大粒徑和高含量卵碎石地層鉆孔施工
2009-09-28 
摘要:橋梁等鉆孔樁基礎遇到地質特征為超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地層時,鉆孔過程中極易造成坍孔、擴孔,采用一系列嚴格的施工工藝,選擇合適的鉆機類型、成孔方法,提前對地層進行注漿加固處理等措施,可使坍孔、擴孔大大減少,成孔率提高。 關鍵詞:卵碎石地層 鉆孔施工 坍孔 擴孔 注漿 現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,設計樁徑為1.8米,為摩擦樁,設計樁底標高為-80.0米,樁頂標高為1.8米。 2 水文、地質特征 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4.5h, 落潮歷時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:7#墩上部土層主要為淤泥質土,下部以卵、碎石土為主,含漂石或塊石,底部為風化凝灰?guī)r,基巖面標高達-91.1m。河床面至-13.40m為粉砂,-13.40m至-28.20m為淤泥質粘土,-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。由地質資料和起初鉆孔施工情況,確定該墩位處的地質特征屬超深厚、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 鉆機選型:根據已有經驗,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,采用氣舉反循環(huán)回轉鉆機鉆孔時其深度可達120米,但其土層的卵石粒徑小于鉆桿內徑的2/3或含少于20%的卵碎石土。7#墩地質條件指標均超出上述范圍,目前國內還沒有針對該類地質情況的鉆孔設備。為了保證在超深厚、大粒徑、高含量卵碎石地質條件下超長鉆孔樁的施工質量,我單位采用以旋轉鉆機(KPG-3000型)為主,沖擊反循環(huán)鉆機(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)鉆機破碎大直徑卵碎石,其鉆進高程宜控制在-50.00m以內,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雜,并且耽誤工期,因此控制沖擊鉆沖擊深度。待鉆進高程達-50.00m左右時,改用KPG-3000型旋轉鉆機,進行氣舉反循環(huán)鉆孔,對于解決深層鉆孔比較有利。 3.2 護筒埋設:為固定樁位,導向鉆頭,隔離地面水,保護孔口地面及提高孔內水頭,增加對孔壁的靜壓力,以利鉆孔護壁防坍塌,于鉆孔前埋設護筒。護筒的埋置深度以嵌入穩(wěn)定土層,鉆孔時護筒口不坍塌為原則。根據現場地質條件及規(guī)范要求確定7#墩護筒底標高-29.2m。壁厚按施工中震動打樁機插打時受力的需要確定,因采用中-160震動打樁機,擬采用直徑Ф2500mm,臂厚δ=16mm的鋼護筒。為保證護筒的垂直度,插打之前先在平臺頂面和底面分別焊一層導向架,插打過程中嚴格控制垂直度,要求垂直度%26lt;1%。 3.3 鉆孔施工: 3.3.1 CJF-20型沖擊鉆機開孔:沖擊鉆開孔時,向護筒內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沖擊造漿,泥漿指標達到要求后開始沖擊進尺;當沖擊鉆進到護筒底口時,仍需向泥漿中投入小片石,以小沖程高頻率反復沖擊,其目的是使泥膏、小片石擠入孔壁,使護筒至卵碎石層之間形成圓順、堅實的過渡段;進入卵碎石層后,加入大比重(γ=1.3)、高質量泥漿和少量水泥,采用重錘導向沖擊法鉆孔,使卵碎石層形成堅硬的孔壁,防止塌孔,直至鉆到高程-50.00m左右。 3.3.2 KPG-3000型反循環(huán)鉆機鉆進:旋轉鉆機的鉆頭直徑宜比沖擊鉆機的鉆頭直徑小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、鉆頭擺動加大和鉆頭偏斜等現象,易使鉆機因超負荷而損壞,鉆進時采用優(yōu)質泥漿、重錘導向減壓鉆進法,可減少斜孔、彎孔和擴孔現象,保證鉆孔垂直度,保證成孔質量。采用減壓鉆進法,應隨時掌握鉆具(鉆桿、配重塊等)的重量,使鉆桿始終在受拉狀態(tài)下進行工作。 鉆壓選定:根據本橋基巖種類和單軸極限強度的不同,鉆頭刃口線壓強選為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,取0.7。 3.3.3 水頭控制:為保證孔壁的穩(wěn)定性,在整個鉆孔作業(yè)中,護筒內泥漿面一定要保持高出護筒外江水2~3m,由于鉆孔作業(yè)在潮水漲落較大處施工,為此應取動態(tài)法施工工藝,使護筒內外水頭差始終不低于2m?,F場采用泥漿船內泥漿面定高控制,與護筒內用泥漿管連通。 3.3.4 認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:對原來的鉆頭進行改進,進渣管為φ30cm的直管兩側開φ20cm的孔,進渣口布置4把盤齒刀,間隙為20cm,防止粒徑大于20cm的卵石進入鉆桿內造成堵管。每進尺0.5~1.0m掏渣一次,一般取渣到泥漿內含渣顯著減少,相對密度恢復正常為止。 3.3.6 泥漿控制:卵碎石地層泥漿性能指標要求鉆孔采用復合泥漿,復合泥漿用粘土、膨潤土、Na2OH和CMC調劑,粘土的塑性指數大于15,膨潤土為鋼質膨潤土。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。 終孔時泥漿相對密度可以適當降低,但不宜小于1.15,PH值宜控制在8~10;含沙率<2%;沉渣厚度符合設計與規(guī)范要求。 當達不到上述要求時,可在泥漿中摻入碳酸鈉(Na2CO3)、氫氧化鈉(NaOH)或膨潤土粉沫,摻量由實驗決定。在泥漿試配階段,上述指標要全部測定。施工階段,現場測定相對密度、含沙率、PH值,每小時檢測一次,不符合以上標準時及時調整。其余指標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)量與排渣能力的關系。根據施工平臺的高程(+5.5m)、施工水位、鉆機鉆盤頂的高程,通過公式:q0=γh/23·η·log[(γH +h)/h]計算出提升1m3泥漿需要的壓氣量(按終孔深度計)。 泥漿循環(huán)量Q=900π·Dp2·Vp/(1+q0) 從而得出所需壓風機風量大?。篞風=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:護筒內泥漿面到排漿口的高度(即揚程)(米) H:護筒內泥漿面到氣室的高度(即吸程)(米) η:壓氣提升有效系數,由揚程h和吸程H決定。即吸入系數α=H/(H+h) Q:泥漿循環(huán)量(米3/時) DP:鉆桿內徑(米) VP:泥漿、巖屑、空氣混合液在水龍頭處噴出速度(當揚程h=10米,吸程H=55米,γ=1.25時,VP=8米/秒)(米/秒) α與η的關系表: 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 鉆進中認真研究,記錄轉速、扭矩及鉆進速度三者之間的關系,避免轉速太大,對孔壁沖刷過大,造成塌孔、擴孔及對刀具嚴重磨損現象,以及因為刃口作用于巖石上的時間太短,硬巖石不易破碎,從而影響進尺。 4 施工中遇到的主要問題 雖然在施工中采取了一系列嚴格的技術措施,并選用CJF-20和KPG-3000型鉆機聯(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,擴孔很大,泥漿無法起到護壁作用。在最初開鉆的幾個孔中,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備清孔時坍孔。大卵石難以破碎而堵鉆桿、孔壁坍塌等嚴重問題不斷發(fā)生,在成孔過程中每根樁均出現嚴重漏漿,有的擴孔率達100%以上,成孔效率很低,施工風險很大。 5 注漿施工 為了解決漏漿嚴重、易坍孔擴孔現象,對該特殊地質問題專門成立技術小組,并請教了一些這方面的資深專家,進行深入細致的研究,最后確定在鉆孔前采取對地層進行鉆小孔注水泥漿加固措施。 現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,另在鋼護筒外側約0.5m處對稱布置兩根鉆至-50.0高程的注漿孔。 5.2 鉆小孔鉆機的選擇:因為注漿孔要穿透含大塊石、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鉆機,本工程選用鉆巖深度可達1000米的JY-1000型的地質鉆機進行注漿孔的鉆進。 5.3 注漿孔鉆孔施工:首先插打內徑10cm、壁厚6mm的鋼套管至-25m左右,保證鋼管垂直度在5‰以內,起鉆小孔導向作用以及避免泥水進入鋼護筒,利用JY-1000型工程地質鉆機配置金剛石鉆頭和加強鉆桿(鉆頭直徑大于鉆桿直徑5-10cm),在鋼管內鉆小孔,當鉆機扭矩達到最大時,停止鉆進,利用鉆桿先注漿待水泥漿終凝后再繼續(xù)鉆進,直至達到需要的深度,此時注漿是為防止孔壁坍塌。一般鉆至樁底標高-80米需分二次完成,鉆孔的全過程均利用注漿機向鉆桿內注入江水循環(huán),防止鉆頭鉆進中堵管。 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和3~5m3/h攪拌量的攪拌機,根據試驗配制水泥漿,水灰比為0.6,為方便施工,降低水泥漿注入卵石層的強度,加入適量的膨潤土,摻量為水泥的30%,7天強度為10MPa左右,注漿時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,形成具有一定強度的固結層,在后來的鉆孔過程中,克服了漏漿、坍孔現象,卵石破碎比例增大,堵管現象大為減少,擴孔率降低30%左右,剩余的9根樁鉆孔順利,成樁質量較好。 7 結束語 本橋采用沖擊鉆和旋轉鉆機聯(lián)合成孔,鉆孔前先進行注漿施工,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:1、靈江特大橋設計、施工及地質資料 2、《公路橋涵施工技術規(guī)范》 3、《鉆孔樁施工》(QB MBEC1001-2004)
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