潜孔钻机在硬度大岩层钻孔技术

潜孔钻机预钻孔在岩溶强发育地层桩基辅助施工技术郑先奇(中铁十六局集团第三工程有限公司浙江湖州)摘要结合京沪高速铁路三标荆河特大桥钻孔桩施工实例，介绍潜孔钻机预钻孔在岩溶强发育地层桩基施工中的应用。荆河特大桥钻孔桩施工，采用潜孔钻机预钻孔定位削弱桩基岩石的抵抗力、纠偏修正斜坡岩面斜孔。荆河特大桥岩溶强发育地层桩基钻孔进尺加快，斜坡岩面纠偏修正斜孔效果显著。关键词潜孔钻机；预钻孔定位；抵抗力；斜坡岩面；斜孔一、工程概况京沪高速铁路三标荆河特大桥位于山东省滕州市境内，桥梁全长11.445km,孔跨布置:20×24双线简支箱梁、328×32双线简支箱梁、2-(32+48+32)双线连续箱梁。全桥墩台基础设计全部为钻孔桩基础,直径1.0m,1422根,桩总长44272.77m,直径1.25m,1538根,桩总长83527.39m,直径1.50m,108根,桩总长14325.16m。其中203号墩直径1.50m,最大桩长为85.5m。二、工程地质特征岩溶是由石灰岩等可溶性岩石长期受水的化学溶蚀作用而形成。岩溶地层存在溶洞、溶沟、溶槽、溶隙及溶隙填充，尤其是溶洞顶（底）板犬牙交错，高低相差悬殊，溶洞内填充物不详。石灰岩长期受水的化学溶蚀，岩层存在着软硬不均或半岩半土、半岩半溶和斜坡岩面，钻孔进尺慢、斜坡岩面斜孔纠偏是岩溶桩基钻孔的重点和难点技术。荆河特大桥主要以石灰岩为主，岩层为单斜构造，岩层产状30°∠12°桥位区岩体节理裂隙发育。DK580+229～DK582+100段；钻孔遇溶洞率达76.9%，岩溶强烈发育地段达90～100%。DK582+100～DK583+100段；钻孔遇溶洞率60.8%～73.7%，溶洞呈串珠状分布。其中203号墩串珠状溶洞多达13个，溶洞高度一般在2～8m之间。其中286号墩溶洞高度25.5m，DK583+100～DK586+100段；钻孔遇溶洞率66.1%～71.9%。DK586+100～DK587+100段；钻孔遇到溶洞率42.5%，溶洞呈串珠状发育。三、岩溶强发育复杂地层钻孔桩施工的重点和难点荆河特大桥主要以石灰岩为主，岩层为单斜构造岩，岩层产状30°∠12°。岩溶地层存在溶洞、溶沟、溶槽、溶隙及溶隙填充等，在岩溶强发育复杂地层钻孔桩施工，由于岩溶地层的复杂的地质状况，溶沟、溶槽、溶洞等相互连通，有软塑、流塑充填物溶洞，无充填的空溶洞，钻孔会发生频繁漏浆。钻头穿透溶洞会出现泥浆骤然流失，使上部土层、松散砂土层、砂层顺钻孔陷进入空溶洞，造成地面塌陷、塌孔、卡钻、埋钻等事故。石灰岩长期受水的化学溶蚀存在着岩层软硬不均，钻孔施工过程中，钻孔一进入岩面，钻头顺岩面倾斜方向偏转，钻孔发生倾斜。荆河特大桥共有58个墩是斜坡岩面。采用回填片石反复冲击进行斜面岩斜孔纠偏，对于岩石坚硬斜孔采用回填花岗岩、灌注高标号混凝土进行纠偏斜坡岩面斜孔，施工周期长。345#墩10根桩，设计桩长24m，钻孔时间长达9个月，每根桩平均回填片石反复冲砸纠偏多达190余次。由于石灰岩层硬度大，钻孔进尺十分缓慢，24h进尺一般为0.4～0.6m左右。钻头磨损十分严重，工料消费巨大，施工周期长，严重制约施工进度。在岩溶强发育复杂地层钻孔桩施工综合起来主要有三大难点：①频繁的钻孔漏浆，造成地面塌陷、塌孔、卡钻、埋钻等事故；②遇到斜坡岩面发生斜孔，要反复进行斜孔纠偏；③石灰岩层硬度大，钻孔进尺十分缓慢，施工周期长；四、预钻孔的施工原理潜孔钻机预钻孔，就是在桩基钻孔施工前，用潜孔钻机在桩基桩位岩面上钻5～9个，直径210mm的孔洞，在桩位整体、坚硬的岩面（斜坡岩面）上人工制造破碎岩层，通过用潜孔钻机在桩基桩位岩面上钻的多个孔洞，形成“蜂窝”状的孔洞，有效地减小桩基柱状岩石体积，人为制造桩基岩层的“临空面”，能有效地削弱桩基柱状岩石的抵抗力，斜坡岩面上的孔洞能更好地与钻头刃脚形成咬合作用，防止钻头顺斜坡岩面倾斜方向偏转，从而达到纠偏斜孔。经过潜孔钻机在桩基桩位岩层预钻的多个孔洞，削弱桩基岩石的抵抗力，桩基岩层在钻头的巨大冲击能量作用下容易破碎，从而达到加快施工进度和斜坡岩面纠偏斜孔的目的。五、钻孔孔洞布置潜孔钻机钻孔，就是在桩基钻孔施工前，用潜孔钻机在桩基桩位岩面上钻5～9个，直径210mm的孔洞，孔洞数量根据桩基直径而定，桩径1.5m,钻孔9个,桩径1.25m,钻孔7个,桩径1.0m,钻孔5个,孔洞深度与桩基设计深度相同。孔洞等间距均匀布置在桩基平面内。直径150cm钻孔桩（9个孔）直径125cm钻孔桩（7个孔）直径100cm钻孔桩（5个孔）六、潜孔钻机钻孔施工预钻孔采用SL400型潜孔钻机，SL400型潜孔钻机是一种轻型、高效多功能履带式钻机。该钻机可在多种地层上采用压缩空气潜孔钻进，配合美国英格索兰移动式压缩机XHP1017(排气量1017m3/30.3min,压力范围150-375psig),钻孔直径105～305mm,最大钻进深度213m。主要用于钻凿水井、监测井、地源热泵孔，也可用于桥梁桩基础探孔的定位和偏孔的修正、以及桩基预钻孔减小桩基岩石的硬度，从而加快桩基钻孔施工进度。采用钢套管跟进钻采技术，有效地解决覆盖层不易成孔的技术难题，主要原理为：冲击器、钎头将坚硬的岩层打碎，空气压缩机的高压气流将碎石冲出孔外。采用直径200mm钻头、配带对心和偏心扩孔钻具，五点式及多点式预先定位预打孔后，形成孔洞减小桩基岩石的硬度，预钻的多个孔洞有导向作用防止偏孔，桩基钻孔钢护筒跟进冲击钻钻孔，桩基钻孔不偏孔，进尺快，有效地提高了冲击钻机进尺速度，提高了工作效率、加快了施工进度，确保了桩基质量。七、钻孔冲击应力计算冲击钻孔过程中，由于钻头冲击能量对孔底岩石产生冲击应力，孔底岩石会压屈、压碎，一般采用冲击波动方程式的方法可以接近实际应力值，计算式如下：错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。；表1钻头冲击应力计算参数表计算参数桩径1.5m桩径1.25m桩径1.0mAH钻头截面净面积(m2)0.710.600.50Ac桩帽面积(m2)1.771.230.79AP桩面积(m2)1.771.230.79EH钻头弹性模量(kpa)202×106202×106202×106EC桩帽弹性模量(kpa)2559×1042559×1042559×104EP桩的弹性模量(kpa)2559×1042559×1042559×104γH钻头重度(kN/m3)78.578.578.5γC桩帽重度(kN/m3)26.426.426.4γP桩重度(kN/m3)26.426.426.4H落锤高度(m)2.02.02.0η-效率，用落锤式钻机0.60.60.6表2预钻孔前、后钻头冲击应力与桩基承载力比值计算表桩径(m)钻头冲击应力δP(kN/m2)预钻孔前桩基承载力δ0=1000KN)KN/m2预钻孔后桩基承载力δ0=1000KN)KN/m2预钻孔前冲击应力与桩基承载力比值δ0=1000KN/m2预钻孔后冲击应力与桩基承载力比值δ0=1000KN/m21.501329317671455891.2514147122798512141.00151827856121925八、钻孔冲击应力分析及施工效果荆河特大桥钻孔桩基设计持力层δ0=800～1000KN/m2石灰岩，潜孔钻机预钻孔前、后钻头冲击应力与桩基承载力比值变化显著，荆河特大桥重难点桩基，采用潜孔钻机预钻孔后，桩基钻孔24h进尺一般在1.5～2.0m左右,钻孔进尺快、不偏孔。潜孔钻机在硬度大、溶洞发育、斜坡岩面预钻孔，纠偏斜坡岩面斜孔、加快桩基钻孔施工进度，具有省工时、斜孔纠偏效果好、合理可行等特点。九、结语岩溶强发育复杂地层钻孔桩基础施工，由于岩溶沟槽、溶洞等隐性不良地质条件的影响，客观上存在着很多不确定施工困难。石灰岩硬度大，钻孔进尺慢，岩溶强发育地层钻孔遇到倾斜岩面发生斜孔、偏孔，目前斜孔纠偏还没有一套行之有效和成熟的施工工艺和技术措施,采用潜孔钻机预钻孔削弱桩基岩石的抵抗力，加快钻孔进尺，岩面上的孔洞能更好地与钻头刃脚形成咬合作用，防止钻头顺斜坡岩面倾斜方向偏转，从而达到纠偏斜孔。潜孔钻机预钻孔在岩溶强发育地层桩基辅助施工技术，相对一些传统的基本处理方法，具有省工时、成本低、斜孔纠偏效果好等特点。荆河特大桥钻孔桩施工，为岩溶强发育复杂地层钻孔桩基础施工提供和积累了施工经验，提出了一种全新的施工技术处理措施，可以借鉴应用。·参考文献·[1]汪正文、朱国梁.简明施工计算手册（第三版）.中国建筑工业出版社,2006