漂石土层中钻孔桩成孔施工技术探讨

漂石土层中钻孔桩成孔施工技术探讨

[摘要]介绍正循环钻机在漂石土地层中的钻孔桩成孔工艺，并对钻孔方案的比选、施工要点、以及卡钻事故处理进行了探讨。

[关键词]：漂石土层钻孔桩 成孔 卡钻

1、前言

漂石土地层以其抗压强度高、孤石分布随机、软硬不一，使得钻孔桩孔内状况更为复杂。在这类地层中施工钻孔桩钻进效率低, 钻具寿命短, 易产生卡钻、斜孔、掉钻头、塌孔等事故, 严重影响施工的正常进度。较为成熟的工艺有回转法、潜孔锤钻进法、冲击反循环钻进法、冲击正循环钻进法。

拉日铁路全线位于西藏自治区西南部喜马拉雅山中断北麓，线路通过地层主要为第四系覆盖层，桥梁多设置在沟谷、河流地段，钻孔桩地质均存在漂石土底层，尤其曲水县至尼木县段桥梁漂石土层较厚，钻孔施工极为困难。本文根据现场施工情况，就此类地层中施工方案比选、冲击钻施工要点和卡钻原因分析及事故处理措施等作一简单的探讨。

2、钻孔桩施工方案比选

2-1、工程地质情况

根据拉日铁路桥梁设计图纸，地层主要为第四系全新统冲击粉砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土、漂石土，第四系上更新统冲积粉质黏土、黏土、粉土、砂砾土、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土、漂石土等。其中漂石土成分以花岗岩、闪长岩为主，强度700kPa。

2-2、方案比选

回转法：采用转盘式或动力头式回转钻机，即旋挖钻机。该类钻机已主轴为动力，配用普通硬质合金钻头、滚刀钻头、组合牙轮钻头，依靠旋挖切割孔底土层，多适用于黏土层地质。渡过漂石土层时，钻具寿命短，钻进效率低，且在钻进粉土、砂砾土、圆砾土过程中，由于土层自稳性差，极易造成塌孔，超灌方量较大，故不宜采用。

冲抓钻进法：其工作原理相仿于冲击钻机的升降机具和抓土机的抓斗部分的综合运用，适应在粘土、沙、砾土及特别能在松散和混有漂石的卵石地层中造孔施工，当粒径超过冲抓锥的能力时, 则需先用冲击锤将其破碎后再抓出, 因而效率较低。且冲抓钻施工中，护壁较为松散，加上冲抓锥的扰动, 易发生塌孔事故。若采用护筒跟进，成本较大，且影响工效。

潜孔锤钻进法：这是一种冲击和回转相结合的钻进方法, 采用置于孔底的冲击器(潜孔锤)对钻头实施冲击作用。大直径潜孔锤钻具多采用气动，必须配备供风量在20m3/min以上的中压空压机（或多台并联）, 因而一次性投资多, 能量消耗大。

冲击反循环钻进法：其工作原理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外。但在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时易造成坍孔。根据拉日铁路桥梁地质情况，粉质粘土、粘土、粉土层较厚，且砂砾土、圆砾土层自稳性亦较差，不宜采用冲击反循环钻进法。

冲击正循环钻进法：采用一般地质钻机在泥浆护壁条件下，冲击钻进，通过泥浆上浮排渣成孔，目前仍广泛用于坚硬地层的钻进。其优点为可利用常规地质钻机，可用于各种地质条件，适用于各种大小孔径和深度，护壁效果好，成孔质量可靠；机具设备简单，操作方便，费用较低。其缺点为辅助工作时间长，钻进效率低、用水量用水量大，泥浆排放量大，均可在施工管理中得以控制。拉日铁路普遍采用冲击正循环钻进法施工。

3、钻具选择

根据漂石土层的地质特性，漂石直径在2m至数米之间，层厚20~30m。钻孔中因锤头因素易出现如下问题：1、钻头质量小，冲击力不足，钻进速度缓慢；2、由于孔壁的漂石强度高，且不一至，尤其在遇到探头孤石时，易造成偏孔和卡钻现象，若锤头长宽比例较小，钻头歪倒斜卧于孔内，打捞钻头将非常困难；3、一旦出现卡钻现象，锤头无打捞环或保险钢丝绳的挂靠点。因此，在选择锤头时，我们选择钻头上身加长型8～10t的钻头，并在钻头四翼上焊接打捞环。钻头的刃脚均用高强度耐磨块或轨道钢做成牙齿堆焊在底座，钻头翼缘的外侧将耐磨块或轨道钢焊成牙齿状。钢丝绳选用32mm直径的高强钢丝绳（出现卡钻时可提高提升力量，且不易因钢丝断裂造成掉锤事故）。钻机支架及卷扬机型号与锤头相匹配。

4、冲击正循环钻进法施工要点

4-1、钻孔前准备

1）在施工旱地桩时，一般均对原地面进行开挖形成施工平台，在此特别注意，开挖出的平台基础应为密实土体，桩基施工范围内尽量清除所有的漂石、孤石，若孔桩部位存在探头石，应进行一定的爆破开挖，直至清除掉漂石、孤石，或孔桩部位全部为石质结构。在埋设护筒时，护筒周围填筑红土或粘土夯实，钻机就位后，在护筒刃脚处反复回填红土及片石，用低冲程冲击, 使护筒刃脚处护壁紧密牢固。

2）施工水中桩，洪水位较低处，一般采用堤坝、双壁钢围堰等结构围挡施工，平台清理与旱地桩施工相仿。洪水位较高、水流流速急处，一般采用筑岛

平台施工；在砌筑石笼堤坝时，宜采用长臂挖机清理桩基范围内的漂石、孤石，对于较大的漂石和与河床连成一体的探头石，宜采用水下爆破或由潜水员拴钢丝绳用机械拖走。洪水位较高、水流流速平缓处，一般采用水上平台施工，孔桩采用双护筒方法施工。

4-2、冲击钻孔施工

1）泥浆调配

采用泥浆护壁，选择合适的泥浆指标非常重要。泥浆粘度低，无法保护孔壁，也难以携带砂和卵砾石；粘度高则易形成较厚的泥皮，严重影响桩的承载力，造成桩沉降差异较大。在该地区采用含砂粒成份较少的黄泥，在渡过漂石层段时，泥浆比重控制到1.25～1.35t／m3之间、粘度控制在25～30s之间，泥浆含沙率＞4%时需补浆。为改善泥浆性能，在泥浆中参加0.1kg/m3纯碱和1kg/m3水泥，这种泥浆不仅有利于悬浮石渣，钻进速度快，且由于加入水泥使孔壁附近的卵砾石层被固结成有一定强度的护壁。需要指出的是，当泥浆中掺入有污染性物质如甲基维生素（CMC）、烧碱（NaOH）或纯碱（NaCO2）时，必须经试验部门检定合格后方可排放。

2）冲程控制

漂石层岩石坚硬。为减小锤头磨损率，提高钻进速度，冲程高度宜控制在2～3m之间，但要根据实际情况进行调整。

对于钻孔桩来说，岩层情况不可见，需从钻进速度、缆绳摆动、渣样分析来判定桩底围岩情况，冲程高度宜根据桩底围岩进行调整。针对漂石层来说，一般有以下几种情况：①钻进速度较慢、缆绳基本稳定、渣样强度较高，可以判定桩底为整块漂石，应提供冲程2～3m；②钻进速度较慢，缆绳基本稳定、渣样强度不一（一种无节理或节理较少，一种节理较多），当刚出现这种情况时，可以判定进入石层，当渣样由好变差时，可以判定接近漂石夹层，此时由于缆绳稳定，孔底孤石结构稳定，排除探头石的可能，冲程可控制在1.5m～2m；③钻进速度较慢，缆绳左右摆动较大、渣样强度不一，可以判定为探头石，应进行回填后，冲程控制在1m～1.5m；④钻进速度较块，缆绳基本稳定，此时可判定渡过漂石层或处于漂石层夹层段，应根据设计地质柱状图和现场渣样情况判定孔底实际围岩，一般情况下，粘土、砂类土冲程控制在1～2m，砂卵石类土冲程控制在2～3m；⑤钻进速度较块，缆绳左右摆动较大，渣样强度不一，这种情况极为危险，很可能是卡钻的前兆，地下岩层可能存在不稳定的小块探头石、溶槽、暗沟、地下河等不良地质；此时应提出锤头，采用探锤、孔底吸渣进一步判定孔底地质情况，再进行正常冲孔或回填冲孔施工。

3）缩孔控制

漂石土地质复杂，当漂石粒径较小，且掺杂粉质土、砂砾类土，极易出现缩孔现象，主要是其自稳性差，孔桩施工过程中振动较大，护壁无法支持其围

岩变形。主要的控制方法有以下几种：①在粉质土、砂砾类土含量较高时，适当进行回填粘土、片石进行复冲；②在泥浆中参加0.1kg/m3纯碱和1kg/m3水泥，增加护壁强度；③施工过程中，每间隔一段时间将锤头反复拉过此地层段进行洗孔，该方法使用次数不易过多，虽然可以有效防止缩孔卡钻，但锤头会切割该处护壁，反而减弱该处护壁强度，易造成坍孔及加速缩孔速度。

冲孔施工的其它工艺严格按照规范施工，在此不再赘述。

5、卡钻原因分析及事故处理、预防措施

5-1、卡钻原因分析

现场施工中卡钻现象时有发生，尤其是渡过漂石层期间，卡钻现象偏多。大致的卡钻因素可分为两类，一是地质因素造成卡钻，一是施工因素造成卡钻，具体成因如下：

1）地质因素：漂石层围岩变化频繁，有砂砾结漂石结构，还有粘土结漂石结构，另外还有溶洞、溶槽、暗沟、地下河等不良地质情况。就漂石层而言，主要有如下几种卡钻情况：①漂石层中漂石粒径较小，砂砾含量较高，易造成缩孔卡钻；②漂石层中粘土含量较高，若以漂石层正常2～3m的冲程施工，易造成吸锤卡钻；③孔内有小粒径的探头石，由于结构不稳定，易掉落卡钻。

2）施工因素：地质因素往往可以在施工中加强观察，通过调整方案可以避免卡钻，而现场出现卡钻现场的多为施工造成，主要成因有以下几种：①钻孔形成梅花孔（或称十字孔），冲锥被狭窄部位卡住；②未及时补焊冲锥，钻孔直径逐渐变小，产生缩孔，补焊后的冲锥大了，又用高冲程猛击，极易发生卡钻；③孔口掉下石块或其他物件，卡住冲锥；④孔口掉下石块或其他物件，卡住冲锥；⑤钢丝绳松放太多，冲锥倾倒，顶住孔壁；⑥发现偏孔未及时处理，造成锤头倾斜卡钻；⑦锤头在孔内停留时间过长，造成附着在锤头的泥浆过多卡钻等等。

5-2、卡钻事故处理

处理卡钻应先分析原因，再有针对性的进行处理。通常处理方法有以下几种。

1）当为梅花卡钻时，若锥头向下有活动余地，可使钻头向下活动并转动至孔径较大方向提起钻头，也可松一下钢丝绳，使钻锥转动一个角度，有可能将钻锥提出。

2）卡钻不宜强提以防坍孔、埋钻。宜用由下向上顶撞的办法，轻打卡点的石头，有时使钻头上下活动，也能脱离卡点或使掉入的石块落下。

3）用较粗的钢丝绳带打捞钩或打捞绳放进孔内，将冲锥勾住后，与大绳同时提动，或交替提动，并多次上下、左右摆动试探，有时能将冲锥提出。

5）用其他工具，如小的冲锥、小掏渣筒等下到孔内冲击，将卡锥的石块挤进孔壁，或把冲锥碰活动脱离卡点后，再将冲锥提出。但要稳住大绳以免冲锥突然下落。

6）用压缩空气管或高压水管下入孔内，对准卡锥一侧或吸锥处适当冲射一些时候，冲锥松动后强行提出。

7）使用专门加工的工具将顶住孔壁的钻头拔正。

8）用以上的方法提升卡锥无效时，可试用水下爆破提锥法。将防水炸药（少于1Kg）放于孔内，沿锥的滑槽放到锥底，而后引爆，震松卡锥，再用卷扬机和链滑车同时提拉，一般能将锥提出。

9）严重卡钻时，采取冰冻孔桩四周、人工下孔清阻等特殊方法。

5-3、卡钻事故预防措施

1）加强人员培训，熟悉施工工艺，按部就班，不能急于求成，从而降低人为因素的影响。

2）选用适当黏度和相对密度的泥浆，切不可太稠或太稀。既保证护壁安全，又要保证充分翻渣且不增加钻锥的旋转阻力，并适时掏渣。

3）用低冲程时，每冲击一段换用高一些的冲程冲击，交替冲击修正孔形。

4）出现梅花孔后，应采用片石、卵石混合黏土回填钻孔，重新冲击。

5）经常检查孔的几何尺寸，一般用8号铁丝圈在钻锥底外侧，点焊固定，将钻锥放入孔中再提出泥浆液面，观察铁丝变形情况，变形过大则说明孔壁不圆，应该采取措施洗孔。

6）冲孔过程中随时注意观察钻锥吊绳的运动轨迹，下钻锥时钢绳有偏弹、移位现象，即是梅花孔形成的先兆，极容易卡钻。

7）为了防止缩孔应及时修补磨损钻头，使用失水率小的优质泥浆护壁并须快转慢进，并复钻二三次；或者使用卷扬机吊住钻锥上下、左右反复扫孔以扩大孔径，直至发生缩孔部位达到设计孔要求为止。

6、结束语

正循环冲击钻冲击法由我国古代钻凿盐井发展而来, 是一种最古老的钻井方法。具有设备简单、适用地层广的特点。虽然普通冲击钻机工艺落后，辅助工作时间长，钻进效率低，但在坚硬岩层施工中，因其设备资源丰富、锤头重量

大，仍被广泛使用。现场通过优化管理水平，加强现场监控，仍能发挥其最大工效。

参考文献：

[1] 郭丹，《河卵石地层桩基础成孔施工方法探讨》.《山西建筑》，2009。

[2] 宋汉杰，《平原湖区的钻孔桩施工》[J].《湖南交通科技》，2001,27（4）：45～56。

[3] 刘华平、谭星旭，《福建下自石跨海大桥至桥 5#、6#墩大直径钻孔桩施工》[J].《湖南交通科技》,2004，30（1）：83～85。