旋挖鉆進工藝在海相沉積地層中的應用

李方震

（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

旋挖鉆進工藝在海相沉積地層中的應用

李方震

（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

以潮州電廠基礎樁施工為例，對其鉆孔設備的特點和施工工藝作了介紹，闡述了旋挖鉆機在海相沉積地層中施工灌注樁的工藝方法及其質(zhì)量控制措施。

鉆孔灌注樁；旋挖鉆進；海相沉積

1 工程概況

工程位于廣東省汕頭市柘林鎮(zhèn)郊外，距海邊僅有200～300m遠，樁基布置屬于滿堂紅布樁，樁徑大致分為600mm、800mm、1000mm、1200mm四種，樁長40～50m不等，樁體上部處在流塑性地層中，樁體下部持力層處在中風化花崗巖中，要求進入該層2m，本工程采取單樁一承臺或多樁一承臺形式?；A樁屬于鉆孔灌注樁，采用旋挖鉆進工藝成孔。

2 工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘查報告，場地土大部分為海相沉積，按從上到下的順序，各層土特性如下：

①層：中砂，灰黃色，成分主要為石英，級配良，分選性差，呈飽和密實狀態(tài)，局部呈松散狀態(tài)，屬海相沉積成因；

②層：淤泥，深灰色，含有機質(zhì)，土質(zhì)細膩，有異味，混有少量貝殼，呈很濕、流塑狀態(tài)，屬海相沉積成因；

③層：粘土，深灰色，土質(zhì)細膩，質(zhì)純，含有少量有機質(zhì)，干強度高，韌性高，呈濕、可塑狀態(tài)，屬海相沉積成因；

④層：中砂，淺灰、黃色，成分主要為石英，級配良，分選性差，含少量粘性土，局部含多量粘性土，呈飽和密實狀態(tài)，局部呈中密狀態(tài)，屬海相沉積成因；

⑤層：粉質(zhì)粘土，黃白、灰白、灰黃等色，干強度高，韌性高，含多量石英砂，局部夾中、粗砂薄層，呈濕、硬塑狀態(tài)，部分呈堅硬狀態(tài)，屬海相成因；

⑥層：砂質(zhì)粘性土，棕紅、褐黃、灰白等色，含有多量石英砂、角礫，局部夾全風化巖塊，呈濕、硬塑—堅硬狀態(tài)，由花崗風化形成，殘積成因；

⑦-1層：全風化花崗巖，灰白、棕紅、褐黃等色，長石和黑云母全風化為粘土礦物，巖心呈土狀，巖質(zhì)軟弱，遇水易軟化，局部夾殘積土；

⑦-2層：強風化花崗巖，淺黃、灰、褐黃色，長石和云母多已風化成為次生物，巖心多呈土狀，巖質(zhì)軟弱，遇水易崩解；

⑦-3：中等風化花崗巖，灰、灰白、淺黃等色，中細粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物主要成分為石英、長石和少量黑云母，部分長石和黑云母已風化為次生礦物，部分巖心呈半巖半土狀、巖塊，含量50%。

2.2 水文地質(zhì)條件

本工程所在區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L氣候，四季分明，氣候溫和，濕度大，雨量充沛，場區(qū)位于海邊，淡水較缺，地下水位在自然地表以下2.5m左右，且水量相對較大，受海水潮汐影響，地下水對混凝土有腐蝕作用，樁基混凝土須進行防腐處理。

3 旋挖鉆進中遇到的難題

本次工程所用的旋挖鉆機有德國寶峨BG鉆機，意大利土力鉆機，由于以前在海相沉積地層曾經(jīng)施工過，所以在這種地層中施工還是有一定的經(jīng)驗，但經(jīng)過前期施工，發(fā)現(xiàn)成孔過程中還是存在一些與以往不同的難題：

（1）樁體上部所處地層屬于流塑性質(zhì)的地層，并且地下水位較高，成孔十分困難，幾乎無法成孔。

（2）在成樁過程中，易出現(xiàn)孔壁坍塌，發(fā)生埋鉆事故。

（3）鉆進粘土層時，粘性土在鉆斗內(nèi)易卡堵，鉆斗出甩土困難。

（4）鉆進較硬的粘土層、中等風化花崗巖地層時，鉆進效率很低。

（5）旋挖鉆進成孔后，孔底沉渣較厚，許多孔沉渣厚度>6cm，清孔難度較大。

4 解決難題的對策

4.1 解決成孔困難的問題

為了保證旋挖鉆機順利成孔，主要采取加長孔口護筒長度的方法，使護筒能夠順利穿過流塑性地層，護筒的下沿要一直下到相對穩(wěn)定的粘性土上。采用護筒直徑大于樁徑5cm，長度延伸至地表以下9～11m，護筒采用伸縮式即加工各種長度不等的護筒，在鉆機的動力頭上安裝與護筒外徑相匹配的護筒驅(qū)動器，并在驅(qū)動器下端的圓周上每120度開一個長8 cm、高10 cm的豁口，這三個豁口與每個護筒上沿事先焊接好的三個突起相匹配，起到使驅(qū)動器和護筒穩(wěn)定對接的作用，在對接后就確保了事先在驅(qū)動器下端和護筒上端各開出的6個螺栓母扣保持完全重和，這樣再用螺栓公扣進行連接加固，使驅(qū)動器和護筒成為一個完整的連接體。開鉆時，先用螺旋鉆頭對準孔位，鉆深3m左右，用鉆機的動力頭下入連接好的護筒，通過動力頭的回轉(zhuǎn)和加壓，該節(jié)護筒順利下入土體內(nèi)，當護筒上端距地面1～1.2m時，動力頭停止回轉(zhuǎn)和加壓，人工卸掉螺栓公扣，移開鉆機，用同樣的辦法連接第二節(jié)護筒，所不同的是，第二節(jié)護筒的下端采取同樣的連接方式與上一節(jié)連接，這樣就使下入地下的兩節(jié)護筒連接成一個整體，在連接過程中，包括下入第一節(jié)護筒時，都要用水平尺對護筒的垂直度進行測量，期間的誤差通過動力頭來進行調(diào)節(jié)，若不能保證護筒的垂直度，就會使整個樁體發(fā)生傾斜，不但會造成隨著深度的增加鉆機無法成樁，還會使鋼筋籠無法下入。動力頭在驅(qū)動回轉(zhuǎn)、下壓兩節(jié)護筒的過程中，由于地層的側(cè)摩阻力較大，使護筒很難一次性下到穩(wěn)定的粘土地層位置，若不到位，會使護筒下端不穩(wěn)定的流塑性土體隨著地下水一起涌入到樁體內(nèi)，造成坍塌。這時可用螺旋鉆頭在護筒內(nèi)掏土，再用旋挖鉆機動力頭驅(qū)動回轉(zhuǎn)、下壓直至使護筒下入到上沿與地表保持20cm左右的高度，這樣便于泥漿管及時補充孔內(nèi)泥漿，維持孔內(nèi)壓力平衡。值得注意的是，在這一過程中，對于寶峨鉆機切勿用旋挖鉆機伸縮鉆桿沖擊護筒邊，將護筒沉入，如果這樣極易造成鉆桿下端的方頭和彈簧損傷或損壞。成樁完畢后，通過動力頭的反轉(zhuǎn)提升，分節(jié)拔出護筒。

4.2 旋挖鉆斗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進

為了解決旋挖鉆機成孔后孔底沉渣較厚、旋挖鉆斗出甩土困難、成孔速度較慢等問題，經(jīng)過前期的施工摸索，對旋挖鉆斗進行優(yōu)化改進。

（1）解決鉆進出甩土困難

鉆斗出甩土困難，好象與土的粘性和可塑性等土的性質(zhì)有關(guān)，實際上在本次工程施工中，各鉆機（無論是德國寶峨鉆機還是意大利土力鉆機）所配置的均為自動內(nèi)鎖互扣“鎧”式鉆桿、斗齒刃前角均為45°的雙開門旋挖鉆斗，這種“鎧”式鉆桿的內(nèi)外鉆桿通過齒條互相嚙合，使內(nèi)外鉆桿形成一個有機的整體，動力頭傳遞到鉆具上的扭矩和壓力比較大，而現(xiàn)場工程施工的樁徑為800mm、1000mm兩種，樁徑較小，那么這么大的扭矩和壓力平均到單位鉆齒上所獲得的壓力就比較大，這樣就造成鉆頭切削齒吃土過深，使進入鉆斗內(nèi)的粘土有一定的擠壓密實作用，因此在鉆斗提出護筒口后，出現(xiàn)了甩土困難。通過以上的分析比較，為解決該問題，我們將所有鉆斗切削齒的刃前角均改為30°，鉆斗進土和孔外出土均比較容易。

（2）提高鉆進效率，解決在較硬粘土層和中風化花崗巖地層進尺困難的問題

本工程中，進尺慢甚至不進尺的地層發(fā)生在樁端持力層，也就是中風化的花崗巖地層。這樣我們根據(jù)該地層的特點進行了鉆頭的結(jié)構(gòu)設計。

旋挖鉆進工藝是一種無循環(huán)鉆進，該工藝破碎巖石的機理為純切削回轉(zhuǎn)鉆進，而一般我們使用的旋挖斗和短螺旋鉆頭比普通回轉(zhuǎn)鉆進工藝中廣泛使用的牙輪鉆頭和滾刀鉆頭適應的地層要軟，通常情況下巖石抗壓強度為20~30 MPa 時就成為中硬巖石，而40~60 MPa 稱為硬巖石，再高成為堅硬巖石。本工程的嵌固地層就屬于中硬巖石層，這種中硬地層是旋挖鉆進工藝比較難“啃”的一種地層，由于巖石比較堅硬致密，鉆進時常出現(xiàn)打滑不進尺現(xiàn)象，尤其是遇到地層傾角較大的易斜地層，鉆頭往往會出現(xiàn)順層溜，打出的鉆孔孔斜嚴重，處理不好整個鉆孔就會報廢。那么在這種中硬地層中鉆進可根據(jù)巖石的可鉆性來選擇對鉆頭的改進措施，這種措施的選擇通常要考慮成本和經(jīng)濟效益以及現(xiàn)場的可操作性，所有這些選擇都要根據(jù)施工企業(yè)的實際情況以及他們對這種改進措施的認識程度來定。

選擇一、在將鉆頭切削刃前角改為30°的基礎上，根據(jù)地層不同，使用切削刃不同的鉆頭。對于砂層、淤泥層、軟弱粘土層，鉆頭的切削刃均采用廢舊的汽車減震彈簧鋼板焊接，并將其氣割得比較鋒利，便于鉆進切割土體；對于硬度較大的砂性粘土層，全風化、中風化花崗巖地層，鉆頭的切削刃前角仍為30°，鉆頭一側(cè)的切削刃改為排列較密的頭齒，另一側(cè)切削刃仍為汽車彈簧鋼板，便于破碎、切割土體；鉆進終孔前，進入中風化花崗巖地層，鉆進比較困難，立即更換鉆頭，先選用截齒錐形螺旋鉆頭鉆進，破碎、松動地層，再用改進后的旋挖鉆頭撈取碎巖。通過上述的鉆頭改進，結(jié)合錐形螺旋鉆頭的使用，提高了鉆進速度，且鉆頭的切削刃不易折斷。

選擇二、選擇焊有子彈頭截齒的雙頭單螺或雙頭雙螺錐螺鉆頭，螺旋鉆頭的錐度一般為180°~360°，巖石硬度越高錐度設計越大，較大的旋錐其中心錐較尖銳，可起先行掏槽作用，有利于錐入巖石，并且導向性較好，當巖石抗壓強度達到30 MPa 左右時，應配合焊有子彈頭的截齒的筒式環(huán)狀鉆頭鉆進，先下入筒式鉆頭就可將巖心帶出；對于非常完整的巖石，筒式鉆頭一般不能直接將巖心帶出，需要將提出后再下入錐螺鉆頭將巖心擊碎并將巖渣帶出。

為了解決在較硬粘土層和中風化花崗巖地層進尺困難的問題，無論在鉆頭上采取上述哪種改進措施，在其施工工藝上都是相通的。在這種中風化花崗巖中鉆進，旋挖鉆機的轉(zhuǎn)速不宜太高，但必須適當加壓，所以鉆桿最好為機鎖試鉆桿，此種鉆桿有加壓點，壓力可以直接傳至鉆頭實現(xiàn)有效碎巖，而磨阻式鉆桿依靠摩擦面加壓容易打滑，尤其是孔深時鉆桿處于懸吊狀態(tài)，根本無法加壓，而此時經(jīng)常是正處在設計樁體的持力層處，本工程正好是較硬的中風化花崗巖地層，所以鉆頭鉆進效率很低。

在用牙輪筒式鉆頭鉆進時，為了能成功的取出巖石心，在鉆滿鉆筒后，往往需要再多進尺十幾厘米，以求將筒內(nèi)的巖心能擠死，而使巖心隨著鉆頭一起提出孔外。對于易斜地層，或鉆頭在孔內(nèi)發(fā)生打滑不進尺等現(xiàn)象，那么鉆頭在剛剛下入孔內(nèi)時應輕壓慢轉(zhuǎn)，逐漸加壓，待鉆頭吃入巖石后再進行正常鉆進，這樣可以最大限度的減小孔斜，提高鉆進效率。

（3）減少孔底沉渣，解決在成樁過程中，出現(xiàn)孔壁坍塌、埋鉆等問題

為解決上述問題，不但需要考慮護筒是否完全順利的穿過流塑性地層到達相對穩(wěn)定的粘土層，這是一個最基本的前提；還要對鉆頭進行改進；與此同時對泥漿的性能也提出了更高的要求。這三個問題處理好了，那么上述問題也就迎刃而解。考慮到本工程地層的實際情況，經(jīng)過仔細分析，我們將所有鉆頭切削齒的刃前角均改為30°的基礎上，又做了小小的優(yōu)化改進。

在樁體的上部，也就是淤泥層、軟弱粘土層、砂層、相對比較穩(wěn)定的粘土層，鉆頭切削刃外徑大于擴徑區(qū)1cm，這樣就不會使鉆頭擴徑區(qū)二次擾動孔壁，以減少孔底沉渣，盡量保持孔壁穩(wěn)定，但是鉆頭切削刃外徑也不宜太大，避免灌注混凝土量的超方。在粘性土層和較硬砂性粘土層以及全風化、中風化花崗巖地層，擴徑區(qū)的外徑應該大于鉆頭切削刃外徑1cm左右，目的是能夠進行二次擴孔，防止在鉆進過程中孔壁形成螺旋狀而失穩(wěn)變形甚至發(fā)生坍塌，使鋼筋籠不能順利下入到位，但是使用這種鉆頭鉆進，一定要做到增加單位時間的回次量，每個回次的進尺要控制好，不要進尺過多而發(fā)生卡鉆事故。

通過以上對鉆頭的優(yōu)化改進，那么在施工過程中根據(jù)不同地層的特征來使用參數(shù)不同的旋挖鉆頭，旋挖鉆機成孔后，孔底沉渣在規(guī)范范圍內(nèi)，保證了成孔

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