超前钻在岩溶地区的工程应用

宋均国，吴从辉，徐清清

（1.核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司，浙江 湖州 313000；2.核工业井巷建设集团有限公司，浙江 湖州 313000）

岩溶发育地区地质勘察中超前钻是一种非常有效的勘察手段，尤其是在桩基础施工时最为关键。超前钻探的主要目的为查明桩端以下岩溶发育情况，为确定钻孔位置基桩合理入岩深度及桩长提供依据。岩土工程勘察中XY-1钻机应用最为普遍，但是对于岩溶发育较为复杂的地质环境，勘察时存在危险性、施工难度大、周期长及效率低等困难。

本文将长兴县某实际工程作为研究背景，通过现场试验发现，在复杂的岩溶地区可以采用两种不同型号钻机进行联合应用，可以有效地提高了工作效率、缩短工期以及保证工程安全性和取芯完整性。

1 工程概况

长兴县某工程位于水泥工厂内，拟建占地面积750m2、总建筑面积1800m2；拟建辊压机房高度30.0m，4层钢筋混凝土框架结构；向管支架高度50.0m，钢框架结构；钢廊支架高度20.0m，钢支架。对于辊压机房有特殊设备基础要求以及存在动荷载。本工程采用冲击成孔灌注桩作为桩基础，直径为1.0m 和1.2m 两种，共布置20个桩位。

1.1 地质条件

场地区域构造体系主要为长兴—广德褶皱系南东的煤山复式向斜，煤山复式向斜轴向北偏东500，长约12km，区内褶皱发育，新构造运动不明显，地震活动微弱，无活动断裂穿越，抗震设防烈度为6度，场地地基稳定性较好。

经野外钻探、现场原位测试及室内土工试验等资料的综合分析，场地勘探孔控制深度范围内地层共分五个大层、六个地质层组，现分述如下：

第1层：杂填土。颜色较杂，以褐色为主，松散状，以棱角分明的碎石和粘性土为主，碎石与粘性土混杂一起，碎石大小不一，0.5～7.0cm 不等。表层为厂区混凝土地面。该层分布全场地。

第2 层：含粉质粘土碎石。灰黄—灰白色，中密状态，碎石间以粘性土及砂充填；碎石颗粒直径1.0～6cm之间，个别达20cm，碎石成分为灰岩，棱角分明，粘性土含量约占20%～30%，砂含量约占20%左右；实测重型动力触探试验击数N63.5=17～38击/10cm，平均击数N63.5=26.8击/10cm；该层分布全场地。

第3层：含角砾粘土。黄褐色，饱和，硬可塑状，约含25%～35%的角砾，颗粒直径0.2～2.0cm，角砾成分以灰岩、砂岩为主，棱角分明；摇振反应无，土面有油脂光泽，干强度高，韧性高；该层分布全场地。

第4 层：含角砾粘土。灰黑色，饱和，流塑—软塑状，含大量角砾、碎石及未风化、熔蚀完全的块状灰岩；该层具红粘土特性；摇振反应无，土面有油脂光泽，干强度高，韧性高；该层分布于部分场地。

第5 层：破碎中风化灰岩。灰—灰白色、肉红色，湿，坚硬，岩芯以破碎块状为主，少量柱状，岩芯表面多见溶蚀痕迹，多表现为溶隙、溶槽，岩芯随埋深的增加而逐渐过度为柱状为主。

第6 层：中风化灰岩。灰白色，坚硬，岩芯多为柱状，局部少量块状，钻探进尺较慢，钻探过程中较为平稳，岩芯采取率80%以上。结构构造清晰，矿物部分变化，裂隙较发育，随埋深逐渐减少，裂隙面附近矿物风化痕迹明显。

1.2 水文条件

据地质勘察资料，场地地下水存在三类地下水，即孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶水。

（1）孔隙潜水。据地质勘察资料，场地地下水为孔隙潜水。主要赋存于浅部土层中，其渗透性弱。潜水主要接受大气降水的入渗补给，以垂直蒸发排泄为主。勘察期间实测水位埋深在4.80～6.50m[相当于85国家高程（二期）75.60～77.70m]之间。地下水位受大气降水及季节影响有一定变幅，年水位变化约1.0～2.0m。

（2）基岩裂隙水。基岩裂隙水赋存于风化基岩裂隙中，主要接受相邻地层入渗补给，以地下径流为主要排泄途径，富水性随基岩裂隙发育程度有差异，总体水量贫乏。

（3）岩溶水。岩溶水赋存于碳酸盐岩（灰岩）中的溶隙、溶洞中，主要接受上部地层入渗补给，以地下径流为主要排泄途径，富水性随岩溶的发育程度及平面分布有差异，总体水量贫乏。

初步勘察报告中提到，因场地内大部分位置含有串珠型溶洞，若采用桩基础应做单桩施工勘察。以详细查明各桩位岩面埋深、溶洞发育情况及持力层厚度，桩基础施工时桩端必须穿越溶洞，并全断面嵌入岩，确保桩端下有5.0m+1 倍桩径厚度的完整基岩。现场施工如图1所示。

图1 现场照片

2 超前钻施工工艺

2.1 工艺原理

超前钻属于施工勘察，主要是针对岩溶地区的基桩，在成桩之前采用钻探方法探明桩底基岩情况。勘探深度应不小于桩底以下3倍桩径并不小于5.0m。勘察孔位基本上是一桩一孔、大桩多孔。采用机械成孔并取样，现场做好编录以及送样进行室内实验分析。

2.2 HDL-160K钻机和XY-1钻机联合应用

（1）施工准备。根据甲方提供设计图纸及相关要求，制定合理的施工方案。沟通协调确定采用HDL-160K 钻机和XY-1 钻机同时施工，钻机、货车及相关辅助设备同时进场。后期视工程实际情况变化，适当改变施工工艺，以确保勘察结果合理有效。安排进场1台HDL-160K钻机和3台XY-1钻机。

（2）测量定位。根据设计单位提供的总图图示坐标，用GPS 全球定位系统RTK 测量定位。基准点为甲方提供的相对坐标，本次测量定位采用85国家黄海高程，54 坐标系统，水平位置偏差小于20mm，标高误差小于20mm；并采用竹签插入土中以及在竹签上用标记笔标记好孔位号，确保施工过程中清晰可见。同时在施工过程中，需要对各个点位的位置进行复核，确保工程顺利施工。

（3）HDL-160K钻机施工。HDL-160K多功能履带钻机具有强大的动力性、多样的钻具应用性、灵活的机动性以及钻进过程可不用提钻、直接磨碎冲洗钻具内岩芯。首先是根据前期勘察的报告以及当地施工经验，采用直径146mm 钻具进行开孔并钻进；设计要求直接取5.0m+1倍桩径厚度的完整基岩，因此本台钻机在基岩面以上不需取样，也是本台钻机一大优点，强大动力以及冲洗研磨功能，可以直接钻进到基岩面。另外需要XY-1钻机进行基岩的取芯功能，此时利用XY-1钻机完整取样的优势。HDL-160K 钻机的钻具留在钻孔内作为XY-1钻机的套管护壁。

（4）XY-1 钻机施工。对于钻进到基岩面时，采用XY-1钻机使用金刚石、复合片以及随着深度的不断增加而改变钻具直径的大小以适应取芯效果。每个回次钻进小于2.0m，岩芯采取率85%左右，钻探深度达到桩端连续稳定的中风化岩石面以下5.0m+1 倍桩径厚度的完整基岩。如果遇到相邻桩底持力层起伏变化较大的情况，钻探深度可适当加深。

（5）HDL-160K钻机与XY-1钻机联合施工。HDL-160K 钻机钻进基岩面时，钻杆留在钻孔中，然后移至下一个孔位继续钻进；此时XY-1钻机利用前面钻机留下的钻杆作为护壁装置，108mm 钻具进行开孔至2.0m，接着用91mm钻具钻进基岩取样，如果是较深孔位，再往下钻进将采用75mm钻具取芯。

3 项目实施效果

本工程孔位20个，总进尺527.3m，于2019年12月18 日进场，于2020 年1 月2 日出场，历时15d。先后开动3 台XY-1 型钻机，1 台HDL-160K 多功能履带钻机。钻探过程中上部覆盖层不取芯，上部填土跟管钻进、全孔泥浆护壁。溶洞变化复杂以及桩径较大，选定了5 个特殊孔位进行了补钻。现场情况统计，平均一天1 台HDL-160K 多功能履带钻机可以开孔3～5 个桩位，1 台XY-1 型钻机可以在前者钻具护壁情况下钻进取芯一个桩位。其中有两个桩位深度分别是Z7 孔位钻进深度72.0m、Z15 孔位钻进深度66.0m（见图2），先用HDL-160K 多功能履带钻机钻进到完整基岩面，再采用XY-1 型钻机进行取芯，共同作用下仅用3d 时间完成取芯任务。如果采用XY-1型钻机，需要反复提钻取芯，工作时间长达一个星期之久。有了HDL-160K多功能履带钻机，可以有效地提高了工作效率，保证了施工安全。

图2 钻孔柱状图

4 结语

岩溶发育地区基桩进行超前钻是非常有必要的，对桩基工程也是最重要的检验手段。

本文以岩溶地区某待建工程为背景，将HDL-160K钻机与XY-1钻机联合应用于实际工程中，重点介绍了超前钻施工工艺。通过现场实施效果分析可知，在确保施工安全、可靠的前提下，加快了施工速度、保证了取芯样品的可靠性。此工程的应用可为类似工程施工提供借鉴和参考。