松散地层地下结构抗浮锚杆双钻头顶驱钻进成孔施工技术

2021-05-18鲍万伟申小平

施工技术(中英文) 2021年7期

鲍万伟，雷斌，申小平

(深圳市工勘岩土集团有限公司,广东深圳 518063)

0 引言

地下结构抗浮设计中，抗浮锚杆因其施工简单、快速、经济等特点而被广泛应用，当锚杆成孔遇填土、淤泥质土、粉土等松散易塌地层时，由于抗浮锚杆成孔通常采用潜孔锤钻机钻进，孔底岩层受冲击成粉状后与水经高风压空气混合成浆液向孔外喷出，对孔壁产生较大冲刷，容易造成孔壁坍塌，导致锚杆成孔困难。本文结合具体工程实例，对松散地层地下结构抗浮锚杆双钻头顶驱钻进成孔施工工艺进行详细阐述。

1 工程概况

1.1 工程位置及规模

华侨城大厦位于深圳市南山区华侨城片区雕塑公园内，场地南临深南大道，东接汉唐大厦和华侨城集团总部大楼，北靠沃尔玛商业广场，总用地面积约14 119.07m2。塔楼为办公楼，裙房为2层商业用房，地上65层，地下5层，基坑支护深度为22.86～27.16m，部分基础设计采用抗浮锚杆基础形式。

1.2 工程地质与水文地质条件

场地地下水稳定水位埋深在1.10～5.30m，标高7.400～12.310m。

1.3 抗浮锚杆设计要求及现场施工情况

项目抗浮锚杆单根抗拔承载力特征值为430kN，锚杆孔径150mm，采用2根φ36钢筋，注浆体采用M30水泥砂浆，锚杆进入中风化岩深度暂定≥8.0m。

针对锚杆孔壁易坍塌、锚杆成孔困难等问题，采用公司自主创新研发的松散地层地下结构抗浮锚杆双钻头顶驱钻进成孔施工技术得到有效解决。设计采用内外直径不同的钻头、钻杆依次进行钻进。外钻头将钻进岩层，在钻进过程中外钻头不破碎地层，主要为内钻头钻进时起到成孔护壁作用。内钻头为全合金潜孔锤钻头，其在空压机的作用下起钻进破碎渣土及入岩的作用。该方法有效解决了成孔难题，形成了完备、可靠、成熟的抗浮锚杆双钻头顶驱钻处理技术。

2 松散地层地下结构抗浮锚杆双钻头顶驱钻进成孔施工工艺

2.1 工艺原理

抗浮锚杆双钻头施工的关键技术主要分两部分，即：①外钻头(套管)护壁、内钻头(内管)钻进双层钻头封闭钻进成孔技术；②内外钻头嵌套式排渣头连接和排渣技术。

2.1.1钻进成孔工艺

1)外钻头(套管)、内钻头结构

本技术使用顶驱动力头，使内、外直径不同的钻头依次钻进，外钻头为筒式钻头带套管护壁钻进，内钻头为全合金潜孔锤钻头破碎钻进，内、外钻头承担不同的钻进功能和作用。

外钻头为敝开式筒式带套管钻头，前端为合金环状钻头，钻头与护筒相连，外钻头是外套管的一部分，主要承担前端先导钻进作用，外钻头将钻进岩层，在钻进过程中外钻头不破碎地层，主要为内钻头钻进时起到成孔护壁作用。外钻头外径150mm、内径130mm，壁厚10mm，套管间用丝扣连接。内钻头外径70mm、内径50mm，壁厚10mm，内管钻杆接φ115mm全合金潜孔锤钻头，其在空压机的作用下起钻进破碎渣土及入岩的作用。

外钻头(套管)、内管钻头依次与动力头端装设的排渣头相连。内、外钻头及与排渣头连接如图1,2所示。

图1 外钻头(套管)排渣头连接示意

图2 内钻头(套管)排渣头连接示意

2)外钻头(套管)钻进工艺

钻进前，先将第1节外钻头(套管)通过与动力头连接的排渣头前端丝扣连接上。开动钻机，外钻头(套管)先行开始环向钻进；如遇地下水丰富，地下水由外套管底部上至排渣口，携带钻渣由排渣头排出。随着钻进孔深增加，松开排渣头处第1节外套管，不断加长外套管的长度，循环钻进直至岩面。

外钻头(套管)钻进及排渣情况如图3所示。

图3 外钻头(套管)钻进排渣示意

3)内钻头钻进工艺

松开外套管与排渣头处的连接，将内钻头(内管)与排渣头连接，并开动钻机同时注入清水开始内钻头的钻进。

内管钻头在外钻头护壁作用下进行环向破碎钻进，高压清水由内钻头钻杆的内管进入至孔底，并携带钻渣由内管与外套管间空腔上返，由外套管管口排出。随着钻进孔深加长，松开排渣头处第1节内管，不断增加内管长度，循环钻进直至钻至设计需入岩的深度。

锚杆双钻头带水钻进返渣如图4所示。

图4 内钻头钻进返渣示意

2.1.2内钻头、外钻头排渣原理

本工艺设计了专门的嵌套式排渣头，采用排渣头将内钻头、外钻头依次内外层连接。排渣头长60cm，周身局部开有小口作为排渣出口；排渣头内设丝扣，一端连接动力头，一端依次连接外钻头(套管)、内钻头(内管)。

外钻头(套管)和内钻头钻杆两端均设有丝扣，一端与排渣头连接，一端与相对应钻杆连接。外钻头(套管)工作时，如有地下水，水由外套管底部上返至排渣口，携带钻渣由排渣头排出。内钻头(内管)破碎钻进时，水由内管钻杆进入，上返携带出的钻渣由内管钻杆与外套管间间隙返回，从外套管管口排出。排渣头外钻头(套管)连接如图5所示。

图5 排渣头外钻头(套管)连接示意

2.2 工艺流程

松散地层地下结构抗浮锚杆双钻头顶驱钻进成孔施工工艺流程如图6所示。

图6 施工工艺流程

2.3 操作要点

1)施工工作面开挖及孔位定位 ①准备进行抗浮锚杆施工前，利用挖机对即将施工的场地进行开挖、整平，根据施工需要，施工工作面需高于底板标高面0.2～0.3m，测量员利用水准仪控制工作面标高；②修整工作面的同时需在无锚杆区域挖出一个集水池并沿锚杆水平方向挖出一段沟槽，利于锚杆施工时的水循环使用；③测量员定出锚杆施工孔位。

2)施工钻机就位、安装外套管钻具 ①采用BHD-150型多功能全液压锚杆钻机；②钻机到达指定位置后，将排渣头连接于钻机动力头位置，将第1节外套管(带外钻头)连接至排渣头。③调整钻机机架臂的竖向位置，使外套管和套管夹具对准孔位，调整方位和垂直度符合设计要求。

3)双钻头依次钻进成孔 ①开动钻机，外钻头先行钻进，外钻头(套管)钻头环向钻进。如遇地下水丰富，地下水由外套管底部上至排渣口，携带钻渣由排渣头排出。②如钻进成孔遇块石，则根据块石大小调整钻进方式，对于较小的块石直接用合金环状钻头进行破碎处理；对于较大的块石，则采用潜孔锤引孔。③随着钻进孔深增加，松开排渣头处第1节外钻头(套管)，不断加长外套管的长度，循环钻进直至设计岩面，松开排渣头处与外套管连接。④将内钻头钻杆与排渣头连接，开动钻机同时注入清水进行内钻头(内管)破碎钻进，高压清水由内管进入排至孔底，携带钻渣由内管与外套管间空腔返回，由外套管管口排出。⑤随着钻进孔深增加，松开排渣头处第1节内管，不断加长内管的长度，循环钻进直至钻至设计需入岩的深度。

4)清孔 ①当钻进达到设计锚杆深度时，高压水泵继续泵水，将上下抽动内管(钻杆)用水清渣，水清后停止泵水，并将内管(钻杆)全部取出。

5)下放锚杆 ①清孔完成后立即将按设计要求制作好的锚杆下放入孔内，安放时防止杆体扭转、弯曲，并下放至设计孔深，孔口预留0.6m长度；②钢筋上若粘有泥块或铁锈要清理干净后再放入孔内；③下放锚杆时通知监理工程师及业主旁站。

6)注浆 ①一次常压注浆锚杆下放完成后，开动注浆泵，通过一次注浆管向孔内注入拌制好的水泥浆。②水泥采用P·O42.5R普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.45～0.50，注浆压力约0.8MPa，待返出浆液浓度与拌制浆液浓度相同时停止一次注浆，完成后拔出外套管；待外套管全部拔出后，通过一次注浆管对孔内进行补浆，直至孔口返浆；③二次高压劈裂注浆在一次注浆体初凝后、终凝前(常温下约2.5～3h)，对孔内进行二次高压劈裂注浆，以便能冲开一次常压灌浆所形成的具有一定强度的锚固体，使浆液在高压下被压入孔内壁的土体中，二次注浆压力2.0～3.0MPa。

2.4 施工工艺特点

1)高效成孔采用外钻头(套管)全套管钻进护壁，外套管进入岩面，可在内钻头钻进过程中提供全套管护壁，确保松散地层的稳定，可以快速成孔，确保成孔质量。

2)工艺操作简单、安全采用排渣头将外钻头、内钻头依次连接于一端，可快速进行内外钻头的施工转换，连接、拆卸钻杆便利，操作简单、安全、可控。

3)移动方便为提高该锚杆钻机的移运效率，在钻机上专门配备了1台小型柴油机，以便在钻机不方便接电时能完成自行移动。

4)节能环保所使用BHD系列锚杆钻机为电动力，使钻机更节能环保。

5) 综合成本低施工过程中所需配套设备除钻具外均能沿用传统抗浮锚杆的施工设备，施工过程中的正常维修和保养也较简便、快捷，加之成孔效率高，其综合施工成本低。

2.5 经济效益

本项目预计完成抗浮锚杆双套管施工共计299根，总长度6 000m。如不采用抗浮锚杆双钻头施工，则需增加抗拔基础桩施工。

1)费用估算 ①抗浮锚杆双钻头施工预估费用原材(包括钢筋、水泥等)共计87.21万元，预应力锚索施工费用共计51.00万元。②抗拔基础桩施工预估费用原材(包括钢筋、混凝土等)共计123.56万元，抗拔桩基础施工费用：桩直径1 200mm，共计42根，每根按25m算(其中2m入岩)，土方单价440元/m3，入岩增加费单价3 200元/m3，共计82.58万元。

2)费用比较采用抗浮锚杆双钻头施工与采用抗拔基础桩施工相比，该方案减少原材费36.35万元，减少施工费31.58万元，共节省67.93万元，具有较好的经济效益。