特殊地质条件下钻孔工艺选择和施工质量控制

2021-09-10 21:25张辉
科技研究·理论版 2021年6期
关键词:基岩岩溶淤泥

摘要:钻孔灌注桩施工过程中通常会遇到深厚的杂填土、淤泥、砂层、卵砾石、坚硬基岩或岩溶等特殊性岩土,在特殊性岩土进行钻孔灌注桩施工,如果钻孔工艺选择不当,质量控制措施不合理,则易产生不同的质量问题,影响施工质量和安全,降低施工效率。分析不同特殊地层特点,选择合理的钻孔施工工艺,加强施工质量控制,是保证钻孔灌注桩质量和安全的关键,也是提高工效、降低成本的主要措施。

关键词:深厚填土;淤泥;砂层;卵砾石;基岩;岩溶;钻孔工艺

1深厚杂填土层

1.1杂填土的特点

杂填土由于堆填物的成分、堆积条件和堆积时间不同,造成杂填土的物质很不均匀,颗粒粒径相差较为悬殊,孔隙大小不一,分布范围及厚度缺乏规律性,通常结构松散、密实度低,具有较高的压缩性,强度较低。

1.2钻孔桩施工遇到的主要问题

1.2.1孔壁稳定性差

由于杂填土结构松散,密实度低,且颗粒粒径相差悬殊,孔隙发育,因此在钻孔桩施工过程中孔壁稳定性差,易失稳坍塌。

1.2.2泥浆漏失

如场地地下水较低时,在杂填土层采用泥浆护壁工艺进行钻孔施工时,常发生泥浆漏失现象,导致孔壁坍塌。

1.2.3钻进难度大、钻进效率低

尤其对于填土中存在粒径较大的块石或混凝土块等堆填物时,钻进难度大,钻进效率低,且易发生卡钻等事故。

1.2.4易扩孔

混凝土充盈系数大。

1.3钻孔工艺选择

1.3.1全套管钻进

利用全套管切削岩土钻进并护壁,冲抓锥在套管内抓土或旋挖钻机在套管内取土成孔,钻进效率高。钻孔直径可达到3.0m,钻孔深度可达100m。全套管钻机钻孔过程不使用泥浆,在地下水位以上可進行干孔钻进,在地下水位以下利用清水平衡地下水位,不存在泥浆漏失和孔壁坍塌问题。利用全套管护壁,也解决了扩孔及混凝土充盈系数大的难题。缺点:设备庞大,费用较高。

1.3.2冲击钻进

冲击钻机利用冲击功破碎地层钻进成孔,钻进的同时对孔壁进行挤密。在松散杂填土层钻进时,可通过往孔内回填粘土和片石,对孔壁进行挤密,防止孔壁坍塌。冲击钻进时,可根据地层情况,确定是否采用泥浆循环。如果地层漏浆时,可不进行泥浆循环,通过往孔内回填粘土及加水冲击钻进,同时造浆堵漏。相对于全套管钻机,冲击钻机设备简单,费用较低。缺点:施工效率较低,扩孔较为严重,混凝土充盈系数大。

1.3.3旋挖钻机钻进

旋挖钻机反复升降钻具对孔壁扰动大,孔壁更易失稳,因此旋挖钻机钻进时通常采用长钢护筒护壁,钢护筒长度可根据填土性质确定,条件许可时可穿过杂填土层。地下水位以上可采用干作业钻进成孔,地下水位以下可利用膨润土泥浆护壁(如地下水位以上泥浆漏失不严重时,也可全孔段采用优质膨润土泥浆护壁)。也可往孔内回填粘性土,通过钻斗在孔内的反复旋转挤压进行造浆堵漏。对于粒径较小的块石或建筑垃圾可利用专用抓取式筒钻抓取。缺点:对于大粒径块石或建筑垃圾难以钻进成孔;如钢护筒不能穿透杂填土层时,存在泥浆漏失、孔壁坍塌的风险;扩孔较为严重,混凝土充盈系数大。

1.3.4正、反循环回转钻进

正反循环回转钻进仅适用于结构较为密实,颗粒粒径较小、泥浆不严重漏失的杂填土层钻进成孔。其中正循环适用于粒径不大于20mm的填土层钻进成孔;反循环适用于粒径不大于200mm的填土层钻进成孔。成孔时孔口埋设护筒,采用优质膨润土泥浆护壁钻进成孔。缺点:不适用于粒径大于200mm、地层结构松散、泥浆漏失严重的杂填土层施工。

2深厚淤泥和淤泥质粘土

2.1淤泥和淤泥质粘土特点

淤泥和淤泥质粘土富含有机质,具有含水量高、强度低、压缩性大、透水性差、抗剪强度低的特点,同时具有流变性和触变性。

2.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴孔壁稳定性差,扰动后易失稳坍塌。⑵施工过程中易发生护筒串通,地面易塌陷。⑶易扩孔,混凝土充盈系数大。⑷泥浆处理难度大,灌注过程中桩身易夹泥。

2.3钻进工艺选择

2.3.1正、反循环回转钻进

深厚淤泥层钻孔灌注桩施工应优先选用正、反循环回转钻进工艺。其中,正循环回转钻进适用于孔径<1.0m的钻孔;反循环回转钻进适用于孔径≥1.0m的钻孔,孔深较浅时(50~70m内),应选用泵吸反循环排渣,孔深较大时(>50m),宜选用气举反循环排渣。回转钻进时,孔口必须埋设钢护筒,钢护筒的长度应根据地层确定,钢护筒应深入原地层0.5m以上,且护筒长度不小于1.5m。如原地层为流塑状淤泥时,应尽可能增加护筒长度,埋设护筒时,护筒周围应采用粘性土分层回填密实,防止护筒内外串通。

采用原地层自然造浆护壁,并定期检测泥浆的性能指标,控制泥浆性能指标在合适范围,并控制孔内泥浆液面高于地下水位2.0m以上。尤其是反循环钻进时,应及时往孔内补充泥浆,防止孔内泥浆液面下降导致孔壁坍塌。在淤泥层钻进时,应注意控制钻进速度,每钻进一根钻杆应进行扫孔,防止钻速过快形成S孔,导致安放钢筋笼时刮蹭孔壁形成较厚的孔底沉渣。终孔后应及时清孔,严格控制泥浆的粘度和比重,降低泥浆的含砂量,防止灌注过程中形成桩身夹层。禁止将钢筋笼直接挂在孔口护筒上,或者灌注过程中将导管直接支承在孔口护筒上,防止灌注过程中护筒下沉或孔口坍塌形成断桩或桩身夹泥。如表土层为淤泥质土时,应换填或采用硬化措施进行处理,并在孔口铺设路基板或钢板,防止机械碾压导致孔口坍塌。

2.3.2旋挖钻进

钻斗的反复升降将导致孔壁失稳坍塌,不适用于深厚淤泥层钻进。如果孔口长钢护筒穿透淤泥层时,可利用旋挖钻进成孔。

2.3.3全套管钻进

全套管钻进可用于深厚淤泥层钻进成孔,但由于施工费用太高,且套管回转时周围淤泥易失水固结,增加套管阻力,故一般不选用。

2.3.4冲击钻

在冲击振动作用下,淤泥的结构性被破坏,强度降低,流变性增强,孔壁无法维持稳定,故冲击钻不适用于深厚淤泥或淤泥质土层钻进成孔。

3深厚砂层

3.1砂层的特点

砂层由于受水流流速的影响,冲积物的成分和尺寸具有分选性,从上游往下游,逐渐由粗颗粒过渡到细颗粒。具有含水性强,渗透系数较大,胶结力弱的特点。

3.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴孔壁稳定性差,易于坍塌。⑵泥浆中含砂率高,易于在桩身中形成夹层。⑶孔底沉渣厚度大。

3.3钻孔工艺选择

3.3.1正、反循环回转钻进

在深厚砂层钻进时,应配制优质膨润土泥浆护壁,要求泥浆具有较高的粘度,较低的失水量和泥皮厚度,并根据砂层的密实程度选择钻头,在松散砂层可选用刮刀钻头成孔,在胶结的密实砂层可选用牙轮或滚刀钻头钻进成孔。正循环回转钻进适用于孔径<1.0m的钻孔;反循环回转钻进适用于孔径≥1.0m的钻孔,孔深较浅时(50~70m内),应选用泵吸反循环排渣,孔深较大时(>50m),应选用气举反循环排渣。

钻进过程中,应严格控制泥浆的性能指标,维持孔内液面高度高出地下水位2m以上,防止孔壁坍塌。正循环钻进过程,应提高泥浆的粘度和比重,使泥浆具有较高的悬浮钻渣的能力,在施工过程中,应控制进尺,降低泥浆的含砂率,确保成孔质量。终孔后,应采用泥浆净化装置对泥浆进行处理,降低泥浆的含砂率,并彻底清除孔底沉渣,防止灌注过程中桩身夹泥和孔底沉渣过厚。

3.3.2旋挖钻斗

在松散砂层钻进时,护筒的长度应增加到6m以上,以防止孔口坍塌。鉆进过程中,利用优质膨润土泥浆护壁,严格控制泥浆的粘度、比重和稳定性。钻杆提升时,必须及时往孔内补充泥浆,防止泥浆液面下降过快、过深导致孔壁坍塌。在砂层中钻进时,应选择具有双层底的挖砂钻头钻进成孔,根据砂层的密实程度,选择适宜的切削齿,松散砂层可选用斗齿,密实或胶结层选用截齿。旋挖成孔后,宜采用反循环进行清孔,以清除孔底沉渣,同时利用泥浆净化装置降低泥浆的含砂率,保证桩身灌注质量。

缺点:相对于回转钻机,旋挖钻机在厚砂层中钻进时对泥浆要求更高,孔壁坍塌的概率较大,扩孔现象更为明显。并且需专门的清孔设备进行清孔。

3.3.3全套管钻进

因套管回转时周围砂土易失水固结,增加拔管阻力,且施工费用高昂,故一般不选用。

3.3.4冲击钻进

可在较为密实的粗粒砂层中钻进成孔,需通过回填粘土冲击造浆并挤密孔壁,但钻进效率低。在饱和的粉细砂层中钻进时,易砂土液化,导致孔壁坍塌,故不宜选用。

4深厚卵砾石层

4.1卵砾石层特点

卵砾石地层含水性强,渗透性大;颗粒多为圆形,磨圆度较好;颗粒大小不一,分选性差;地层多为重力压实而成,胶结力弱;卵砾石强度和硬度较高,破碎难度大。

4.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴泥浆漏失、孔壁坍塌。⑵钻进效率低。

4.3钻进工艺选择

4.3.1冲击钻进

采用加重钻头、高冲程破碎卵石钻孔成孔,应采用比重较大、失水量小的泥浆进行护壁。在松散卵砾石层钻进时,可按1∶1投入粘土和小片石(粒径不大于15cm),用冲击钻头以小冲程反复冲击,使粘土、片石挤入孔壁,必要时须重复回填反复冲击2-3次,达到挤密孔壁、防止钻孔漏失的作用。

钻进过程中,发现泥浆漏失时,可通过提高泥浆粘度、往泥浆中添加锯末等材料提高泥浆堵漏性能,必要时可往孔底灌入水泥浆堵漏。缺点:卵砾石重复破碎、钻进效率低。

4.3.2反循环回转钻进

通过配重加压、利用滚刀钻头碾压破碎卵砾石,通过反循环排渣钻进成孔,适用于卵砾石粒径小于钻杆内径的地层,钻孔深度没有限制。钻进过程中,配制优质的膨润土泥浆护壁,通过在泥浆中添加锯末、蛭石等材料提高泥浆的堵漏性能,也可通过钻机的钻杆往孔底注入水泥浆进行堵漏。

缺点:设备较为庞大,滚刀损耗大,费用较高,且卵石易于堵塞钻杆,在密实卵砾石层施工效率较低。提下钻时间长,泥浆漏失处理难度大。

4.3.3旋挖钻进

利用钻斗捞取卵砾石钻进成孔,钻进过程无需对卵砾石进行破碎,钻进效率高。钻进过程中采用优质膨润土泥浆护壁,可通过提高泥浆的堵漏性能预防和处理泥浆的漏失,也可通过往孔内回填粘土或淤泥进行堵漏,堵漏较为方便。

缺点:设备重量大,对场地要求高,钻孔深度受限;需专门的清孔设备进行清孔。

4.3.4全套管钻进

利用全套管护壁,套管内取土钻进成孔,对于大漂石或块石可利用冲锤破碎后抓取。施工过程中不使用泥浆,具有施工效率较高、孔壁稳定、混凝土充盈系数小的优点。缺点:施工费用高。

4.3.5正循环回转钻进:不适用于卵砾石层。

5坚硬基岩

5.1坚硬基岩特点

强度高、硬度大,结构面发育,可钻性差。

5.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴基岩破碎困难,钻进效率低。⑵岩面倾斜时,钻孔易偏斜。⑶通常设计为端承桩,对孔底沉渣厚度要求高。

5.3钻进工艺选择

5.3.1冲击钻进

利用冲击钻头冲击破碎基岩成孔,钻进效率受冲击功和排渣的影响,通常用于直径和深度较小的钻孔,可适用于不同强度和结构的岩石。钻孔偏斜时,可通过往孔内回填块石后重新冲击纠斜,纠偏效果较好。缺点:钻进效率低,孔深和孔径较小。

5.3.2反循环回转钻进

利用滚刀钻头通过碾压、冲击、滚动破碎岩石成孔,通过反循环排渣。根据上部孔段的稳定程度可选用泥浆或清水钻进成孔。可满足不同钻孔直径和深度的需要(钻孔直径≥1.0m)。为防止钻孔偏斜,通常采用减压钻进工艺,加到孔底的钻压通常控制在钻具总压力的70%左右。钻孔偏斜时,通过扫孔纠偏,纠斜效果较差。对于直径较大的钻孔,可通过分级扩孔的方式多次成孔。缺点:钻进效率较低,滚刀磨损严重,损耗大,费用高。钻孔偏斜后不易处理。

5.3.3旋挖钻进

根据不同岩石强度可利用螺旋钻,截齿、牙轮筒钻或钻斗钻进成孔,利用膨润土泥浆护壁。对于大直径钻孔,可通过分级扩孔或利用梅花形布孔钻进。相对于冲击钻进和反循环回转钻进,钻进效率高,适用地层广。遇倾斜岩层时,可先利用筒钻切削岩石形成自由面后,再取芯或全面钻进中间基岩,钻机自身具有测斜功能,钻孔垂直度介于冲击钻机和回转钻机之间。

缺点:钻孔深度受钻机性能和钻杆长度限制;设备重量大,对场地要求高;如果钻孔上部有较厚的砂层时,需配备专门的清孔设备。

5.3.4全套管钻进

利用全套管对岩石进行环状切削后,在套管内利用冲锤冲击破碎后抓取岩块成孔。缺点:钻进效率较高,费用昂贵。

6岩溶地层

6.1岩溶地层特点

基岩中溶洞溶隙发育,岩石破碎,岩面倾斜,岩石强度差异悬殊,部分溶洞为无充填或半充填,通常存在泥浆漏失现象。

6.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴泥浆漏失、孔壁坍塌。⑵钻孔偏斜。⑶易发生卡钻或埋钻事故。

6.3钻进工艺的选择

无论采用何种钻进工艺,在正式施工前均应进行超前钻探,探明桩位处的岩溶发育情况、泥浆漏失情况及完整基岩的埋置深度。根据超前钻探资料,对于泥浆漏失严重,半充填或无充填的溶洞,应利用超前钻孔进行预注浆处理,预注浆可采用水泥膨润土浆,采取分段注浆法,直至钻孔不漏失或溶洞充填满为止。

6.3.1冲击钻进

采用十字形钻头或圆形钻头,加大钻头重量,采用泥浆护壁,提高泥浆粘度和比重。基岩层破碎或地层漏失时,可投入粘土连续冲击堵漏,直至穿过岩溶发育区。在岩溶发育区,尤其是存在无充填溶洞时,冲击操作要平稳,冲程宜小不宜大,放绳应少而勤,防止钻头突然下落形成“打空锤”,导致钢丝绳断裂或卡钻事故的发生。在岩溶地层钻进时应及时补焊钻头,防止卡钻。并注意钻孔垂直度的控制,发现钻孔偏斜时,应及时回填块石纠偏。

6.3.2旋挖钻进

利用优质膨润土泥浆护壁钻进,根据岩溶发育情况可选用牙轮或截齿钻头钻进成孔。可通过调整泥浆参数,往泥浆中添加锯末等材料进行堵漏,当遇到未完全充填溶洞时,可通过往孔内回填粘土挤密,或注入水泥浆对溶洞进行充填处理。缺点:钻孔垂直度难以控制,对场地要求高,施工费用较高。

6.3.3全套管钻进

利用全套管护壁,可解决岩溶地层漏漿渗漏难题,同时利用全套管切削钻进,套管内冲击抓取的施工工艺,可解决钻孔偏斜的难题。缺点:费用高昂,对未充填溶洞混凝土的流失问题难以解决。

6.3.4反循环回转钻进

难以解决钻孔偏斜、泥浆漏失等问题,不建议采用。

7结语

钻孔灌注桩遇特殊性岩土时,应认真分析岩土特性,根据施工环境和地质条件选择合理的钻孔设备,优化施工工艺,提高钻孔质量,加快施工进度,确保施工安全。

参考文献:

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[3]曹礼林.全回转全套管设备在特殊环境复杂地层钻孔灌注桩中的应用[J].价值工程,2018,37(09):124-128.

[4]丁红波,王自强.旋挖钻机在深厚卵砾石层超深大直径桩的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2019,46(12):68-72.

[5]王世东.连徐高铁硬岩地层钻孔桩施工技术[J].上海铁道科技,2018(03):98-99.

作者简介:张辉(1979-),男,本科,工程师,长期从事岩土工程施工与咨询工作。

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