浅谈中～硬质岩层钻孔桩快速施工技术

汤文涛

广州市地下铁道总公司，广东省 广州市 510380

1 概述

旋挖钻机是一种专门的灌注桩成孔作业施工机械，广泛用于市政建设、公路和铁路桥梁、高层建筑等基础施工。近年来，旋挖钻机作为钻孔灌注桩施工中一种较为先进的施工机械，因其适应桩径范围广、桩位定位准确、成孔速度快质量好、自动化程度高、移动灵活方便等优点，特别是其具有高环保性和工作效率，在市政及高速公路桥梁桩基施工中，显示出明显的优越性。旋挖钻机配以适宜的钻具可在填土、黏土、粉土、砂性土、砂卵砾石层以及软～中硬质裂隙层理较发育的基岩等地层进行成孔作业。但对于较完整、层理裂隙不发育的中～硬质的岩层，采用旋挖钻机施工钻孔桩存在较大的困难。为了更好地发挥旋挖钻机施工的优点，竖井围护结构钻孔桩采用潜孔钻机配合旋挖钻机进行硬岩段钻孔桩施工，取得了良好的效果。

2 工程概况

竖井围护结构钻孔桩共有40根，设计桩长为17.75m，桩径为800mm。桩设计入岩深度不得小于1m。因岩面分布差异较大，桩入岩平均深度为6m。根据地质钻孔资料揭示，竖井范围内从上至下依次有：人工填土层（2.02m）、残积土层（1.8m）、花岗岩全风化带（11.8m）、花岗岩中风化带（12.998m）。根据场区地层情况，首先进行了4根试桩施工。在试桩施工中风化和微风化砂岩段的过程中，采用螺旋凿岩钻头进行施工。由于岩石整体性好、硬度大，钻孔桩钻进速度缓慢，入岩钻进速度仅有1m/天,旋挖钻机成孔速度快的优点没有得到充分的发挥，同时在施工过程中因钻进阻力较大，钻机和钻具损耗太大，硬质合金钻齿更换太频繁，综合运转成本太高。为了确保钻机安全施工并保证施工进度，经研究决定采用MDL-135D锚固钻机成孔配合旋挖钻机进行硬岩段钻孔桩施工。

3 施工工艺

初勘地质报告显示：钻孔桩由上至下地层为人工填土层、可塑状残积土层、硬塑状残积土层、全风化花岗岩层、中风化花岗岩层，最大岩石强度约30MPa。

钻孔桩施工前对竖井四个角点位置进行补勘，探明竖井8m*10m范围内中风化花岗岩岩面高差达4.5m，其中竖井东北角钻孔桩已进入微风化地层4m，岩石强度达63MPa，这给施工带来了极大困难。现场钻芯取样照片见图1所示。

图1 钻芯取样照片

通过对地层岩性、深度进行分析研究，认为仅采用旋挖钻无法发挥旋挖机成孔快的优势，决定采用潜孔钻配合旋挖钻机成孔。具体施工工艺流程如图2所示。

3.1 施工准备

施工前，先清除设计桩位范围内场地的杂物，平整施工场地，保证潜孔钻机及旋挖钻机底座场地平整、夯实，避免在钻进过程中钻机产生沉陷。

3.2 测量放线

根据设计图纸，现场测量放样定出钻孔桩位置。

3.3 护筒埋设

桩位确定后，利用十字线放出四个控制桩位，并以四个控制桩为基准埋设护筒。护筒直径比桩基孔径大100mm～150mm，长2m，护筒至少高出地面300mm。挖埋护筒时坑底应整平，然后找出护筒的圆心位置，用十字线定在护筒顶部或底部，然后移动护筒使护筒中心与钻孔中心位置重合，用水平尺或锤球检查，保证护筒垂直度。

3.4 潜孔钻成孔

结合现场实际情况选择合适的潜孔钻施工机械。本工程采用了MDL-135D锚固钻机进行潜孔钻施工。

（1）钻孔布置

在桩孔内施工足够数量的不小于钻孔桩设计孔深的小口径梅花形布置的钻孔（本工程每桩布置3～5个孔），以便在孔底形成便于旋挖钻机进行全面破碎的结构面。潜孔钻成孔直径为130mm，按5个孔计算，潜孔破碎面积为0.066m2，占钻孔桩面积的13.2%。现场潜孔钻钻孔布置见图2所示。

（2）钻进成孔

钻机就位对准布置好的孔位，然后开始钻进。每节钻杆长度为3米，钻进过程中通过依次添加钻杆达到设计孔深。钻机配套动力为一台15m3空压机。钻机钻进过程中一方面通过活塞杆往返运动，使回转供风机构向前滑动，钻具以一定轴压作用于孔底，实现凿岩推进；另一方面，通过其空心轴把高压风送入钻杆直达冲击器，经由钻头通风孔完成孔底吹碴动作，将孔底杂物吹出孔外。钻头构造见图3所示。

图2 现场潜孔钻钻孔布置图

图3 钻头构造图

3.5 钻孔桩成孔

钻孔桩内的潜孔钻施工完成后用旋挖钻机钻进施工。本工程采用SR-150C旋挖钻机进行钻孔桩成孔施工。钻孔进行前，司钻人员必须先熟悉地质状况，从而确定所处地层，调整钻进参数。在钻进过程中钻机不能产生位移或沉陷，否则应及时处理。处理孔内事故或因故停钻时，必须将钻头提出孔外。

首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使得钻具能正确的就位到桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，桩机就位后开始钻孔。在护筒底处应低压慢速钻进，钻至护筒底下1.0m左右后开始正常钻进。钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头。土层段一般采用筒式钻头，施工时在孔内将钻头下降到预定深度后，转钻头并加压，旋起的土挤入钻筒内，泥土挤满钻筒后,反转钻头，钻头底部封闭并提出孔外，然后自动开启钻头底部开关，倒出弃土。岩层段成孔采用螺旋破岩钻头回转破碎岩体，并直接将其装入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，直至钻至设计深度。钻进过程中注意调整成孔垂直度，桩深度不得小于设计深度。

3.6 吊装钢筋笼、下放导管、浇筑砼

钢筋笼吊放采用25T汽车吊车一次性下放，采用两点起吊法。钻孔桩身混凝土采用导管法灌注水下混凝土。具体施工方法与钻孔灌注桩施工方法相同。

4 常见问题及相应的对策

4.1 卡钻及处理措施

在施工过程中入较深的中风化花岗岩或微风化花岗岩岩层时，会出现钻头卡钻情况，卡钻后钻杆拔出困难，导致无法继续施工，旋挖钻无法施工到设计深度，如下图。

原因：1）机手操作不熟练，非专业司钻工；2）在入较深的花岗岩或比较破碎的岩层时没有来回反复的提拔，而是一味地钻进。

预防措施：

1）在施工前进行岗前培训，积累施工经验。

2）在入花岗岩岩层较深或岩层比较破碎时采用来回反复提拔，多次利用高压风把打碎的岩碴（粉）吹出孔内，防止岩碴填满钻杆与孔壁之间的空隙出现卡钻现象。

图4

4.2 潜孔钻数量不够导致旋挖机无法钻到设计深度

潜孔钻卡钻后未继续施工到设计深度，以及潜孔钻施钻时相邻两孔在岩层位置偏斜造成串孔，这两种现象均导致潜孔钻数量不够，旋挖钻钻不到设计深度；而旋挖钻施工又未达到设计深度且出现中间低四周高现象，二次使用潜孔钻施工时造成滑钻现象，导致工艺失败。

措施：必须将所有潜孔钻施工到设计深度后，再采用旋挖钻施工，严格执行潜孔钻与旋挖钻的施工顺序。

4.3 砂层串孔导致砼超灌及其对策

潜孔钻与旋挖钻同时施工时，潜孔钻钻头处的高压风对砂层扰动破坏严重，出现与正在施工的钻孔桩之间地层串通，导致砼超灌严重。

措施：旋挖钻与潜孔钻尽量避免同时施工。

4.4 砂层塌方及处理措施

潜孔钻施工至砂层位置时，潜孔钻钻头处的高压风破坏扰动该地层，极易造成塌方。

措施：

1）潜孔钻钻孔时下套管护壁，对土层扰动较小，塌方的几率较小；

2）采用跳孔施工，潜孔钻施工完成后，立即完成旋挖钻施工，潜孔钻不宜连续施工；

3）旋挖钻施工时采用泥浆护壁施工，对砼超方有了明显的改善。

5 与冲击钻成孔的工期造价对比

5.1 工期对比

施工历时共50天，累计完成钻孔桩40根，共计成桩710.95m，其中入中风化岩岩层成桩约240m，桩均长入中风化岩层6m。

现场潜孔钻钻进速度约为0.7m/min，每孔钻进时间约为30min，拔出钻杆时间约为15min，包括钻机就位、维修等耗费时间，每孔用时约1h。每根桩按5个孔计算，潜孔钻施工需用时5h。潜孔钻完成后采用旋挖钻成孔时间约为5h，包括下钢筋笼和混凝土浇筑时间在内，成桩约14h/根。而采用冲击钻机成孔，入岩约1m/天，成桩约4天/根，速度比潜孔桩配合旋挖钻施工慢得多。

5.2 造价对比

采用潜孔钻配合旋挖钻进行嵌岩桩施工，成孔成本约300元/m，而采用传统的冲孔施工成本约200元/m，采用潜孔钻配合旋挖钻进行嵌岩桩施工成本为传统施工工艺成本的1.5倍。

6 结语

潜孔钻配合旋挖钻机钻进行中～硬质岩层钻孔桩施工，充分发挥了潜孔锤对硬、脆、碎基岩地层施工小口径速度快的优越性，也发挥了旋挖钻机施工大口径速度快的优越性，解决了仅采用旋挖钻机在中硬岩地层施工难题，达到了中硬岩层快速施工的目的，可供今后类似工程施工借鉴。本工程钻孔桩直径较小，仅800mm，对于大直径、更高强度硬岩层中采用潜孔钻与旋挖钻相结合施工是否适用，需要进一步实践。