大粒徑和高含量卵碎石地層鉆孔施工
2009-09-28
摘要：橋梁等鉆孔樁基礎(chǔ)遇到地質(zhì)特征為超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地層時(shí)，鉆孔過程中極易造成坍孔、擴(kuò)孔，采用一系列嚴(yán)格的施工工藝，選擇合適的鉆機(jī)類型、成孔方法，提前對地層進(jìn)行注漿加固處理等措施，可使坍孔、擴(kuò)孔大大減少，成孔率提高。
關(guān)鍵詞：卵碎石地層 鉆孔施工 坍孔 擴(kuò)孔 注漿
現(xiàn)以浙江臨海靈江特大橋主橋7＃墩鉆孔樁施工為例，來介紹大粒徑和高含量卵碎石超厚地層的鉆孔施工。
1 工程概況
靈江大橋全長1687.02米，跨越臨前公路、靈江和104國道。橋梁分左右幅，其主墩7#墩共14根鉆孔樁,設(shè)計(jì)樁徑為1.8米，為摩擦樁，設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高為-80.0米，樁頂標(biāo)高為1.8米。
2 水文、地質(zhì)特征
2.1 水文：靈江特大橋橋址水文特征既受逕流作用，也受潮流影響，靈江潮汐為不規(guī)則半日潮，漲潮流速1.3～2.0m/s，落潮流速1.2～1.5 m/s，漲潮歷時(shí)4.5h, 落潮歷時(shí)7.5h,最高潮位6.25 m，最低潮位-2.53m，一般潮位3.95m，一般低潮位-1.90m，一般高潮位5.00m。
2.2 地質(zhì)：7#墩上部土層主要為淤泥質(zhì)土，下部以卵、碎石土為主，含漂石或塊石，底部為風(fēng)化凝灰?guī)r，基巖面標(biāo)高達(dá)-91.1m。河床面至-13.40m為粉砂，-13.40m至-28.20m為淤泥質(zhì)粘土，-28.20m至-87.00m為含卵碎石50～80%的卵碎石層，部分卵石粒徑大于30cm。由地質(zhì)資料和起初鉆孔施工情況，確定該墩位處的地質(zhì)特征屬超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地層，鉆孔過程中極易造成坍孔。
3 鉆孔施工
3.1 鉆機(jī)選型：根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，采用沖擊法鉆孔，對于卵碎石土層其成孔深度一般在70米以內(nèi)，采用氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔時(shí)其深度可達(dá)120米，但其土層的卵石粒徑小于鉆桿內(nèi)徑的2/3或含少于20%的卵碎石土。7#墩地質(zhì)條件指標(biāo)均超出上述范圍，目前國內(nèi)還沒有針對該類地質(zhì)情況的鉆孔設(shè)備。為了保證在超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地質(zhì)條件下超長鉆孔樁的施工質(zhì)量，我單位采用以旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)（KPG-3000型）為主，沖擊反循環(huán)鉆機(jī)（CJF-20型）為輔的聯(lián)合成孔的施工方案，CJF-20型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)破碎大直徑卵碎石，其鉆進(jìn)高程宜控制在-50.00m以內(nèi)，主要考慮到含漂石、塊石、卵碎石地層中鉆孔易卡鉆、掉鉆、塌孔埋鉆頭等，發(fā)生此類事故處理較復(fù)雜，并且耽誤工期，因此控制沖擊鉆沖擊深度。待鉆進(jìn)高程達(dá)-50.00m左右時(shí)，改用KPG-3000型旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，進(jìn)行氣舉反循環(huán)鉆孔，對于解決深層鉆孔比較有利。
3.2 護(hù)筒埋設(shè)：為固定樁位，導(dǎo)向鉆頭，隔離地面水，保護(hù)孔口地面及提高孔內(nèi)水頭，增加對孔壁的靜壓力，以利鉆孔護(hù)壁防坍塌，于鉆孔前埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒的埋置深度以嵌入穩(wěn)定土層，鉆孔時(shí)護(hù)筒口不坍塌為原則。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及規(guī)范要求確定7#墩護(hù)筒底標(biāo)高-29.2m。壁厚按施工中震動(dòng)打樁機(jī)插打時(shí)受力的需要確定，因采用中-160震動(dòng)打樁機(jī)，擬采用直徑Ф2500mm，臂厚δ=16mm的鋼護(hù)筒。為保證護(hù)筒的垂直度，插打之前先在平臺(tái)頂面和底面分別焊一層導(dǎo)向架，插打過程中嚴(yán)格控制垂直度，要求垂直度%26lt;1%。
3.3 鉆孔施工：
3.3.1 CJF-20型沖擊鉆機(jī)開孔：沖擊鉆開孔時(shí)，向護(hù)筒內(nèi)倒入小片石夾粘土混合物（比值約1：1），用沖擊錐以小沖程反復(fù)沖擊造漿，泥漿指標(biāo)達(dá)到要求后開始沖擊進(jìn)尺；當(dāng)沖擊鉆進(jìn)到護(hù)筒底口時(shí)，仍需向泥漿中投入小片石，以小沖程高頻率反復(fù)沖擊，其目的是使泥膏、小片石擠入孔壁，使護(hù)筒至卵碎石層之間形成圓順、堅(jiān)實(shí)的過渡段；進(jìn)入卵碎石層后，加入大比重（γ=1.3）、高質(zhì)量泥漿和少量水泥，采用重錘導(dǎo)向沖擊法鉆孔，使卵碎石層形成堅(jiān)硬的孔壁，防止塌孔，直至鉆到高程-50.00m左右。
3.3.2 KPG-3000型反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)：旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的鉆頭直徑宜比沖擊鉆機(jī)的鉆頭直徑小2～5cm，以形成上大下小的孔徑過渡。因土層軟硬不均，鉆頭跳動(dòng)、鉆頭擺動(dòng)加大和鉆頭偏斜等現(xiàn)象，易使鉆機(jī)因超負(fù)荷而損壞，鉆進(jìn)時(shí)采用優(yōu)質(zhì)泥漿、重錘導(dǎo)向減壓鉆進(jìn)法，可減少斜孔、彎孔和擴(kuò)孔現(xiàn)象，保證鉆孔垂直度，保證成孔質(zhì)量。采用減壓鉆進(jìn)法，應(yīng)隨時(shí)掌握鉆具（鉆桿、配重塊等）的重量，使鉆桿始終在受拉狀態(tài)下進(jìn)行工作。
鉆壓選定:根據(jù)本橋基巖種類和單軸極限強(qiáng)度的不同,鉆頭刃口線壓強(qiáng)選為q=160/220kgf/cm2,
鉆壓值： P=∑τ*q
=1.5*90*160=21600kg=21.6t。
式中, ∑τ=1.5R，R為鉆頭半徑90cm。
鉆頭加配重重量值： Q=7.85P/[a*(7.85-γ)]
=37.0t
式中, Q 為鉆頭和配重重量(t)
P 為鉆頭加到孔底的鉆壓
γ 為泥漿比重(取1.3tf/ cm3)
a 為減壓系數(shù),取0.7。
3.3.3 水頭控制：為保證孔壁的穩(wěn)定性，在整個(gè)鉆孔作業(yè)中，護(hù)筒內(nèi)泥漿面一定要保持高出護(hù)筒外江水2～3m，由于鉆孔作業(yè)在潮水漲落較大處施工，為此應(yīng)取動(dòng)態(tài)法施工工藝，使護(hù)筒內(nèi)外水頭差始終不低于2m?，F(xiàn)場采用泥漿船內(nèi)泥漿面定高控制，與護(hù)筒內(nèi)用泥漿管連通。
3.3.4 認(rèn)真研究鉆頭的刀具刀型，7#墩采用盤齒刀具與楔齒刀具相結(jié)合的形式，有利于破碎較大粒徑漂石和塊石。
3.3.5 掏渣：對原來的鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)渣管為φ30cm的直管兩側(cè)開φ20cm的孔，進(jìn)渣口布置4把盤齒刀，間隙為20cm，防止粒徑大于20cm的卵石進(jìn)入鉆桿內(nèi)造成堵管。每進(jìn)尺0.5～1.0m掏渣一次，一般取渣到泥漿內(nèi)含渣顯著減少，相對密度恢復(fù)正常為止。
3.3.6 泥漿控制：卵碎石地層泥漿性能指標(biāo)要求鉆孔采用復(fù)合泥漿，復(fù)合泥漿用粘土、膨潤土、Na2OH和CMC調(diào)劑，粘土的塑性指數(shù)大于15，膨潤土為鋼質(zhì)膨潤土。泥漿配比為：水1000kg、粘土200kg、膨潤土100kg、CMC1.5 kg和Na2OH 1.5kg。泥漿指標(biāo)要求為：相對密度（比重）1.30~1.45，粘度23~28秒，靜切5-7Pa，含沙率＜4%，膠體率＞95%，失水率＜15ml/30min，泥皮≤3mm，PH值8-10。
終孔時(shí)泥漿相對密度可以適當(dāng)降低，但不宜小于1.15，PH值宜控制在8～10；含沙率＜2%；沉渣厚度符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。
當(dāng)達(dá)不到上述要求時(shí)，可在泥漿中摻入碳酸鈉（Na2CO3）、氫氧化鈉（NaOH）或膨潤土粉沫，摻量由實(shí)驗(yàn)決定。在泥漿試配階段，上述指標(biāo)要全部測定。施工階段，現(xiàn)場測定相對密度、含沙率、PH值，每小時(shí)檢測一次，不符合以上標(biāo)準(zhǔn)時(shí)及時(shí)調(diào)整。其余指標(biāo)視具體情況抽檢測定。
3.3.7 氣舉反循環(huán)
掌握氣舉反循環(huán)法泥漿循環(huán)量與排渣能力的關(guān)系。根據(jù)施工平臺(tái)的高程（+5.5m）、施工水位、鉆機(jī)鉆盤頂?shù)母叱?，通過公式：q0=γh/23·η·log[（γH +h）/h]計(jì)算出提升1m3泥漿需要的壓氣量（按終孔深度計(jì)）。
泥漿循環(huán)量Q=900π·Dp2·Vp/（1+q0）
從而得出所需壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量大?。篞風(fēng)=Q·q0/60（m3/min）
式中：
q0：提升1m3泥漿所需的壓氣量（米3/米3）
γ：泥漿相對密度（比重）（噸/米3）
h：護(hù)筒內(nèi)泥漿面到排漿口的高度（即揚(yáng)程）（米）
H：護(hù)筒內(nèi)泥漿面到氣室的高度（即吸程）（米）
η：壓氣提升有效系數(shù)，由揚(yáng)程h和吸程H決定。即吸入系數(shù)α=H/（H+h）
Q：泥漿循環(huán)量（米3/時(shí)）
DP：鉆桿內(nèi)徑（米）
VP:泥漿、巖屑、空氣混合液在水龍頭處噴出速度（當(dāng)揚(yáng)程h=10米，吸程H=55米，γ=1.25時(shí)，VP=8米/秒）（米/秒）
α與η的關(guān)系表：
α
0.30
0.40
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.90
η
0.37
0.44
0.50
0.54
0.57
0.59
0.60
0.62
0.63
0.64
3.3.8 鉆進(jìn)中認(rèn)真研究，記錄轉(zhuǎn)速、扭矩及鉆進(jìn)速度三者之間的關(guān)系，避免轉(zhuǎn)速太大，對孔壁沖刷過大，造成塌孔、擴(kuò)孔及對刀具嚴(yán)重磨損現(xiàn)象,以及因?yàn)槿锌谧饔糜趲r石上的時(shí)間太短，硬巖石不易破碎，從而影響進(jìn)尺。
4 施工中遇到的主要問題
雖然在施工中采取了一系列嚴(yán)格的技術(shù)措施，并選用CJF-20和KPG-3000型鉆機(jī)聯(lián)合鉆孔施工，但由于地層中卵石含量太高，粒徑超大，層厚超深，在成孔過程中仍無法形成有規(guī)則的孔壁，擴(kuò)孔很大，泥漿無法起到護(hù)壁作用。在最初開鉆的幾個(gè)孔中，有三根樁沖擊鉆鉆至-40m或-50m左右坍孔，一根鉆至-72.3m坍孔，一根鋼筋籠安裝完準(zhǔn)備清孔時(shí)坍孔。大卵石難以破碎而堵鉆桿、孔壁坍塌等嚴(yán)重問題不斷發(fā)生，在成孔過程中每根樁均出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿，有的擴(kuò)孔率達(dá)100％以上，成孔效率很低，施工風(fēng)險(xiǎn)很大。
5 注漿施工
為了解決漏漿嚴(yán)重、易坍孔擴(kuò)孔現(xiàn)象，對該特殊地質(zhì)問題專門成立技術(shù)小組，并請教了一些這方面的資深專家，進(jìn)行深入細(xì)致的研究，最后確定在鉆孔前采取對地層進(jìn)行鉆小孔注水泥漿加固措施。
現(xiàn)將注漿施工方法介紹如下：
5.1 注漿孔布置：在鉆孔樁中心位置布置一根鉆至-70.0至-80.0m高程的注漿孔，另在鋼護(hù)筒外側(cè)約0.5m處對稱布置兩根鉆至-50.0高程的注漿孔。
5.2 鉆小孔鉆機(jī)的選擇：因?yàn)樽{孔要穿透含大塊石、漂石、易坍孔的高含量卵石地層，必須選擇大扭矩、超鉆深的大型工程地質(zhì)鉆機(jī)，本工程選用鉆巖深度可達(dá)1000米的JY-1000型的地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行注漿孔的鉆進(jìn)。
5.3 注漿孔鉆孔施工：首先插打內(nèi)徑10cm、壁厚6mm的鋼套管至-25m左右，保證鋼管垂直度在5‰以內(nèi)，起鉆小孔導(dǎo)向作用以及避免泥水進(jìn)入鋼護(hù)筒，利用JY-1000型工程地質(zhì)鉆機(jī)配置金剛石鉆頭和加強(qiáng)鉆桿（鉆頭直徑大于鉆桿直徑5-10cm），在鋼管內(nèi)鉆小孔，當(dāng)鉆機(jī)扭矩達(dá)到最大時(shí)，停止鉆進(jìn)，利用鉆桿先注漿待水泥漿終凝后再繼續(xù)鉆進(jìn)，直至達(dá)到需要的深度，此時(shí)注漿是為防止孔壁坍塌。一般鉆至樁底標(biāo)高-80米需分二次完成，鉆孔的全過程均利用注漿機(jī)向鉆桿內(nèi)注入江水循環(huán)，防止鉆頭鉆進(jìn)中堵管。
5.4注漿施工：首先選用具有3.0～5.0MPa壓力的雙液壓注漿機(jī)和3～5m3/h攪拌量的攪拌機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)配制水泥漿，水灰比為0.6，為方便施工，降低水泥漿注入卵石層的強(qiáng)度，加入適量的膨潤土，摻量為水泥的30%，7天強(qiáng)度為10MPa左右，注漿時(shí)利用鉆桿從下往上注入水泥漿，水泥漿由鉆頭的出漿口噴出，注漿量一般為2.0～3.0m3/m。
6 注漿后鉆孔施工效果
卵石層注入水泥漿后，形成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)層，在后來的鉆孔過程中，克服了漏漿、坍孔現(xiàn)象，卵石破碎比例增大，堵管現(xiàn)象大為減少，擴(kuò)孔率降低30%左右，剩余的9根樁鉆孔順利，成樁質(zhì)量較好。
7 結(jié)束語
本橋采用沖擊鉆和旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)聯(lián)合成孔，鉆孔前先進(jìn)行注漿施工，對于超深厚、大粒徑、高含量卵石地層鉆孔施工是一種探索，取得了較好效果，希望對該類地層的鉆孔施工提供參考。
參考文獻(xiàn)：1、靈江特大橋設(shè)計(jì)、施工及地質(zhì)資料
2、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》
3、《鉆孔樁施工》（QB MBEC1001-2004）
