冲击反循环钻孔工艺在硬岩地层中的应用

冲击反循环钻孔工艺在硬岩地层中的应用

童果

（浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州310000）

摘要：以东港特大桥主墩桩基施工为例，着重介绍了灌注桩冲击反循环成孔工艺在硬岩地层中应用。基于工程的地质条件，从钻进原理、特点、钻孔工艺等方面分析了冲击反循环成孔工艺，可为同类桥梁桩基工程施工提供参考。

关键字：冲击反循环；灌注桩；硬岩

1、工程概况

新建东港特大桥主桥31#、32#主墩桩基为海域群桩基础，采用等截面钻孔灌注桩，横桥向间距6.8m，顺桥向间距6.2m，每个主墩处设置18根基桩，桩径均为3.0m，桩长30m～61m，桩基类型为嵌岩桩，桩基完全入岩深度不小于2d。根据地质调查和钻孔揭示，桥址区上部主要为第四系冲海积淤泥、粉质粘土、砂层，第四系残坡积粘性土层，下覆燕山早期侵入花岗闪长岩及其风化层。本项目桥梁桩基为以中风化岩或微风化花岗闪长岩作桩端持力层的嵌岩桩，岩层单轴抗压强度超过90MPa。根据项目的复杂地质及硬岩特性，选择采用CK-3000冲击钻和泵吸反循环工艺进行主墩钻孔灌注桩施工。

2、冲击反循环钻进原理及特点

2.1冲击反循环钻进原理

冲击反循环钻进是利用带有卷扬的冲击钻机，由钢丝绳带动钻头进行冲击钻进，在钻头芯管内下入排渣管，其顶端与安装在地面的砂石泵相连，形成泵吸反循环，这样钻头在孔底进行冲击钻进的同时，通过泵吸反循环将钻渣由孔底经排渣管、砂石泵排到地表的泥浆池中,钻渣沉淀完成渣浆分离后泥浆经过泥浆槽返回孔内继续循环排渣钻孔。它是将冲击碎岩效率高和反循环排渣快两方面优点有机地结合在一起的钻进方法。

2.2冲击反循环钻特点

本项目采用常规冲击反循环钻机采用的是一种将传统钢丝绳冲击钻进方法和反循环连续排渣技术结合起来的钻进方法，是复杂硬岩地层理想的施工设备。有如下特点：

（1）适用地层广。对各种地层适应能力强特别是对于漂卵石、硬岩层和其它类型钻机相比具有较大的优势。

（2）钻进效率高。冲击反循环破碎入岩机理是利用冲击钻头对岩石进行破 碎，然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑排除孔外，与冲击正循环钻机比，排渣快，钻进效率高。

（3）成孔质量好。采用冲击反循环工艺施工的钻孔，由于钻进中始终进行着连续的反循环，钻渣被及时携带出孔内在泥浆池中沉淀下来，因此孔底始终比较干净，所形成的钻孔极有利于水下混凝土灌注。

3.钻孔工艺

3.1工艺流程

施工作业平台→下护筒→钻机就位→开钻造浆→钻进→清孔→终孔检测→成桩施工。

3.2钻孔施工

（1）施工作业平台

平台应进行专项施工设计，本项目平台采用钢管桩+型钢+贝雷梁+分配梁+面板结构，采用“钓鱼法”搭设。

（2）下护筒

为了保证护筒放样精度，用全站仪进行钢护筒放样定位。先在施工平台上放出桩中心坐标，同时根据此中心点立即设四个护桩，护桩位置选择应坚实不易沉降、干扰小等要求。为确保钢护筒的沉放精度，在钻孔平台上设置导向装置，导向装置由导向框和其上的导向架组成，采用型钢焊接成整体，安装在钻孔平台上。利用导向装置定位钢护筒时，先在钻孔平台上进行导向装置粗定位，通过在导向架顶面放样控制点，精确定位钢护筒并调整垂直度。钢护筒采用100t履带吊分节下放、接高，为了防止钻孔过程中出现钢护筒漏浆，需进行钢护筒穿过软土层，再利用振动锤跟进钢护筒至设计标高。

（3）钻机就位

钻机安装采用25t汽车吊进行，先将钻机底座吊装就位于待钻桩位护筒一侧，与底座安装位置初步对齐后，将底座与钻孔平台通过钢板临时焊接固定，再安装卷扬机及钻机架体。架体安装时在架体上栓好缆风绳，架体与底座连接好后，将缆风绳固定于钻孔平台上防止钻机架体倾覆，解除钻机底座与钻孔平台的临时连接，利用手拉葫芦、千斤顶等工具进行钻机调位，使钻机起吊钻锤的最前端滑轮槽中心点铅垂线与桩孔中心点重合，稳定好钻机和钻机扒杆。测量检查其平面位置以及平整度，各项指标满足要求后将钻机底座与钻孔平台通过钢板焊接固定。接通电源，对主要设备及配套设备、钢丝绳等进行检查，确保状态完好，安装好钻锤，将钻锤放入护筒内。

（4）开钻造浆

正式钻进前，先在要钻进的桩基护筒内制造原浆，将优质粘土投入钢护筒内，利用冲击钻钻头低锤密击，将钢护筒内粘土搅拌成泥浆。泥浆循环系统利用泥浆箱进行。钻进桩孔调浆时，孔内泥浆通过反循环泥浆泵抽入泥浆净化器中，浆液通过泥浆净化器过滤后，经溜槽再次回到造浆池中拌和，重新输入钻进桩孔内，完成泥浆的循环使用。

桩孔内沉渣采用“反循环”工艺进行清孔。为保持钻孔平台清洁，减小钻渣出运对钻孔作业的干扰，经泥浆分离器分离出的钻渣，滤进储渣箱内，然后采用运输车运至指定地点统一存放、处理，严禁直接抛投至施工水域。

（5）钻进

钻进时根据钻进孔深、钻进阶段以及钻进地层选择不同冲击方案，孔口位置采用低锤密击造浆开钻；护筒底口以下2～4m范围采用浓泥浆、小冲程、高频率反复冲砸，使孔壁坚实不塌不漏；正常钻进的冲程大小和泥浆指标应按照通过的具体地层进行过程调控；岩层采用小、中冲程冲击，防止卡钻、冲坏孔壁或使孔壁不圆、形成梅花桩。钻进时需注意以下事项：

1）基岩表面不平整时，可投入片石，将表面垫平后再小冲程进行冲击钻进，时刻关注钢丝绳的晃动，及时修正，防止斜孔。

2）钻机开钻后及时填写钻孔施工记录，并在交接班时交代钻进情况及注意事项。在钻进的过程中，对照地质柱状图，及时捞取渣样，判断各地层变化情况，及时调整钻进速度。在每班组换班、地质变化处以及进入岩层后每钻机0.5m时留存渣样，并在每一袋渣样上标明编号、孔位号、取样时间、地层深度等信息。

3）接近设计孔底标高0.5m时，控制钻进速度，用标定好的测量绳勤测量，将超钻超钻深度控制在不大于10cm。钻孔达到设计要求的深度后，技术人员对孔深、孔径等指标进行确认，并申请监理工程师签认。

（6）清孔

在桩基成孔后，采用泵吸反循环工艺清孔，导管放入桩孔内，在导管口安装接头，再用软皮管连接泥浆净化装置利用泥浆净化装置的反循环砂石泵从孔底抽吸泥浆通过总进浆管输送到泥浆净化装置粗筛，经过其振动筛选将粒径在3mm以上的渣料分离出来。经过粗筛筛选的泥浆进入泥浆净化装置的储浆槽，由泥浆净化装置的渣浆泵从槽内抽吸泥浆，在泵的出口具有一定储能的泥浆沿输浆软管从水力旋流器进浆口切向射入，通过水力旋流器分选，粒径微细的泥砂由旋流器下端的沉沙嘴排出落入细筛。经细筛脱水筛选后，较干燥的细渣料分离出来，经过细筛筛选的泥浆再次返回储浆槽内。处理后的干净泥浆从旋流器溢流管进入中储箱，然后沿总出浆管输送回孔。经检测孔底沉渣厚度、孔内泥浆指标符合要求后，拆除导管，进行下道工序。

（7）终孔检测

清孔完成后采用超声测壁仪进行成孔质量检测。成孔检测主要是对孔径、垂直度、孔深等数据进行检测。成孔检测经现场监理工程师确认各项指标合格后，采用履带吊将钻机吊移至下一个孔位，吊装时钻头和钻架分开吊装。

（8）成桩施工

成桩施工包括钢筋笼制安、二次清孔、混凝土灌注。

其中大直径长桩钢筋笼采用胎具法、“短线匹配法”制作，运输至现场后采用履带吊分节接长整体下放。

下放混凝土导管，到位后，应立即进行孔底沉淀厚度检测，若沉淀厚度不满足设计要求，采用反循环工艺进行二次清孔，直至满足设计要求。

混凝土灌注分为首封和正常灌注，混凝土首封采用“剪球法”施工，配备大集料斗和小料斗进行施工首封混凝土。混凝土首封完成后，拆除大集料斗采用小料斗进行桩基混凝土正常浇筑，混凝土应连续灌注，不得中断，在砼浇筑过程中，根据规范要求制做混凝土试块，并随时对混凝土的和易性、坍落度进行检测，不符合要求的混凝土不得进行灌注，确保成桩的质量。混凝土灌注过程中，随时测量混凝土面的高度，并做好记录，正确计算导管埋入混凝土深度，导管的埋置深度宜控制在2～6m。当导管埋深过大时，及时拆卸导管，拆除导管前由技术人员进行复核，确认无误后方可拆除，导管拆除后要及时清洗，以备下次再用。

当混凝土的顶面标高到位后，停止灌注，及时拆除导管。为确保桩顶混凝土强度，混凝土终灌标高超出设计标高1m以上，以确保桩头凿除后桩顶混凝土密实、无松散层。

4.结束语

实践证明冲击反循环钻机是一种经济、实用的钻孔设备，对于场地要求比回旋钻、旋挖钻更低，比其他类型钻机更适用于岩石坚硬且为水上作业平台的环境。而且冲击反循环钻进工作效率高，特别是它能有效解决复杂地层及硬岩的钻进难题，为同类桥梁桩基工程施工提供参考。

参考文献

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