特殊地质条件下钻孔工艺选择和施工质量控制

2021-09-10张辉

科技研究·理论版 2021年6期

摘要：钻孔灌注桩施工过程中通常会遇到深厚的杂填土、淤泥、砂层、卵砾石、坚硬基岩或岩溶等特殊性岩土，在特殊性岩土进行钻孔灌注桩施工，如果钻孔工艺选择不当，质量控制措施不合理，则易产生不同的质量问题，影响施工质量和安全，降低施工效率。分析不同特殊地层特点，选择合理的钻孔施工工艺，加强施工质量控制，是保证钻孔灌注桩质量和安全的关键，也是提高工效、降低成本的主要措施。

关键词：深厚填土;淤泥;砂层;卵砾石;基岩;岩溶;钻孔工艺

1深厚杂填土层

1.1杂填土的特点

杂填土由于堆填物的成分、堆积条件和堆积时间不同，造成杂填土的物质很不均匀，颗粒粒径相差较为悬殊，孔隙大小不一，分布范围及厚度缺乏规律性，通常结构松散、密实度低，具有较高的压缩性，强度较低。

1.2钻孔桩施工遇到的主要问题

1.2.1孔壁稳定性差

由于杂填土结构松散，密实度低，且颗粒粒径相差悬殊，孔隙发育，因此在钻孔桩施工过程中孔壁稳定性差，易失稳坍塌。

1.2.2泥浆漏失

如场地地下水较低时，在杂填土层采用泥浆护壁工艺进行钻孔施工时，常发生泥浆漏失现象，导致孔壁坍塌。

1.2.3钻进难度大、钻进效率低

尤其对于填土中存在粒径较大的块石或混凝土块等堆填物时，钻进难度大，钻进效率低，且易发生卡钻等事故。

1.2.4易扩孔

混凝土充盈系数大。

1.3钻孔工艺选择

1.3.1全套管钻进

利用全套管切削岩土钻进并护壁，冲抓锥在套管内抓土或旋挖钻机在套管内取土成孔，钻进效率高。钻孔直径可达到3.0m，钻孔深度可达100m。全套管钻机钻孔过程不使用泥浆，在地下水位以上可進行干孔钻进，在地下水位以下利用清水平衡地下水位，不存在泥浆漏失和孔壁坍塌问题。利用全套管护壁，也解决了扩孔及混凝土充盈系数大的难题。缺点：设备庞大，费用较高。

1.3.2冲击钻进

冲击钻机利用冲击功破碎地层钻进成孔，钻进的同时对孔壁进行挤密。在松散杂填土层钻进时，可通过往孔内回填粘土和片石，对孔壁进行挤密，防止孔壁坍塌。冲击钻进时，可根据地层情况，确定是否采用泥浆循环。如果地层漏浆时，可不进行泥浆循环，通过往孔内回填粘土及加水冲击钻进，同时造浆堵漏。相对于全套管钻机，冲击钻机设备简单，费用较低。缺点：施工效率较低，扩孔较为严重，混凝土充盈系数大。

1.3.3旋挖钻机钻进

旋挖钻机反复升降钻具对孔壁扰动大，孔壁更易失稳，因此旋挖钻机钻进时通常采用长钢护筒护壁，钢护筒长度可根据填土性质确定，条件许可时可穿过杂填土层。地下水位以上可采用干作业钻进成孔，地下水位以下可利用膨润土泥浆护壁（如地下水位以上泥浆漏失不严重时，也可全孔段采用优质膨润土泥浆护壁）。也可往孔内回填粘性土，通过钻斗在孔内的反复旋转挤压进行造浆堵漏。对于粒径较小的块石或建筑垃圾可利用专用抓取式筒钻抓取。缺点：对于大粒径块石或建筑垃圾难以钻进成孔;如钢护筒不能穿透杂填土层时，存在泥浆漏失、孔壁坍塌的风险;扩孔较为严重，混凝土充盈系数大。

1.3.4正、反循环回转钻进

正反循环回转钻进仅适用于结构较为密实，颗粒粒径较小、泥浆不严重漏失的杂填土层钻进成孔。其中正循环适用于粒径不大于20mm的填土层钻进成孔;反循环适用于粒径不大于200mm的填土层钻进成孔。成孔时孔口埋设护筒，采用优质膨润土泥浆护壁钻进成孔。缺点：不适用于粒径大于200mm、地层结构松散、泥浆漏失严重的杂填土层施工。

2深厚淤泥和淤泥质粘土

2.1淤泥和淤泥质粘土特点

淤泥和淤泥质粘土富含有机质，具有含水量高、强度低、压缩性大、透水性差、抗剪强度低的特点，同时具有流变性和触变性。

2.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴孔壁稳定性差，扰动后易失稳坍塌。⑵施工过程中易发生护筒串通，地面易塌陷。⑶易扩孔，混凝土充盈系数大。⑷泥浆处理难度大，灌注过程中桩身易夹泥。

2.3钻进工艺选择

2.3.1正、反循环回转钻进

深厚淤泥层钻孔灌注桩施工应优先选用正、反循环回转钻进工艺。其中，正循环回转钻进适用于孔径<1.0m的钻孔;反循环回转钻进适用于孔径≥1.0m的钻孔，孔深较浅时（50～70m内），应选用泵吸反循环排渣，孔深较大时（>50m），宜选用气举反循环排渣。回转钻进时，孔口必须埋设钢护筒，钢护筒的长度应根据地层确定，钢护筒应深入原地层0.5m以上，且护筒长度不小于1.5m。如原地层为流塑状淤泥时，应尽可能增加护筒长度，埋设护筒时，护筒周围应采用粘性土分层回填密实，防止护筒内外串通。

采用原地层自然造浆护壁，并定期检测泥浆的性能指标，控制泥浆性能指标在合适范围，并控制孔内泥浆液面高于地下水位2.0m以上。尤其是反循环钻进时，应及时往孔内补充泥浆，防止孔内泥浆液面下降导致孔壁坍塌。在淤泥层钻进时，应注意控制钻进速度，每钻进一根钻杆应进行扫孔，防止钻速过快形成S孔，导致安放钢筋笼时刮蹭孔壁形成较厚的孔底沉渣。终孔后应及时清孔，严格控制泥浆的粘度和比重，降低泥浆的含砂量，防止灌注过程中形成桩身夹层。禁止将钢筋笼直接挂在孔口护筒上，或者灌注过程中将导管直接支承在孔口护筒上，防止灌注过程中护筒下沉或孔口坍塌形成断桩或桩身夹泥。如表土层为淤泥质土时，应换填或采用硬化措施进行处理，并在孔口铺设路基板或钢板，防止机械碾压导致孔口坍塌。

2.3.2旋挖钻进

钻斗的反复升降将导致孔壁失稳坍塌，不适用于深厚淤泥层钻进。如果孔口长钢护筒穿透淤泥层时，可利用旋挖钻进成孔。

2.3.3全套管钻进

全套管钻进可用于深厚淤泥层钻进成孔，但由于施工费用太高，且套管回转时周围淤泥易失水固结，增加套管阻力，故一般不选用。

2.3.4冲击钻

在冲击振动作用下，淤泥的结构性被破坏，强度降低，流变性增强，孔壁无法维持稳定，故冲击钻不适用于深厚淤泥或淤泥质土层钻进成孔。

3深厚砂层

3.1砂层的特点

砂层由于受水流流速的影响，冲积物的成分和尺寸具有分选性，从上游往下游，逐渐由粗颗粒过渡到细颗粒。具有含水性强，渗透系数较大，胶结力弱的特点。

3.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴孔壁稳定性差，易于坍塌。⑵泥浆中含砂率高，易于在桩身中形成夹层。⑶孔底沉渣厚度大。

3.3钻孔工艺选择

3.3.1正、反循环回转钻进

在深厚砂层钻进时，应配制优质膨润土泥浆护壁，要求泥浆具有较高的粘度，较低的失水量和泥皮厚度，并根据砂层的密实程度选择钻头，在松散砂层可选用刮刀钻头成孔，在胶结的密实砂层可选用牙轮或滚刀钻头钻进成孔。正循环回转钻进适用于孔径<1.0m的钻孔;反循环回转钻进适用于孔径≥1.0m的钻孔，孔深较浅时（50～70m内），应选用泵吸反循环排渣，孔深较大时（>50m），应选用气举反循环排渣。

钻进过程中，应严格控制泥浆的性能指标，维持孔内液面高度高出地下水位2m以上，防止孔壁坍塌。正循环钻进过程，应提高泥浆的粘度和比重，使泥浆具有较高的悬浮钻渣的能力，在施工过程中，应控制进尺，降低泥浆的含砂率，确保成孔质量。终孔后，应采用泥浆净化装置对泥浆进行处理，降低泥浆的含砂率，并彻底清除孔底沉渣，防止灌注过程中桩身夹泥和孔底沉渣过厚。

3.3.2旋挖钻斗

在松散砂层钻进时，护筒的长度应增加到6m以上，以防止孔口坍塌。鉆进过程中，利用优质膨润土泥浆护壁，严格控制泥浆的粘度、比重和稳定性。钻杆提升时，必须及时往孔内补充泥浆，防止泥浆液面下降过快、过深导致孔壁坍塌。在砂层中钻进时，应选择具有双层底的挖砂钻头钻进成孔，根据砂层的密实程度，选择适宜的切削齿，松散砂层可选用斗齿，密实或胶结层选用截齿。旋挖成孔后，宜采用反循环进行清孔，以清除孔底沉渣，同时利用泥浆净化装置降低泥浆的含砂率，保证桩身灌注质量。

缺点：相对于回转钻机，旋挖钻机在厚砂层中钻进时对泥浆要求更高，孔壁坍塌的概率较大，扩孔现象更为明显。并且需专门的清孔设备进行清孔。

3.3.3全套管钻进

因套管回转时周围砂土易失水固结，增加拔管阻力，且施工费用高昂，故一般不选用。

3.3.4冲击钻进

可在较为密实的粗粒砂层中钻进成孔，需通过回填粘土冲击造浆并挤密孔壁，但钻进效率低。在饱和的粉细砂层中钻进时，易砂土液化，导致孔壁坍塌，故不宜选用。

4深厚卵砾石层

4.1卵砾石层特点

卵砾石地层含水性强，渗透性大;颗粒多为圆形，磨圆度较好;颗粒大小不一，分选性差;地层多为重力压实而成，胶结力弱;卵砾石强度和硬度较高，破碎难度大。

4.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴泥浆漏失、孔壁坍塌。⑵钻进效率低。

4.3钻进工艺选择

4.3.1冲击钻进

采用加重钻头、高冲程破碎卵石钻孔成孔，应采用比重较大、失水量小的泥浆进行护壁。在松散卵砾石层钻进时，可按1∶1投入粘土和小片石（粒径不大于15cm），用冲击钻头以小冲程反复冲击，使粘土、片石挤入孔壁，必要时须重复回填反复冲击2-3次，达到挤密孔壁、防止钻孔漏失的作用。

钻进过程中，发现泥浆漏失时，可通过提高泥浆粘度、往泥浆中添加锯末等材料提高泥浆堵漏性能，必要时可往孔底灌入水泥浆堵漏。缺点：卵砾石重复破碎、钻进效率低。

4.3.2反循环回转钻进

通过配重加压、利用滚刀钻头碾压破碎卵砾石，通过反循环排渣钻进成孔，适用于卵砾石粒径小于钻杆内径的地层，钻孔深度没有限制。钻进过程中，配制优质的膨润土泥浆护壁，通过在泥浆中添加锯末、蛭石等材料提高泥浆的堵漏性能，也可通过钻机的钻杆往孔底注入水泥浆进行堵漏。

缺点：设备较为庞大，滚刀损耗大，费用较高，且卵石易于堵塞钻杆，在密实卵砾石层施工效率较低。提下钻时间长，泥浆漏失处理难度大。

4.3.3旋挖钻进

利用钻斗捞取卵砾石钻进成孔，钻进过程无需对卵砾石进行破碎，钻进效率高。钻进过程中采用优质膨润土泥浆护壁，可通过提高泥浆的堵漏性能预防和处理泥浆的漏失，也可通过往孔内回填粘土或淤泥进行堵漏，堵漏较为方便。

缺点：设备重量大，对场地要求高，钻孔深度受限;需专门的清孔设备进行清孔。

4.3.4全套管钻进

利用全套管护壁，套管内取土钻进成孔，对于大漂石或块石可利用冲锤破碎后抓取。施工过程中不使用泥浆，具有施工效率较高、孔壁稳定、混凝土充盈系数小的优点。缺点：施工费用高。

4.3.5正循环回转钻进：不适用于卵砾石层。

5坚硬基岩

5.1坚硬基岩特点

强度高、硬度大，结构面发育，可钻性差。

5.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴基岩破碎困难，钻进效率低。⑵岩面倾斜时，钻孔易偏斜。⑶通常设计为端承桩，对孔底沉渣厚度要求高。

5.3钻进工艺选择

5.3.1冲击钻进

利用冲击钻头冲击破碎基岩成孔，钻进效率受冲击功和排渣的影响，通常用于直径和深度较小的钻孔，可适用于不同强度和结构的岩石。钻孔偏斜时，可通过往孔内回填块石后重新冲击纠斜，纠偏效果较好。缺点：钻进效率低，孔深和孔径较小。

5.3.2反循环回转钻进

利用滚刀钻头通过碾压、冲击、滚动破碎岩石成孔，通过反循环排渣。根据上部孔段的稳定程度可选用泥浆或清水钻进成孔。可满足不同钻孔直径和深度的需要（钻孔直径≥1.0m）。为防止钻孔偏斜，通常采用减压钻进工艺，加到孔底的钻压通常控制在钻具总压力的70%左右。钻孔偏斜时，通过扫孔纠偏，纠斜效果较差。对于直径较大的钻孔，可通过分级扩孔的方式多次成孔。缺点：钻进效率较低，滚刀磨损严重，损耗大，费用高。钻孔偏斜后不易处理。

5.3.3旋挖钻进

根据不同岩石强度可利用螺旋钻，截齿、牙轮筒钻或钻斗钻进成孔，利用膨润土泥浆护壁。对于大直径钻孔，可通过分级扩孔或利用梅花形布孔钻进。相对于冲击钻进和反循环回转钻进，钻进效率高，适用地层广。遇倾斜岩层时，可先利用筒钻切削岩石形成自由面后，再取芯或全面钻进中间基岩，钻机自身具有测斜功能，钻孔垂直度介于冲击钻机和回转钻机之间。

缺点：钻孔深度受钻机性能和钻杆长度限制;设备重量大，对场地要求高;如果钻孔上部有较厚的砂层时，需配备专门的清孔设备。

5.3.4全套管钻进

利用全套管对岩石进行环状切削后，在套管内利用冲锤冲击破碎后抓取岩块成孔。缺点：钻进效率较高，费用昂贵。

6岩溶地层

6.1岩溶地层特点

基岩中溶洞溶隙发育，岩石破碎，岩面倾斜，岩石强度差异悬殊，部分溶洞为无充填或半充填，通常存在泥浆漏失现象。

6.2钻孔桩施工遇到的主要问题

⑴泥浆漏失、孔壁坍塌。⑵钻孔偏斜。⑶易发生卡钻或埋钻事故。

6.3钻进工艺的选择

无论采用何种钻进工艺，在正式施工前均应进行超前钻探，探明桩位处的岩溶发育情况、泥浆漏失情况及完整基岩的埋置深度。根据超前钻探资料，对于泥浆漏失严重，半充填或无充填的溶洞，应利用超前钻孔进行预注浆处理，预注浆可采用水泥膨润土浆，采取分段注浆法，直至钻孔不漏失或溶洞充填满为止。

6.3.1冲击钻进

采用十字形钻头或圆形钻头，加大钻头重量，采用泥浆护壁，提高泥浆粘度和比重。基岩层破碎或地层漏失时，可投入粘土连续冲击堵漏，直至穿过岩溶发育区。在岩溶发育区，尤其是存在无充填溶洞时，冲击操作要平稳，冲程宜小不宜大，放绳应少而勤，防止钻头突然下落形成“打空锤”，导致钢丝绳断裂或卡钻事故的发生。在岩溶地层钻进时应及时补焊钻头，防止卡钻。并注意钻孔垂直度的控制，发现钻孔偏斜时，应及时回填块石纠偏。

6.3.2旋挖钻进

利用优质膨润土泥浆护壁钻进，根据岩溶发育情况可选用牙轮或截齿钻头钻进成孔。可通过调整泥浆参数，往泥浆中添加锯末等材料进行堵漏，当遇到未完全充填溶洞时，可通过往孔内回填粘土挤密，或注入水泥浆对溶洞进行充填处理。缺点：钻孔垂直度难以控制，对场地要求高，施工费用较高。

6.3.3全套管钻进

利用全套管护壁，可解决岩溶地层漏漿渗漏难题，同时利用全套管切削钻进，套管内冲击抓取的施工工艺，可解决钻孔偏斜的难题。缺点：费用高昂，对未充填溶洞混凝土的流失问题难以解决。

6.3.4反循环回转钻进

难以解决钻孔偏斜、泥浆漏失等问题，不建议采用。

7结语

钻孔灌注桩遇特殊性岩土时，应认真分析岩土特性，根据施工环境和地质条件选择合理的钻孔设备，优化施工工艺，提高钻孔质量，加快施工进度，确保施工安全。

参考文献：

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