旋挖钻机和冲击钻机成孔技术在嵌岩桩中的应用

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【摘要】旋挖钻机与冲击钻机联合成孔，不仅汲取了两种设备各自的优点，同时弥补了单独使用旋挖钻机和冲击钻机的缺点和不足，大大提高了施工效率，为工程节约了成本，缩短了桩基施工工期，取得了明显的经济和社会效益。

【关键字】旋挖钻机；冲击钻机；嵌岩桩；应用

前言

随着建筑科学发展，高层建筑逐渐成为房建的发展方向，同时大口径嵌岩桩也成为高层建筑的首选基础。如何确保大口径嵌岩桩工程的质量和进度并控制成本，已成为大口径嵌岩桩施工必须重视的问题。本文通过工程实践验证了旋挖钻机和冲击钻机组合工艺在大口径嵌岩桩施工中的优点。不但保证了成桩质量，而且保证了施工工期，同时为以后同类型地质条件的桩基施工提供了宝贵经验。

1 工程概况

1.1工程地质条件

某跨运河斜拉桥设有两个主墩，每个主墩均采用16颗1.5m灌注桩，设计桩底标高为65.6～71.3m，桩顶标高均为0m，主墩位置处于运河河堤上，采用单排钢板桩填土围堰施工，河床标高约1m，河堤标高+5m，常水位约+2m。覆盖层厚度超过60m，主要为杂填土层、粉质粘土层、粉砂层、粘土层、粉土层、残积土层，其中粉砂层厚度5～10m。岩层主要分为两层，第一层为黄色弱风化灰岩层，厚度为2～9m，第二层为青灰色微风化灰岩层，在此之间局部范围存在弱风化淡黄色泥质粉砂岩夹粉红色粉砂岩，厚度为4～5m。岩溶不良地质主要出现在黄色弱风化岩和青灰色微风化灰岩层之间，具体表现为⑩T层灰岩裂隙溶洞，由裂隙溶蚀成洞，深度0.1m～1m不等，半充填，充填物为粘性土，呈硬塑状，分布不均（根据地质剖面图该层从口58.25开始到口64.10范围都存在大小不等的分布）。

1.2桩基设计要求

主墩桩基设计为嵌岩桩，需穿过覆盖层及岩溶地层，每颗桩均需进行超前钻，以确保桩尖嵌入青灰色微风化灰岩层不少于1.5m，桩尖下完整岩层不少于5m。

2 成孔施工工艺的选择

2.1由于地质条件复杂，勘查资料不可能完整、详细地反映每一颗桩基位置的地质情况，尤其是溶洞的发育和分布情况，超前钻是解决此问题最直接、有效的方法“一孔一钻探”必须予以保证，必要时还要考虑加密超前钻施工，其目的是掌握每一根桩基全长剖面范围内地质分布情况，尤其是易塌孔粉砂层标高、岩层标高和溶洞大小、位置情况，为正式钻孔施工做好基础资料的准备。

2.2主墩桩基施工作为工期控制的关键节点，对整个施工工期目标的实现影响重大。单一采用冲击钻机成孔，虽然桩基的施工质量可以得到保证，但，显然施工工期是不能让人接受的：单一采用旋转钻机成孔，虽然施工进度较单一冲击钻机成孔施工加快很多，但，该方法不能有效解决岩溶问题，势必给工程施工留下隐患。取长补短，结合使用旋挖机和冲击钻机成孔成为最佳选择，以本文所举桥梁主墩桩基为例，开孔后使用GPS 20旋转钻机配备三翼钻头进行覆盖层钻孔施工，以缩短成孔周期，在岩层钻进时及时换用10t双筒冲击钻机配备十字钻头钻进并穿过岩溶地质，使用冲击钻机钻进作为突破岩溶地质情况的核心保证措施。

3 施工技术难点

3.1由于岩溶地区水平溶洞、溶沟和溶槽众多，不仅墩内孔间相连，而且两墩之间也有可能贯通。到底先开哪个孔，需在详细的超前钻探资料基础上，审慎选择。

3.2覆盖层中存在坍孔风险较大的两个不良地质层，即5～8m的软塑状透水层和5～lOm的砂层，且溶洞形状复杂，洞内填充物多为软塑或松散物等，在钻孔施工中容易造成卡钻、泥浆流失、护壁困难等问题，造成成孔失败。

3.3由于靠近河边进行桩基施工，存在河床底漏浆的可能，如何进行护筒的埋设，且考虑砂层、岩溶段处理可能需要埋设深护筒，对外护筒的几何尺寸作怎样的控制，也必须予以充分的考虑。

3.4由于是采用两种不同的钻机进行成孔施工，涉及不同钻头的更换，钻头尺寸如何进行控制，也是本施工方案考虑的重点和难点。

3.5基岩岩面不可避免地会存在起伏变化，使桩孔穿越覆盖层进入基岩时，容易发生桩孔偏斜、垂直度超出规范要求的质量事故。

3.6溶洞顶板灰岩较薄，冲击成孔时，顶板突然冲穿后，容易造成冲击钻头脱落孔内事故。

3.7不管是旋挖钻施工还是冲击钻施工，在成孔钻进和清孔过程中，泥浆指标控制的成功与否，决定了桩基成孔的成败，因此，必须注重泥浆指标和性能的控制。

4 成孔技术措施

4.1泥浆循环系统设置

泥浆池的设置需根据桩位合理设置，为保证翻浆清渣效果，在场地条件允许的情况下，宜设置较长的泥浆槽（起到将泥浆流速放缓的作用），沉淀池和翻浆池分开，并在两池之间设置细滤网含钻渣泥浆在流经泥浆槽后，进入沉淀池沉淀，经细滤网过滤后的泥浆流进翻浆池，后经泥浆泵返入孔底。这样孔底泥浆得到不断更新，使得钻渣及时随泥浆翻出孔外，尤其在冲击钻施工阶段，钻头在孔底始终冲击新鲜岩层，砸孔进尺的速度得到有效保证，亦有利于成孔后清孔快速有效达标。

4.2慎重选择孔位，认真埋设护筒依据超前钻采集的资料，一般先开溶洞较小或孤立不连的孔，再开溶沟、溶槽走向下端的孔待成孔后就可减少或者堵住其它地下水活动的通道，免于泥浆和砼的流失。钻孔顺序：上下游对称，并考虑孔与孔之间的相互影响。在埋设护筒时要注意护筒深埋到河床面以下，考虑到以后下深护筒的可能，外层护简直径要大于孔口护筒。

4.3覆盖层成孔施工

在该层次中成孔，主要以旋挖钻成孔为主，具体施工过程中应注意：

4.3.1以桩的中心拉好十字线，打好护桩，以便随时检查桩位的偏差，

4.3.2护筒的长度4米为宜，下好护筒后，周围填土用钻杆下端捣实，防止泥浆跑、冒。

4.3.3施工时及时补充泥浆，钻出的渣土及时清运。

4.3.4挖至岩层困难时，即退出，换至冲击钻施工。

4.4冲击钻机岩层成孔施工

4.4.1做好溶洞处理的技术和材料准备，由于厚覆盖溶洞的发育规模一般不会较大，因此常规处理措施一般为：分层抛填片石和粘土，及时补充泥浆，必要时投入整袋的水泥，使泥浆稠度迅速增加，确保孔内泥浆的高度满足成孔需要。

4.4.2起落钻头速度要均匀，不得过猛或骤然变速，以免碰撞孔壁或因提速过快而造成负压引起坍孔。在钻进过程中，必须勤松绳，每次少松绳，防止打空锤。勤清碴，使钻头冲击新鲜地层。

4.4.3对于溶洞钻进，接近顶板0.3～0.5m时应控制冲程在1.0m以内。击穿溶洞顶板后在空洞内钻进，在反复分层面回填粘土坯和石块后以小冲程反复冲砸，确保完全再次进入岩层为止，之后方可正常冲程钻进。

4.4.4在换用钻头时，对钻头尺寸必须严格控制，换用冲击钻机时冲击钻头尺寸的控制，应考虑以下岩层范围内钻进（包括溶洞）对钻头必要的磨损，根据实际使用的效果来看，冲击钻头一般选用3.5～5.9t，底部带球弧面十字形铸钢实体钻头为宜，钻头直径宜较设计孔径小2～3cm。在此钻进过程中严禁中途为保证成孔直径在中途修钻时随意加大冲击钻头直径，以避免在钻头加大后下钻时发生卡钻事故。

4.5冲击钻机成孔事故防止和处理措施

4.5.1掉钻

（1）防止掉钻的措施

在钻孔过程中，要经常检查钻具、钢丝绳、钻头直径等磨损程度，如发现超限应及时更换。要确保钨金套与钻头联接质量，防止钢丝绳拔出钻头掉入孔内。

（2）掉钻事故处理

随时准备好打捞锚钩，一旦掉钻要及时打捞。如用锚钩打捞有困难时，设法检查情况，采取相应措施，排除故障，提出钻头。

4.5.2卡钻

（1）防止卡钻的措施根据经验，在以下情况下可能产生卡钻：钻头冲砸到接近溶洞顶板时，一锤击穿顶板而卡住钻头：钻头穿过流塑性溶洞进入岩层时：冲孔孔底出现十字槽时，对以上情况下的深度要严格掌握，严格按照前述技术措施进行施工。

（2）卡钻事故处理

如发生卡钻要防止强提、强扭和操作不当使钢丝绳疲劳断裂掉钻。发生卡钻时，要首先查明情况，查明卡钻原因后，采取相应的措施。一般处理方法有：采取晃动大绳使钻头松动后再提起：利用千斤顶顶拔等办法。

4.5.3斜孔、变孔、坍孔

（1）防止斜孔、变孔的措施在斜面开孔或通过溶洞时，应根据超前钻探资料严格掌握斜面、岩溶的标高，及时抛投粘土坯及片石，不使钻头沿软的底部往下滑，避免造成斜孔、变孔。

（2）防止坍孔的措施由于覆盖层和溶洞、溶沟之间互相串通，在河水或地下水作用下产生动压力，以致溶洞内钻孔所形成的人工造壁坍塌，另一方面起落钻头要平稳，防止碰撞孔壁引起坍孔。因此，要注重护壁处理工作，经常观测泥浆性能指标，随时注意掌握孔内外水位变化，清孔时及时补水，使孔内水位经常保持高出河水位1.5m以上。

（3）斜孔、变孔、坍孔的处理措施若经观察检查发现斜孔、变孔、坍孔现象，唯一的处理办法即分层回填片石和粘土至斜孔、变孔、坍孔处，重新钻进。5结束语

复杂地质条件下嵌岩桩成孔施工不可预见因素多，选择合理的成孔工艺，制定详细的施工技术措施十分必要，文中案例采用了结合使用旋转钻和冲击钻工艺，并对施工过程中可能出现的施工难点做了十分详细、科学的技术准备，使得桩基不但在计划工期时间内顺利完成，而且经检测，全部32根嵌岩桩均为I类桩，圆满实现了建设目标。