一種軟硬互疊巖層鉆孔灌注樁鉆進(jìn)技術(shù)

劉睦峰 ，彭振斌，王建軍 ，彭文祥

(1. 中南大學(xué) 地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南省煤田地質(zhì)局，湖南 長沙，410014)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，各種特大型基礎(chǔ)設(shè)施逐漸增多。大直徑鉆孔灌注樁由于具有能適用于各種地層條件、制成各種樁徑和樁長、滿足不同承載能力要求等諸多優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用于以上基礎(chǔ)工程施工，尤其是深水、大跨徑橋梁基礎(chǔ)工程施工中，并不斷向超大超深方向發(fā)展，施工地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)很大。楊國春等[1-3]探討了硬質(zhì)巖層和砂卵石地層的鉆進(jìn)工藝方法；李?yuàn)^強(qiáng)等[4-5]探討了泵吸和氣舉反循環(huán)的鉆進(jìn)工藝；張時(shí)忠等[6-13]分析了單把滾刀和組合滾刀的碎巖機(jī)理；李小青等[14-19]分析了大直徑鉆孔灌注樁的泥漿性能指標(biāo)、泥漿護(hù)壁機(jī)理與孔壁穩(wěn)定的關(guān)系。在此，本文作者結(jié)合正在施工的某長江大橋橋址的軟硬互疊產(chǎn)狀變化大且?guī)r層坡面偏陡的復(fù)雜地層，根據(jù)泥漿護(hù)壁機(jī)理和滾刀碎巖機(jī)理，采用大扭矩動(dòng)力頭液壓鉆機(jī)配組合式滾刀鉆頭、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)施工工藝，總結(jié)回次鉆進(jìn)技術(shù)方法，得出一套適應(yīng)該地層的泥漿性能指標(biāo)、鉆壓、轉(zhuǎn)速和小時(shí)進(jìn)尺等工藝技術(shù)參數(shù)。

1 橋位區(qū)工程地質(zhì)特征分析

主墩設(shè)計(jì)樁徑為2.8 m，設(shè)計(jì)樁長75 m，鉆孔孔深95 m，總樁22根。部分樁孔的工程地質(zhì)剖面如圖1所示。其主要工程地質(zhì)條件如下：覆蓋層為粉～礫砂層，厚度為 24～25 m(標(biāo)高為+6.09～-18.71 m)；基巖頂部為抗壓破碎嚴(yán)重(強(qiáng)風(fēng)化)粉砂質(zhì)泥巖⑨1-3，其下以抗壓破碎較嚴(yán)重(中風(fēng)化)的粉砂質(zhì)泥巖⑨1-2為主，其中夾有透鏡狀的⑨1-3，⑨1-1或⑨1泥巖；下部以抗壓破碎(中風(fēng)化)粉砂質(zhì)泥巖⑨1-1為主，夾有透鏡狀的⑨1-1泥巖；⑨1-3層在該墩發(fā)育的規(guī)模較小，在下游北面局部較厚，達(dá)到25 m，最薄處僅3～5 m，局部甚至未能揭露；⑨1-2層位于墩位中心線附近的鉆孔中較多揭露，其次在南面上、下游角分布亦較多；⑨1-1及⑨1層泥巖分布范圍及厚度較大；巖層的傾角主要有20°，45°，70°及近 90°，天然抗壓強(qiáng)度如下：⑨1層為 17.70～42.50 MPa，⑨1-1層為 11.00～34.50 MPa，⑨1-2層為 2.50～7.50 MPa，⑨1-3層為 0.20 MPa。

由圖1可見，橋址地層具有如下3個(gè)特征：(1) 覆蓋層松散易鉆，但孔壁穩(wěn)定性差，常出現(xiàn)塌孔、超徑等問題，對(duì)泥漿性能要求較高，需控制進(jìn)尺；(2) ⑨1-3層具有遇水容易軟化崩解的特性，對(duì)泥漿的性能也要求較高；(3) 從巖石強(qiáng)度、巖層的分布及其傾角來看，⑨1-3和⑨1-2層與⑨1-1和⑨1層之間強(qiáng)度相差較大，軟硬巖層互疊且局部巖層破碎，傾角變化大，巖層坡面偏陡。在這種大傾角巖坡面地層鉆進(jìn)施工，當(dāng)滾刀鉆頭滾輪齒沖切不平整孔底巖石時(shí)，鉆頭及鉆桿的重力作用迫使鉆頭中心線偏離鉆孔軸線，極易造成順坡溜孔傾斜。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile

2 泥漿的護(hù)壁作用與泥漿的配合比

2.1 泥漿的護(hù)壁作用

泥漿的護(hù)壁機(jī)理主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：隔水膜的形成及泥漿液態(tài)靜壓力。隔水膜的形成要求土層具有一定的滲透性，否則，很難在孔壁形成隔水膜。泥漿在液壓作用下浸入土層，在一定范圍內(nèi)，泥漿凝膠體黏附在土顆粒上，固定了土顆粒的相對(duì)位置，在孔壁周圍(0～2 m)形成較穩(wěn)定的土層，使土層抗剪強(qiáng)度增加，從而維持了孔壁的穩(wěn)定。泥漿的繼續(xù)滲透使泥漿中的土顆粒逐漸填補(bǔ)了孔壁土層的空隙，從而堵塞水道，在孔壁形成泥皮即隔水膜。

泥漿的液態(tài)靜壓力可以有效地作用在孔壁上，且減少了滲透性，保持了孔壁的穩(wěn)定。泥漿的液態(tài)靜壓力可以抵抗作用在孔壁上的土壓力和水壓力，并防止地下水的滲入。因?yàn)殂@孔破壞了原狀土的受力平衡，孔壁面土體靜土壓力減少，孔壁的空隙水壓成為負(fù)值，對(duì)土體產(chǎn)生了抗拉作用。然而，當(dāng)孔內(nèi)充滿泥漿時(shí)，液壓力在孔壁面上平衡土壓力，同時(shí)，泥漿中的細(xì)小土顆粒向土層的滲入也增強(qiáng)了土層的強(qiáng)度，從而，保持了孔壁的穩(wěn)定。另一方面，泥皮的存在對(duì)樁的強(qiáng)度、壓縮性變形等方面都造成不利影響。因?yàn)槟嗥じ淖兞藰丁⑼两佑|面的性質(zhì)，使樁側(cè)摩阻力下降，導(dǎo)致樁體承載力下降，泥皮越厚，承載力下降越明顯。由此可見：泥漿具有穩(wěn)定護(hù)壁作用，首先表現(xiàn)為泥漿靜水壓力作用，對(duì)地下水產(chǎn)生超壓力，起穩(wěn)定平衡作用；其次表現(xiàn)為泥皮作用，泥漿在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥漿滲透至周圍土中或者地下水侵入孔內(nèi)與泥漿混合，促進(jìn)孔壁的穩(wěn)定。同時(shí)，泥漿具有抑制地層失穩(wěn)的作用，主要表現(xiàn)為泥漿的凝膠作用。

2.2 泥漿性能指標(biāo)試驗(yàn)與配置

鉆孔泥漿由水、黏土(或膨潤土)和添加劑組成。泥漿原料宜盡可能使用膨潤土，膨潤土具有密度低、黏度大、含砂量和失水量少、泥漿厚度小、穩(wěn)定性強(qiáng)、固壁能力強(qiáng)、鉆具回旋阻力小、鉆進(jìn)率高、造漿能力大等優(yōu)點(diǎn)。膨潤土有鈉質(zhì)和鈣質(zhì)2種，鈉質(zhì)膨潤土比鈣質(zhì)膨潤土性能優(yōu)越。為了提高泥漿性能，通常在制備泥漿時(shí)摻入少量的外加劑。外加劑一般有輕基纖維素(CMC)、鉻鐵木質(zhì)素磺酸鈉鹽(FCI)、硝基腐植酸鈉鹽(煤堿劑)和 Na2CO3(純堿)。

不同類型的絮凝劑對(duì)鈉膨潤土泥漿濾失量的影響是不同的。無機(jī)電解質(zhì)或其他陽離子壓縮雙電層而產(chǎn)生絮凝作用的絮凝劑都會(huì)使鈉膨潤土泥漿的濾失量上升，而非離子或陰離子型的高分子絮凝劑，在不同程度上會(huì)降低鈉膨潤土泥漿的濾失量。HPAM對(duì)鈉膨潤土泥漿濾失量的影響如圖2所示。結(jié)合本工程的地質(zhì)條件，并通過室內(nèi)試驗(yàn)確定泥漿配合比，結(jié)果見表1。選用陰離子型、相對(duì)分子質(zhì)量為(300～500)萬、水解度為30%的聚丙烯酰胺為絮凝劑來調(diào)制泥漿。

圖2 HPAM對(duì)鈉膨潤土泥漿濾失量的影響Fig.2 Effect of HPAM on sodium bentonite filtration

表1 聚丙烯酰胺(PHP)泥漿原料和基本配合比Table 1 Raw materials and its ratio of PHP mud

3 施工工藝

3.1 工藝方法

由于作業(yè)區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、工程樁孔孔徑大且鉆孔深度深，鉆掘設(shè)備必須滿足2個(gè)基本條件：一是要有足夠的配重以糾正大傾角巖坡面鉆進(jìn)軌跡的變形；二是要具備足夠大的扭矩以滿足減壓鉆進(jìn)的需要。因此，決定采用大扭矩動(dòng)力頭液壓鉆機(jī)配組合式滾刀鉆頭的施工工藝，并主要從如下3方面探討其鉆進(jìn)工藝：

(1) 合理布置刀具，以壓裂壓碎加剪切的破碎切削方式來提高碎巖效率；

(2) 減少鉆頭鉆進(jìn)過程中的重復(fù)破碎，即利用較好的排渣工藝方法，以提高鉆進(jìn)效率；

(3) 選擇合適鉆進(jìn)參數(shù)和工藝流程來控制順坡溜孔斜，以提高鉆機(jī)鉆進(jìn)效率。

3.2 碎巖分析與滾刀布置

滾刀刀齒對(duì)巖石的破碎作用有3種：壓碎、沖擊和剪切。壓碎是刀齒在鉆壓作用下對(duì)巖石的靜力壓碎作用，其效果主要取決于鉆壓和巖石的硬度；沖擊是由于滾刀滾動(dòng)時(shí)不同刀齒交替作用于巖石而使?jié)L刀軸心產(chǎn)生上下往復(fù)振動(dòng)，從而對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊，沖擊力與滾刀的直徑、齒數(shù)、轉(zhuǎn)速和鉆壓有關(guān)，它與齒數(shù)成反比，與直徑、轉(zhuǎn)速和鉆壓成正比；剪切則是由于滾刀在巖石上滾動(dòng)的同時(shí)，刀齒還有一定的滑移，從而對(duì)巖石進(jìn)行剪切破碎，剪切作用取決于滾刀的回轉(zhuǎn)半徑和主錐角。由于滾刀的主錐角是一定的，在鉆頭上有1個(gè)純滾動(dòng)帶，離純滾動(dòng)帶的距離愈遠(yuǎn)，刀齒的滑移量愈大，滑移速度愈快，剪切作用也就愈強(qiáng)[6-8]。

3.2.1 滾刀破巖力分析

Evans研究的滾刀垂直推力Fn的預(yù)測公式為[13]：

式中：cσ為巖石的抗壓強(qiáng)度；h為刀具侵入巖石內(nèi)的深度(mm)，簡稱切深或侵深或貫入度；β為刀刃角；R為盤形滾刀的半徑(mm)；P為破巖力(N)。

Teale提出了比能(Specific Energy，用Es表示)的概念，表示切削單位巖石體積所需的能量[11]。Snowdon等[11-12]的研究表明，滾刀切削力和比能與刀間距存在以下關(guān)系：

(1) 刀間距增大，會(huì)增大刀具的受力，直到滾刀之間的相互作用為0 N；刀間距變小，會(huì)使巖石碎片尺寸變小，比能增大。

(2) 在恰當(dāng)?shù)腅s/P處，能取得最低的比能Es,min，見圖3。

(3) 刀間距增大，會(huì)使碎片尺寸變大，直至達(dá)到最優(yōu)的比能；隨著刀間距進(jìn)一步變寬，刀間相互作用減小至最低，然后又開始升高，見圖3。

圖3 Es/P對(duì)切削能的影響Fig.3 Effect of Es/P on cutting power

3.2.2 滾刀破巖點(diǎn)1次侵深軌跡分析

圖4所示為平面刀盤上正刀破巖運(yùn)動(dòng)示意圖，其中：圖4(a)所示為正刀工作狀況，點(diǎn)A為破巖刃上某一點(diǎn)。在Δt時(shí)間內(nèi)，正刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δθ時(shí)，點(diǎn)A的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移為；圖4(b)所示為沿刀盤軸線看過去盤形滾刀的牽連運(yùn)動(dòng)情況，在Δt時(shí)間內(nèi)，刀盤轉(zhuǎn)過角度。當(dāng)點(diǎn)A由接巖點(diǎn)至最大切深時(shí)便完成1次侵深破巖，由圖4所示幾何關(guān)系，其位移在坐標(biāo)軸上的投影[9]可表示為：則盤形滾刀破巖刃上某一點(diǎn)(A點(diǎn))完成 1次侵深破巖畫出的弧線長度l為:

圖4 正刀破巖工作示意圖Fig.4 Diagram of rock breakage by inner cutter

將式(2)代入式(3)并整理得：

3.2.3 組合滾刀的布置

一般地，對(duì)于破巖效率低而滾刀磨損快的區(qū)域，滾刀數(shù)量要適當(dāng)增加。同時(shí)，由于不同回轉(zhuǎn)半徑上的滾刀破巖效率不同，工作量也不一樣，其磨損呈不均勻性，因此，應(yīng)盡可能使不同回轉(zhuǎn)半徑上的滾刀工作量相同，以使整個(gè)鉆頭鉆進(jìn)平穩(wěn)、磨損均勻。在組焊滾刀鉆頭時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的地層、循環(huán)方式和鉆機(jī)加壓能力等調(diào)整滾刀位置，以使鉆頭在使用中發(fā)揮其時(shí)效高、壽命長的特點(diǎn)。結(jié)合式(1)和式(4)，組合滾刀布置如圖5所示，參數(shù)尺寸見表2。

3.3 鉆進(jìn)工藝參數(shù)的選用

結(jié)合鉆機(jī)的技術(shù)性能，在粉砂層、礫砂層鉆進(jìn)主要是通過加大轉(zhuǎn)速和小時(shí)進(jìn)尺來提高鉆進(jìn)效率，而在巖層的鉆進(jìn)時(shí)則通過加大鉆壓、減小轉(zhuǎn)速和控制小時(shí)進(jìn)尺來提高碎巖效率，確保鉆進(jìn)軌跡的垂直度。由于巖層分布復(fù)雜，為避免鉆進(jìn)軌跡偏離造成樁孔的垂直度達(dá)不到規(guī)范要求，除在一定節(jié)段的鉆桿中增加扶正器外，主要采取如下工藝控制過程和技術(shù)措施：

(1) 扶正器越多，原則上越能起糾正作用，但存在極大工程施工隱患，一旦孔壁出現(xiàn)掉塊(粒徑大于0.4 mm)，則極容易卡住鉆頭或扶正器，鉆機(jī)不能提升或轉(zhuǎn)動(dòng)，造成卡鉆事故。因此，在全孔鉆進(jìn)過程中加接2個(gè)扶正器：第1個(gè)扶正器加接在配重鉆桿的上端，第2個(gè)則在孔深達(dá)到60 m后起鉆檢查鉆具時(shí)加接，控制在深度40 m的位置。

圖5 組合滾刀布置圖Fig.5 Combination hob layout

表2 滾刀參數(shù)尺寸Table 2 Sizes of hob parameters

(2) 鉆具配重越大，原則上越能起到糾斜作用，但必須考慮到鉆機(jī)本身的提升能力。施工用釜馬RC-300鉆機(jī)的配重控制在40 t為宜，加上滾刀鉆頭，總質(zhì)量達(dá)到55 t左右。

(3) 在巖層鉆進(jìn)過程中，應(yīng)定時(shí)檢測鉆機(jī)底座的水平度(底座四角高差不得大于 3 mm)及鉆塔的垂直度，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整，以保證鉆孔的垂直度。

(4) 鉆頭穿過覆蓋層開始入巖時(shí)，鉆機(jī)操作人員要輕壓鉆進(jìn)，待小心鉆進(jìn)20～30 cm后(依據(jù)單把滾刀高度而定)，提起鉆桿掃孔，在沒有任何阻力即電流表沒反映或回轉(zhuǎn)壓力表沒有變化時(shí)再繼續(xù)鉆進(jìn)，如此反復(fù)鉆進(jìn)，入巖8 m后(即要求第1個(gè)扶正器的腰帶全部進(jìn)入巖層)才允許按照正常參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。當(dāng)巖石層位發(fā)生變化時(shí)，需重復(fù)上述操作，以防止出現(xiàn)孔斜。

(5) 正常鉆進(jìn)參數(shù)的確認(rèn)。在巖層鉆進(jìn)過程中，利用滾刀鉆頭低壓慢轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，控制進(jìn)尺(見表3)，每隔1 h必須認(rèn)真觀察鉆渣1次，以判斷鉆孔所在的層位。

(6) 當(dāng)孔深達(dá)到60 m左右(入巖20 m左右的位置)時(shí)必須起鉆，檢查鉆具、鉆頭的磨損程度(螺栓是否松動(dòng))，重新設(shè)置氣室和布置第2個(gè)扶正器，以提高氣舉反循環(huán)的工作效率。停鉆時(shí)，鉆頭須提離孔底 1.5 m以上才能停止孔壓機(jī)供風(fēng)，以防止出渣口和風(fēng)包被堵。

表3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)Table 3 Distribution parameters of drilling technique

4 結(jié)論

(1) 扶正器越多，原則上越能起糾正作用，但也存在極大工程施工隱患：一旦孔壁出現(xiàn)掉塊(粒徑大于0.4 mm)，則極容易卡住鉆頭或扶正器，鉆機(jī)不能提升或轉(zhuǎn)動(dòng)，造成卡鉆事故。因此，在工程實(shí)踐中，只要鉆掘設(shè)備能滿足工程規(guī)范要求，扶正器應(yīng)盡量少用。

(2) 選用陰離子型、相對(duì)分子質(zhì)量為(300～500)萬、水解度為30%的聚丙烯酰胺為絮凝劑來調(diào)制泥漿，能較好地解決粉砂質(zhì)泥巖遇水易軟化崩解問題，使孔壁穩(wěn)定。

(3) 針對(duì)軟硬互層巖石中防斜鉆進(jìn)難題，需結(jié)合單把滾刀高度和焊齒的寬度，嚴(yán)格控制鉆程，并反復(fù)來回掃孔鉆進(jìn)，以確保樁孔的垂直度。

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