新建铁路岩溶地区预钻成孔施工技术

李 斌，午向阳，罗 卿，赵 靓，朱浩波

(1.中国水电四局有限公司，西宁 810006;2.中国水电集团，北京 100048)

目前铁路工程中钻孔桩施工一般采用旋挖钻、正反循环钻、冲击钻等方法成孔，在地层较硬的情况下多采用冲击钻成孔。冲击钻作为克服硬岩的重要方法，也有其局限性，该施工方法只有在地基承载力 <1 000 kPa时，施工效率才较为理想;当地基承载力 >1 000 kPa时，成孔的效率则大幅度降低，且随着岩石强度的提高，施工效率随之下降，特别是在岩溶发育的情况下，除了岩质较硬的问题外，由于斜岩面的大量存在，往往是造成钻孔偏斜、卡钻甚至掉钻，对钻孔桩施工的工效、成本和安全均有不利影响。

某新建铁路大汶河特大桥线路经过鲁中南低山丘陵及丘间平原，约70%为钻孔群桩基础。钻孔桩基范围内的地层为黏土、粉质黏土、泥岩、页岩、石灰岩，部分桩基底部为花岗岩，地基承载力达到1 500 kPa，岩层倾角15°～45°;石灰岩中溶洞、裂隙发育，72%的钻孔桩基地层存在溶洞。在复杂的地质条件下，采用传统的钻孔桩施工工艺施工效率低下，其中1根桩基施工周期达到16个月，部分墩台的施工工期无法保证。本文根据硬质斜岩特点，提出了预钻法施工思路，研究了预钻法施工工艺和关键参数，并通过实践验证了效果。

1 预钻法的提出

1.1 面对的问题

桥梁桩基成孔效率低主要有三个方面的原因:

1)岩石强度高致使岩石抗冲击能力强，钻头磨损严重;

2)钻孔过程中遇到斜岩时，钻头自然下落后向低强度方向侧倾斜，容易造成钻孔偏斜;

3)遇到溶洞时，由于浆液流失严重，容易造成塌孔、埋钻头、掉钻头或卡钻。

钻孔桩常见的偏孔问题如图1所示。

图1 偏孔示意图

如何能够在上述三种不利的地质条件下，提高冲击钻的施工效率，是桩基施工中面临的一个重要问题。

1.2 预钻法思路与原理

冲击钻施工是由钻机把钻头提起至一定高度后自由下落，将钻头产生的动能转化破坏岩石的冲击力，从而达到破碎岩石的目的。该施工方法，地基承载力越低施工效率越高。如果能够在冲击钻施工前降低桩位的地基承载力，就可以大幅度地提高冲击钻的成孔效率。

钻孔桩预钻是利用潜孔钻进受地质条件限制小，以及冲击钻在岩体中钻孔速度快的特点，于冲击钻施工前采用潜孔钻机在桩位进行钻孔，将岩石打成“蜂窝煤状”以达到破坏桩位岩体整体性或破坏斜岩面的目的，然后再利用冲击钻对破碎的岩石进行冲击钻孔施工，从而大幅度提高了冲击钻机成桩的施工效率。

2 预钻法施工工艺

预钻法施工是在现有的钻孔桩施工工艺中加入了潜孔钻机钻孔施工工序。

潜孔钻机是以压缩空气为动力，将压缩空气动力转换成机械力以破碎岩石的一种机械，钻机上装有冲击器和钻头，工作过程中冲击器的活塞不断冲击尾部，钻头上的合金齿不断冲击岩石，同时减速器产生的转动力矩使钻具 转动，推进气缸产生的轴向力送进钻具进行钻孔。钻机由支承机构、减速器、气动马达、推进气缸、冲出器、油雾器及气动控制阀等部份组成。

2.1 施工工艺流程

桩基预钻施工工艺流程为:施工场地清理→潜孔钻机钻孔施工→冲击钻机钻孔→成孔验收。

2.2 施工控制要点

1)钻机就位前清除施工范围内的腐殖土、碎石，并将作业平台夯实。

2)潜孔钻机开孔时先以较小冲击功、推进力及低转速钻进，以便于钻头定位，待钻头钻进10 cm左右时，再以全风门冲击，并适当加大推进力，提高转速，进行正常的凿岩工作。

3)潜孔钻钻孔过程中严禁反转，以免钻杆脱落，造成安全事故或者预钻孔报废。

4)加接新钻杆时，需用高压风对钻杆内部进行清理，防止砂土混入冲击器内，损坏设备，影响预钻效率。

5)当潜孔钻机穿越溶洞时需采用小冲程、低转速的钻孔方法钻进，以防止由于岩石特性突变而引起的预钻孔偏斜。

6)当斜岩面倾斜角度大，潜孔钻机造孔困难时，可向孔内回填部分片石至斜岩面顶部，再进行预钻孔施工。

7)钻孔过程中采用吊线锤的方法定时检查钻杆的倾斜度，每根钻杆检查1～2次，确保钻杆垂直钻进。

8)钻孔过程中要准确测量孔深，一般每钻进10 m或换钻具时必须量一次钻杆，以核实孔深。

9)钻机在钻孔过程中如需短暂中止钻孔工作时，需向钻杆内送入少量的压缩空气，以避免泥沙浸入冲击器内部，若在较长时间内停止工作时，需将冲击器提到距孔底1～2 m处再停机，以免造成冲击器堵塞。

10)遇到溶洞时及时向孔内补充清水或泥浆，保持孔内水头，防止塌孔。

11)冲击钻施工过程中采用适当的器具及时检查孔的中心位置、孔径、孔深、倾斜度和孔内沉淀层厚度，当技术指标超过允许偏差时，要认真研究，并针对性采取处理措施。

3 预钻法施工关键技术

3.1 钻孔形式及参数

在岩石特性相同的条件下，孔径越大对岩石整体结构破坏越强，但是钻孔效率降低;钻孔直径越小，虽然钻孔效率高，但是对岩石整体结构破坏较小，增加预钻孔的数量，而增加施工成本。如何让钻孔直径和钻孔数量成反比的情况下，达到最优的施工效果，是预钻孔设计的关键。

预钻孔均匀分布于钻孔桩内且每个孔分担的面积大致相等是预钻孔布置的基本原则，钻孔桩面积S1与预钻孔面积S2的比值是预钻孔设计的重要参数。

下面列举钻孔直径为140 mm及220 mm两种情况下预钻孔布置情况加以说明。

预钻孔直径为140 mm时，钻孔桩内共布置5个孔，具体布孔形式如图2所示，该布孔形式S1与S2的比值为6.9。

图2 φ140 mm预钻孔布孔图(单位:mm)

预钻孔直径为220 mm时，钻孔桩内共布置3个孔，布孔形式如图3，该布孔形式 S1与 S2的比值为10.2。

经过工程实践，S1与 S2的比值控制在6～11之间，可以取得理想的预钻效果。

施工过程中如果穿越溶洞遇到斜岩或者地基存在斜岩面时，除了可以按照上述原则进行预钻孔设计外，也可以根据斜岩面的大小、走向采取局部预钻。局部预钻孔的设计遵循浅孔、密孔的原则，以破坏现有的斜岩面为准。

图3 φ220 mm预钻孔布孔图(单位:mm)

预钻孔的长度设计根据预钻位置的地质结构、溶洞及斜岩面的位置而定，一般以穿越溶洞或者斜岩面1 m为宜，且不能大于钻孔桩的设计长度，以确保基底岩石的完整性。

3.2 施工机械选择

预钻施工主要针对于接触桩，该类桩一般都位于岩石内。施工机械的选择要考虑钻机在相应岩石内的成孔速度及深度。同时能够在泥浆环境中作业，也是选择钻机的标准之一。

SL400型潜孔钻机是一种高效、多功能履带式钻机，可在各种地层上采用泥浆、泡沫和压缩空气潜孔钻进，钻孔直径110 mm到254 mm，孔深可达213 m。该钻机的参数及性能见表1。

由表1可以看出，SL400型钻机可以满足各种工况下的预钻施工。

表1 钻机性能参数表

4 效果分析

4.1 工效分析

在大汶河特大桥钻桩施工中，对比分析了4个典型墩台对预钻前和预钻后的工效。

大汶河特大桥 158#、170#、247#、248#桥墩基础均为钻孔桩基础，桩基根数为8～12根，桩径为1.0 m，桩基位于1 500 kPa的石灰岩中。具体工效对比见表2。根据表2中的对比数据，在岩石地质情况相似的条件下，采用预钻法施工后桩基施工效率最高可提高5.2倍，斜岩处理的片石回填量减少至预钻前的20%～30%左右。

表2 预钻与否工效对比

4.2 质量控制效果

由于斜岩面在预钻时在中间形成的钻孔，相当于为冲击钻提供了一导向孔，使冲击钻造孔时偏孔几率减小，经过钻孔过程中的质量检测，斜岩纠偏率降低了75% ～85%，使冲击钻的成孔质量得到了进一步的保证。

5 结语

1)预钻施工很好地解决了地基承载力高、岩溶及斜岩地区冲击钻成孔效率低的问题，提高了钻孔桩的施工效率。

2)预钻施工提前破坏了桩位存在的斜岩面，钻孔桩的纠偏率明显降低，桩基施工质量得到了保证。

3)预钻施工中增加了潜孔钻机造孔，潜孔钻造孔增加的施工成本，与桩基施工效率提高所降低的施工成本如何在施工过程中得到最优组合，需要做进一步研究的问题。

［1］郑伟锋，蒋鹏，王明羿，等.南广客运专线某岩溶区段桥基钻探的关键技术［J］.铁道建筑，2009(6):19-21.

［2］顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等.地基与基础［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.