深孔泥岩环境桩基设备选型

徐涛 梁磊磊 中交二公局第二工程有限公司

1.工程概况

某桥梁为矮塔斜拉桥，项目位于云贵高原东南斜坡地带，地势西高东低。区域内地貌类型以构造侵蚀低中山和深切河谷山地相间的地貌为主；受地质构造控制、南盘江强烈侵蚀作用及风化营力作用，区内地形复杂，地势起伏较大，沟谷纵横交织发育，谷岭相间发育，地势呈西南高东北低，河流两岸地形起伏较大，山体较破碎，河谷稍缓；由于南盘江期河流水流作用形成深山峡谷地形，河流河道较深且河面宽度较窄的桥区地貌。项目地貌为山地地形地貌，地表沟谷高度发育，切割密度很大，地形支离破碎，切割方向以向下切为主，谷地坡面呈“V”字形，山坡中等，地表具有厚度不大的坡积层，斜坡稳定性一般较差。两个主墩布置于河谷水位变化区域，河谷位于水库库区上游，受水库蓄放水和季节性降水的双重影响制约下，施工区域水位变化十分剧烈，蓄水季和枯水季水位高差可达40m，桩基设计为桩径2.5m的端承式钻孔灌注桩，故需要钻进设备具备100m的最大钻进深度要求。

承台设计采用直径2.5m的钻孔灌注桩，桩基布置为行列式，横、列间距均为5.5m，共设计20根。由于承台为低桩承台，故采用栈桥平台方式进行桩基及后续承台施工。

2.水文地质情况

2.1 地质情况

覆盖层为第四系植物土层、第四系冲湖积层、第四系残坡积层，基岩为三叠系中统兰木组砂质泥岩和三叠系中统版纳组泥岩、钙质泥岩层，即南盘江左岸主要为兰木组砂质泥岩，右岸主要为版纳组泥岩、钙质泥岩。桩基持力层位于泥岩层，主要为砂质泥岩和钙质泥岩两种，此类泥岩具有失水后强度高、脆性大，遇水浸泡后强度变低、但会产生一定的冲击弹性变形。

三叠系中统兰木组砂质泥岩层：强风化砂质泥岩：灰黄、棕黄色，砂～泥质结构，中厚层状构造，钙泥质胶结，矿物成分蚀变显著，节理裂隙很发育，裂隙多呈张开状，裂隙面多附铁锰质氧化膜，且多被泥土充填。岩体极破碎～破碎，岩质软，岩芯呈土状、碎块状，风化碎块手可折断，干钻较难钻进。重型圆锥动力触探试验实测锤击数N63.5=22.1～34.5击，统计修正值为26.5击，属中～低压缩性土，钻探揭示厚度约2.60～25.10m。工程地质中属于IV软岩。

中风化砂质泥岩：青灰、深灰色，砂～泥质结构，中厚层状构造，钙泥质胶结，局部夹薄层粉砂岩，岩体深部可见条带状方解石脉，节理裂隙发育，产状265～295°∠70～80°，可见倾角42°、66°、81°3组，裂隙面附铁锰质氧化膜，沿裂隙面可见次生矿物，岩体多被风化、构造切裂隙割成块状，岩体破碎～较破碎，岩芯多呈5～30cm的块状、柱状。其力学性能在失水和浸泡环境中显著不同，失水时脆性增大、强度增大；浸泡后软化、强度降低。工程地质中属于V类软岩～次坚石。

三叠系中统版纳组（T 2bc）泥岩、钙质泥岩层：强风化硅质泥岩、钙质泥岩：灰黄、棕黄色，泥质结构，薄～中厚层状构造，钙泥质胶结，矿物成分蚀变显著，节理裂隙很发育，裂隙多呈张开状，裂隙面多附铁锰质氧化膜，且多被泥土充填。岩体极破碎～破碎，岩质软，岩芯呈土状、碎块状，风化碎块手可折断，干钻较难钻进。重型圆锥动力触探试验实测锤击数N63.5=19.6～25.2击，统计修正值为21.9击，属中～低压缩性土，钻探揭示厚度约3.30～19.00m。工程地质中属于IV软岩。。

中风化硅质泥岩、钙质泥岩：深灰、灰黑色，泥质结构，薄～中厚层状构造，钙泥质胶结，局部夹薄层泥质粉砂岩或泥灰岩，岩体深部可见条带状方解石脉；节理裂隙发育，产状95～98°∠70～78°，可见倾角45°、68°、80°三组，裂隙面附铁锰质氧化膜，沿裂隙面可见次生矿物，岩体破碎～较破碎，多被风化、构造裂隙切割成块状、碎块状，岩质软，岩块新鲜面指甲可以划痕；岩体完整程度随深程逐渐提高，岩芯多呈5～23cm的碎块状、短柱状。其力学性能在失水和浸泡环境中显著不同，失水时脆性增大、强度增大；浸泡后软化、强度降低。工程地质中属于V 类软岩～次坚石。

2.2 水文环境

南盘江属山区季节性河流，水流补充主要由降雨形成，洪水季节与当地雨季相吻合，枯水季节流量则由周边山体地下水补给，汛期水位变化剧烈且快速，雨季、旱季河流水流量差距明显。桥址所处位置位于库区上游河流，在丰水期蓄水发电并具备通航条件，在枯水期河道水位急剧下降，索塔所处位置干涸裸露，仅剩余河道中间较窄的“V”形河谷。施工期间水位变化可达40m，因地处库区上游，受库区影响水流流速不明显，水面漂流物较少。桥位两岸纵、横坡陡，中部河谷相对较平缓；古河道宽约为90m，目前电站水库蓄水淹没水面宽约为362m。

3.可供选择的主要设备类型

根据桥梁桩基钻进深度和桩长，结合所处位置的具体地质情况，可供选择的钻孔设备主要包括冲击钻、旋挖桩和回旋钻3种钻进类型。

冲击钻利用其钻头自身重量在钻进过程中的冲程形成冲量击碎钻头下方的土体、岩石，并经过其不断往复过程和其中的钻头旋转将较大岩块进行击碎。在此过程中，破碎后的土体一部分在往复冲击过程挤密至钻孔孔壁，用以加固钻孔孔壁，另一部分悬浮于泥浆中，在泥浆循环净化过程中带离钻孔排出。结合项目泥岩地质的特点，将会应用常规的10t冲击钻。

旋挖钻通过钻杆将钻机设备的扭矩传递至钻头之上，在压力和扭矩的共同作用下，使钻头切削土体进入钻头内部，并通过钻头的升降将孔内土体逐一清除并排出钻孔。结合钻头穿越的不同土层类型，旋挖钻机的钻头配置的刀具不同，桥梁桩基施工中主要采用包括筒式取芯钻头、旋挖斗、冲击钻头、冲抓锥钻头和液压抓斗几种。根据项目桩基地质情况，本项目主要应用到筒式取芯钻头和旋挖斗，在土层范围内以旋挖斗作为主要钻进钻头，进入泥岩范围内则需要通过多次取芯扩孔方式进行成孔。

回旋钻机具备旋挖钻的部分特点，其钻头与旋挖斗类似，配置牙轮钻或者滚刀钻能够适用于本项目的泥岩地质，但是，其动力系统主要采用空压机提供的压缩空气驱动钻头旋转切削孔壁泥土，并为钻头提供压力以用于钻进，其钻杆为中空设计，主要起到保护压缩空气的送气管和泥浆循环的孔内主要通道，钻头始终处于孔底连续进行钻进施工。

3.1 冲击钻成孔

不同设备由于其工作原理不同，其施工工艺也不相同。冲击钻机桩基施工过程中，为避免相邻桩基施工扰动土体而塌孔，一般采用隔孔跳打的方式，避免施工过程中出现串孔现象。利用桩基钢护筒作为泥浆循环装置，钻进过程中循环出来的泥浆，首先经泥浆分离器进行浆液和钻渣的分离，分离后的泥浆进入钻进孔中，钻渣则放置于平台上方的渣箱内，经自卸汽车运输至指定弃渣位置。

穿越卵石层或基岩漂石之类的坚硬密实土时冲击钻钻进过程中采用较高冲程(1m左右)，穿越松散砂、砾类土或卵石夹等覆盖层时采用中冲程(0.75m)。钻进过程中遇到孔底不平时，首先利用片石黏土等材料将孔底找平，避免钻进时偏锤、倒锤等意外情况出现。针对强度、密实情况不同的土层，其松绳量不同，强度较低软土地层松绳量5～8cm，在强度较高的岩层、坚硬土层中松绳量应适度降低至3～5cm。

钻进过程中，应避免孔底沉渣过厚从而影响钻进效率，当沉渣厚度达到一定程度而泥浆循环无法有效清理孔底沉渣时，需要利用沉渣桶将沉渣捞出，从而使钻头直接锤击孔底需钻进的土体，避免沉渣消耗冲击能降低钻进效率，同时能保证成孔质量，保证成孔垂直度和圆度。

3.2 旋挖钻成孔

旋挖钻机自动化程度高，自动显示仪表显示钻进深度，根据每循环进尺记录判断是否装满。本工程地质主要为炭质泥岩和硅质泥岩，其强度较小，故采用筒式钻头，考虑到钻进过程中钻头与孔壁之间摩擦而导致的磨损以及过程偏位影响成孔质量，钻头直径采用大于桩基直径（2cm）。钻机准确定位对中后，首先将制备好的泥浆灌注孔内，然后进行钻孔。根据仪表显示到达预定深度后，经钻杆对钻头施加压力并旋转，将土切削并挤入钻头内，通过反向转动钻头使钻头底部活页关闭，提升钻头将钻渣转移至渣箱并运输。由于旋挖钻基本无造浆能力，在成孔施工过程中，需要保持泥浆性能指标，通过不间断的泥浆循环达到悬浮钻渣并使孔内泥浆性能满足护壁要求。同时，为降低孔壁泥浆膜稳定，泥浆面需要高于外界水位2m左右，降低泥浆渗透速度。进入致密泥岩中采用同心不同直径的筒状钻头多次开挖成孔。

3.3 回旋钻成孔

钻孔前，首先往孔内灌注制备好的泥浆，通过循环措施逐步替换孔内清水，使之具备开钻条件。为进一步增加钻杆及钻头施加于孔内土体的压力，通过配重增加钻杆重量，同时在重力的作用下保证钻杆始终处于铅垂线。准确定位钻头、钻杆及桩基设计中心点，过程中不断检查修正以确保成孔垂直度满足设计与规范的要求。

开钻前，首先打开空压机进行钻杆至孔底通风，使钻头周边产生气泡以降低钻头与土体之间的静摩擦力，待孔内泥浆表面出现均匀气泡后打开钻头旋转钻进。同样在停止钻进时首先停钻，继续通风一段时间后关闭空压机，此过程能否促使泥浆循环系统持续工作，待循环出的泥浆无钻渣且泥浆均匀后关闭空压机、提起钻头。过程中因故停机、更换钻杆时均需按此工艺要求进行。每次新开钻和更换钻杆均需对钻杆进行水密性检查，保证各连接构件的水密垫圈等设施完好、接头可靠，保证泥浆循环始终可控，从而进一步保证钻进速度和过程中泥浆护壁质量。

4.综合对比情况

4.1 设备适用性对比

冲击钻作为适用范围最广泛的钻机设备，适用于大部分土层地质，同时，由于其钻进原理带来的孔壁挤密作用，对加固孔壁、防止塌孔起到很好的辅助作用。冲击钻在冲击成孔过程中依靠冲程带来的势能转化为钻孔冲击能，不受钻孔深度的影响，其钻进深度理论上能满足各种深度桩基施工需要。但是，在施工泥岩地质桩基过程中，孔底泥岩需长时间接受泥浆中水的浸泡作用，泥岩的力学性能产生较大的变化，使干燥状态具备脆性的特点转化为具备一定的弹性，抵消钻头的冲击势能，钻进效率降低。冲击钻能够满足本项目施工需要，但是施工功效不理想。

旋挖钻进取土过程中无造浆功能、孔壁稳定性差，主要适用于不透水层或透水性较差的地质施工，若需要其在透水性较好的砂层、砂砾层地质桩基施工时，则要单独配置泥浆制备设备，同时泥浆质量要求较高，本项目桩基地质穿越黏土层和泥岩层，均为不透水土层，能够使用旋挖钻进行钻进施工。但旋挖钻设备动力依靠钻杆传递至钻头中，在钻进深度方面存在不足，一般设备主要适用于100m以内的桩基施工，在超深钻孔过程中由于钻杆形变将损耗部分动力，同时本项目桩基持力层为泥岩，钻进所需扭矩巨大，需要400kN·m以上的设备才能满足要求。

回旋钻在钻进深度和适用土层两方面能够满足项目桩基施工需要，但是其使用配套空压机需要较大功率空压机，对电力供应方面存在较高要求，项目地处山区，电力供应相对紧张，若能解决电力供应问题，回旋钻机将会是最优选择。

4.2 经济性对比

冲击钻设备简单，主要包括卷扬机、机架和冲击锤3部分，整体造价低，使用摊销成本相较也最低。旋挖钻机设备集成程度最高，造价及使用摊销最大，但是其施工效率最快，综合工期和单价两方面，其具备较大优势，但是，本项目所需设备性能要求高，加之项目地处山区，拆装和转运费用不能避免，其总体经济性一般。回旋钻机在设备结构和综合单价两方面介于上述设备之间，具备一定的优势。

4.3 进度可控性比较

从成孔速度方面进行对比，旋挖钻机成孔效率最高，在此种地质条件下，泥浆护壁要求低，进度制约因素主要孔底岩石强度，而泥岩强度普遍较低，旋挖钻机工作压力能够达到30MPa以上，施工效率最高。同样因为泥岩遇水后的力学性能变化，冲击钻在钻进过程中产生较大能量损耗，冲锤接触孔底岩面后的反弹使钻进效率出现较大降低，其钻进功效在此三种钻机中处于最低。回旋钻机依靠钻头旋转和加压实现孔内钻进，无须考虑泥岩遇水后的力学性能变化，在强度较低的泥岩桩基施工中具备优势。

5.结语

桩基成孔设备选择是决定桩基施工整体效益的关键因素，在选择过程中需要兼顾进度与成本两个方面，同时考虑项目所处的施工环境。在控制性桩基施工过程中优先以进度作为主控，同样非控制桩基则以经济性作为优先控制。结合工程所处具体环境和地质，选择合适的设备进行桩基钻进施工。本项目桩基处于泥岩土层，该地质介于土质和岩石之间，其力学性能和钻进深度决定设备选型。谨以本项目所遇到的具体施工比选为例，以期为类似工程提供帮助。