复杂地层钻孔桩多机联合成孔施工工法

'复杂地层钻孔桩多机联合成孔施工工法 1.前言在内陆地区修建高速铁路，因局部地区地质情况复杂，桥梁设计一般为钻孔桩基础，深度可达70米以上。表层一般为杂填土、软塑粉质粘土，中间大部分为硬塑粉质粘土，局部还有流砂、砂砾石、卵石、残积砂质粘性土，最下层为强、中、弱风化灰岩等。随着高速铁路建设步伐的不断加快，项目规模越来越大，工期要求也很紧，而钻孔桩基础是制约项目进度的关键所在。为了更快、更好、更经济的完成桩基工程，保证各种地层能顺利施工，是一个比较大的技术难题。经过实践研究总结，根据不同地质情况，同一根钻孔桩根据深度不同而采取多种钻机联合施工成孔，具有技术先进，社会和经济效益明显，取得了良好的成果。现对此工法的进行简要介绍。2.工法特点一根钻孔桩基础根据不同地层采用两种不同工作原理的钻机设备进行联合施工，充分利用各种设备针对不同地层的优势来达到提高工效，加快成孔，缩短工期，节约成本的目的。3.适用范围地质情况较复杂、富水条件下的桩基工程施工。4.工艺原理在地表以下为杂填土、粘土、粉质粘性土、流沙、粒径不大的砂卵石、强风化灰岩等地层采用旋挖机进行施工；当进入到中、弱风化灰岩地层时再利用冲击钻机进行施工，直到成孔。4.1冲击钻机    利用冲击式装置或卷扬机提升实心钻锤，上下往复冲击，将土石劈裂、劈碎，部分被挤入井壁之内。通过一定浓度的泥浆将钻渣悬浮出孔外，并起护壁作用。带有钻渣的泥浆经沉淀池沉淀净化后，进入储浆池依次循环使用，形成正循环。4.2旋挖钻机   利用可以伸缩的旋式钻杆在钻具重量、油缸压力及动力头扭矩的共同作用下，将地下土、岩屑装入钻头（筒），再用卷扬机提升取土（岩）成孔。钻机自动定位，垂直旋孔，具有装机功率大、机动灵活、施工效率高等特点，配合不同钻具，可适用于不同孔径及地质条件的成孔作业，适应我国大部分地区的土壤地质条件。5.施工工艺流程及操作要点5.1多机联合施工工艺流程 施工场地平整→测量放线→安放护筒→旋挖钻机或冲击钻机就位→测量复核→补浆→钻进成孔（入岩前）→钻进质量检查→泥浆处理器或泥浆池→冲击钻：钻进成孔（入岩后）→清孔、排渣→安放钢筋笼→吊放导管→导管检查→浇注水下砼→验收、移机。5.2操作要点5.2.1施工准备1、桩位放样   根据设计桩位坐标，在现场放样出桩基位置。并在护筒外约1米左右的稳固位置埋设四个护桩，用素砼进行保护（交角大于60度），供随时进行孔位中心的检查。2、钢护筒的埋设由于本工程地质复杂，耕种土层厚。桩四周所受荷载（钢筋 笼自重、吊车、钻机、水泥罐车等）相比浅桩大的多，要求护筒埋设稳固。四周压实，钢板的厚度不少于6mm，具有较强的钢度，能承受桩基施工过程中各种荷载对土的挤压而变形。3、设备检查主要对各种钻孔设备及配套附件（如钻锤、钻杆、钻头、钻筒、导管、钢丝绳等）进行仔细的检查，要求性能良好，八成新以上，各项检查指标均需达到相应规范要求。5.2.2地层变化时施工方法的调整由于本工法是当地层岩石强度大于30Mpa时，应改为冲击钻机来施工。下面主要介绍旋挖钻机在入岩前地质变化时施工方法的调整。不管采取哪种方法，在钻进过程中要经常注意土层变化，每进尺2m或在土层变化处应查看钻渣，判断土层地质情况，记入钻孔记录表，并与该处地质柱状图核对，同时根据钻进难易程度选择适合的钻头型号或更换斗齿。1、速度控制：当由硬地层钻到软地层时，可适当加快钻进速度；当软地层变为硬地层时，要减速慢进；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进，以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。2、不同地质条件下钻进方法及钻头的选择1）针对黄泥沙层（半泥半砂）的地层：这是最简单而且最易钻进的地层，钻头通常选用双底筒钻，对操作手来说非常简单，只要泥浆质量能保证不塌孔，每小时轻轻松松钻进10米以上。 2）针对砂层和软泥层的钻进方法：这种地层要求操作手要有一定的手法技能，钻头可根据砂层厚度来选择单底或双底筒钻。这样地层下钻加压不要过重，只要自动进钻最好不要再加压了，以防钻深过大导致埋钻，钻满后匀速上提。宜选用较大相对密度、粘度、胶体率的泥浆，使孔壁形成坚实泥皮，同时要根据实际地质情况决定护筒的埋设深度。控制进尺速度，不要过快，防止泥浆冲刷孔壁，造成扩孔、塌孔，下放钻头时也不要过快。 3）对纯黄粘土和泥岩层的钻进方法：纯黄粘土这种地层的的优点是直接可清水成孔，不易塌方，但对操作手来讲并不轻松，容易造成孔内打滑不进尺，磨蹭一两个小时都有可能不进尺，一般常采取的这几种方法来解决：a、是选择单底钻，增大切削刃角，防止黏泥糊钻。b、是向孔内填一些拳头大小的石头或者是沙子来增加摩阻力；c、是调整桅杆倾斜角度，给钻杆增加摩阻力，当钻头一进尺后要立即将桅杆调整垂直，继续钻进后上提卸土；d、是钻头斗齿更换或稍微加长斗齿二三公分试钻，若还是不进钻的话，可将钻头斗齿座的角度增大至六十度左右即可；5.2.3泥浆指标控制1、钻进过程中的泥浆指标控制： 泥浆性能指标应根据不同的方法进行选择，参照表1执行：表1  泥浆性能指标选择表泥 浆 性 能 指 标钻孔方法地层情况相对密度粘度含沙率胶体率失水量泥皮厚酸碱度(s)(%)(%)(ml/30min)(mm/30min)pH旋挖钻一般地层1.05~1.2016~22≤4≥96≤25≤28~10易坍地层1.20~1.4519~28≤4≥96≤15≤28~10冲击钻一般地层1.10~1.2018~24　≥95≤20≤38~11易坍地层1.2~1.422~30≥95≤20≤38~11注：①地下水位高或其流速大时，指标取高限，反之取低限。    ②地质较好、孔径或孔深较小时，指标取低限，反之取高限。     ③用冲击方法钻进时，可用粘土碎块投入孔内，由冲击钻自行造浆固壁。    ④若当地缺乏优质粘土、不能调出合格泥浆时，可掺用填加剂以改善泥浆性能。5.2.4钻进过程中应注意的事项钻机在成孔过程中，应在塌孔、偏孔、缩孔等质量隐患上采取一些措施。钻孔垂直度是桩基础施工过程中质量控制的关键环节，是关系到成孔后钢筋笼、导管下放和混凝土灌注等工作能否顺利进行的关键所在。操作人员除必须认真填写钻孔施工记录，交接班时应详细交代本班组钻进情况及下一班组需要注意的事项，必须连续作业，中途不得停止，如不可避免情况需暂停钻进时应不间断进行孔内泥浆循环。泥浆是超长钻孔灌注桩施工质量好坏的重要环节。性能良好的泥浆失水量小，泥皮薄而密，具有较高的粘结力，对维护孔壁稳定、防止塌孔起很大作用。除以上应注意问题，同时根据不同设备采取有针对性的控制措施。1、正循环冲击钻1）要求设备支撑需稳固，地层软硬不均匀，钻机转速过高造成晃动均易出现钻孔倾斜、偏孔。要求每班不少于2次的桩位、钻杆的垂直度检查，对有怀疑的护桩需重新测量，及时校正。2）施工过程中应采取加大水头、移开重物、排除振动等相应措施，以防塌孔。对少量塌孔，如不继续，可恢复正常钻进3）在饱和性粘土、淤泥质粘土，特别是I>1．0处于流塑性状态的土层中由于此类地层含水高、塑性大，钻头经过后钻孔壁回缩，从而导致钻孔的直径小于设计的桩直径。针对这种情况，在成孔时，应加大泵量，加快成孔速度，快速通过，在成孔一段时间后，孔壁形成泥皮而不会渗水，亦不会引起膨胀；如出现缩径，采用上下反复扫孔的办法，以扩大孔径。 4）对于特大型溶洞或半充填的溶洞或溶洞上方有较厚的沙砾层时，为防止泥浆突然流失，造成孔壁坍塌，采取护筒跟进法施工。具体做法为：首先将φ1.0m的钻头扩大至φ1.2m，正常钻进至溶洞上方约1m处，将钻头提起，用振动锤将内径1.5m、壁厚6mm的钢护筒砸至孔底，再将钻头直径改为φ1.0m继续冲砸，直至击穿溶洞，然后回填粘土片石混合物（比例1：1），采用1—1.5m的冲程将洞内冲砸密实，再转入正常钻进。2、旋挖钻机：旋挖钻机机械化程度高，开始前应对设备进行系统检查。自行初步就位后，在技术人员的指挥下进一步调整钻机垂直度，并使钻头中心与孔位中心重合，桩机定位要准确、水平、垂直、稳固。由于钻机配备电子控制系统显示钻杆的垂直度，同时在钻杆的两个侧面均设有垂直度仪，在钻进过程中必须安排专人观察，随时指挥机手调整钻杆垂直度。通过电子控制和人工观察两个方面来保证钻杆的垂直度，从而保证成孔的垂直度。6.材料与设备本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表2。表2  主 要 机 具 设 备 表序号设备名称设备型号单位数量用途1冲击钻机KP1500台3灌注桩施工2旋挖机R825HD台1灌注桩施工3挖掘机PC320台1挖土、安装护筒、清泥浆等4高压泥浆泵NL—100台2泥浆循环5装载机ZL50台1装运渣土6吊车QY25台4吊装设备7自卸汽车后八轮台8运渣土7.质量控制7.1工程质量控制标准此工法适用于端承桩，桩基成孔质量执行《公路桥涵施工技术规范》。钻孔偏差按表3执行。   表3  钻孔成孔质量标准       序号项  目允许偏差（mm）1孔的中心位置（mm）群桩：100；单排桩：502孔径（mm）不少于设计桩径3倾斜度小于1%4孔深支撑桩：比设计深度超深不少于50mm5沉淀厚度不大于设计规定6清孔后泥浆指示相对密度：1.03-1.10，黏度：17-20s，含砂率应少于2%，胶体率大于98%。7.2质量保证措施7.2.1建立健全各级全面质量管理与质量保证体系。成立以项目经理为首的全面质量管理领导小组。制定各工序、各环节的操作标准、工艺标准、检查标准，并执行情况作好记录,实现可追溯性。7.2.2做好测量、试验的检查工作，严格执行自检和复核制度。对所有采用的测量、计量器具按规定定期检验，合格后方可投入使用。7.2.3执行质量技术交底制度，未进行技术交底的班组不得进行施工。7.2.4严格控制护壁泥浆的比重、含砂率和PH值等指标。7.2.5桩基成孔后必须进行孔径、孔深、孔斜率及沉碴厚度的检测。 8.安全措施8.1新工人进场前，应进行本工种的安全技术培训和教育，没有经过安全技术教育的不得上岗施工；对本工种安全技术规程不熟悉的，不得独立作业。特种作业人员必须持证上岗，严禁无证上岗及串岗。8.2现场人员必须佩戴安全帽，禁止穿拖鞋。 8.3现场临时严格执行安全用电制度，配电箱以及其它供电设备不得置于水中或者泥浆中，电缆线接头要牢固，并且要绝缘，输电线路必须设有漏电开关。8.4搬运钢筋、架管等材料时注意避免与附近的架空线和临时电线发生碰撞。8.5泥浆池周围必须设有安全防护设施。8.6挖掘机、吊车、钻机等设备在工作之前必须进行机械安全检查，在现场工作时应有专人进行指挥，要求在其工作范围内不得站人。8.7施工作业平台必须规整平顺，杂物必须清除干净，防止拆除导管时将工作人员绊倒造成事故。钻孔过程中，非相关人员距离钻机不得太近，防止机械伤人。9.环保措施9.1项目部成立对应的施工环境管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。9.2将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标志、标牌清楚、齐全，标识醒目，施工场地整洁文明。9.3对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施。同时，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底。9.4设立专用泥浆池、沉淀池、排浆沟，对废浆、污水进行集中，经常疏通泥浆沟，并做好无害化处理，按当地环保要求的指定地点排放。从根本上防止施工废浆乱流。9.5优先选用先进、新型的机械。同时采取有效措施降低施工噪音到允许值以下，并尽量减少夜间施工噪声。9.6对施工进场道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。10.效益分析 进入到中、弱风化花岗岩地层之前利用旋挖机进行施工，与常规钻机相比具有以下优势。10.1施工效率高     旋挖钻机的钻杆为抽拉式与钻头相连，在油缸的加压下经过提升快速回转倒土，大大提高了钻孔效率。钻头与钻杆用一钢销连接，钻头拆卸简便，对于不同地层可迅速更换钻头(钻头主要有三种：短螺旋钻头，挖泥钻头、挖砂钻头)。 在相同的综合地质条件下，以70米孔深为例，当采用普通冲击钻机时平均12～16天完成一个孔，而旋挖钻机每8～10小时可完成一个孔。统计数据表明旋挖钻机的施工效率通常是是普通冲击钻机的20～28倍。10.2施工质量好     普通钻机的机架和钻杆都比较单薄，在钻进过程中只能先靠重力来保证垂直度，如遇硬岩就会偏，另外泥浆消耗量大，泥浆中的渣质不易清理，这对水下砼的质量有一定的影响。而旋挖钻机的钻杆比普通钻机粗的多，机架稳固，且旋挖钻机有自动测斜装置，钻塔垂直度及钻孔深度均有仪表显示，钻机底盘可伸缩并可自动整平，因此钻进时非常稳定，可随时监视并调整钻孔的垂直度，能有效保证钻孔垂直度，旋挖钻机具备自动测深装置，可绝对保证钻孔深度，同时对泥浆的破坏很小，可保证泥浆质量，对水下混凝土的质量无影响，提高钻孔质量。10.3广泛的适应性     在硬土地层，由于传统钻机的自重有限，不可能给钻头施加更大的进给压力。而旋挖钻机由于采用动力头装置，动力头的给进力加上钻杆的重量，钻进能力强。据统计，在相同的地层中，旋挖钻机的成孔速度是转盘钻机的5～10倍。适用于各种土层及软质岩层。10.4良好的环保性      旋挖钻机在施工过程中，噪音低，震动小，泥浆用量少，因为该机仅用泥浆护壁，而不用泥浆排渣，钻渣流动性小，可进行集中堆放或用翻斗车外运，利于现场文明施工，机械化程度高，便于管理。目前国内传统钻机多采用连接钻杆形式和掏渣桶掏渣，在钻进过程中多采用泥浆循环方式，泥浆对于这类钻机起润滑、支护、置换和携带钻渣的作用。随着环保对城市建设愈加严格，传统钻机面临更大危机，而旋挖钻机采用动力头形式，其工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗，利用强大的扭矩直接将土或砂砾等钻渣旋转挖掘，然后快速提出孔外，在不需要泥浆支护的情况下，可实现干法施工，即使在特殊地层需要泥浆护壁的情况下，泥浆也只起支护作用，钻削中的泥浆含量相当低，这使污染源大大减少，进而降低了施工成本，也改善了施工环境，成孔效率高。 10．5现场无需提供大功率电源，钻机的所有动力来源与随机的柴油发动机，钻机的行走移动全部由自带的柴油发动机输出动力完成，因整体置于可自动行走的履带式底盘上，机动性大，移位迅速独立作业性高，施工移运中，无需吊装，能适应恶劣地形，一切吊装作业可由本机卷扬设备处理。而传统的施工方法需要外接电源，绝大部分需另外向电力局申请增设600kw的变压器，申请手续繁锁，费用高，很不利进度要求紧的工程项目。10．6旋挖钻机的不足和缺点分析     1、旋挖钻机受施工地层的制约，主要适用于土层、砂层以及较松散的、粒径较小的卵砾石层，在粘性土层钻进效果最佳；而在硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层施工比较困难，并容易发生孔内事故和机械事故，体现不出旋挖钻进的优越性。2、旋挖钻与传统的潜水钻机相比，由于旋挖钻机的圆柱形钻头在提出泥浆液面时会使钻头下局部空间产生“真空”，同时由于钻头提升时泥浆对护筒下部与孔眼相交部位孔壁的冲刷作用，很容易造成护筒底孔壁坍塌，因此对护筒周围回填土必须精心进行夯实。 3、成本较高，旋挖钻机的价格目前较贵，应用最多的旋挖钻机的施工口径在1.0～2m之间，一台国产旋挖钻机价格都在400～500万元以上，进口价格要600多万元人民币。对于一般的工程项目，购置设备有一定困难。   总之，根据工程特点，性质，如管理合理，使用旋挖钻机施工，能起到施工效率高，工程质量好，社会效益很好的效果。11.应用实例石武客专河南段八标段一分部的驻马店特大桥共有桩基2488根，从1.0米至1.2米共有二种规格；孔深85%的桩基在40米，最长桩78.5米；局部地质情况较复杂，相邻桩入岩高度相差10米以上，施工难度较大；质量要求高，桩基I类桩达到100%。工程量大（合同额约2.6亿）而工期短(根据总工期计划桩基必须在12个月内全部完成)。经使用多机联合成孔法，在工期和效益上取得了明显的效果。'