锥螺旋凿岩钻头在嵌岩长螺旋压灌桩的应用

2015-12-16李洪春丁征祥

西部探矿工程 2015年2期

关键词：场区凿岩成孔

李洪春，丁征祥

(山东正元建设工程有限责任公司，山东济南250101）

·隧道与建设工程·

锥螺旋凿岩钻头在嵌岩长螺旋压灌桩的应用

李洪春*，丁征祥

(山东正元建设工程有限责任公司，山东济南250101）

以青岛即墨宝龙城市广场桩基工程为实例，开发引进了锥螺旋凿岩钻头，使原桩基方案调整为长螺旋超流态压灌混凝土、振动下放钢筋笼桩基方案。该工艺有效解决在该地区桩基施工中桩端入中风化岩层1～2倍桩径钻进困难的问题，在青岛即墨宝龙城市广场得以推广和使用，将有很大的市场前景和巨大的社会效益、经济效益。

长螺旋超流态压灌桩；锥螺旋凿岩钻头；静载试验；抽芯；低应变

青岛即墨宝龙城市广场分为A、C、E三个区，是一集酒店、百货、商业、住宅一体的建筑群体，A区拟建物为1幢19～23层公寓式酒店（带3层裙房）；C区拟建物主要包括2幢27～32层高层住宅楼（带2层裙房，）2幢18层百货商厦（带2～3层裙房）、1幢购物广场、8幢2～7层商业网点；E区拟建物主要包括6幢31～32层高层住宅楼（带2层裙房）。原设计拟采用冲击成孔钻孔灌注桩工艺。

1 场地工程地质及水文地质条件

1.1 工程地质条件

根据场区《岩土工程勘察报告》，场区各岩土层分布特征分述如下：

第（1）层杂填土：广泛分布于整个场区。层厚0.30～4.40m，层底标高16.5～21.9m。

第（3）层中粗砂：该层零星分布于场区东侧及南侧。褐—黄褐色，松散—稍密，以长石、石英中粗颗粒为主。层厚1.00～4.20m，层底标高14.54～20.32m。地基承载力特征值fak=120kPa。变形模量模量E0= 7MPa。

第（7）层粉质粘土：该层在场区分布较广泛。灰褐—褐色—褐黄色，可塑，含铁锰质氧化物、中粗砂颗粒，干强度中等，韧性一般，切面略有光泽，具中等压缩性。层厚1.00～9.20m，层底标高12.28～18.40m。地基承载力特征值fak=170kPa。压缩系数a1-2＝0.325MPa-1，压缩模量Es1-2=5.4MPa。

第（9）层粗砾砂：该层在场区分布较广泛。褐黄色，饱和，中密，以长石、石英为主要矿物，碎石含量较高，一般直径2～5cm，磨圆较好，呈亚圆状。层厚2.10～9.80m，层底标高6.97～11.98m。地基承载力特征值fak=300kPa，变形模量E0=20MPa。

第（16）层砂岩强风化带：该层在场区分布较广泛。以黄色为主，局部紫红色。以中细砂质结构为主，局部为粉细砂质结构；层状构造；岩芯以砂土状为主，局部见碎块状、片状岩芯；受沉积韵律影响，岩体局部呈现软硬交替出现的特征。揭露厚度0.30～4.00m，层顶标高6.97～10.80m。地基承载力特征值fak=500kPa，变形模量E0=30MPa。

第（17）层砂岩中等风化带：该层在场区分布广泛。以灰黄色为主，局部为紫红色，结构、构造、矿物成份同上，层理及裂隙发育，层理面见有矿染，岩芯呈碎块—短柱状，锤击易碎裂。该带为较破碎的软岩，岩体基本质量等级Ⅴ级。揭露厚度1.30～9.00m，层顶标高4.98～10.40m。地基承载力特征值fak=2000kPa，弹性模量E=3×103MPa。下伏为砂岩微风化带。

1.2 水文地质条件

地下水类型主要为孔隙潜水—弱承压水，弱承压水主要含水层为第（9）层粗砾砂层，局部分布在第③层中粗砂层的为孔隙潜水。稳定水位埋深2.30～8.20m，水位标高11.87～17.72m。场区地下水主要接受大气降水补给，年变幅约1～2m。

2 常规工法及前期实践

2.1 常用工法

按照场区岩土工程勘察报告地基基础方案建议，设计单位建议的桩基方案为冲击钻泥浆护壁成孔水下浇注混凝土成桩工艺。项目部按照此方案进行了桩基施工，但面临的问题是：①由于桩长较短，冲击钻成孔市场价在380元/m以上，若考虑泥浆外运措施费，成孔单价超过420元/m，施工成本较高；②本项目要求工期紧，计划工期80d。而冲击钻成孔效率低，每台钻机每天成桩2～3根，要在上述时间内完成，需投入钻机约30台。

2.2 难点

设计要求桩端入第（17）层砂岩中等风化带不小于1.0m，第（17）层中风化砂岩单轴抗压强度平均值为15MPa，端阻力极限值为5500kPa，强度较高，入中风化砂岩1.0m有较大的施工难度。

3 施工工艺调整

鉴于以上情况，考虑长螺旋成孔在济南地区施工交结砾岩层的施工经验和旋挖钻机钻头破碎岩层的原理，本项目开发引进了长螺旋专用的锥螺旋凿岩钻头嵌岩钻孔（如图1所示），原桩基方案调整为长螺旋嵌岩成孔，超流态压灌混凝土、振动后下钢筋笼桩基方案。原理是成孔后泵送压灌混凝土，在压灌混凝土过程中提升钻具（钻具提升速度合适，钻头始终在混凝土下），灌注完毕后，利用振动器将钢筋笼置入素混凝土内，从而形成钢筋混凝土灌注桩。

图1 本工程使用的锥螺旋凿岩钻头

(1)钻头构造和特点：回转时稳定性好，既能钻土也能钻岩，采用硬质合金钎头按螺旋排列组成刀片，其硬度、抗弯、抗扭、抗冲击等强度均大于一般的中硬岩石，从而使钻进中硬岩石成为可能；硬质合金钎头可自由旋转；多钎头的合理组合，形成阶梯状，造成多环自由面的破碎方式（即下方刀头形成的切槽为上方刀头碎岩提供了自由面）；硬质合金钎头磨损后可较方便的更换（击出头后按入新头即可，而不用更换整个钻头）。

(2)钻头出刃控制：控制新刀头的硬质合金底出刃4～6mm，外出刃3～4mm，较好地解决了刀头在钻进时复杂应力状态下崩刃与出刃之间的矛盾。

(3)钻进参数：钻进中硬岩层的主要参数为轴压，而螺旋钻机的动力头和钻具具有较大的自重（110kW动力头自重70kN,150kW动力头自重85kN），本工程经验表明：对此钻头施加200～400kPa轴压完全可以破碎中硬的岩层，由于此工程地下水位较高（场区以下1.5m），入岩钻进时钻头能得到及时的降温冷却，钻进时转速控制在10～30r/min为宜。施工现场如图2所示,投入设备如表1所示。