該墩位處的地質特征屬超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地層，鉆孔過程中極易造成坍孔。
3 鉆孔施工
3.1 鉆機選型：根據已有經驗，采用沖擊法鉆孔，對于卵碎石土層其成孔深度一般在70米以內，采用氣舉反循環(huán)回轉鉆機鉆孔時其深度可達120米，但其土層的卵石粒徑小于鉆桿內徑的2/3或含少于20%的卵碎石土。7#墩地質條件指標均超出上述范圍，目前國內還沒有針對該類地質情況的鉆孔設備。為了保證在超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地質條件下超長鉆孔樁的施工質量，我單位采用以旋轉鉆機（KPG-3000型）為主，沖擊反循環(huán)鉆機（CJF-20型）為輔的聯合成孔的施工方案，CJF-20型沖擊反循環(huán)鉆機破碎大直徑卵碎石，其鉆進高程宜控制在-50.00m以內，主要考慮到含漂石、塊石、卵碎石地層中鉆孔易卡鉆、掉鉆、塌孔埋鉆頭等，發(fā)生此類事故處理較復雜，并且耽誤工期，因此控制沖擊鉆沖擊深度。待鉆進高程達-50.00m左右時，改用KPG-3000型旋轉鉆機，進行氣舉反循環(huán)鉆孔，對于解決深層鉆孔比較有利。
3.2 護筒埋設：為固定樁位，導向鉆頭，隔離地面水，保護孔口地面及提高孔內水頭，增加對孔壁的靜壓力，以利鉆孔護壁防坍塌，于鉆孔前埋設護筒。護筒的埋置深度以嵌入穩(wěn)定土層，鉆孔時護筒口不坍塌為原則。根據現場地質條件及規(guī)范要求確定7#墩護筒底標高-29.2m。壁厚按施工中震動打樁機插打時受力的需要確定，因采用中-160震動打樁機，擬采用直徑Ф2500mm，臂厚δ=16mm的鋼護筒。為保證護筒的垂直度，插打之前先在平臺頂面和底面分別焊一層導向架，插打過程中嚴格控制垂直度，要求垂直度%26lt;1%。
3.3 鉆孔施工：
3.3.1 CJF-20型沖擊鉆機開孔：沖擊鉆開孔時，向護筒內倒入小片石夾粘土混合物（比值約1：1），用沖擊錐以小沖程反復沖擊造漿，泥漿指標達到要求后開始沖擊進尺；當沖擊鉆進到護筒底口時，仍需向泥漿中投入小片石，以小沖程高頻率反復沖擊，其目的是使泥膏、小片石擠入孔壁，使護筒至卵碎石層之間形成圓順、堅實的過渡段；進入卵碎石層后，加入大比重（γ=1.3）、高質量泥漿和少量水泥，采用重錘導向沖擊法鉆孔，使卵碎石層形成堅硬的孔壁，防止塌孔，直至鉆到高程-50.00m左右。
3.3.2 KPG-3000型反循環(huán)鉆機鉆進：旋轉鉆機的鉆頭直徑宜比沖擊鉆機的鉆頭直徑小2～5cm，以形成上大下小的孔徑過渡。因土層軟硬不均，鉆頭跳動、鉆頭擺動加大和鉆頭偏斜等現象，易使鉆機因超負荷而損壞，鉆進時采用優(yōu)質泥漿、重錘導向減壓鉆進法，可減少斜孔、彎孔和擴孔現象，保證鉆孔垂直度，保證成孔質量。采用減壓鉆進法，應隨時掌握鉆具（鉆桿、配重塊等）的重量，使鉆桿始終在受拉狀態(tài)下進行工作。
鉆壓選定:根據本橋基巖種類和單軸極限強度的不同,鉆頭刃口線壓強選為q=160/220kgf/cm2,
鉆壓值： P=∑τ*q
=1.5*90*160=21600kg=21.6t。
式中, ∑τ=1.5R，R為鉆頭半徑90cm。
鉆頭加配重重量值： Q=7.85P/[a*(7.85-γ)]
=37.0t
式中, Q 為鉆頭和配重重量(t)
P 為鉆頭加到孔底的鉆壓
γ 為泥漿比重(取1.3tf/ cm3)
a 為減壓系數,取0.7。
3.3.3 水頭控制：為保證孔壁的穩(wěn)定性，在整個鉆孔作業(yè)中，護筒內泥漿面一定要保持高出護筒外江水2～3m，由于鉆孔作業(yè)在潮水漲落較大處施工，為此應取動態(tài)法施工工藝，使護筒內外水頭差始終不低于2m?，F場采用泥漿船內泥漿面定高控制，與護筒內用泥漿管連通。
3.3.4 認真研究鉆頭的刀具刀型，7#墩采用盤齒刀具與楔齒刀具相結合的形式，有利于破碎較大粒徑漂石和塊石。
3.3.5 掏渣：對原來的鉆頭進行改進，進渣管為φ30cm的直管兩側開φ20cm的孔，進渣口布置4把盤齒刀，間隙為20cm，防止粒徑大于20cm的卵石進入鉆桿內造成堵管。每進尺0.5～1.0m掏渣一次，一般取渣到泥漿內含渣顯著減少，相對密度恢復正常為止。
3.3.6 泥漿控制：卵碎石地層泥漿性能指標要求鉆孔采用復合泥漿，復合泥漿用粘土、膨潤土、Na2OH和CMC調劑，粘土的塑性指數大于15，膨潤土為鋼質膨潤土。泥漿配比為：水1000kg、粘土200kg、膨潤土100kg、CMC1.5 kg和Na2OH 1.5kg。泥漿指標要求為：相對密度（比重）1.30~1.45，粘度23~28秒，靜切5-7Pa，含沙率＜4%，膠體率＞95%，失水率＜15ml/30min，泥皮≤3mm，PH值8-10。
終孔時泥漿相對密度可以適當降低，但不宜小于1.15，PH值宜控制在8～10；含沙率＜2%；沉渣厚度符合設計與規(guī)范要求。
當達不到上述要求時，可在泥漿中摻入碳酸鈉（Na2CO3）、氫氧化鈉（NaOH）或膨潤土粉沫，摻量由實驗決定。在泥漿試配階段，上述指標要全部測定。施工階段，現場測定相對密度、含沙率、PH值，每小時檢測一次，不符合以上標準時及時調整。其余指標視具體情況抽檢測定。
3.3.7 氣舉反循環(huán)
掌握氣舉反循環(huán)法泥漿循環(huán)量與排渣能力的關系。根據施工平臺的高程（+5.5m）、施工水位、鉆機鉆盤頂的高程，通過公式：q0=γh/23·η·log[（γH +h）/h]計算出提升1m3泥漿需要的壓氣量（按終孔深度計）。
泥漿循環(huán)量Q=900π·Dp2·Vp/（1+q0）
從而得出所需壓風機風量大?。篞風=Q·q0/60（m3/min）
式中：
q0：提升1m3泥漿所需的壓氣量（米3/米3）
γ：泥漿相對密度（比重）（噸/米3）
h：護筒內泥漿面到排漿口的高度（即揚程）（米）
H：護筒內泥漿面到氣室的高度（即吸程）（米）
η：壓氣提升有效系數，由揚程h和吸程H決定。即吸入系數α=H/（H+h）
Q：泥漿循環(huán)量（米3/時）
DP：鉆桿內徑（米）
VP:泥漿、巖屑、空氣混合液在水龍頭處噴出速度（當揚程h=10米，吸程H=55米，γ=1.25時，VP=8米/秒）（米/秒）
α與η的關系表：
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 鉆進中認真研究，記錄轉速、扭矩及鉆進速度三者之間的關系，避免轉速太大，對孔壁沖刷過大，造成塌孔、擴孔及對刀具嚴重磨損現象,以及因為刃口作用于巖石上的時間太短，硬巖石不易破碎，從而影響進尺。
4 施工中遇到的主要問題
雖然在施工中采取了一系列嚴格的技術措施，并選用CJF-20和KPG-3000型鉆機聯合鉆孔施工，但由于地層中卵石含量太高，粒徑超大，層厚超深，在成孔過程中仍無法形成有規(guī)則的孔壁，擴孔很大，泥漿無法起到護壁作用。在最初開鉆的幾個孔中，有三根樁沖擊鉆鉆至-40m或-50m左右坍孔，一根鉆至-72.3m坍孔，一根鋼筋籠安裝完準備清孔時坍孔。大卵石難以破碎而堵鉆桿、孔壁坍塌等嚴重問題不斷發(fā)生，在成孔過程中每根樁均出現嚴重漏漿，有的擴孔率達100％以上，成孔效率很低，施工風險很大。
5 注漿施工
為了解決漏漿嚴重、易坍孔擴孔現象，對該特殊地質問題專門成立技術小組，并請教了一些這方面的資深專家，進行深入細致的研究，最后確定在鉆孔前采取對地層進行鉆小孔注水泥漿加固措施。
現將注漿施工方法介紹如下：
5.1 注漿孔布置：在鉆孔樁中心位置布置一根鉆至-70.0至-80.0m高程的注漿孔，另在鋼護筒外側約0.5m處對稱布置兩根鉆至-50.0高程的注漿孔。
5.2 鉆小孔鉆機的選擇：因為注漿孔要穿透含大塊石、漂石、易坍孔的高含量卵石地層，必須選擇大扭矩、超鉆深的大型工程地質鉆機，本工程選用鉆巖深度可達1000米的JY-1000型的地質鉆機進行注漿孔的鉆進。
5.3 注漿孔鉆孔施工：首先插打內徑10cm、壁厚6mm的鋼套管至-25m左右，保證鋼管垂直度在5‰以內，起鉆小孔導向作用以及避免泥水進入鋼護筒，利用JY-1000型工程地質鉆機配置金剛石鉆頭和加強鉆桿（鉆頭直徑大于鉆桿直徑5-10cm），在鋼管內鉆小孔，當鉆機扭矩達到最大時，停止鉆進，利用鉆桿先注漿待水泥漿終凝后再繼續(xù)鉆進，直至達到需要的深度，此時注漿是為防止孔壁坍塌。一般鉆至樁底標高-80米需分二次完成，鉆孔的全過程均利用注漿機向鉆桿內注入江水循環(huán)，防止鉆頭鉆進中堵管。
5.4注漿施工：首先選用具有3.0～5.0MPa壓力的雙液壓注漿機和3～5m3/h攪拌量的攪拌機，根據試驗配制水泥漿，水灰比為0.6，為方便施工，降低水泥漿注入卵石層的強度，加入適量的膨潤土，摻量為水泥的30%，7天強度為10MPa左右，注漿時利用鉆桿從下往上注入水泥漿，水泥漿由鉆頭的出漿口噴出，注漿量一般為2.0～3.0m3/m。
6 注漿后鉆孔施工效果
卵石層注入水泥漿后，形成具有一定強度的固結層，在后來的鉆孔過程中，克服了漏漿、坍孔現象，卵石破碎比例增大，堵管現象大為減少，擴孔率降低30%左右，剩余的9根樁鉆孔順利，成樁質量較好。
7 結束語
本橋采用沖擊鉆和旋轉鉆機聯合成孔，鉆孔前先進行注漿施工，對于超深厚、大粒徑、高含量卵石地層鉆孔施工是一種探索，取得了較好效果，希望對該類地層的鉆孔施工提供參考。
參考文獻：1、靈江特大橋設計、施工及地質資料
2、《公路橋涵施工技術規(guī)范》
3、《鉆孔樁施工》（QB MBEC1001-2004）
