砂卵石及岩石地层中冲击钻和旋挖钻结合施工工艺

砂卵石及岩石地层中冲击钻和旋挖钻结合施工工艺

赵永旭边聪华杨松

中交路桥华北工程有限公司北京101149

摘要：本项目地处河北省阜平县大沙河中下游，两岸地势平缓，地层主要以砂卵石层、全风化片麻岩、强风化片麻岩和中风化片麻岩为主。桩基区域上部地层砂卵石层较厚，卵石粒径较大，旋挖钻机钻进扰动较大，钻孔过程中机身震动较为强烈，施工操作不当则孔口容易产生垮孔、塌孔、护筒下沉等不良现象现象，故此地层选用冲击钻施工，采用黏度较高的红土泥浆形成护壁；下部地层为片麻岩层较为坚硬，冲击钻机施工存在钻进吃力、成孔时间较长、成本高等弊端，故此采用旋挖钻进行施工。根据本工程桩基施工过程中的调整，得出旋挖钻和冲击钻在合理控制下进行转换，可以快速、有效的用于砂卵石层及岩石地层中的桩基施工。

关键词：砂卵石层；岩石地层；钻孔灌注桩；旋挖钻机；冲击钻机

1.概述

随着我国基础建设的大力发展，桥梁的应用范围也急剧扩大，我国已成为一个桥梁大国。目前桥梁基础中应用最为广泛的是桩基础，但桩基施工中，经常受到地质条件和地形因素的限制，导致一些与之适时相关的工程中较为先进的施工工艺无法应用，造成施工效率低下，增加施工成本，给正常化施工带来更多的困难而导致工期滞后，甚至直接影响工程质量和经济效益。

2.工程概况

由中交路桥华北工程有限公司承建的阜平县方太口南桥全长437m，主桥采用40m+50m+50m+50m+40m变截面现浇连续梁，南、北引桥采用2×40m、3×40m等截面现浇梁箱梁，下部采用群桩加承台基础，墩身为实体片墩。全桥共计桩基110根，1#~9#墩桩径为1.5m，0#、10#桥台桩径为1.3m，全桥桩基长度在20~27m之间。

方太口南桥桩基分类为摩擦桩和嵌岩桩，根据地层勘察报告和实际钻孔揭露的地址情况，桥区范围内上部为较厚的厚砂卵石层，厚度在14~20米，卵石粒径在10~30cm。下部为全风化、强风化、中风化片麻岩，全风化片麻岩厚度在4~12m，地基基本容许承载力为300kPa；强风化片麻岩岩层厚度在4~12m，地基基本容许承载力为500kPa；中风化片麻岩厚度在3~10m，地基基本容许承载力为1200kPa。

针对此地质情况，再结合旋挖钻和冲击钻各自的施工工艺特点，对方太口南桥桩基础施工工艺提出设想：上层砂卵石层采用冲击钻施工工艺，下层片麻岩钻进采用旋挖钻施工工艺，从而进一步改善施工工艺不仅能降低施工成本，增加成桩效率，而且还能大大缩短工期，提高项目经济效益。

3、机械适用性对比

在目前国内的桥梁桩基础施工中，旋挖钻钻孔施工是一种比较先进的施工方法，旋挖钻成孔有着先进、优质、高效的优点，其标准配置可能满足大部分钻孔灌注桩的施工，适合较多种类的桩基础施工，较冲击钻有很大的优越性。最初的旋挖钻机主要适用砂土，粘性土，粉质土等土层的桩基施工，经近几年机械水平的进步，旋挖钻也可用于风化岩层中桩基施工。由于旋挖钻是靠钻杆和钻头自重和加压切入土层且旋转钻进完成取土，在钻头部位对孔内的泥浆不断的扰动，从而冲刷孔壁，极易破坏孔内下部泥浆护壁，对于在砂卵石地层中施工很容易导致坍塌、垮孔现象。故在砂卵石层中桩基施工，一般采用冲击钻。

冲击钻施工是一种较为成熟的施工工艺，也是传统的桩基施工工艺，其特点是靠冲击钻头自身的重量所产生的冲击力将岩层击碎，利用泥浆的自身悬浮力以及循环过程将钻渣带出孔外。由于冲击钻对孔内泥浆的搅动范围较小，不容易对泥浆护壁造成冲刷，使泥浆护壁能起到良好的稳定作用，不易坍塌或垮孔，此工法适宜用于地层为亚粘土、砂类土、砾石、卵石、漂石、软岩石，硬岩石等绝大多数地层，但冲击钻在岩石层地层中施工进尺缓慢，对资源消耗巨大，尤其对于工期紧张的工程来说，是一关键性影响因素。

4.冲击钻和旋挖钻结合施工工艺

根据现场地质情况及现有资源和机械配置，桩基施工方案定为冲击钻和旋挖钻结合施工，在砂卵石地层中采用冲击钻钻进，冲击钻钻头进入全风化岩1m后转换为旋挖钻钻机，采用三步循环钻进法进行施工，直至成孔。施工工艺如下：

4.1施工准备

施工准备包括场地清理、测量放样、护筒埋设、泥浆制配、机具就位等，机具就位首先选用冲击钻机就位，准备工作完成后进行钻孔施工。

4.2泥浆配制

以方太口南桥5#-8（嵌岩桩）桩基为例，由于地层上部为松散的粗砂和卵石，膨润土泥浆对孔壁稳定很难起到作用且造浆时间太长，所以施工中采用红土造浆形成泥浆护壁成孔。钻进成孔时针对地层变化进行泥浆性能的适当调整，可以随时控制泥浆比重从而达到良好的护壁作用。鉴于砂卵石层中含沙量较大，施工护壁泥浆比重采用1.40左右，护壁效果更好，防止蹋孔现象的发生。冲击钻入岩以后，为防止泥浆浓度过大，不再添加红土泥浆，换成旋挖钻施工工艺接力钻进，泥浆比重可降低至1.1。

4.3冲击钻施工

因桥址区上部地层构造主要为砂卵石地层，卵石粒径在10~30cm，厚度在14~18m，首先采用冲击钻进行施工，冲击钻钻头采用直径1.5m梅花钻头，重量约为4t。

在冲击钻钻进过程中，应时刻注意地层变化，对不同的地层，采用不同的钻进速度和钻进方法。以方太口南桥5#-8桩基为例，上层地质主要是松散砂、砾石和卵石夹地层，所以钻进时应采用中冲程钻进，落锤高度在1~2m之间；冲程过大则对孔底的震动较大，易引起塌孔现象；冲程过小则钻进速度会大大降低。当钻进深度穿过砂卵石层后，根据每天的钻进尺度和钻渣样式判断钻头是否入岩，进入岩层深度1m后停止钻进。后续施工转换成旋挖钻钻机施工。

4.4钻机转换

当冲击钻钻进全风化岩层1m以后提出冲击钻钻头移走冲击钻机，同时孔内补充泥浆保持水头高度，旋挖钻就位后开始岩层钻进施工。

图1钻机转换工序图

判断冲击钻进入岩层主要从两方面着手，一是根据地质报告结合钻进深度判断；二是根钻渣样式进行判断。两方面同时满足后进行钻机转换。

4.5旋挖钻施工

根据图纸所给地层结构，和入岩时岩层硬度，中风化最大承载力容许值为1200kpa，为保证有足够的钻进力度，因此选择山河智能420型旋挖钻。钻机钻杆为5*17m机锁式钻杆，钻杆型号为φ508。旋挖钻机配有三个钻头：分别为直径1.25m筒式取芯钻头、直径1.45m筒式取芯钻头和直径1.5m截齿式捞沙钻。

因为冲击钻钻头直径大于筒式取芯钻头直径，为防止桩位偏差和保证桩基垂直度，钻进前一定要对护筒、护桩进行复测，更换钻头时确保钻头对中。在风化片麻岩层中，由于多数岩层是坚硬的片麻岩，常用的截齿式钻斗钻进吃力，因此旋挖钻施工采用三步循环钻进法，具体如下：

第一步采用1.25m筒钻进一斗深度，此步可直接将岩石提出。第二步换用直径1.45m筒钻将孔径二次扩大、削渣，此次钻孔是在第一步钻过后将孔壁进行扩大，此步筒钻钻渣无法提取。第三步采用直径1.5m截齿式捞砂钻进行扩孔，捞渣，此次步骤是在第二步基础上将孔径钻到设计孔径，同时将二、三步的钻渣一同提出孔外，卸渣。

图2岩层三步钻进工艺流程图

经过现场钻进实验，不需要加入化学泥浆进行辅助，因为化学泥浆和红土泥浆混合会产生絮状物并失去分子作用，不但起不到护壁作用而且还会产生大量沉渣，对后期清孔不利。当旋挖钻钻进到设计桩长后，移走旋挖钻，并记录旋挖钻钻进深度，开始下一道工序施工。

5施工对比

以方太口南桥5#-8桩基为例，有效桩长为27m，钻孔深度为35m，卵石层厚度为20m，片麻岩厚度为15m。如果采用常规方法冲击钻进行钻进施工，当钻头进入岩层后，每天（24小时）钻进尺度平均不到4m，整根桩基成孔需要7天时间才能完成，加上清孔时间，到浇筑混凝土共用8天时间。如果采用冲击钻和旋挖钻接力套打的施工方法，卵石层采用冲击钻钻进需要3天，入岩后改用旋挖钻仅需1天就能钻进到设计桩底，共用4天时间就能成孔，加上清孔时间，到浇筑混凝土前共用5天时间。从施工时间上来看大大缩短的成孔时间，对整个工程进度而言缩短工期。另外，冲击钻所需人工、机械、电力等成本较高，旋挖钻人工机械成本相对较低，从成本方面也创造了大量的经济价值。

优缺点对比：如果采用传统的冲击钻施工，施工工艺成熟，各个流程比较容易控制，不易造成蹋孔等不良现象，而且传统工艺工法可以保证孔径、桩位偏差和桩基的垂直度等。旋挖钻和冲击钻接力钻进这种新工艺，就目前来说还不太成熟，并未大规模使用，由于冲击钻钻头直径大，旋挖钻筒式取芯钻头直径小，很难保证桩基的垂直度和桩位偏差，另外由于工艺工法的不成熟，各步流程不易控制，很容易造成蹋孔现象，要时刻控制泥浆指标和钻进速度，给施工水平添了很多不确定因素。但是如果控制得当，不但能大大缩短工期时间，还能节约项目成本。

6.总结

结合本项目主要介绍了冲击钻和旋挖钻在砂卵石层和风化岩层中的施工特点以及新工艺工法的控制要点。对于在砂卵石层和风化岩层中桩基的施工，对旋挖钻和冲击钻接力钻进工艺的施工流程进行了简要的阐述。通过现场的桩基实验，可以得出以下结论：

传统施工方法比较稳定，但是成本高工期长。旋挖钻和冲击钻结合钻进工艺冒险，但节省了大量时间和成本，目前根据已施工桩基检测看，桩身质量也可得到有效保证。在以后的施工中，随着不断发现问题并改进，相信这种工艺会越来越成熟，以后的砂卵石层和岩层中桩基施工应用也会越来越广泛。

参考文献：

[1]《阜平县方太口南桥项目地质勘察报告》中交公路规划设计院有限公司2017年6月北京

[2]《阜平县方太口南桥项目施工图设计》中交公路规划设计院有限公司2017年11月北京

[3]《公路桥涵施工技术规范》[JTG/TF50-2011]

[4]《山河智能SWDM36H旋挖钻机说明书》

作者简介：

赵永旭、男、1990年11月24日出生、本科

边聪华，男、1990年01月29日出生、本科

杨松，男、1986年11月15日出生、本科