钻孔桩穿越粉质土层的施工工艺

梁建忠 梁永忠

1 工程简述

濉河特大桥是京沪高速铁路JHTJ-4标段的一部分,根据公司初步划分方案,我部负责濉河特大桥DK712+990.00(712号墩)～DK721+570.00(978号墩)全部桩基的施工,线路全长8.58 km,桩基2144根,其中 φ 1.0m 桩2114根,φ 1.25 m 桩30根。钻孔桩施工采用旋挖钻机、反循环钻机、冲击钻机。

2 地质条件

本标段地层主要为上更新统粉土、粉细砂、粉质黏土、黏土(下属黏土),含铁锰结核,厚2 m～45m,部分地段表层为第四系全新统粉土、粉细砂、粉质黏土,厚 2 m～15m,下伏寒武、奥陶系白云岩、灰岩、泥灰岩,白垩系泥岩、砾岩、泥质砂岩,下元古界云母片岩、角闪岩、变粒岩等。地下水发育,主要为孔隙潜水,水位埋深1 m～4m。

3 粉土的一般特性

粉土是指塑性指数不大于10,且粒径大于0.075 mm的颗粒含量不超过全重的50%的土。粉土中粒度以分离为主,粗粒和粘粒含量很少,与水结合能力弱,土中毛孔隙发达,毛细作用显著,由于粘粒含量少,粒间联结力弱,抗渗性差。当土中含水量较低时,由于毛细水的存在,使粉土具有水联结,但当土体含水达到饱和,水联结就会消失,土体结构软化,此时粉土就会呈散粒体状态。因此粉土的水稳性很差,钻机钻孔施工时很容易塌孔,属不良地质条件,钻孔桩施工中主要的工作就是防止塌孔。

4 粉质土层塌孔的预防及处理

4.1 粉质土层塌孔的预防

4.1.1 施工准备阶段

1)场地准备和测量放样:铲除施工场地的杂物,换填30cm～40cm的碎石黏土混合物,表面压实、平整,对于雨季施工的墩位,上卧粉土层若不是很厚,可以考虑全部换填,碾压密实。场地填筑完成后由测量人员进行桩位放样。

2)护筒埋置:粉土地质钻孔成败的关键是如何保证成孔。当钻孔较深时,在地下水位以下的孔壁土在静水压力下会向孔内坍塌,甚至发生流砂现象。埋置护筒可以使钻孔内能保持比地下水位高的水头,增加孔内静水压力,形成孔内向孔外的压力差,就可有效防止塌孔。除起到这个作用外,护筒同时还有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和作钻头导向等作用。护筒埋置时顶面高出地面30cm,高出地下水位2 m以上,雨季地下水位升高,土层浸水饱和,护筒埋置深度和出露地面高度可以适当增大。护筒周围要用黏土回填夯实。护筒中心与桩位中心偏差不大于5cm,护筒倾斜度不大于1%,护筒内径为设计桩径加上20cm～30cm。为防止塌孔,理论来说护筒的埋置深度应穿越表层的粉土层为好,但护筒埋置过深可能导致护筒拔不出来。结合钻机特点及实际的施工设备情况护筒埋置深度为:旋挖钻6 m～8m,反循环3 m以上,冲击钻4 m～6m。

3)泥浆制备:钻孔泥浆由水、黏土(膨润土)和添加剂组成。具有浮悬钻渣、冷却钻头、润滑钻具,增大静水压力,并在孔壁形成泥皮,隔断孔内外渗流,防止塌孔的作用。在施工中使用的泥浆有两种:一种为普通泥浆,另一种为PHP泥浆。泥浆稠度应视地层变化或操作要求机动掌握,泥浆太稀,排渣能力小、护壁效果差;泥浆太稠会削弱钻头冲击功能,降低钻进速度。在穿越粉土层时钻孔泥浆稠度应控制在规范值的上限,而且最好使用膨润土和火碱配制的优质泥浆,以起到更好悬浮钻渣,保护孔壁,防止塌孔的作用。

4.1.2 钻孔实施阶段

1)旋挖钻孔施工是利用钻杆和钻斗的旋转,以钻斗自重并加液压作为钻进压力,使土屑装满钻斗后提升钻斗出土。通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆置换护壁,反复循环而成孔。旋挖钻机具有钻机钻进速度快,施工效果显著的特点,但在施工中它需要反复的将钻头放入提出,对孔壁的影响较大,在穿越粉质土层时,很可能因为钻头刮擦孔壁而破坏了孔内的护壁泥皮,另外在上下提动钻头时会带动孔内泥浆流动,泥浆的流动冲刷也可能破坏泥皮,引起孔壁坍塌,有时还会在上提钻斗时在其下方产生负压而导致孔壁坍塌。

钻孔前,纵横调平钻机,保持钻机垂直稳固、位置准确,防止钻进过程中因钻杆晃动引起钻头刮擦孔壁。钻孔过程中上提下放钻斗都要缓慢进行(升降速度以控制在0.5 m/s以下为宜),防止速度过快,钻头碰撞孔壁,放入钻头时还要注意将钻杆对准孔位慢慢将钻斗放入。为提高孔壁的稳定性,进入粉质土层时,可以采用空钻和反钻的方法,加强泥浆护壁。鉴于旋挖钻机钻斗护壁性能差,钻孔时宜采用PHP优质泥浆,在穿越粉质土层时,泥浆比重应调至1.20左右,泥浆粘度调至22 s左右,并随时补充孔内损失的泥浆。

2)冲击钻进成孔是利用冲击式装置或卷扬机提升钻头(钻锥),上下往返冲击,将土石劈裂、劈碎,部分被挤入井壁之内。有泥浆悬浮钻渣,使钻头每次都能冲击到孔底新土层。由于钻头冲击时对孔壁的振动作用,使冲击钻成的孔很容易出现孔壁坍塌现象,尤其在雨季施工时,土层含水饱和,钻头的冲击振动作用就更显著,严重制约了冲击钻的使用范围,影响工程进度。

为解决这一难题,一方面在顶部要加强护筒的护壁作用,加大护筒的埋置深度和出露地面高度,另一方面要尽量减小上卧粉土层的不利影响,开孔时先往孔内投入黏土和片石的混合物,黏土与片石的体积比为1∶3,填入量应超过护筒刃脚至少 1.0m,然后采用小冲程(≤0.75 m)冲进,待冲至护筒刃脚下1.0m左右时,重新填入片石与黏土的混合物,填入高度仍为超过护筒刃脚至少1.0m,然后冲进。如此反复2次～3次,以加固刃脚,防止孔口坍塌。在冲进过程中为避免粉质土层的坍塌,在粉土层附近冲进时要用小冲程(≤2.0m),减少冲击振动作用,泥浆比重应适当加大(比重不小于1.2,粘度不小于20s)。进至岩层以上1 m～2 m左右时,投入片石与黏土的混合物,投入量约为孔深1 m的容量,然后小冲程冲进,待冲至岩面附近时,再行投入片石与黏土的混合物,投入量约为孔深2 m的容量,如此反复1次～2次以加固孔壁,减少冲岩层的振动对孔壁的影响。

3)旋转钻机成孔,正循环钻机钻进具有较好的造浆性能,泥浆护壁效果好,穿越上卧粉土层时宜用正循环开孔,且宜选用低钻速(3 r/m～5 r/m)、大泵量、稠泥浆钻进,在粉土层形成稳固的护壁泥皮。泥浆比重控制在1.15～1.2之间,泥浆粘度在20s～22 s。穿过粉土层改用反循环钻机钻进,钻进过程中根据地层条件控制钻进速度,调整泥浆指标,在穿越中间粉质土层时适当减慢钻进速度,加大泥浆比重。旋转钻成孔工艺由于泥浆护壁效果好,钻进过程中对孔壁影响不大,只要控制好泥浆指标和钻进速度,一般不会出现塌孔。

4.2 粉质土层塌孔的处理

发现孔口坍塌时,可立即拆除护筒,回填黏土与碎石混合物,夯实稳定后重新埋置护筒再钻进。如发生孔内坍塌,判明坍塌位置,回填砂(或黏土)混合物到塌孔处以上1 m～2m,如塌孔严重时应全部回填,待回填物沉积密实后再行钻进。若在成孔后,下完钢筋笼,导管,等待灌注混凝土前塌孔,应视塌孔情况具体处理。若塌孔后孔底沉渣不厚(3 m以内)且不再增加,可拔出导管,将泥浆泵放入孔底,将沉渣抽出,然后重新安装导管,调整泥浆指标,循环泥浆,保持孔底不沉淀沉渣,待混凝土到后迅速灌下。若孔底沉渣很厚,就回填黏土与碎石混合物,待土层稳定后重新钻孔。

5 结语

由于粉土本身在达到水饱和后会结构软化,呈散体状,因此在有粉土的地质钻孔时,钻进过程中关键要作好泥浆护壁,并注意保护已成的泥皮,防止粉土层塌孔。并且不论采用哪种成孔工艺成孔,成孔后都要抓紧时间灌注混凝土,防止因等待时间长而塌孔。

[1]卢廷号.土力学[M].南京:河海大学出版社,2002.

[2]莫海鸿,杨小平.基础工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.