循环钻与旋挖钻组合在夹有厚细砂层地质中的应用
2018-11-18 9:35:53 点击：
施工钻孔桩时，在夹有厚细砂层地质中，采用正循环钻机和旋挖钻机组合的形式，既能保证细砂层的成孔质量，又能保证成孔进度。 关键词：厚细砂层;钻孔桩;正循环;旋挖钻;组合
前 言
随着国民经济的发展，我国基础建设规模不断扩大，钻孔灌注桩的应用历史悠久，应用范围也极其广泛，从公路桥梁到铁路桥梁，从房屋建筑到航运设施，在其基础施工时大量应用钻孔灌注桩。但我国地大物博，随着建设领域的拓展，钻孔桩施工时遇到的地质情况也千变万化，复杂多变，如何根据具体地质情况采用何种钻孔机械，确保质量和工期，成为我们一直需要研究的课题。本文针对在夹有厚细砂层等极易塌孔的地层中，把成孔速度快的旋挖钻机和传统的正循环钻机进行组合成孔，既能保证细砂层的成孔质量、节约钢护筒跟进数量，又能保证成孔进度，可产生可观的社会效益。
1 工程背景
新建皖赣铁路的建成将成为连接苏皖和赣东、闽的重要铁路干线，也是京沪、沪昆、华东二通道等重要地区铁路网干线的重要联系通道。项目的建设将优化和完善全国铁路网结构，并对加快中部崛起，促进铁路沿线的经济发展，扩展长三角经济辐射都有重要的战略意义。
青弋江特大桥为皖赣铁路扩能改造工程的重要组成部分，跨上潮河连续梁上部结构为（65+2×100+65）m连续梁，是青弋江特大桥架梁通道上的控制工点，下部结构主墩墩号为364#～366#墩，位于正在施工的分洪道内，无水。桩基每个承台为9根φ220cm群桩基础，共27根，桩长为44.5m，孔深达53m，采用土围堰填筑施工平台施工。
2 选题理由
2.1地质条件差
主墩位于河道内，水源丰富，河床以下5～15m为细砂层，极易塌孔，成孔质量难以控制，对施工机械的选型要求高。
2.2工期紧
根据皖赣铁路整体工期安排，本连续梁属于架梁通道上的控制工点，且下部结构必须在枯水期完成施工，故需要以最快的速度完成，以实现显著的社会效益。首根桩施工时采用了施工速度最快的旋挖钻施工，结果砂层位置塌孔严重，该方法无法保证施工质量，故急需采取有效措施在保证质量的前提下确保工期。
2.3经济效益明显
原设计采用15m长钢护筒跟进防砂层塌孔，钢护筒重量达18t。首根桩采用2m护筒并用旋挖钻成孔，结果塌孔严重，混凝土充盈系数达50%，混凝土浪费严重。若能优化方案，既能节约护筒，又能不塌孔，则能节约成本，为企业创效。
综上各种原因，为了在有限的工期内和极差的地质条件下，通过优化施工方案，突破常规思路，采用多种桩机组合的方式，确保大孔径钻孔桩在砂层中的成桩质量，节约投资，加快施工进度。
3 试桩情况
3.1 护壁泥浆：施工过程中所用的泥浆方量至少为200�O，但在开挖泥浆池的过程中发现，河中为流沙地质，开挖至深50cm左右时，挖下去的流沙就会流回到开挖的池中，导致无法继续深挖，所以采用泥浆护壁开挖的计划暂时搁置。项目部决定采用化学浆糊在孔中造浆的施工方法，化学浆糊的特点是粘度大，但比重接近于水。此化学浆糊的组成为水：纤维素：烧碱：泥浆粉=1000：0.5：1：1.5，在实际施工过程中按此比例所造的浆，比重1.01，粘度为32s∽35s之间。当首根桩钻进到20m位置时出现了塌孔，塌到10m的位置。按照地质资料，此深度为细沙层位置。由此可见，化学泥浆虽然粘度大，但比重小，达不到有效护壁作用，应选用比重大的粘土泥浆。
3.2 桩机选型：迫于工期紧，试桩采用成孔速度最快的旋挖钻机施工，旋挖钻机工作原理为通过可伸缩的钻杆带动钻头在孔内边钻边挖，挖出的土砂料自动装入钻头内，装满后提升出孔外，倾倒在土方车或地上，然后关闭钻头活门，旋挖机旋回到原位，锁上钻机旋转体的过程。其原理实则是挖土，自身无法造浆，故护壁功能只适用于地质条件较好，能通过泥浆池制备的泥浆及其水头即能控制孔壁不坍塌的工况，且在钻进时相当于活塞运动，提钻时孔内下部形成负压，对自稳性极差的砂层孔壁稳定及其不利，并不适用于本工点细砂层较厚的地质，根据钻孔记录和混凝土灌注记录，塌孔和混凝土超方均发生于地面以下5～15m段的细砂层，设备选型不正确，印证了旋挖钻机不适用于该地层的钻孔施工，仅适用于自稳定作用好的土层。
4 方案确定
4.1泥浆性能
采用优质粘土投入孔内利用正循环回旋钻边钻孔边造浆，以达到稳定易塌孔的细砂层孔壁作用，泥浆比重控制在1.1～1.3之间，粘度控制在22s左右，试验人员及时对泥浆性能进行测定。
4.2桩机选型
施工时，2台回旋钻与1台旋挖钻配套，2个承台同时施工，各配备一台回旋钻机，回旋钻在细砂层及其以上范围施工时间为22小时，旋挖钻在细砂层以下范围施工时间为12小时，此类搭配可保证钻机设备不闲置，既能保证细砂层中钻孔桩的成孔质量，又能保证施工进度。
4.2.1细砂层范围采用正循环回旋钻机施工
由于该地层内不适用于旋挖钻机成孔，故根据设计提供的地质资料结合现场实际情况，细砂层以上采用正循环回旋钻机成孔，回旋钻转盘转速快利于造浆，但要放慢钻进速度，以利于泥浆渗透入细砂层，起到稳定孔壁的作用。完成后移至附近孔位继续钻孔。
4.2.2细砂层以下范围采用旋挖钻机施工
回旋钻钻到细砂层以下的粗圆砾土层后，由于砾石大且多，回旋钻无法钻进，同时为了确保工期，此时更换旋挖钻机继续钻进直至钻至设计孔深。
5 关键工序施工措施
5.1 制作泥浆池
由于施工位置在河中，地质为流沙，直接挖不出可以储备200m?泥浆的泥浆池，所以用1cm厚的钢板焊接制作泥浆池，制作尺寸为12m×12m×1.5m。储存方量为210m?。 5.2 制备泥浆
采用GPS-20型正循环工程钻机边钻孔边造泥浆。具体施工方法是：将循环钻机安装就位后开动钻机并向孔中加入优质粘土和水，利用钻机钻头的转动进行造浆，造出的泥浆比重为1.35左右，粘度为22s。通过挖好的渠道流到预制好的泥浆池中储存，以备旋挖桩钻进时使用。
5.3 正循环钻机钻进
正循环回旋钻由于要造浆所以钻进速度比较慢，钻进到15m左右钻进到粗圆砾土层后，由于砾石多且大，循环钻无法进行钻进，需要将循环钻移到下个孔位，由旋挖钻机继续钻进。
5.4 正循环钻机钻进
旋挖钻机从细砂层以下开始钻进，所用泥浆为泥浆池中所储备的泥浆，钻进时泥浆比重控制在1.3左右，粘度控制在22s左右。尽量减慢提钻速度，以免造成孔内负压而使流沙层的护壁坍塌造成塌孔。旋挖钻从15m开始钻进一直到成孔。
5.5 实际施工情况
按照以上方案开始钻进364-9#桩，优质粘土采用汽车运输至现场用于造浆，开始钻进后，利用小型挖掘机填到孔中，边钻进边造浆，现场技术员通过用泥浆比重仪和粘度测量仪测定泥浆比重，比重控制在1.35左右，粘度控制在22s左右。循环钻从地面以下0-20m钻进的过程中未出现塌孔现象，每根桩须用的210m?泥浆所用的优质粘土为60m?，所用时间为22小时。15米以后所处地层为粗圆砾土，由于层厚较厚且砾石多，循环钻机无法钻进。此后将循环钻机移到提前放好样的附近孔位，用旋挖钻机继续钻进364-9#桩，经过砂层时放慢钻进和提升速度。旋挖机钻进过程中，现场技术员及时测量泥浆比重和粘度，分别控制在1.3和22s左右。在旋挖钻机钻进过程中细砂层未出现塌孔现象，旋挖钻机从15m开始钻进到成孔52m位置，共用时12小时。
364-9#浇筑混凝土时所用方量为183m?，充盈系数为1.059，并且在浇筑过程中孔中的混凝土面均匀上升。在此后的数根桩施工过程中均未出现塌孔现象，浇筑混凝土方量均控制在180m?左右，混凝土面均匀上升。
6 结束语
在国民经济大力发展的今天，基础设施建设如火如荼，工程质量和工期也经常出现不协调或冲突的情况，在确保工程质量、安全的前提下如何加快施工进度，是我们一直需要探讨的问题。本工点地质条件复杂，针对不同地层，我们突破常规思维，采用两种不同类型的钻孔桩机配套施工的工艺在实际施工中取得了良好成绩，质量和工期得到了较好的契合。
前 言
随着国民经济的发展，我国基础建设规模不断扩大，钻孔灌注桩的应用历史悠久，应用范围也极其广泛，从公路桥梁到铁路桥梁，从房屋建筑到航运设施，在其基础施工时大量应用钻孔灌注桩。但我国地大物博，随着建设领域的拓展，钻孔桩施工时遇到的地质情况也千变万化，复杂多变，如何根据具体地质情况采用何种钻孔机械，确保质量和工期，成为我们一直需要研究的课题。本文针对在夹有厚细砂层等极易塌孔的地层中，把成孔速度快的旋挖钻机和传统的正循环钻机进行组合成孔，既能保证细砂层的成孔质量、节约钢护筒跟进数量，又能保证成孔进度，可产生可观的社会效益。
1 工程背景
新建皖赣铁路的建成将成为连接苏皖和赣东、闽的重要铁路干线，也是京沪、沪昆、华东二通道等重要地区铁路网干线的重要联系通道。项目的建设将优化和完善全国铁路网结构，并对加快中部崛起，促进铁路沿线的经济发展，扩展长三角经济辐射都有重要的战略意义。
青弋江特大桥为皖赣铁路扩能改造工程的重要组成部分，跨上潮河连续梁上部结构为（65+2×100+65）m连续梁，是青弋江特大桥架梁通道上的控制工点，下部结构主墩墩号为364#～366#墩，位于正在施工的分洪道内，无水。桩基每个承台为9根φ220cm群桩基础，共27根，桩长为44.5m，孔深达53m，采用土围堰填筑施工平台施工。
2 选题理由
2.1地质条件差
主墩位于河道内，水源丰富，河床以下5～15m为细砂层，极易塌孔，成孔质量难以控制，对施工机械的选型要求高。
2.2工期紧
根据皖赣铁路整体工期安排，本连续梁属于架梁通道上的控制工点，且下部结构必须在枯水期完成施工，故需要以最快的速度完成，以实现显著的社会效益。首根桩施工时采用了施工速度最快的旋挖钻施工，结果砂层位置塌孔严重，该方法无法保证施工质量，故急需采取有效措施在保证质量的前提下确保工期。
2.3经济效益明显
原设计采用15m长钢护筒跟进防砂层塌孔，钢护筒重量达18t。首根桩采用2m护筒并用旋挖钻成孔，结果塌孔严重，混凝土充盈系数达50%，混凝土浪费严重。若能优化方案，既能节约护筒，又能不塌孔，则能节约成本，为企业创效。
综上各种原因，为了在有限的工期内和极差的地质条件下，通过优化施工方案，突破常规思路，采用多种桩机组合的方式，确保大孔径钻孔桩在砂层中的成桩质量，节约投资，加快施工进度。
3 试桩情况
3.1 护壁泥浆：施工过程中所用的泥浆方量至少为200�O，但在开挖泥浆池的过程中发现，河中为流沙地质，开挖至深50cm左右时，挖下去的流沙就会流回到开挖的池中，导致无法继续深挖，所以采用泥浆护壁开挖的计划暂时搁置。项目部决定采用化学浆糊在孔中造浆的施工方法，化学浆糊的特点是粘度大，但比重接近于水。此化学浆糊的组成为水：纤维素：烧碱：泥浆粉=1000：0.5：1：1.5，在实际施工过程中按此比例所造的浆，比重1.01，粘度为32s∽35s之间。当首根桩钻进到20m位置时出现了塌孔，塌到10m的位置。按照地质资料，此深度为细沙层位置。由此可见，化学泥浆虽然粘度大，但比重小，达不到有效护壁作用，应选用比重大的粘土泥浆。
3.2 桩机选型：迫于工期紧，试桩采用成孔速度最快的旋挖钻机施工，旋挖钻机工作原理为通过可伸缩的钻杆带动钻头在孔内边钻边挖，挖出的土砂料自动装入钻头内，装满后提升出孔外，倾倒在土方车或地上，然后关闭钻头活门，旋挖机旋回到原位，锁上钻机旋转体的过程。其原理实则是挖土，自身无法造浆，故护壁功能只适用于地质条件较好，能通过泥浆池制备的泥浆及其水头即能控制孔壁不坍塌的工况，且在钻进时相当于活塞运动，提钻时孔内下部形成负压，对自稳性极差的砂层孔壁稳定及其不利，并不适用于本工点细砂层较厚的地质，根据钻孔记录和混凝土灌注记录，塌孔和混凝土超方均发生于地面以下5～15m段的细砂层，设备选型不正确，印证了旋挖钻机不适用于该地层的钻孔施工，仅适用于自稳定作用好的土层。
4 方案确定
4.1泥浆性能
采用优质粘土投入孔内利用正循环回旋钻边钻孔边造浆，以达到稳定易塌孔的细砂层孔壁作用，泥浆比重控制在1.1～1.3之间，粘度控制在22s左右，试验人员及时对泥浆性能进行测定。
4.2桩机选型
施工时，2台回旋钻与1台旋挖钻配套，2个承台同时施工，各配备一台回旋钻机，回旋钻在细砂层及其以上范围施工时间为22小时，旋挖钻在细砂层以下范围施工时间为12小时，此类搭配可保证钻机设备不闲置，既能保证细砂层中钻孔桩的成孔质量，又能保证施工进度。
4.2.1细砂层范围采用正循环回旋钻机施工
由于该地层内不适用于旋挖钻机成孔，故根据设计提供的地质资料结合现场实际情况，细砂层以上采用正循环回旋钻机成孔，回旋钻转盘转速快利于造浆，但要放慢钻进速度，以利于泥浆渗透入细砂层，起到稳定孔壁的作用。完成后移至附近孔位继续钻孔。
4.2.2细砂层以下范围采用旋挖钻机施工
回旋钻钻到细砂层以下的粗圆砾土层后，由于砾石大且多，回旋钻无法钻进，同时为了确保工期，此时更换旋挖钻机继续钻进直至钻至设计孔深。
5 关键工序施工措施
5.1 制作泥浆池
由于施工位置在河中，地质为流沙，直接挖不出可以储备200m?泥浆的泥浆池，所以用1cm厚的钢板焊接制作泥浆池，制作尺寸为12m×12m×1.5m。储存方量为210m?。 5.2 制备泥浆
采用GPS-20型正循环工程钻机边钻孔边造泥浆。具体施工方法是：将循环钻机安装就位后开动钻机并向孔中加入优质粘土和水，利用钻机钻头的转动进行造浆，造出的泥浆比重为1.35左右，粘度为22s。通过挖好的渠道流到预制好的泥浆池中储存，以备旋挖桩钻进时使用。
5.3 正循环钻机钻进
正循环回旋钻由于要造浆所以钻进速度比较慢，钻进到15m左右钻进到粗圆砾土层后，由于砾石多且大，循环钻无法进行钻进，需要将循环钻移到下个孔位，由旋挖钻机继续钻进。
5.4 正循环钻机钻进
旋挖钻机从细砂层以下开始钻进，所用泥浆为泥浆池中所储备的泥浆，钻进时泥浆比重控制在1.3左右，粘度控制在22s左右。尽量减慢提钻速度，以免造成孔内负压而使流沙层的护壁坍塌造成塌孔。旋挖钻从15m开始钻进一直到成孔。
5.5 实际施工情况
按照以上方案开始钻进364-9#桩，优质粘土采用汽车运输至现场用于造浆，开始钻进后，利用小型挖掘机填到孔中，边钻进边造浆，现场技术员通过用泥浆比重仪和粘度测量仪测定泥浆比重，比重控制在1.35左右，粘度控制在22s左右。循环钻从地面以下0-20m钻进的过程中未出现塌孔现象，每根桩须用的210m?泥浆所用的优质粘土为60m?，所用时间为22小时。15米以后所处地层为粗圆砾土，由于层厚较厚且砾石多，循环钻机无法钻进。此后将循环钻机移到提前放好样的附近孔位，用旋挖钻机继续钻进364-9#桩，经过砂层时放慢钻进和提升速度。旋挖机钻进过程中，现场技术员及时测量泥浆比重和粘度，分别控制在1.3和22s左右。在旋挖钻机钻进过程中细砂层未出现塌孔现象，旋挖钻机从15m开始钻进到成孔52m位置，共用时12小时。
364-9#浇筑混凝土时所用方量为183m?，充盈系数为1.059，并且在浇筑过程中孔中的混凝土面均匀上升。在此后的数根桩施工过程中均未出现塌孔现象，浇筑混凝土方量均控制在180m?左右，混凝土面均匀上升。
6 结束语
在国民经济大力发展的今天，基础设施建设如火如荼，工程质量和工期也经常出现不协调或冲突的情况，在确保工程质量、安全的前提下如何加快施工进度，是我们一直需要探讨的问题。本工点地质条件复杂，针对不同地层，我们突破常规思维，采用两种不同类型的钻孔桩机配套施工的工艺在实际施工中取得了良好成绩，质量和工期得到了较好的契合。
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