旋喷钻机与旋挖钻机组合在软弱土层及岩层中灌注桩成孔关键技术_孟娟.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-06修回日期 2020-03-09 作者简介 孟娟 （1978-） ， 女 （汉族） ， 江苏沛县人， 高级工程师， 现从事岩土工程方面的施工、 科研和管理工作。 旋喷钻机与旋挖钻机组合在软弱土层 及岩层中灌注桩成孔关键技术 孟娟*1， 2 （1.江苏省有色金属华东地质勘查局， 江苏 南京 210007； 2.江苏华东地质建设集团有限公司， 江苏 南京 210007 摘要 为了发挥旋挖钻机自动化集成度高的装备技术， 保证旋挖钻机顺利穿越软弱土层后进入岩 层成孔， 先用高压旋喷钻机对钻孔灌注桩桩周软弱土层进行加固处理， 然后用旋挖钻机在钻孔灌注 桩桩位处穿越软弱土层后进入岩层成孔。旋喷钻机与旋挖钻机组合在软弱土层及岩层中灌注桩成 孔施工效率高， 综合成本低。 关键词 软弱土层； 岩层； 旋挖钻机； 水泥浆 中图分类号 U443 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0024-03 1概述 随着我国工程建设事业的蓬勃发展， 桩基础在桥 梁、 港口码头、 高层建筑物等大型工程中大量采用， 已 成为我国工程建设中最重要的一种基础形式。特别是 钻孔灌注桩因使用机械钻孔， 不扰动周围土层， 承载力 高， 适应性强， 承载力计算清晰等优点， 已成为国内外 大型工程基础中最常用的桩型， 且桩径、 桩长也在不断 增大。 钻孔灌注桩施工包括以下几个主要步骤 成孔、 钢 筋笼制作安放、 清孔、 灌注混凝土、 成桩质量检测。其 中， 成孔是钻孔灌注桩施工的第一步。成孔的机械设 备或方式有很多， 如机械回旋钻机、 旋挖钻机、 全回转 钻机、 全液压钻机及人工开挖等， 各种机械设备或方式 有各自的优点和缺点[1-6]。 机械回旋钻机因为操作简单、 施工工艺易掌握、 对 场地承载力要求不高、 施工成本低等原因， 在土层中钻 孔灌注桩通常采用机械回旋钻机成孔[7]； 但当遇到岩层 时， 受机械回旋钻机扭矩、 合金切削齿硬度等限制， 机 械回旋钻机穿越岩层工效低甚至无法穿越。旋挖钻机 因为自动化程度高， 成孔工效高， 对环境污染少， 适应 土层、 岩层、 综合经济好等优点， 成为成孔的常用机械 设备[8-9]， 但旋挖钻机也有明显的缺点， 表现为自身重量 大， 对场地承载力要求高。 对场地上覆地层为软弱土层、 下伏地层为岩层的 地层组合， 使用施工成本低的机械回旋钻机， 能穿越土 层， 但不可能穿越岩层成孔； 如果用综合经济好的旋挖 钻机， 尽管能穿越土层、 岩层成孔， 但因为上覆软弱土 层承载力低， 或不允许旋挖钻机进入场地， 自然也谈不 上旋挖钻机穿越软弱土层、 岩层成孔， 或旋挖钻机能进 场施工， 在旋挖钻机重量作用下， 可能引起钻孔灌注桩 缩径、 塌孔等桩身质量事故或扩径引起的混凝土浪 费。岩土工程中， 软弱土层、 岩层组合的地层十分常 见， 因此， 在不增加施工成本的前提下， 尽可能发挥成 孔机械设备的优点， 顺利穿越软弱土层、 岩层成孔是一 个值得研究的问题。 2工程案例 2.1工程概况 某C地块桩基及基坑支护工程占地面积22560.9m2， 总建筑面积约 75999.9m2。地上建筑物为小高层、 高 层、 超市、 幼儿园等， 计容面积58657.15m2， 地下面积 17348.9m2。C地块位于江苏省某市， 西侧为热河南路， 南侧为D地块 （图1） 。 2.2地层结构分布特征 C地块内地层结构分布特征见表1。 基坑东侧 KLM 段支护结构样式为双排∅780 1000钻孔灌注桩∅700500双轴深搅桩， 支护桩为钻 24 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 孔灌注桩， 桩长14.85m。KLM段地层从上至下 ①1杂 填土、 ①2素填土、 ②1粉质粘土、 ②2淤泥质粉质粘土、 ④1强风化砂岩、 ④2中风化砂岩。根据地层结构分布 特征， 结合支护桩桩长， 钻孔灌注桩穿越①1杂填土、 ① 2素填土、 ②1粉质粘土、 ②2淤泥质粉质粘土、 ④1强风 化砂岩厚度 6～8m， 进入岩石单轴饱和抗压强度 13.28MPa、 岩面起伏不平的中风化砂岩7～9m。 2.3钻孔灌注桩成孔难点及解决措施 如果用机械回旋钻机进行KLM段双排桩的钻孔 灌注桩成孔， 因为④2中风化砂岩饱和单轴抗压强度 13.28MPa， 机械回旋钻机穿越岩层工效低。选择重量 层号 ①1 ①2 ②1 ②2 ②3 ②4 ②5 ②6 ③ ④1 ④2 地层 杂填土 素填土 粉质粘土 淤泥质 粉质粘土 粉质粘土 夹粉土 粉土夹粉砂 粉砂夹 粉质粘土 粉细砂 粉质粘土 砂岩 （强风化） 砂岩 （中等风化） 状态 松散 松散 可塑 软塑 流塑 软塑 稍密 稍密 中密 可塑 特征 灰黄杂碎石、 碎砖以及建筑垃圾、 旧墙基等混杂粘性土、 粉土 组成， 不均匀， 新近堆填， 堆填时间小于5年 灰黄灰， 由粘性土、 粉土组成， 含碎石、 植根等杂物。不均匀， 堆填时间大于10年， 局部缺失 灰黄黄灰， 含铁质染斑， 局部粉质含量较高， 稍有光泽， 干强度 中等， 韧性中等， 无摇振反应 灰黄灰， 含少量腐植物碎片， 局部夹薄层状粉土。切面稍有光 泽， 干强度中低， 韧性中低， 无摇振反应 灰， 局部可塑， 夹薄层状粉土、 粉砂， 局部互层状， 水平层理极发 育。含少量腐植物碎片， 切面稍有光泽， 干强度中低， 韧性中低， 无摇振反应 灰， 稍湿， 粉土为稍密状， 粉砂为稍密状， 局部为互层状， 水平层 理极发育， 干强度低， 韧性低， 摇振反应迅速 灰， 粉质粘土主要为软塑状， 粉砂为稍密状为主， 局部为互层状， 水平层理极发育 灰， 夹薄层层状粉质粘土， 局部为互层状， 层理发育 青灰灰黄， 局部硬塑， 质较纯， 局部粉质含量较高， 有光泽， 干 强度中高， 韧性中高， 无摇振反应 紫红色， 岩芯呈密实砂土状， 夹有未完全风化岩碎块， 手捏易散 碎， 遇水极易软化。岩体基本质量等级Ⅴ级 紫红色， 岩芯呈碎块短柱状为主， 少量柱状， 裂隙较发育， 一般 为微张状和闭合状， 裂隙面见铁质氧化膜， 锤击声较脆， 较易沿 裂隙面碎裂， 局部夹有软弱夹层， 钻进时钻机进尺总体较平稳， 进尺较慢， 局部稍快， 软岩较软岩， 较破碎， 岩体基本质量等级 Ⅴ级 底板埋深 （m） （最小/最大） 0.4/3.1 1.0/4.5 2.4/4.8 4.0/29.0 17.8/38.5 13.8/21.6 17.2/40.7 20.0/43.5 12.4/27.3 8.00/44.10 顶板埋深 8.00/44.10 厚度 （m） （最小/最大） 0.4/3.1 0.3/3.2 0.4/2.1 0.6/26.4 1.50/10.20 1.4/14.5 0.5/11.8 0.5/16.2 0.5/7.5 0.20/3.30 揭露最大厚度11.50 表1C地块地层结构分布特征表 （下转第34页） 25 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 高强度韧性水泥浆领浆26m3， 1.92g/cm3高强度韧性水 泥浆尾浆44m3， 水平段固井质量优质率99.17。 4结论及建议 （1） 强化钻进过程井眼条件。根据设备条件， 尽量 实现 “高钻压、 高转速、 高泵压、 大排量、 大扭矩” 的钻井 参数目标。钻进井眼形成过程中彻底有效清除岩屑床 和砂桥， 保障井壁规则、 光滑、 清洁， 做好井眼出砂量统 计。 （2） 对水泥石进行韧性改造， 降低杨氏模量， 防止 水泥石受拉、 受剪破坏和微环隙产生， 提升保持完整性 的能力； 有效提高顶替效率， 保证良好的胶结强度， 防 止界面出现微环隙。 （3） 持续加强页岩油水平井水泥环密封完整性理 论、 高含油钾盐钻井液驱替及抗污染机理等方面相关 研究工作。 参考文献 [1]初纬,沈吉云,杨云飞,李勇,高德利.连续变化内压下套管 水泥环围岩组合体微环隙计算[J].石油勘探与开发, 2015, 423. [2]刘伟,陶谦,丁士东.页岩气水平井固井技术难点分析与对策 [J].石油钻采工艺, 2012, 343. [3]刘世彬,吴永春,王纯全,黄云,范成友,田冠群.预应力固井技 术研究及现场应用[J].钻采工艺, 2009, 325. [4]赵贤正,周立宏,蒲秀刚,金凤鸣,韩文中. 陆相湖盆页岩层系 基本地质特征与页岩油勘探突破以渤海湾盆地沧东凹 陷古近系孔店组二段一亚段为例[J].石油勘探与开发, 2018 , 45 3. [5]王海滨， 刘开强， 廖兴松， 等.大港油田段六拔区块大斜度大 位移固井技术 ［J］ .石油钻采工艺， 2016， 38 （2） . （上接第25页） 大的旋挖钻机， 当穿越①1杂填土、 ①2素填土、 ②1粉 质粘土、 ②2淤泥质粉质粘土时， 由于土层承载力低， 可 能引起钻孔灌注桩缩径、 塌孔和扩径等， 导致桩身质量 事故、 混凝土充盈系数过高引起混凝土浪费等问题。 为了保证旋挖钻机顺利穿越软弱土层、 岩层， 施工 中采取以下措施 （1） 先用高压旋喷钻机对钻孔灌注桩桩周软弱土 层进行加固处理 （图2） ； （2） 5d后， 用旋挖钻机在钻孔灌注桩桩位处穿越软 弱土层后进入岩层成孔； （3） 旋挖钻机作业时， 在保持孔内泥浆面高于地下 水位1m以上的基础上， 控制泥浆性能指标参数及检测 泥浆性能指标参数， 确保孔壁稳定， 保证顺利成孔； 采取上述措施后， 没有发生桩身质量事故， 混凝土 充盈系数也符合同要求， 为后续施工奠定了基础， 保证 了C地块整个工程在工期内完成。 3结论 （1） 针对软弱土层及岩层中灌注桩高效经济成孔 施工的要求， 先用高压旋喷钻机加固钻孔灌注桩桩周 软弱土层， 然后用旋挖钻机在钻孔灌注桩桩位处穿越 软弱土层后进入岩层成孔。 （2） 借助于旋挖钻机自动化集成度高的装备技术， 旋 喷钻机与旋挖钻机组合在软弱土层及岩层中灌注桩成孔 施工工艺可提高钻孔灌注桩施工效率高， 综合成本低。 参考文献 [1]高大钊.土力学与基础工程[M].北京中国建筑工业出版社， 2002. [2]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京中国建筑工业出版 社, 2004. [3]皇民,秦长坤,雷啸天.基于FLAC3D的大断面软弱围岩隧道 注浆加固数值分析[J].河南科学， 2018， 36 （1） 94-99. [4]袁明月,张福海,施海建.软黏土次固结系数影响因素试验研 究[J].河南科学,2018,362210-214. [5]罗骐先.桩基工程检测手册[M].北京人民交通出版社， 2004. [6]陈凡, 徐天平, 朱光裕, 等.JGJ106-2003建筑基桩检测技术 规范[S].北京中国建筑工业出版社， 2003. [7]樊敬亮.机械回旋钻机穿越硬可塑黏性土层的关键施工工 艺研究[J].河南科学， 2017, 359 1483-1486. [8]刘合勇.洛阳铲、 冲击钻机及旋挖钻机在复杂地层中的综合 应用[J].西部探矿工程,2016520-22. [9]张勇,彭新明.北京地区工程施工钻探技术进展[J].西部探矿 工程， 2015370-73. 34 ChaoXing