旋挖钻进工艺在海相沉积地层中的应用

李方震

（北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

旋挖钻进工艺在海相沉积地层中的应用

李方震

（北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

以潮州电厂基础桩施工为例，对其钻孔设备的特点和施工工艺作了介绍，阐述了旋挖钻机在海相沉积地层中施工灌注桩的工艺方法及其质量控制措施。

钻孔灌注桩；旋挖钻进；海相沉积

1 工程概况

工程位于广东省汕头市柘林镇郊外，距海边仅有200～300m远，桩基布置属于满堂红布桩，桩径大致分为600mm、800mm、1000mm、1200mm四种，桩长40～50m不等，桩体上部处在流塑性地层中，桩体下部持力层处在中风化花岗岩中，要求进入该层2m，本工程采取单桩一承台或多桩一承台形式。基础桩属于钻孔灌注桩，采用旋挖钻进工艺成孔。

2 工程地质水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据岩土工程勘查报告，场地土大部分为海相沉积，按从上到下的顺序，各层土特性如下：

①层：中砂，灰黄色，成分主要为石英，级配良，分选性差，呈饱和密实状态，局部呈松散状态，属海相沉积成因；

②层：淤泥，深灰色，含有机质，土质细腻，有异味，混有少量贝壳，呈很湿、流塑状态，属海相沉积成因；

③层：粘土，深灰色，土质细腻，质纯，含有少量有机质，干强度高，韧性高，呈湿、可塑状态，属海相沉积成因；

④层：中砂，浅灰、黄色，成分主要为石英，级配良，分选性差，含少量粘性土，局部含多量粘性土，呈饱和密实状态，局部呈中密状态，属海相沉积成因；

⑤层：粉质粘土，黄白、灰白、灰黄等色，干强度高，韧性高，含多量石英砂，局部夹中、粗砂薄层，呈湿、硬塑状态，部分呈坚硬状态，属海相成因；

⑥层：砂质粘性土，棕红、褐黄、灰白等色，含有多量石英砂、角砾，局部夹全风化岩块，呈湿、硬塑—坚硬状态，由花岗风化形成，残积成因；

⑦-1层：全风化花岗岩，灰白、棕红、褐黄等色，长石和黑云母全风化为粘土矿物，岩心呈土状，岩质软弱，遇水易软化，局部夹残积土；

⑦-2层：强风化花岗岩，浅黄、灰、褐黄色，长石和云母多已风化成为次生物，岩心多呈土状，岩质软弱，遇水易崩解；

⑦-3：中等风化花岗岩，灰、灰白、浅黄等色，中细粒花岗结构，块状构造，矿物主要成分为石英、长石和少量黑云母，部分长石和黑云母已风化为次生矿物，部分岩心呈半岩半土状、岩块，含量50%。

2.2 水文地质条件

本工程所在区域属中亚热带季风气候，四季分明，气候温和，湿度大，雨量充沛，场区位于海边，淡水较缺，地下水位在自然地表以下2.5m左右，且水量相对较大，受海水潮汐影响，地下水对混凝土有腐蚀作用，桩基混凝土须进行防腐处理。

3 旋挖钻进中遇到的难题

本次工程所用的旋挖钻机有德国宝峨BG钻机，意大利土力钻机，由于以前在海相沉积地层曾经施工过，所以在这种地层中施工还是有一定的经验，但经过前期施工，发现成孔过程中还是存在一些与以往不同的难题：

（1）桩体上部所处地层属于流塑性质的地层，并且地下水位较高，成孔十分困难，几乎无法成孔。

（2）在成桩过程中，易出现孔壁坍塌，发生埋钻事故。

（3）钻进粘土层时，粘性土在钻斗内易卡堵，钻斗出甩土困难。

（4）钻进较硬的粘土层、中等风化花岗岩地层时，钻进效率很低。

（5）旋挖钻进成孔后，孔底沉渣较厚，许多孔沉渣厚度>6cm，清孔难度较大。

4 解决难题的对策

4.1 解决成孔困难的问题

为了保证旋挖钻机顺利成孔，主要采取加长孔口护筒长度的方法，使护筒能够顺利穿过流塑性地层，护筒的下沿要一直下到相对稳定的粘性土上。采用护筒直径大于桩径5cm，长度延伸至地表以下9～11m，护筒采用伸缩式即加工各种长度不等的护筒，在钻机的动力头上安装与护筒外径相匹配的护筒驱动器，并在驱动器下端的圆周上每120度开一个长8 cm、高10 cm的豁口，这三个豁口与每个护筒上沿事先焊接好的三个突起相匹配，起到使驱动器和护筒稳定对接的作用，在对接后就确保了事先在驱动器下端和护筒上端各开出的6个螺栓母扣保持完全重和，这样再用螺栓公扣进行连接加固，使驱动器和护筒成为一个完整的连接体。开钻时，先用螺旋钻头对准孔位，钻深3m左右，用钻机的动力头下入连接好的护筒，通过动力头的回转和加压，该节护筒顺利下入土体内，当护筒上端距地面1～1.2m时，动力头停止回转和加压，人工卸掉螺栓公扣，移开钻机，用同样的办法连接第二节护筒，所不同的是，第二节护筒的下端采取同样的连接方式与上一节连接，这样就使下入地下的两节护筒连接成一个整体，在连接过程中，包括下入第一节护筒时，都要用水平尺对护筒的垂直度进行测量，期间的误差通过动力头来进行调节，若不能保证护筒的垂直度，就会使整个桩体发生倾斜，不但会造成随着深度的增加钻机无法成桩，还会使钢筋笼无法下入。动力头在驱动回转、下压两节护筒的过程中，由于地层的侧摩阻力较大，使护筒很难一次性下到稳定的粘土地层位置，若不到位，会使护筒下端不稳定的流塑性土体随着地下水一起涌入到桩体内，造成坍塌。这时可用螺旋钻头在护筒内掏土，再用旋挖钻机动力头驱动回转、下压直至使护筒下入到上沿与地表保持20cm左右的高度，这样便于泥浆管及时补充孔内泥浆，维持孔内压力平衡。值得注意的是，在这一过程中，对于宝峨钻机切勿用旋挖钻机伸缩钻杆冲击护筒边，将护筒沉入，如果这样极易造成钻杆下端的方头和弹簧损伤或损坏。成桩完毕后，通过动力头的反转提升，分节拔出护筒。

4.2 旋挖钻斗结构的优化改进

为了解决旋挖钻机成孔后孔底沉渣较厚、旋挖钻斗出甩土困难、成孔速度较慢等问题，经过前期的施工摸索，对旋挖钻斗进行优化改进。

（1）解决钻进出甩土困难

钻斗出甩土困难，好象与土的粘性和可塑性等土的性质有关，实际上在本次工程施工中，各钻机（无论是德国宝峨钻机还是意大利土力钻机）所配置的均为自动内锁互扣“铠”式钻杆、斗齿刃前角均为45°的双开门旋挖钻斗，这种“铠”式钻杆的内外钻杆通过齿条互相啮合，使内外钻杆形成一个有机的整体，动力头传递到钻具上的扭矩和压力比较大，而现场工程施工的桩径为800mm、1000mm两种，桩径较小，那么这么大的扭矩和压力平均到单位钻齿上所获得的压力就比较大，这样就造成钻头切削齿吃土过深，使进入钻斗内的粘土有一定的挤压密实作用，因此在钻斗提出护筒口后，出现了甩土困难。通过以上的分析比较，为解决该问题，我们将所有钻斗切削齿的刃前角均改为30°，钻斗进土和孔外出土均比较容易。

（2）提高钻进效率，解决在较硬粘土层和中风化花岗岩地层进尺困难的问题

本工程中，进尺慢甚至不进尺的地层发生在桩端持力层，也就是中风化的花岗岩地层。这样我们根据该地层的特点进行了钻头的结构设计。

旋挖钻进工艺是一种无循环钻进，该工艺破碎岩石的机理为纯切削回转钻进，而一般我们使用的旋挖斗和短螺旋钻头比普通回转钻进工艺中广泛使用的牙轮钻头和滚刀钻头适应的地层要软，通常情况下岩石抗压强度为20~30 MPa 时就成为中硬岩石，而40~60 MPa 称为硬岩石，再高成为坚硬岩石。本工程的嵌固地层就属于中硬岩石层，这种中硬地层是旋挖钻进工艺比较难“啃”的一种地层，由于岩石比较坚硬致密，钻进时常出现打滑不进尺现象，尤其是遇到地层倾角较大的易斜地层，钻头往往会出现顺层溜，打出的钻孔孔斜严重，处理不好整个钻孔就会报废。那么在这种中硬地层中钻进可根据岩石的可钻性来选择对钻头的改进措施，这种措施的选择通常要考虑成本和经济效益以及现场的可操作性，所有这些选择都要根据施工企业的实际情况以及他们对这种改进措施的认识程度来定。

选择一、在将钻头切削刃前角改为30°的基础上，根据地层不同，使用切削刃不同的钻头。对于砂层、淤泥层、软弱粘土层，钻头的切削刃均采用废旧的汽车减震弹簧钢板焊接，并将其气割得比较锋利，便于钻进切割土体；对于硬度较大的砂性粘土层，全风化、中风化花岗岩地层，钻头的切削刃前角仍为30°，钻头一侧的切削刃改为排列较密的头齿，另一侧切削刃仍为汽车弹簧钢板，便于破碎、切割土体；钻进终孔前，进入中风化花岗岩地层，钻进比较困难，立即更换钻头，先选用截齿锥形螺旋钻头钻进，破碎、松动地层，再用改进后的旋挖钻头捞取碎岩。通过上述的钻头改进，结合锥形螺旋钻头的使用，提高了钻进速度，且钻头的切削刃不易折断。

选择二、选择焊有子弹头截齿的双头单螺或双头双螺锥螺钻头，螺旋钻头的锥度一般为180°~360°，岩石硬度越高锥度设计越大，较大的旋锥其中心锥较尖锐，可起先行掏槽作用，有利于锥入岩石，并且导向性较好，当岩石抗压强度达到30 MPa 左右时，应配合焊有子弹头的截齿的筒式环状钻头钻进，先下入筒式钻头就可将岩心带出；对于非常完整的岩石，筒式钻头一般不能直接将岩心带出，需要将提出后再下入锥螺钻头将岩心击碎并将岩渣带出。

为了解决在较硬粘土层和中风化花岗岩地层进尺困难的问题，无论在钻头上采取上述哪种改进措施，在其施工工艺上都是相通的。在这种中风化花岗岩中钻进，旋挖钻机的转速不宜太高，但必须适当加压，所以钻杆最好为机锁试钻杆，此种钻杆有加压点，压力可以直接传至钻头实现有效碎岩，而磨阻式钻杆依靠摩擦面加压容易打滑，尤其是孔深时钻杆处于悬吊状态，根本无法加压，而此时经常是正处在设计桩体的持力层处，本工程正好是较硬的中风化花岗岩地层，所以钻头钻进效率很低。

在用牙轮筒式钻头钻进时，为了能成功的取出岩石心，在钻满钻筒后，往往需要再多进尺十几厘米，以求将筒内的岩心能挤死，而使岩心随着钻头一起提出孔外。对于易斜地层，或钻头在孔内发生打滑不进尺等现象，那么钻头在刚刚下入孔内时应轻压慢转，逐渐加压，待钻头吃入岩石后再进行正常钻进，这样可以最大限度的减小孔斜，提高钻进效率。

（3）减少孔底沉渣，解决在成桩过程中，出现孔壁坍塌、埋钻等问题

为解决上述问题，不但需要考虑护筒是否完全顺利的穿过流塑性地层到达相对稳定的粘土层，这是一个最基本的前提；还要对钻头进行改进；与此同时对泥浆的性能也提出了更高的要求。这三个问题处理好了，那么上述问题也就迎刃而解。考虑到本工程地层的实际情况，经过仔细分析，我们将所有钻头切削齿的刃前角均改为30°的基础上，又做了小小的优化改进。

在桩体的上部，也就是淤泥层、软弱粘土层、砂层、相对比较稳定的粘土层，钻头切削刃外径大于扩径区1cm，这样就不会使钻头扩径区二次扰动孔壁，以减少孔底沉渣，尽量保持孔壁稳定，但是钻头切削刃外径也不宜太大，避免灌注混凝土量的超方。在粘性土层和较硬砂性粘土层以及全风化、中风化花岗岩地层，扩径区的外径应该大于钻头切削刃外径1cm左右，目的是能够进行二次扩孔，防止在钻进过程中孔壁形成螺旋状而失稳变形甚至发生坍塌，使钢筋笼不能顺利下入到位，但是使用这种钻头钻进，一定要做到增加单位时间的回次量，每个回次的进尺要控制好，不要进尺过多而发生卡钻事故。

通过以上对钻头的优化改进，那么在施工过程中根据不同地层的特征来使用参数不同的旋挖钻头，旋挖钻机成孔后，孔底沉渣在规范范围内，保证了成孔

P634.5 文献标示码：B