一种软硬互叠岩层钻孔灌注桩钻进技术

刘睦峰 ，彭振斌，王建军 ，彭文祥

(1. 中南大学 地学与环境工程学院，湖南 长沙，410083；2. 湖南省煤田地质局，湖南 长沙，410014)

随着我国经济建设的快速发展，各种特大型基础设施逐渐增多。大直径钻孔灌注桩由于具有能适用于各种地层条件、制成各种桩径和桩长、满足不同承载能力要求等诸多优越性被广泛应用于以上基础工程施工，尤其是深水、大跨径桥梁基础工程施工中，并不断向超大超深方向发展，施工地质条件也越来越复杂，施工风险很大。杨国春等[1-3]探讨了硬质岩层和砂卵石地层的钻进工艺方法；李奋强等[4-5]探讨了泵吸和气举反循环的钻进工艺；张时忠等[6-13]分析了单把滚刀和组合滚刀的碎岩机理；李小青等[14-19]分析了大直径钻孔灌注桩的泥浆性能指标、泥浆护壁机理与孔壁稳定的关系。在此，本文作者结合正在施工的某长江大桥桥址的软硬互叠产状变化大且岩层坡面偏陡的复杂地层，根据泥浆护壁机理和滚刀碎岩机理，采用大扭矩动力头液压钻机配组合式滚刀钻头、气举反循环钻进施工工艺，总结回次钻进技术方法，得出一套适应该地层的泥浆性能指标、钻压、转速和小时进尺等工艺技术参数。

1 桥位区工程地质特征分析

主墩设计桩径为2.8 m，设计桩长75 m，钻孔孔深95 m，总桩22根。部分桩孔的工程地质剖面如图1所示。其主要工程地质条件如下：覆盖层为粉～砾砂层，厚度为 24～25 m(标高为+6.09～-18.71 m)；基岩顶部为抗压破碎严重(强风化)粉砂质泥岩⑨1-3，其下以抗压破碎较严重(中风化)的粉砂质泥岩⑨1-2为主，其中夹有透镜状的⑨1-3，⑨1-1或⑨1泥岩；下部以抗压破碎(中风化)粉砂质泥岩⑨1-1为主，夹有透镜状的⑨1-1泥岩；⑨1-3层在该墩发育的规模较小，在下游北面局部较厚，达到25 m，最薄处仅3～5 m，局部甚至未能揭露；⑨1-2层位于墩位中心线附近的钻孔中较多揭露，其次在南面上、下游角分布亦较多；⑨1-1及⑨1层泥岩分布范围及厚度较大；岩层的倾角主要有20°，45°，70°及近 90°，天然抗压强度如下：⑨1层为 17.70～42.50 MPa，⑨1-1层为 11.00～34.50 MPa，⑨1-2层为 2.50～7.50 MPa，⑨1-3层为 0.20 MPa。

由图1可见，桥址地层具有如下3个特征：(1) 覆盖层松散易钻，但孔壁稳定性差，常出现塌孔、超径等问题，对泥浆性能要求较高，需控制进尺；(2) ⑨1-3层具有遇水容易软化崩解的特性，对泥浆的性能也要求较高；(3) 从岩石强度、岩层的分布及其倾角来看，⑨1-3和⑨1-2层与⑨1-1和⑨1层之间强度相差较大，软硬岩层互叠且局部岩层破碎，倾角变化大，岩层坡面偏陡。在这种大倾角岩坡面地层钻进施工，当滚刀钻头滚轮齿冲切不平整孔底岩石时，钻头及钻杆的重力作用迫使钻头中心线偏离钻孔轴线，极易造成顺坡溜孔倾斜。

图1 工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological profile

2 泥浆的护壁作用与泥浆的配合比

2.1 泥浆的护壁作用

泥浆的护壁机理主要表现在2个方面：隔水膜的形成及泥浆液态静压力。隔水膜的形成要求土层具有一定的渗透性，否则，很难在孔壁形成隔水膜。泥浆在液压作用下浸入土层，在一定范围内，泥浆凝胶体黏附在土颗粒上，固定了土颗粒的相对位置，在孔壁周围(0～2 m)形成较稳定的土层，使土层抗剪强度增加，从而维持了孔壁的稳定。泥浆的继续渗透使泥浆中的土颗粒逐渐填补了孔壁土层的空隙，从而堵塞水道，在孔壁形成泥皮即隔水膜。

泥浆的液态静压力可以有效地作用在孔壁上，且减少了渗透性，保持了孔壁的稳定。泥浆的液态静压力可以抵抗作用在孔壁上的土压力和水压力，并防止地下水的渗入。因为钻孔破坏了原状土的受力平衡，孔壁面土体静土压力减少，孔壁的空隙水压成为负值，对土体产生了抗拉作用。然而，当孔内充满泥浆时，液压力在孔壁面上平衡土压力，同时，泥浆中的细小土颗粒向土层的渗入也增强了土层的强度，从而，保持了孔壁的稳定。另一方面，泥皮的存在对桩的强度、压缩性变形等方面都造成不利影响。因为泥皮改变了桩、土接触面的性质，使桩侧摩阻力下降，导致桩体承载力下降，泥皮越厚，承载力下降越明显。由此可见：泥浆具有稳定护壁作用，首先表现为泥浆静水压力作用，对地下水产生超压力，起稳定平衡作用；其次表现为泥皮作用，泥浆在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥浆渗透至周围土中或者地下水侵入孔内与泥浆混合，促进孔壁的稳定。同时，泥浆具有抑制地层失稳的作用，主要表现为泥浆的凝胶作用。

2.2 泥浆性能指标试验与配置

钻孔泥浆由水、黏土(或膨润土)和添加剂组成。泥浆原料宜尽可能使用膨润土，膨润土具有密度低、黏度大、含砂量和失水量少、泥浆厚度小、稳定性强、固壁能力强、钻具回旋阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点。膨润土有钠质和钙质2种，钠质膨润土比钙质膨润土性能优越。为了提高泥浆性能，通常在制备泥浆时掺入少量的外加剂。外加剂一般有轻基纤维素(CMC)、铬铁木质素磺酸钠盐(FCI)、硝基腐植酸钠盐(煤碱剂)和 Na2CO3(纯碱)。

不同类型的絮凝剂对钠膨润土泥浆滤失量的影响是不同的。无机电解质或其他阳离子压缩双电层而产生絮凝作用的絮凝剂都会使钠膨润土泥浆的滤失量上升，而非离子或阴离子型的高分子絮凝剂，在不同程度上会降低钠膨润土泥浆的滤失量。HPAM对钠膨润土泥浆滤失量的影响如图2所示。结合本工程的地质条件，并通过室内试验确定泥浆配合比，结果见表1。选用阴离子型、相对分子质量为(300～500)万、水解度为30%的聚丙烯酰胺为絮凝剂来调制泥浆。

图2 HPAM对钠膨润土泥浆滤失量的影响Fig.2 Effect of HPAM on sodium bentonite filtration

表1 聚丙烯酰胺(PHP)泥浆原料和基本配合比Table 1 Raw materials and its ratio of PHP mud

3 施工工艺

3.1 工艺方法

由于作业区域地质条件复杂、工程桩孔孔径大且钻孔深度深，钻掘设备必须满足2个基本条件：一是要有足够的配重以纠正大倾角岩坡面钻进轨迹的变形；二是要具备足够大的扭矩以满足减压钻进的需要。因此，决定采用大扭矩动力头液压钻机配组合式滚刀钻头的施工工艺，并主要从如下3方面探讨其钻进工艺：

(1) 合理布置刀具，以压裂压碎加剪切的破碎切削方式来提高碎岩效率；

(2) 减少钻头钻进过程中的重复破碎，即利用较好的排渣工艺方法，以提高钻进效率；

(3) 选择合适钻进参数和工艺流程来控制顺坡溜孔斜，以提高钻机钻进效率。

3.2 碎岩分析与滚刀布置

滚刀刀齿对岩石的破碎作用有3种：压碎、冲击和剪切。压碎是刀齿在钻压作用下对岩石的静力压碎作用，其效果主要取决于钻压和岩石的硬度；冲击是由于滚刀滚动时不同刀齿交替作用于岩石而使滚刀轴心产生上下往复振动，从而对岩石产生冲击，冲击力与滚刀的直径、齿数、转速和钻压有关，它与齿数成反比，与直径、转速和钻压成正比；剪切则是由于滚刀在岩石上滚动的同时，刀齿还有一定的滑移，从而对岩石进行剪切破碎，剪切作用取决于滚刀的回转半径和主锥角。由于滚刀的主锥角是一定的，在钻头上有1个纯滚动带，离纯滚动带的距离愈远，刀齿的滑移量愈大，滑移速度愈快，剪切作用也就愈强[6-8]。

3.2.1 滚刀破岩力分析

Evans研究的滚刀垂直推力Fn的预测公式为[13]：

式中：cσ为岩石的抗压强度；h为刀具侵入岩石内的深度(mm)，简称切深或侵深或贯入度；β为刀刃角；R为盘形滚刀的半径(mm)；P为破岩力(N)。

Teale提出了比能(Specific Energy，用Es表示)的概念，表示切削单位岩石体积所需的能量[11]。Snowdon等[11-12]的研究表明，滚刀切削力和比能与刀间距存在以下关系：

(1) 刀间距增大，会增大刀具的受力，直到滚刀之间的相互作用为0 N；刀间距变小，会使岩石碎片尺寸变小，比能增大。

(2) 在恰当的Es/P处，能取得最低的比能Es,min，见图3。

(3) 刀间距增大，会使碎片尺寸变大，直至达到最优的比能；随着刀间距进一步变宽，刀间相互作用减小至最低，然后又开始升高，见图3。

图3 Es/P对切削能的影响Fig.3 Effect of Es/P on cutting power

3.2.2 滚刀破岩点1次侵深轨迹分析

图4所示为平面刀盘上正刀破岩运动示意图，其中：图4(a)所示为正刀工作状况，点A为破岩刃上某一点。在Δt时间内，正刀转动角度Δθ时，点A的相对运动位移为；图4(b)所示为沿刀盘轴线看过去盘形滚刀的牵连运动情况，在Δt时间内，刀盘转过角度。当点A由接岩点至最大切深时便完成1次侵深破岩，由图4所示几何关系，其位移在坐标轴上的投影[9]可表示为：则盘形滚刀破岩刃上某一点(A点)完成 1次侵深破岩画出的弧线长度l为:

图4 正刀破岩工作示意图Fig.4 Diagram of rock breakage by inner cutter

将式(2)代入式(3)并整理得：

3.2.3 组合滚刀的布置

一般地，对于破岩效率低而滚刀磨损快的区域，滚刀数量要适当增加。同时，由于不同回转半径上的滚刀破岩效率不同，工作量也不一样，其磨损呈不均匀性，因此，应尽可能使不同回转半径上的滚刀工作量相同，以使整个钻头钻进平稳、磨损均匀。在组焊滚刀钻头时，应根据不同的地层、循环方式和钻机加压能力等调整滚刀位置，以使钻头在使用中发挥其时效高、寿命长的特点。结合式(1)和式(4)，组合滚刀布置如图5所示，参数尺寸见表2。

3.3 钻进工艺参数的选用

结合钻机的技术性能，在粉砂层、砾砂层钻进主要是通过加大转速和小时进尺来提高钻进效率，而在岩层的钻进时则通过加大钻压、减小转速和控制小时进尺来提高碎岩效率，确保钻进轨迹的垂直度。由于岩层分布复杂，为避免钻进轨迹偏离造成桩孔的垂直度达不到规范要求，除在一定节段的钻杆中增加扶正器外，主要采取如下工艺控制过程和技术措施：

(1) 扶正器越多，原则上越能起纠正作用，但存在极大工程施工隐患，一旦孔壁出现掉块(粒径大于0.4 mm)，则极容易卡住钻头或扶正器，钻机不能提升或转动，造成卡钻事故。因此，在全孔钻进过程中加接2个扶正器：第1个扶正器加接在配重钻杆的上端，第2个则在孔深达到60 m后起钻检查钻具时加接，控制在深度40 m的位置。

图5 组合滚刀布置图Fig.5 Combination hob layout

表2 滚刀参数尺寸Table 2 Sizes of hob parameters

(2) 钻具配重越大，原则上越能起到纠斜作用，但必须考虑到钻机本身的提升能力。施工用釜马RC-300钻机的配重控制在40 t为宜，加上滚刀钻头，总质量达到55 t左右。

(3) 在岩层钻进过程中，应定时检测钻机底座的水平度(底座四角高差不得大于 3 mm)及钻塔的垂直度，发现问题及时调整，以保证钻孔的垂直度。

(4) 钻头穿过覆盖层开始入岩时，钻机操作人员要轻压钻进，待小心钻进20～30 cm后(依据单把滚刀高度而定)，提起钻杆扫孔，在没有任何阻力即电流表没反映或回转压力表没有变化时再继续钻进，如此反复钻进，入岩8 m后(即要求第1个扶正器的腰带全部进入岩层)才允许按照正常参数进行钻进。当岩石层位发生变化时，需重复上述操作，以防止出现孔斜。

(5) 正常钻进参数的确认。在岩层钻进过程中，利用滚刀钻头低压慢转钻进，控制进尺(见表3)，每隔1 h必须认真观察钻渣1次，以判断钻孔所在的层位。

(6) 当孔深达到60 m左右(入岩20 m左右的位置)时必须起钻，检查钻具、钻头的磨损程度(螺栓是否松动)，重新设置气室和布置第2个扶正器，以提高气举反循环的工作效率。停钻时，钻头须提离孔底 1.5 m以上才能停止孔压机供风，以防止出渣口和风包被堵。

表3 钻进技术参数Table 3 Distribution parameters of drilling technique

4 结论

(1) 扶正器越多，原则上越能起纠正作用，但也存在极大工程施工隐患：一旦孔壁出现掉块(粒径大于0.4 mm)，则极容易卡住钻头或扶正器，钻机不能提升或转动，造成卡钻事故。因此，在工程实践中，只要钻掘设备能满足工程规范要求，扶正器应尽量少用。

(2) 选用阴离子型、相对分子质量为(300～500)万、水解度为30%的聚丙烯酰胺为絮凝剂来调制泥浆，能较好地解决粉砂质泥岩遇水易软化崩解问题，使孔壁稳定。

(3) 针对软硬互层岩石中防斜钻进难题，需结合单把滚刀高度和焊齿的宽度，严格控制钻程，并反复来回扫孔钻进，以确保桩孔的垂直度。

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