硬岩地层条件下钻孔灌注桩钻孔技术研究

硬岩地层条件下钻孔灌注桩钻孔技术研究

桂怀武

中国铁路上海局集团有限公司徐州枢纽建设指挥部江苏徐州221000

摘要：灌注桩适用于基础不能作开挖处理、地质条件较为复杂的施工项目。同时，钻孔灌注桩基础是一种广泛应用于高速铁路桥梁的深基础型式。为了满足高速铁路零沉降的技术要求，往往需要钻孔深入岩层数米，旋挖钻机穿越岩层尤其是高硬度花岗岩的施工控制技术一直是基础工程中的一个难题。本文以新建连徐高速铁路东海特大桥桩基施工为例，通过对在硬岩地层条件下采用旋挖钻机成孔的钻孔桩施工，总结出在硬岩地层中旋挖钻机成孔的钻孔桩施工技术。

关键词：硬岩地质；钻孔灌注桩；旋挖钻机钻孔技术

钻孔灌注桩是一种常见的桩基形式，比较适合于基础不能作开挖处理、地质条件较为复杂的工程。在钻孔灌注桩施工中，必须严格控制质量，制定相应的预防措施，避免出现断桩、缩颈、井壁坍塌等问题，从而影响工程质量及增加工程造价，造成不必要的损失。同时，必须根据施工场地的地层条件，采取合理的施工工艺和切实可行的质量保证措施，以保证工程质量。随着社会的不断发展，旋挖灌注桩因其具有低噪音、低振动、扭矩大、成孔速度快、自带动力等优点在桥梁桩基施工中的应用越来越普遍。

一、旋挖钻施工工艺原理

旋挖钻成孔工艺与其它机械桩基成孔工艺不同，成孔原理是在一个可闭合开启的钻斗的底部及侧边，镶焊切削刀锯，在伸缩钻杆旋转驱动下，旋转切削挖掘土层，同时使切削挖掘下来的土渣进入钻斗内，钻头装满后提出孔外卸土，如此循环形成桩孔。其中，旋挖钻工作时压力、扭矩传递顺序为：①压力：动力头油缸→动力头→钻杆→钻头→切削刀。②扭矩：动力头马达减速机→动力头轮毂→钻杆→钻头→切削岩土。由此可看出，旋挖钻机的动力转变为施工所需的钻进压力和扭矩，而传输过程中的压力和扭矩的利用率则取决于钻杆和钻斗，且钻斗的关键参数是斗齿刃前角，选择不同的斗齿刃前角，其钻进效果不同。

二、工程概况

2.1工程地质

根据钻探揭示，施工区段内下伏基岩主要为前震旦系混合变质岩，岩性可分为片麻岩、花岗片麻岩、石英岩；部分为燕山期侵入岩，岩性为花岗闪长岩。

施工区段内地质条件比较复杂，主要表现在：

（1）地下岩层起伏较大，钻孔过程中频繁遇到地下斜岩，且斜岩硬度高。

（2）地下分布有石英矿脉，石英矿脉硬度高，耐磨，普通旋挖钻机难以穿透。

（3）基岩强度高，完整性好。根据已施工桩基岩芯强度检测报告显示，基岩石轴向饱和抗压强度达80Mpa～166Mpa。

2.2钻孔桩简介

本工程大直径钻孔桩主要分布在连续梁主墩处，直径有φ2.0m和φ2.5m两种。Φ2.0m桩设计桩长26m，共24根，嵌岩深度8m，基岩为弱风化花岗片麻岩，饱和抗压强度80Mpa～105Mpa，地面以下18m～19.5m处有石英岩夹层；Φ2.5m桩设计桩长17m，共22根，嵌岩深度6m，基岩为弱风化花岗片麻岩，饱和抗压强度90Mpa～166Mpa。施工前，通过对钻机成孔特性、工期、经济效益等方面的方案比选，采用旋挖钻机成孔优势明显。

三、施工工艺

3.1钻具

在土层及全风化层钻进时，选用带截齿钻头的钻斗（如图3-1），破碎、取土同时进行，提高工作效率。

在强风化岩层中钻进时，选用安装牙轮钻头的多级桶钻（如图3-2），多级桶钻直径组合为Φ1.5m+Φ2.0m，可实现Φ2.0m孔一次成孔。

在弱风化层中钻进时，使用牙轮筒钻。Φ1.5m孔施工时，宜采用长钻头（钻头长度2.0m～2.5m），有利于折断岩芯及扩孔时导向定位。

3.2分级扩孔工艺

基岩强度120Mpa以下时，使用420型旋挖钻施工，可采用4级扩孔工艺。扩孔直径组合为Φ1.0m，Φ1.5m，Φ2.0m，Φ2.5m。

φ2.5m桩基岩强度166Mpa，基岩整体性好。使用420型旋挖钻施工时，由于扭矩、钻杆强度等原因，无法产生足够的侧压力破碎岩石。需要采用6级扩孔工艺较小岩壁厚度。扩孔直径组合为Φ1.0m，Φ1.5m，Φ1.8m，Φ2.0m，Φ2.2m，Φ2.5m。

采用550型旋挖钻施工，可选用较少的扩孔级别，直径组合为1.5m，2.0m，2.5m。

3.3破岩工艺

牙轮桶钻施工原理是利用钻头磨、压在岩石周围形成环形槽，然后将环槽内岩石折断取出。因此选用合理的破岩工艺，对牙轮桶钻的施工功效影响巨大。

1级钻孔时，桶钻内形成整体岩芯，宜尽量维持岩芯整体性，然后折断取出。因此采用长钻头，在钻头根部加装破岩楔块。这样一方面可增加岩芯临空长度，降低破岩时钻杆扭矩，另一方面可增加岩芯长度，减少取芯次数。

扩孔时，由于岩芯成环形，无法取出整体岩芯，因此破岩楔块应安装在钻头端部。这样形成的岩石碎块体积小，有利于捞渣斗清渣。破岩楔块如图3-3所示。

3.4定位导向工艺

分级扩孔时，不可避免要在已成型的大直径孔底进行小直径孔的钻进作业。此时孔底基岩突兀、钻杆伸出较长、钻头无孔壁约束，容易产生钻头摆动而不能顺利入岩，并容易损坏钻具。此时需要使用定位导向装置。

本工程中使用的定位导向装置有两种，一是利用Φ1.5m孔导向，进行Φ2.0m孔的钻进，二是利用Φ2.0m孔导向，进行Φ1.5m孔钻进。Φ2.5m孔依靠自身孔壁进行导向。导向装置见图3-4，图3-5。

四、钻孔过程中的质量控制及成孔检查

1、钻孔过程中要经常用水平尺和线锤检查转盘的水平度和钻架的垂直度，确保成孔轴线顺直。

2、钻孔过程中需要调配泥浆时，不得将碱或膨润土直接倒入孔中，应用水稀释后缓慢加入泥浆循环池内。

3、滚刀钻头每次使用前后应认真检查各牙轮安装位置、方向是否正确，焊接是否牢靠。钻孔钻具拆除后，应有专人对钻具焊缝螺栓连接部位及钻头合金、滚刀进行检查，及时进行修补和更换。

4、钻机拆除后进行成孔质量检测，检测的项目有孔深、孔径、孔形、垂直度、孔底沉淀厚度等。

五、结语

综上所述，钻孔技术在实际施工过程中容易受到地质条件的影响，而为了能有效确保钻孔技术的合理性，本文以连徐铁路东海特大桥钻孔施工为背景，结合现场地质条件的变化，从钻头的选用，钻压、钻速的变化等方面对钻机钻孔控制技术进行了分析，总结结果表明：①旋挖钻在硬岩地层中施工时，可采用分级扩孔工艺实现大桩径钻孔桩的成孔；②旋挖钻钻进时，应灵活选用不同的钻具以使用不同的岩层，土层和极软岩宜采用截齿钻斗施工，软岩和硬岩宜使用筒钻，硬岩中钻进时宜采用牙轮桶钻施工；③破岩工艺是影响硬岩钻孔效率的重要因素。整体取芯时，宜采用长钻头，高位楔块破岩，保证岩石整体性；扩孔施工时，宜采用低位楔块，增加岩石破碎程度。

参考文献

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[6]徐工XR550旋挖钻机说明书。