GPS-30A工程钻机在某大厦桩基工地的应用
2018-07-30陈雪峰孙金柱李学辉
陈雪峰，凌 雁，孙金柱，李学辉
（江西省昌水建设工程有限公司，江西南昌330095）
1 项目概况
某钻孔灌注桩大厦工程是大型城市综合体建筑。场地位于浙江省温州市城区解放南路附近，总建筑面积约175000m2。主楼68+4层，高度约330m，裙楼6层，地下室深20m左右。施工中克服了场地工程地质条件特别复杂等诸多困难,岩性多样化，主要有石英闪长岩，其中中风化残留体的强度值最高达到300MPa，平均强度值达到68MPa，由于钻孔超深，地质条件特别复杂，钻孔垂直度要求不大于0.5%，比常规工程高。根据施工经验，决定采用的主要破岩工法是：镶齿和焊齿相结合的滚刀回转钻进方法，结合我公司成熟的泵吸反循环钻进工艺。钻机选型采用上海探矿机械厂生产的GPS-30A和GPS-20HA两种工程回转钻机，GPS-30A工程回转钻机较好地解决了在工程地质条件特别复杂的地层遇到的诸多工程技术难题，提高了钻进效率，为工程的顺利完工发挥了主要作用。
2 场地工程地质条件
场地在勘察深度内由回填土、粘土、淤泥质粘土、粘性土、坡残积粉质粘土混碎石、风化基岩等9个地层组成。基岩细分为全风化、强风化、中风化基岩，风化带界面起伏较大，风化规律较差，全风化基岩中常夹有强风化及中风化残留体，中风化残留体主要大规模出现在6-6剖面，给钻进成孔工作造成很大麻烦。
3 施工工艺、施工设备选型及机具
项目基础类型为大直径钻孔灌注桩，结合项目情况和施工经验，采用泵吸反循环成孔工艺，松散层采用锥形刮刀钻头钻进，残留体及强风化改换滚刀钻头破岩钻进完成。
施工设备及配套机具：GPS-20HA和GPS-30A工程回转钻机、3PNL和4PNL立式泥浆泵、8BS和6BS砂石泵、Ø800mm和Ø1100mm锥形刮刀钻头、Ø800mm和Ø1100mm滚刀钻头。
4 GPS-30A工程钻机的主要技术性能和特点
4.1 GPS-30A工程钻机的主要技术性能参数（见表1）
表1 GPS-30A工程钻机的主要技术性能参数（与GPS-20HA工程钻机对比）
4.2 GPS-30A工程钻机的主要特点
GPS-30A工程钻机为散装式转盘钻机，适用于钻凿高层建筑、桥梁、港口基础桩孔的钻进，也可用于大口径水井及其他工程井的钻进，主要用于第四纪地层。其主要特点如下：
（1）最大钻孔直径为3000mm。
（2）钻机为机械传动，机械、液压操纵，操作方便、可靠。
（3）钻机转速范围广，有6挡变速，适用于不同地层要求，利于提高钻进效率。
（4）整套设备安装在滑撬式底座上，对孔位方便，机动性强。
（5）液压操纵滑台平移让出孔口，孔口开阔，起下大直径钻具灵活、方便。
（6）钻塔上设有导向槽，有助于提高钻孔垂直度，降低超径系数。钻塔上有水龙头后置悬挂装置，主动钻杆不落地，减轻劳动强度，缩短辅助作业时间。
（7）主、副卷扬均采用行星式卷扬机构，提升能力强，辅助水龙头后置悬挂装置，可实现塔上无人作业。
（8）钻进可采用加重块加压（根据不同地层使用）。
（9）排渣方式为泵吸反循环或气举反循环，排渣效率高，减少孔底重复破碎，钻进速度快。
5 GPS-30A工程钻机钻进参数的选择（见表2）
表2 钻进参数及泥浆性能参数
6 GPS-30A工程钻机操作注意事项
（1）下钻速度不要太快，严禁猛墩猛放。
（2）钻头接近孔底是钻具下放速度不能太快，不允许突然刹车。
（3）钻头下入孔底后必须用低转速钻进0.2m以上，才能使用正常钻进参数。
（4）钻进过程必须均匀，不允许间断加压。
（5）转速控制在厂家推荐的范围内，选择中低转速。
（6）钻头上部接扶正器，保证钻孔的垂直度。
（7）孔底有铁件等异物时严禁下钻开孔，要等处理好后才可开孔。
7 工程主要问题和采取相应技术措施
7.1 工程主要问题
7.1.1 钻孔扩孔情况现象普遍且扩径系数大
钻孔灌注桩设计桩径Ø1100mm,根据灌注记录表逐段分析发现,有些桩局部孔径超出设计直径过大，达2.2m以上,分析其扩孔直径大的原因有以下几个方面：
（1）粉质粘土混碎石段由于粉质粘土不均匀的混有碎石，粉质粘土粘性又较差，如果泥浆性能指标不能满足要求的条件下，就极易发生塌孔现象，导致该地段扩孔，充盈系数偏大，基岩地层钻进中出渣口可见细颗粒粘土，说明上部塌孔现象较为常见。
（2）由于孔深超深(最深孔达122m),钻杆处于弯曲状态下回转,钻杆挠度大，在回转过程中会不断接触钻孔孔壁，导致钻孔扩径严重；实际统计数据结果表明超深孔超方最大。
7.1.2 成孔钻进效率低下
（1）遇到破碎地层，破碎的岩石粒径较大，极易造成水龙头弯管处、砂石泵叶轮处及钻头吸水口的堵管、堵钻头事故问题，钻杆采用法兰盘连接，一次堵管事故的处理将耽误一个班的工作时间，严重影响工作效率。
（2）场地地层中普遍均含有坚硬的残留体，遇到中风化残留体时成孔钻进效率极其低下，平均钻进速度0.15m/h,有的钻机成桩不到2根/月，对工期影响较大。
7.1.3 掉钻等孔内事故发生较频繁
项目实施期间，基本上每台钻机均发生过因钻杆折断而掉钻事故。有些钻机因钻杆折断或螺杆折断导致掉钻事故发生多起。钻杆折断或螺杆折断基本上发生在滚刀钻头与其上第一、二根钻杆连接的法兰盘焊接部位。也有的发生在钻杆中下部。钻杆折断或螺杆折断主要原因。
（1）由于钻孔超深，钻孔发生偏斜后仍继续钻进，钻杆在弯曲状态下转动，其环截面产生拉压交变应力，导致疲劳破坏而发生折断钻杆事故。
（2）由于GPS-20HA工程钻机钻杆为Ø194mm×δ16mm，这批钻杆质量上存在一些缺陷（因为工期紧张，临时赶制加工而成），在某些方面（如：绑条焊和材质）上没有达到设计要求。硬岩进尺中时扭矩大，在法兰盘焊接处均出现钻杆裂。而GPS-30工程钻机钻杆规格为Ø245mm×δ20mm，未没有发生过因钻杆折断事故，发生的事故均由钻头体强度弱或螺杆松掉后剪切断造成。
7.1.4 钻孔偏斜
导致钻孔偏斜率大的原因主要是场地地层因素，二是钻进操作参数控制不当所致。
（1）当钻进至风化基岩接触面孔段时，由于接触到起伏峰谷状不整合面，其产生的反作用力相差极大，极易造成顺坡溜情况。
（2）风化残留体钻孔段因岩性特别破碎，破碎带主要是粒径不等的碎块包裹有大块岩石构成，滚刀由于受力不均匀致使钻头向一边偏斜。
7.2 工程中采取的技术措施
7.2.1 防止孔内事故的技术措施
（1）及时分析和总结折断钻杆和剪断螺杆的原因，更换一批钻杆，加大钻杆壁厚，钻杆改为Ø194mm×δ20mm；螺杆粗牙变细牙，螺杆的强度等级由8.8级提高至10.9级以及使用双背帽，实施证明折断钻杆事故大为减少。
（2）经常性检查钻具使用磨损情况，出现孔内异常状况，立即起钻检查，杜绝麻痹心理。
（3）制订事故处理应急预案。由于桩孔超深，现场项目部及机组必须具备处理孔内事故的能力，制定事故处理应急预案和事故应急处理领导小组，配备常用事故打捞工具（如：事故打捞钩和强力磁铁等）。
7.2.2 提高钻进效率的技术措施
（1）保证泥浆性能指标满足设计要求，特别泥浆粘度要求不降低，采取泥浆除砂器，做到经常性掏出泥浆池中钻渣，及时净化泥浆，避免钻渣在孔内重复破碎，充分发挥泵吸反循环工艺清渣干净优势。
（2）岩性强度较高地层，适当加大钻杆配重，提高孔底钻压，满足滚刀钻进克取岩体的最小钻压要求。
（3）经常检查钻头磨损程度情况，对磨损严重的滚刀分析原因，及时更换滚刀或改变滚刀焊接位置，对滚刀重新合理配置，充分发挥其使用效率，最大程度节约成本。
7.2.3 防止孔斜、扩孔的技术措施
（1）结合钻杆在孔内的运转形态，现场加工Ø1020mm×1480mm的扶正器，扶正器的筒体不转，下放位置位于预计孔深的1/3处跟进钻进，起到扶正钻杆的作用，防止钻杆碰撞孔壁形成扩孔情况。
（2）现场制作筒状反锥形钻头有效解决超深钻孔孔斜问题；筒体外沿焊牙轮，筒体内反锥翼片上焊金刚石复合体，钻头在遇到软硬不均和岩面倾角大的地层时，筒体钻头可以在四周形成环状槽，起到钻孔定位的作用，对预防孔斜起到很好的作用。
（3）入岩孔段确保钻孔垂直度，采用加大配重并在悬垂状态下低转速的规程钻进，直至入岩钻进至完整基岩段后从减压钻进阶段改为正常钻压钻进。
8 结语
通过某大厦超深钻孔嵌岩桩的施工，对GPS-30A工程钻机在钻进复杂地层的硬岩有如下认识：
（1）在钻进工艺参数的选择上要根据地层情况灵活选用，GPS-30A工程钻机有6个挡位的转速可以选择，适应范围广，能够充分发挥钻效。
（2）在硬岩施工中必须保证每把滚刀至少15kN左右的钻压，钻压是克取岩石必不可少的条件。
（3）为避免孔内掉钻事故的发生，事先必须充分估计可能发生的事故类型，配备常用打捞工具和设备，制定有针对性的预防应急预案。
（4）加强钻机操作人员的技能培训，正确掌握好钻机操作的有关注意事项，严格遵守项目部制定的钻机保养和维修等相关管理办法，确保钻机正常运转，能有效延长钻机使用寿命。
（5）选用滚刀钻头克服中风化残留体进尺问题，充分发挥钻效，钻头上加上配重和扶正器，采用减压钻进,能有效预防孔斜。滚刀钻头钻进岩性适应范围广。
（6）在前期考察基础上，在超深钻孔的项目施工中选用4台套GPS-30A工程钻机，充分发挥了设备的优越性能，为项目顺利完工发挥了重要的作用。
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