旋挖钻在复杂地质条件下充盈系数的控制与研究

2012-07-26孙建胜

铁道建筑 2012年11期

孙建胜

(中铁一局第三工程有限公司，陕西宝鸡 721006)

1 工程概况

西平铁路工程是西安至平凉的全国在建重点铁路线，是连接西北陕、甘两省集客货一体的重要运输干线。新沟特大桥、南石窟寺特大桥为西平铁路重点控制性工程，其中新沟特大桥为全线最长桥，全长2 028.56 m，共计63个墩台，钻孔桩258根，桩径为125 cm。桩基位于甘肃泾川县泾河河道内，地质情况复杂，由上至下依次为:第四系全新统冲积物(黏质黄土、细砂、中砂、细圆砾土、粗圆砾土)，第三系上新统砂岩，白垩系下统泥岩夹砂岩等。

2 旋挖钻扩孔成因

河滩地质条件差，施工难度大，在旋挖钻的钻孔过程中，经常发生扩孔现象，甚至引起塌孔。造成成本的增加。前期旋挖钻施工钻孔桩时，该特殊地层通常在深度4～10 m处扩孔或塌孔。该地层为砂质黏土，厚度薄，稳定性差。根据前50根桩成孔混凝土实际用量分析，均有不同程度的扩孔现象，尤其在5～7 m夹砂质黏土处，扩孔现象尤为显著。扩孔最大时孔径达1.37 m(设计桩径为1.25 m)，桩孔充盈系数一般都在1.25～1.34左右。经过分析总结，出现上述情况的主要原因是含砂层处旋挖钻机钻进参数不合理，一味追求快速成孔，把钻速调至最高档钻孔，易导致扩孔。

3 充盈系数控制技术

针对上述扩孔情况的原因分析，制定出旋挖钻机钻进施工技术改进等以下控制技术:

1)每墩台开钻第一根桩前应以地质勘测报告为依据，认真做好现场钻渣取样并与勘测报告中地质情况的比对工作，以备同墩台的其他各桩施工作参考。

2)旋挖钻机钻孔过程控制:合理调整钻进参数，开始时轻压慢转，钻进至含砂土层时，匀速穿过，并加大泥浆密度，以稳孔护壁;钻至淤泥质黏土时，保持中档钻速等。根据地质情况及时更换适用于该地层的钻头，控制钻杆的摇晃摆幅在最小范围内。

3)开钻前、钻进中、灌注前泥浆指标的控制:在钻孔过程中，改善泥浆的性能，有利于在砂土类地层钻孔中保证孔壁的形状和稳定性。泥浆在钻孔中起着悬浮和携带钻渣、清洗孔底，增加孔壁稳定性的作用。泥浆制备采用黏土和膨润土加火碱结合的方法，达到了泥浆性能稳定，沉渣少，护壁效果好，成孔质量高的要求。还要注意不同地层泥浆主要指标的控制，如旋挖钻在淤泥层中钻进时，泥浆指标应控制在:密度1.2～1.3 g/cm3，黏度19～22 s，含砂率 2 ～3%;在砂砾层中钻进，泥浆指标应控制在:密度1.3～1.4 g/cm3，黏度20～25 s，含砂率3～4%;在水下混凝土灌注前，泥浆指标应控制在:密度1.05 ～1.1 g/cm3，黏度17 ～20 s，含砂率≤2%。

桩基施工自2008年2月15日开始至2008年4月23日完成，历时67 d。对桩基进行小应变动测，检测结果:Ⅰ类桩254根，占所测桩数98.4%，Ⅱ类桩4根，占所测桩数1.6%，无 Ⅲ，Ⅳ 类桩出现，承载力均超过设计要求。经过对施工方案的优化，旋挖钻机钻孔技术改进后，钻孔充盈系数基本上降至1.05～1.1范围内，扩孔现象得到了有效的控制，在含砂层处的扩孔幅度也明显的降低(扩孔率1.25以下)，单根桩基平均节省C35混凝土1.69 m3，如表1所示，全桥桩基共节省约15.3万元。

表1 新沟特大桥西安台(桥台)钻孔桩施工充盈系数统计

4 成桩质量的控制技术

4.1 清孔方法对钻孔灌注桩质量的影响及控制

在钻孔灌注桩施工中，正循环和反循环清孔是常用的两种清孔方法，不同的清孔方法对钻孔桩的清孔及成桩质量有着不同的影响。根据桩尖所处的不同地层和孔底沉渣，因地制宜地选择不同的清孔方法。例如:当桩尖附近为砂层时，正循环清孔比反循环清孔质量要高，这由于反循环清孔排大粒径的钻渣(如碎石、卵石等)效率高，较大的抽吸作用致使桩底附近松散的沉渣(微小砂粒)颗粒在孔内反复悬落，另外对桩尖土层扰动大，导致成桩质量(承载力)降低，如表2所示。

表2 新沟特大桥35#墩正、反循环清孔法清孔效果对比

因此，选择合适的清孔方法要能减少沉渣厚度，同时又不扰动桩尖土层。选择什么样的清孔方式提高成桩质量，取决于桩底土层的条件，当桩底为沙、土层时，一般应采用正循环清孔法清孔;当桩底为卵、砾石层时，一般应采用反循环清孔法清孔。这样会使清孔效率提高，降低孔底沉渣厚度，提高成桩质量。

4.2 钻孔时间对钻孔灌注桩质量的影响及控制

成孔时间长，孔壁泡水软化现象严重，极限阻力减小，较长的成孔时间会加大泥皮和沉渣厚度，降低桩身混凝土和桩周土之间的摩擦力。

根据相同桩长、桩径的100根桩各项数据比对(旋挖钻机和冲击钻机成孔各50根)，数据显示:每台旋挖钻机钻进直径1.25 m的孔，平均每小时进尺8 m，每天成孔2个，用正循环方式清孔，平均每天灌注2根。钻直径1.5 m孔，平均每小时进尺5 m，每天成孔1个，用正循环方式清孔，平均1.5 d灌注1根。而每台冲击钻机钻1.25 m孔，平均每小时进尺0.65 m，每3～4 d成孔1个，用正循环方式清孔，平均4～5 d灌注1根。钻1.5 m孔，7～8 d成孔1个。用正循环方式清孔平均9～10 d灌注1根。

4.3 在同等条件下旋挖钻与冲击钻工效比较

在同等条件下，旋挖钻比冲击钻工效提高了近10倍，两者主要区别在于成孔工艺不同。旋挖钻头是圆筒状取土斗，通过钻头旋挖钻孔同时取土装入斗中。钻杆提升钻头出孔后翻转倒土，完成钻孔过程。钻孔桩终孔时，孔底经钻头取土基本无钻渣，待孔内泥浆沉淀后，用旋挖钻头捞钻渣，经量测校核孔深通常钻渣都在设计允许值内，一般不需要再进行清孔。此时钻机可进行下一桩位钻孔，从而大大提高了成孔速度(如表3所示)。

表3 新沟特大桥钻孔桩施工钻机工效对比

比较这两种钻机各自施工的50根桩基小应变检测结果:旋挖钻施工的Ⅰ类桩50根，占所测桩数100%，Ⅱ类桩0根;冲击钻施工的Ⅰ类桩47根，占所测桩数94%，Ⅱ类桩3根，占所测桩数6%。可见，在同等条件下，旋挖钻机要比冲击钻机成桩质量高。另外，旋挖钻头的多次上下往复提落，使孔壁变得粗糙，不易产生缩孔。旋挖钻施工的桩基，成桩后的承载力明显要高于其他传统钻机。