特殊地質(zhì)條件下鉆孔工藝選擇和施工質(zhì)量控制

摘要：鉆孔灌注樁施工過程中通常會遇到深厚的雜填土、淤泥、砂層、卵礫石、堅硬基巖或巖溶等特殊性巖土，在特殊性巖土進行鉆孔灌注樁施工，如果鉆孔工藝選擇不當，質(zhì)量控制措施不合理，則易產(chǎn)生不同的質(zhì)量問題，影響施工質(zhì)量和安全，降低施工效率。分析不同特殊地層特點，選擇合理的鉆孔施工工藝，加強施工質(zhì)量控制，是保證鉆孔灌注樁質(zhì)量和安全的關鍵，也是提高工效、降低成本的主要措施。

關鍵詞：深厚填土;淤泥;砂層;卵礫石;基巖;巖溶;鉆孔工藝

1深厚雜填土層

1.1雜填土的特點

雜填土由于堆填物的成分、堆積條件和堆積時間不同，造成雜填土的物質(zhì)很不均勻，顆粒粒徑相差較為懸殊，孔隙大小不一，分布范圍及厚度缺乏規(guī)律性，通常結(jié)構(gòu)松散、密實度低，具有較高的壓縮性，強度較低。

1.2鉆孔樁施工遇到的主要問題

1.2.1孔壁穩(wěn)定性差

由于雜填土結(jié)構(gòu)松散，密實度低，且顆粒粒徑相差懸殊，孔隙發(fā)育，因此在鉆孔樁施工過程中孔壁穩(wěn)定性差，易失穩(wěn)坍塌。

1.2.2泥漿漏失

如場地地下水較低時，在雜填土層采用泥漿護壁工藝進行鉆孔施工時，常發(fā)生泥漿漏失現(xiàn)象，導致孔壁坍塌。

1.2.3鉆進難度大、鉆進效率低

尤其對于填土中存在粒徑較大的塊石或混凝土塊等堆填物時，鉆進難度大，鉆進效率低，且易發(fā)生卡鉆等事故。

1.2.4易擴孔

混凝土充盈系數(shù)大。

1.3鉆孔工藝選擇

1.3.1全套管鉆進

利用全套管切削巖土鉆進并護壁，沖抓錐在套管內(nèi)抓土或旋挖鉆機在套管內(nèi)取土成孔，鉆進效率高。鉆孔直徑可達到3.0m，鉆孔深度可達100m。全套管鉆機鉆孔過程不使用泥漿，在地下水位以上可進行干孔鉆進，在地下水位以下利用清水平衡地下水位，不存在泥漿漏失和孔壁坍塌問題。利用全套管護壁，也解決了擴孔及混凝土充盈系數(shù)大的難題。缺點：設備龐大，費用較高。

1.3.2沖擊鉆進

沖擊鉆機利用沖擊功破碎地層鉆進成孔，鉆進的同時對孔壁進行擠密。在松散雜填土層鉆進時，可通過往孔內(nèi)回填粘土和片石，對孔壁進行擠密，防止孔壁坍塌。沖擊鉆進時，可根據(jù)地層情況，確定是否采用泥漿循環(huán)。如果地層漏漿時，可不進行泥漿循環(huán)，通過往孔內(nèi)回填粘土及加水沖擊鉆進，同時造漿堵漏。相對于全套管鉆機，沖擊鉆機設備簡單，費用較低。缺點：施工效率較低，擴孔較為嚴重，混凝土充盈系數(shù)大。

1.3.3旋挖鉆機鉆進

旋挖鉆機反復升降鉆具對孔壁擾動大，孔壁更易失穩(wěn)，因此旋挖鉆機鉆進時通常采用長鋼護筒護壁，鋼護筒長度可根據(jù)填土性質(zhì)確定，條件許可時可穿過雜填土層。地下水位以上可采用干作業(yè)鉆進成孔，地下水位以下可利用膨潤土泥漿護壁（如地下水位以上泥漿漏失不嚴重時，也可全孔段采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁）。也可往孔內(nèi)回填粘性土，通過鉆斗在孔內(nèi)的反復旋轉(zhuǎn)擠壓進行造漿堵漏。對于粒徑較小的塊石或建筑垃圾可利用專用抓取式筒鉆抓取。缺點：對于大粒徑塊石或建筑垃圾難以鉆進成孔;如鋼護筒不能穿透雜填土層時，存在泥漿漏失、孔壁坍塌的風險;擴孔較為嚴重，混凝土充盈系數(shù)大。

1.3.4正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進

正反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進僅適用于結(jié)構(gòu)較為密實，顆粒粒徑較小、泥漿不嚴重漏失的雜填土層鉆進成孔。其中正循環(huán)適用于粒徑不大于20mm的填土層鉆進成孔;反循環(huán)適用于粒徑不大于200mm的填土層鉆進成孔。成孔時孔口埋設護筒，采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁鉆進成孔。缺點：不適用于粒徑大于200mm、地層結(jié)構(gòu)松散、泥漿漏失嚴重的雜填土層施工。

2深厚淤泥和淤泥質(zhì)粘土

2.1淤泥和淤泥質(zhì)粘土特點

淤泥和淤泥質(zhì)粘土富含有機質(zhì)，具有含水量高、強度低、壓縮性大、透水性差、抗剪強度低的特點，同時具有流變性和觸變性。

2.2鉆孔樁施工遇到的主要問題

⑴孔壁穩(wěn)定性差，擾動后易失穩(wěn)坍塌。⑵施工過程中易發(fā)生護筒串通，地面易塌陷。⑶易擴孔，混凝土充盈系數(shù)大。⑷泥漿處理難度大，灌注過程中樁身易夾泥。

2.3鉆進工藝選擇

2.3.1正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進

深厚淤泥層鉆孔灌注樁施工應優(yōu)先選用正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進工藝。其中，正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑<1.0m的鉆孔;反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑≥1.0m的鉆孔，孔深較淺時（50～70m內(nèi)），應選用泵吸反循環(huán)排渣，孔深較大時（>50m），宜選用氣舉反循環(huán)排渣?；剞D(zhuǎn)鉆進時，孔口必須埋設鋼護筒，鋼護筒的長度應根據(jù)地層確定，鋼護筒應深入原地層0.5m以上，且護筒長度不小于1.5m。如原地層為流塑狀淤泥時，應盡可能增加護筒長度，埋設護筒時，護筒周圍應采用粘性土分層回填密實，防止護筒內(nèi)外串通。

采用原地層自然造漿護壁，并定期檢測泥漿的性能指標，控制泥漿性能指標在合適范圍，并控制孔內(nèi)泥漿液面高于地下水位2.0m以上。尤其是反循環(huán)鉆進時，應及時往孔內(nèi)補充泥漿，防止孔內(nèi)泥漿液面下降導致孔壁坍塌。在淤泥層鉆進時，應注意控制鉆進速度，每鉆進一根鉆桿應進行掃孔，防止鉆速過快形成S孔，導致安放鋼筋籠時刮蹭孔壁形成較厚的孔底沉渣。終孔后應及時清孔，嚴格控制泥漿的粘度和比重，降低泥漿的含砂量，防止灌注過程中形成樁身夾層。禁止將鋼筋籠直接掛在孔口護筒上，或者灌注過程中將導管直接支承在孔口護筒上，防止灌注過程中護筒下沉或孔口坍塌形成斷樁或樁身夾泥。如表土層為淤泥質(zhì)土時，應換填或采用硬化措施進行處理，并在孔口鋪設路基板或鋼板，防止機械碾壓導致孔口坍塌。

2.3.2旋挖鉆進

鉆斗的反復升降將導致孔壁失穩(wěn)坍塌，不適用于深厚淤泥層鉆進。如果孔口長鋼護筒穿透淤泥層時，可利用旋挖鉆進成孔。

2.3.3全套管鉆進

全套管鉆進可用于深厚淤泥層鉆進成孔，但由于施工費用太高，且套管回轉(zhuǎn)時周圍淤泥易失水固結(jié)，增加套管阻力，故一般不選用。

2.3.4沖擊鉆

在沖擊振動作用下，淤泥的結(jié)構(gòu)性被破壞，強度降低，流變性增強，孔壁無法維持穩(wěn)定，故沖擊鉆不適用于深厚淤泥或淤泥質(zhì)土層鉆進成孔。

3深厚砂層

3.1砂層的特點

砂層由于受水流流速的影響，沖積物的成分和尺寸具有分選性，從上游往下游，逐漸由粗顆粒過渡到細顆粒。具有含水性強，滲透系數(shù)較大，膠結(jié)力弱的特點。

3.2鉆孔樁施工遇到的主要問題

⑴孔壁穩(wěn)定性差，易于坍塌。⑵泥漿中含砂率高，易于在樁身中形成夾層。⑶孔底沉渣厚度大。

3.3鉆孔工藝選擇

3.3.1正、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進

在深厚砂層鉆進時，應配制優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁，要求泥漿具有較高的粘度，較低的失水量和泥皮厚度，并根據(jù)砂層的密實程度選擇鉆頭，在松散砂層可選用刮刀鉆頭成孔，在膠結(jié)的密實砂層可選用牙輪或滾刀鉆頭鉆進成孔。正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑<1.0m的鉆孔;反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進適用于孔徑≥1.0m的鉆孔，孔深較淺時（50～70m內(nèi)），應選用泵吸反循環(huán)排渣，孔深較大時（>50m），應選用氣舉反循環(huán)排渣。

鉆進過程中，應嚴格控制泥漿的性能指標，維持孔內(nèi)液面高度高出地下水位2m以上，防止孔壁坍塌。正循環(huán)鉆進過程，應提高泥漿的粘度和比重，使泥漿具有較高的懸浮鉆渣的能力，在施工過程中，應控制進尺，降低泥漿的含砂率，確保成孔質(zhì)量。終孔后，應采用泥漿凈化裝置對泥漿進行處理，降低泥漿的含砂率，并徹底清除孔底沉渣，防止灌注過程中樁身夾泥和孔底沉渣過厚。

3.3.2旋挖鉆斗

在松散砂層鉆進時，護筒的長度應增加到6m以上，以防止孔口坍塌。鉆進過程中，利用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁，嚴格控制泥漿的粘度、比重和穩(wěn)定性。鉆桿提升時，必須及時往孔內(nèi)補充泥漿，防止泥漿液面下降過快、過深導致孔壁坍塌。在砂層中鉆進時，應選擇具有雙層底的挖砂鉆頭鉆進成孔，根據(jù)砂層的密實程度，選擇適宜的切削齒，松散砂層可選用斗齒，密實或膠結(jié)層選用截齒。旋挖成孔后，宜采用反循環(huán)進行清孔，以清除孔底沉渣，同時利用泥漿凈化裝置降低泥漿的含砂率，保證樁身灌注質(zhì)量。

缺點：相對于回轉(zhuǎn)鉆機，旋挖鉆機在厚砂層中鉆進時對泥漿要求更高，孔壁坍塌的概率較大，擴孔現(xiàn)象更為明顯。并且需專門的清孔設備進行清孔。

3.3.3全套管鉆進

因套管回轉(zhuǎn)時周圍砂土易失水固結(jié)，增加拔管阻力，且施工費用高昂，故一般不選用。

3.3.4沖擊鉆進

可在較為密實的粗粒砂層中鉆進成孔，需通過回填粘土沖擊造漿并擠密孔壁，但鉆進效率低。在飽和的粉細砂層中鉆進時，易砂土液化，導致孔壁坍塌，故不宜選用。

4深厚卵礫石層

4.1卵礫石層特點

卵礫石地層含水性強，滲透性大;顆粒多為圓形，磨圓度較好;顆粒大小不一，分選性差;地層多為重力壓實而成，膠結(jié)力弱;卵礫石強度和硬度較高，破碎難度大。

4.2鉆孔樁施工遇到的主要問題

⑴泥漿漏失、孔壁坍塌。⑵鉆進效率低。

4.3鉆進工藝選擇

4.3.1沖擊鉆進

采用加重鉆頭、高沖程破碎卵石鉆孔成孔，應采用比重較大、失水量小的泥漿進行護壁。在松散卵礫石層鉆進時，可按1∶1投入粘土和小片石（粒徑不大于15cm），用沖擊鉆頭以小沖程反復沖擊，使粘土、片石擠入孔壁，必要時須重復回填反復沖擊2-3次，達到擠密孔壁、防止鉆孔漏失的作用。

鉆進過程中，發(fā)現(xiàn)泥漿漏失時，可通過提高泥漿粘度、往泥漿中添加鋸末等材料提高泥漿堵漏性能，必要時可往孔底灌入水泥漿堵漏。缺點：卵礫石重復破碎、鉆進效率低。

4.3.2反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進

通過配重加壓、利用滾刀鉆頭碾壓破碎卵礫石，通過反循環(huán)排渣鉆進成孔，適用于卵礫石粒徑小于鉆桿內(nèi)徑的地層，鉆孔深度沒有限制。鉆進過程中，配制優(yōu)質(zhì)的膨潤土泥漿護壁，通過在泥漿中添加鋸末、蛭石等材料提高泥漿的堵漏性能，也可通過鉆機的鉆桿往孔底注入水泥漿進行堵漏。

缺點：設備較為龐大，滾刀損耗大，費用較高，且卵石易于堵塞鉆桿，在密實卵礫石層施工效率較低。提下鉆時間長，泥漿漏失處理難度大。

4.3.3旋挖鉆進

利用鉆斗撈取卵礫石鉆進成孔，鉆進過程無需對卵礫石進行破碎，鉆進效率高。鉆進過程中采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁，可通過提高泥漿的堵漏性能預防和處理泥漿的漏失，也可通過往孔內(nèi)回填粘土或淤泥進行堵漏，堵漏較為方便。

缺點：設備重量大，對場地要求高，鉆孔深度受限;需專門的清孔設備進行清孔。

4.3.4全套管鉆進

利用全套管護壁，套管內(nèi)取土鉆進成孔，對于大漂石或塊石可利用沖錘破碎后抓取。施工過程中不使用泥漿，具有施工效率較高、孔壁穩(wěn)定、混凝土充盈系數(shù)小的優(yōu)點。缺點：施工費用高。

4.3.5正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進：不適用于卵礫石層。

5堅硬基巖

5.1堅硬基巖特點

強度高、硬度大，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，可鉆性差。

5.2鉆孔樁施工遇到的主要問題

⑴基巖破碎困難，鉆進效率低。⑵巖面傾斜時，鉆孔易偏斜。⑶通常設計為端承樁，對孔底沉渣厚度要求高。

5.3鉆進工藝選擇

5.3.1沖擊鉆進

利用沖擊鉆頭沖擊破碎基巖成孔，鉆進效率受沖擊功和排渣的影響，通常用于直徑和深度較小的鉆孔，可適用于不同強度和結(jié)構(gòu)的巖石。鉆孔偏斜時，可通過往孔內(nèi)回填塊石后重新沖擊糾斜，糾偏效果較好。缺點：鉆進效率低，孔深和孔徑較小。

5.3.2反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進

利用滾刀鉆頭通過碾壓、沖擊、滾動破碎巖石成孔，通過反循環(huán)排渣。根據(jù)上部孔段的穩(wěn)定程度可選用泥漿或清水鉆進成孔。可滿足不同鉆孔直徑和深度的需要（鉆孔直徑≥1.0m）。為防止鉆孔偏斜，通常采用減壓鉆進工藝，加到孔底的鉆壓通?？刂圃阢@具總壓力的70%左右。鉆孔偏斜時，通過掃孔糾偏，糾斜效果較差。對于直徑較大的鉆孔，可通過分級擴孔的方式多次成孔。缺點：鉆進效率較低，滾刀磨損嚴重，損耗大，費用高。鉆孔偏斜后不易處理。

5.3.3旋挖鉆進

根據(jù)不同巖石強度可利用螺旋鉆，截齒、牙輪筒鉆或鉆斗鉆進成孔，利用膨潤土泥漿護壁。對于大直徑鉆孔，可通過分級擴孔或利用梅花形布孔鉆進。相對于沖擊鉆進和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進，鉆進效率高，適用地層廣。遇傾斜巖層時，可先利用筒鉆切削巖石形成自由面后，再取芯或全面鉆進中間基巖，鉆機自身具有測斜功能，鉆孔垂直度介于沖擊鉆機和回轉(zhuǎn)鉆機之間。

缺點：鉆孔深度受鉆機性能和鉆桿長度限制;設備重量大，對場地要求高;如果鉆孔上部有較厚的砂層時，需配備專門的清孔設備。

5.3.4全套管鉆進

利用全套管對巖石進行環(huán)狀切削后，在套管內(nèi)利用沖錘沖擊破碎后抓取巖塊成孔。缺點：鉆進效率較高，費用昂貴。

6巖溶地層

6.1巖溶地層特點

基巖中溶洞溶隙發(fā)育，巖石破碎，巖面傾斜，巖石強度差異懸殊，部分溶洞為無充填或半充填，通常存在泥漿漏失現(xiàn)象。

6.2鉆孔樁施工遇到的主要問題

⑴泥漿漏失、孔壁坍塌。⑵鉆孔偏斜。⑶易發(fā)生卡鉆或埋鉆事故。

6.3鉆進工藝的選擇

無論采用何種鉆進工藝，在正式施工前均應進行超前鉆探，探明樁位處的巖溶發(fā)育情況、泥漿漏失情況及完整基巖的埋置深度。根據(jù)超前鉆探資料，對于泥漿漏失嚴重，半充填或無充填的溶洞，應利用超前鉆孔進行預注漿處理，預注漿可采用水泥膨潤土漿，采取分段注漿法，直至鉆孔不漏失或溶洞充填滿為止。

6.3.1沖擊鉆進

采用十字形鉆頭或圓形鉆頭，加大鉆頭重量，采用泥漿護壁，提高泥漿粘度和比重。基巖層破碎或地層漏失時，可投入粘土連續(xù)沖擊堵漏，直至穿過巖溶發(fā)育區(qū)。在巖溶發(fā)育區(qū)，尤其是存在無充填溶洞時，沖擊操作要平穩(wěn)，沖程宜小不宜大，放繩應少而勤，防止鉆頭突然下落形成“打空錘”，導致鋼絲繩斷裂或卡鉆事故的發(fā)生。在巖溶地層鉆進時應及時補焊鉆頭，防止卡鉆。并注意鉆孔垂直度的控制，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜時，應及時回填塊石糾偏。

6.3.2旋挖鉆進

利用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁鉆進，根據(jù)巖溶發(fā)育情況可選用牙輪或截齒鉆頭鉆進成孔?？赏ㄟ^調(diào)整泥漿參數(shù)，往泥漿中添加鋸末等材料進行堵漏，當遇到未完全充填溶洞時，可通過往孔內(nèi)回填粘土擠密，或注入水泥漿對溶洞進行充填處理。缺點：鉆孔垂直度難以控制，對場地要求高，施工費用較高。

6.3.3全套管鉆進

利用全套管護壁，可解決巖溶地層漏漿滲漏難題，同時利用全套管切削鉆進，套管內(nèi)沖擊抓取的施工工藝，可解決鉆孔偏斜的難題。缺點：費用高昂，對未充填溶洞混凝土的流失問題難以解決。

6.3.4反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進

難以解決鉆孔偏斜、泥漿漏失等問題，不建議采用。

7結(jié)語

鉆孔灌注樁遇特殊性巖土時，應認真分析巖土特性，根據(jù)施工環(huán)境和地質(zhì)條件選擇合理的鉆孔設備，優(yōu)化施工工藝，提高鉆孔質(zhì)量，加快施工進度，確保施工安全。

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作者簡介：張輝（1979-），男，本科，工程師，長期從事巖土工程施工與咨詢工作。