CN102409978A

CN102409978A - 复杂地层灌注桩施工采用多级合金超前牙轮钻头回旋钻进成孔工法

Info

Publication number: CN102409978A
Application number: CN2011103285733A
Authority: CN
Inventors: 刘耀峰; 昌钰; 肖玉成; 李事业; 陈斌; 丁洪元; 潘献义
Original assignee: Wuhan Surveying Geotechnical Research Institute Co Ltd of MCC
Current assignee: Wuhan Surveying Geotechnical Research Institute Co Ltd of MCC
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: CN102409978B

Abstract

一种基于回旋钻成孔方式的强岩溶地区灌注桩施工工法，其要点在于：（1）采用常规钻头钻进到岩溶层和碎石土层表面；（2）结合岩土力学的基本理论，找出多级合金超前牙轮钻头的倾角

的最优化值与岩土材料和钻头界面之间的滑动摩擦系数

的数学关系；（3）采用常规钻头钻进到岩溶层和碎石土层表面后，将常规钻头换成多级合金超前牙轮钻头，先高压低速钻进，待钻头入岩深度在50cm以上后，低压高速钻进，直到入岩或孔深满足设计要求；（4）为防止桩孔坍塌，提高桩基的承载力，对泥浆比重分阶段优化设计；（5）采用钻具打捞器、落物打捞箕斗处理钻孔过程的断钻杆、掉钻、埋钻、孔内牙轮掌断裂、牙轮掌及其他小型操作工具不慎坠落孔等突发性事故。

Description

复杂地层灌注桩施工采用多级合金超前牙轮钻头回旋钻进成孔工法

技术领域

本发明涉及岩土工程施工技术领域，具体的说是一种复杂地层灌注桩施工采用多级合金超前牙轮钻头回旋钻进成孔工法。

背景技术

在复杂地层灌注桩施工工法中，不同的成孔工艺均有不同的适用条件，在工程投资、工程质量、工程进度上也有很大差别。人工挖孔方式对桩径、地下水及地层特性等条件要求较高、安全性风险高；冲击钻成孔在基岩面起伏较大、岩层产状陡直、倾角较大时，桩孔极易偏斜且不易纠偏、往往屡纠屡偏；回旋钻成孔采用常规合金钻头或牙轮钻头钻进基岩层和碎块石土层时，钻进效率低，易出现顺层跑、斜孔、憋钻、卡钻甚至埋钻现象；旋挖成孔对地下水位及岩层特性要求高，普通钻头入岩困难，且对设备损害较大。由于复杂地层灌注桩施工中的不确定因素甚多，不可避免总有牙轮掌或小型操作工具等落入孔内或卡钻、埋钻、掉钻等意想不到的施工事故发生，若不打捞和处理，很有可能需要更改设计，采用补桩措施补救。这些措施不仅延误工期，还会给合同履行和控制工程成本等带来不利影响。特别是岩溶发育地区，由于岩溶状态各异，溶洞、溶沟、溶槽的位置、深度、形状及大小等情况变化无常，给施工带来更多更大的困难，尤其在遇到“葫芦串”状溶洞、裂隙时，以上常规方法基本无法正常保证嵌岩达到设计要求，造成许多质量隐患。

发明内容

本发明是一种针对诸如块石堆填地层、基岩面陡倾地层、含“葫芦串”状溶洞地层、折线形裂隙地层、上下不同心的串珠状裂隙地层、半边岩等复杂地层灌注桩采用多级合金超前牙轮钻头回旋钻进成孔的施工工法。

本发明复杂地层灌注桩施工采用多级合金超前牙轮钻头回旋钻进成孔工法，包括：

1、采用常规钻头钻进到块石土或陡倾基岩等复杂地层表面；

2、根据勘察报告提供的地层特性，对多级合金超前牙轮钻头的倾角进行优化设计；

3、采用常规钻头钻进到复杂地层表面后，将多级合金超前牙轮钻头运至孔口，并通过钻具连接器与原钻头设备的钻具连为一体，借助钻探设备的动力下放到孔内，通过钻探记录确定钻孔的深度，将多级合金超前牙轮钻头下放到孔底；

4、轻轻拉直钢丝绳，让活动滑车的弹簧处于压缩状态，保证牙轮处于全钻压状态，以2档速度转动钻机转盘，观察钻具进尺，当活动滑车的弹簧处于放松状态时，缓缓下放钢丝绳，使弹簧处于压缩状态；

5、钻头入岩深度在50cm以上后，轻提钢丝绳，使弹簧处于压缩状态，离合器挂到3~4档，采用低压高速钻进，直到入岩或孔深满足设计要求；

6、对岩溶地层，根据钻孔超前钻资料，钻进过程中，当钻头进入岩溶接近下层溶洞顶板时，应降低转速，低压低速钻进，以免因进尺过快造成钻头偏移，影响钻孔垂直度；

7、当钻头钻进至倾斜的较硬岩石或半边岩（一边为岩石，一边为土）时，因钻杆、特制钻头的多级导正效果，加之低压高转速钻进，可使倾斜岩层或半边岩形成台阶，防止钻头“顺层跑”（溜坡现象），有效避免桩孔的偏斜。

8、所述的低压：是指钢丝绳仅上拉钻杆及部分钻头重量，使钻头有扫孔且慢进现象为准，由卷扬控制，钻头切削刃压岩重量≤(1/2)钻头重量。用卷扬钢丝绳受力控制钻压需保持一定时间（最初入岩时保持时间不得少于15min），以确保切削具在该压力下有时间切入岩石，避免切削没来得及形成由小变大的台阶就离开该处。

9、所述的高转速：是指钻机转速，根据钻头口径大小，采用中档或高档转速时，可以使合金在岩石斜面上高线速度、利于形成岩石台阶。低转速是指转速15~30r/min，中转速是指转速30~75r/min，高转速是指转速＞75r/min。现场实际施工时，不同厂家生产的不同型号的钻机转速往往不同，总的来说分为三档或四档位，其中低速为1档，中速为2档，高速为3~4档。

10、钻孔过程中，采用较大比重泥浆，利于有效保护孔壁，防止塌孔，并且可悬浮更多钻渣，加快钻进速度；比重较大的泥浆是指泥浆比重为1.3~1.6。有溶洞桩孔可加强上部护壁刚度防止孔壁开裂，孔口地层复杂时先应进行人工或机械挖孔清障，并设置一定高度的钢护筒，防止孔口地层过于松散引起塌孔事故。

11、成孔过程若出现泥浆缓慢流失或瞬时快速流失时，即应迅速加大泥浆浓度。采取的改进措施主要包括：增加固相含量（膨润土或优质粘土的掺量由5%增加到10%）、增粘（添加Na-CMC.(Hv)剂，将其在钻孔泥浆中的含量增加至0.3%）、添加“桥接堵漏”材料（主要有细颗粒核桃壳和棉籽壳）；

12、若漏浆现象并未缓解时，向孔内投以泥包、碎石等，并用钻具低锤夯实，使泥浆中的大分子增粘材料和桥接堵漏材料与泥包碎石充分混合，从而携带填充物堵塞裂隙，根除桩孔漏浆现象；泥包、碎石的选择简单，孔周杂填土或泥浆池沉淀物均可利用（其中泥浆池沉淀物要经过净化沉淀后才能使用）；个别坍漏现象较为严重的孔，可投入水泥砂浆包，下钻低锤夯实，若泥浆面稳定则静置24小时后重新开钻；仍然漏浆时则用低标号混凝土灌满桩孔，待其具有一定的强度2-3天后，即可再次进行钻进成孔；

13、当地下孔内、孔底因不良地层造成断钻杆、掉钻具及钻头时，采用钻具打捞器进行打捞；

14、当施工过程中孔内牙轮掌断裂或不慎落入孔中及其他小型操作工具不慎坠落孔中时，采用落物打捞箕斗进行打捞；

15、采用该成孔工法尤其对多有串珠状溶洞且上下不同心、多陡倾岩面及多半边岩的岩溶地区地层的灌注桩施工有效。

所述的钻进到复杂地层表面，其判别依据为：施工勘察报告及钻进进尺速度与钻进状态，当普通钻头钻进速度明显减慢，钻杆跳动激烈并出现憋钻现象时即可认为到达复杂地层表面；

所述的对多级合金超前牙轮钻头的倾角进行优化设计，是指根据勘察报告提供的岩层特性，对每个场地的多级合金超前牙轮钻头的倾角进行优化设计，根据岩土力学的基本理论，要使钻进效率最高，多级合金超前牙轮钻头的倾角

应满足如下关系：

式中：

—多级合金超前牙轮钻头的倾角（°）

—岩土材料和钻头界面之间的滑动摩擦系数，取值在0.2~1之间；

多级合金超前牙轮钻头的倾角

的最优值在45°~60°之间，考虑将钻头实际形状简化为圆锥型的影响，实际取值与理论分析的倾角相比偏大，因此，在实际应用时，倾角可稍稍偏大；

本发明复杂地层灌注桩施工采用多级合金超前牙轮钻头回旋钻进成孔工法的优越主要在于采用了多级合金超前牙轮钻头，其优点是：利用牙轮的滚动钻进减小阻力，多级破碎，切割岩石，保证进尺；利用多级合金段修正孔壁，而且使孔壁容易切割成台阶，防止“顺层跑”，能够在不同心“葫芦串”溶洞的钻进过程中由偏向变为同心，减少孔偏，良好的导正性能保证复杂地层钻孔桩的垂直度要求；能够准确高效地找到持力层，而上部的多级钢圆筒既能辅助导正又能收集岩石屑料，以利于技术人员判断地层岩性；因钻头不易摇摆，偏孔率低，扩径率低，充盈系数低；利用孔内循环泥浆作为冷却液和冲洗液，避免牙轮运转时温度过高而破坏牙轮掌结构，通过泥浆循环冲洗破碎面，将破碎下来的岩石颗粒带走，避免重复破碎，增强了破碎岩石的效果；可适用于普通回转钻机正反循环工艺，钻头加工简单，起落钻方便；成孔垂直度好，持力层可靠，桩基工程质量可靠度高，近年的工程实践证明，采用该工艺施工的灌注桩成孔成功率为100%，桩检合格率100%。

附图说明

图1为本发明多级合金超前牙轮钻头结构示意图。

图2为本发明多级合金超前牙轮钻头的物理模型和简化几何模型示意图。

具体实施方式

本发明复杂地层灌注桩施工采用多级合金超前牙轮钻头回旋钻进成孔工法，本工法的基本施工工艺操作流程严格按照《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》中关于钻孔灌注桩施工的要求执行，这里仅以岩溶地区穿透串珠状溶洞应用该工法施工为例，将其区别于传统施工方法之处具体说明，其他不再一一说明：

采用常规钻头钻进到基岩层表面，其判别依据为：岩溶施工勘察报告及钻进速度与状态（钻进速度明显减慢，钻杆跳动现象激烈并出现憋钻即表明已到基岩表面）；

采用常规钻头钻进到基岩层表面后，根据勘察报告提供的岩层特性选择合适倾角的多级合金超前牙轮钻头，将其运至孔口，并通过钻具连接器与原钻头设备的钻具连为一体，借助钻探设备的动力下放到孔内，通过钻探记录确定钻孔的深度，将多级合金超前牙轮钻头下放到孔底；

轻轻拉直钢丝绳，让活动滑车的弹簧处于压缩状态，保证牙轮处于全钻压状态，以2档速度转动钻机转盘，观察钻具进尺，当活动滑车的弹簧处于放松状态时，缓缓下放钢丝绳，使弹簧处于压缩状态；

钻头入岩深度在50cm以上后，轻提钢丝绳，使弹簧处于压缩状态，离合器挂到3~4档，采用低压高速钻进，直到入岩或孔深满足设计要求；

根据钻孔超前钻资料，钻进过程中，当钻头进入上层溶洞接近下层溶洞顶板时，应降低转速，低压低速钻进，以免因进尺过快造成钻头偏移，影响钻孔垂直度；

所述的低压：是指钢丝绳仅上拉钻杆及部分钻头重量，使钻头有扫孔且慢进现象为准，由卷扬控制，钻头切削刃压岩重量≤(1/2)钻头重量。用卷扬钢丝绳受力控制钻压需保持一定时间（最初入岩时保持时间不得少于15min），以确保切削具在该压力下有时间切入岩石，避免切削没来得及形成由小变大的台阶就离开该处。

所述的低转速：是指钻机转速，根据钻头口径大小，采用中档或高档转速时，可以使合金在岩石斜面上高线速度、利于形成岩石台阶。低转速是指转速15~30r/min，中转速是指转速30~75r/min，高转速是指转速＞75r/min。现场实际施工时，不同厂家生产的不同型号的钻机转速往往不同，总的来说分为三档或四档位，其中低速为1档，中速为2档，高速为3~4档。

钻孔过程中，采用较大比重泥浆，利于有效保护孔壁，防止塌孔，并且可悬浮更多钻渣，加快钻进速度；比重较大的泥浆是指泥浆比重为1.3~1.6。有溶洞桩孔可加强上部护壁刚度防止孔壁开裂，孔口地层复杂时先应进行人工或机械挖孔清障，并设置一定高度的钢护筒，防止孔口地层过于松散引起塌孔事故。

成孔过程若出现泥浆缓慢流失或瞬时快速流失时，即应迅速加大泥浆浓度。采取的改进措施主要包括：增加固相含量（膨润土或优质粘土的掺量由5%增加到10%）、增粘（添加Na-CMC.(Hv)剂，将其在钻孔泥浆中的含量增加至0.3%）、添加“桥接堵漏”材料（主要有细颗粒核桃壳和棉籽壳）；

若漏浆现象并未缓解时，向孔内投以泥包、碎石等，并用钻具低锤夯实，使泥浆中的大分子增粘材料和桥接堵漏材料与泥包碎石充分混合，从而携带填充物堵塞裂隙，根除桩孔漏浆现象；泥包、碎石的选择简单，孔周杂填土或泥浆池沉淀物均可利用（其中泥浆池沉淀物要经过净化沉淀后才能使用）；个别坍漏现象较为严重的孔，可投入水泥砂浆包，下钻低锤夯实，若泥浆面稳定则静置24小时后重新开钻；仍然漏浆时则用低标号混凝土灌满桩孔，待其具有一定的强度2-3天后，即可再次进行钻进成孔；

当地下孔内、孔底因不良地层造成断钻杆、掉钻具及钻头时，采用钻具打捞器进行打捞；具体实施时，当钻杆局部位置断裂时，钻具打捞器利用渐开线的原理搜索目标，对复杂地层钻杆贴近孔壁的，可以利用打捞钩渐开线导槽将钻杆扶正，然后导入打捞钩中取出；导槽宽度大于钻杆外径4~8mm，使断掉的钻杆、钻具易滑落进入导槽目标位置；钻具打捞钩平面与钻具连接器之间的夹角

，实践证明采用这种夹角钻杆不易出槽脱落；当发生卡钻现象时，有可能打捞钻具的顶部连接振动锤，利用钻具传动使钻头与孔壁出现松动，考虑受力，这种情况下夹角可以适当增大，但不得大于90⁰；当断裂部位发生在钻头根部时，使用打捞直钩，直钩钻头上预留有孔洞、翼板和缠绕在钻头上的保护钢绳；

当钻孔内发生掉物或牙轮掌、合金块等因磨损而脱落的事故时，可迅速将落物打捞箕斗运至孔口，通过钻具连接器与原有钻机连为一体，借助钻机的动力下放到事故孔底，使用人工或机械慢档轻轻转动部件，让打捞箕斗在孔内贴近孔底处顺时针缓慢旋转，将落物铲入打捞箕斗中，缓缓提升钻具，然后逐段起钻提升。

Claims

1.一种基于回旋钻成孔方式的强岩溶地区灌注桩施工工法，其特征在于：其步骤如下：

⑴采用常规钻头钻进到岩溶层和碎石土层表面；

⑵根据勘察报告提供的岩层特性，对多级合金超前牙轮钻头的倾角进行优化设计；

⑶采用常规钻头钻进到岩溶层和碎石土层表面后，将多级合金超前牙轮钻头运至孔口，并通过钻具连接器与原钻头设备的钻具连为一体，借助钻探设备的动力下放到孔内，通过钻探记录确定钻孔的深度，将多级合金超前牙轮钻头下放到孔底；

⑷轻轻拉直钢丝绳，让活动滑车的弹簧处于压缩状态，保证牙轮处于全钻压状态，以2档速度转动钻机转盘，观察钻具进尺，当活动滑车的弹簧处于放松状态时，缓缓下放钢丝绳，使弹簧处于压缩状态；

⑸钻头入岩深度在50cm以上后，轻提钢丝绳，使弹簧处于压缩状态，离合器挂到3~4档，采用低压高速钻进，直到入岩或孔深满足设计要求；

⑹根据钻孔超前钻资料，钻进过程中，当钻头进入岩溶接近下层溶洞顶板时，应降低转速，低压低速钻进，以免因进尺过快造成钻头偏移，影响钻孔垂直度；

⑺钻孔过程中，泥浆能保护孔壁，防止塌孔，并且浮渣可以加快钻进速度，有溶洞桩孔可加强上部护壁强度以防止“流泥”引起孔壁开裂，局部下钢护筒以防孤石引起较大的塌孔等事故，上部可以采用人工挖孔清障，而随着孔深的逐渐增加，则需要选用比重较大的泥浆增强泥浆在该孔段的护壁效果；

⑻泥浆比重大、粘度大虽然可以防坍塌，对成孔有利，但容易造成泥皮过厚，对桩基的承载力不利，因此选择泥浆参数前，需先分析泥浆的失水过程：

⑼加大泥浆的比重在“瞬时失水”和“动失水”阶段进行，泥浆的基浆配方为水和优质膨润土采取的改进措施主要包括：增加固相含量（膨润土的加量由5%增加到10%）、增粘（添加Na-CMC.(Hv)剂，将其在钻孔泥浆中的含量增加至0.3%）、添加“桥接堵漏”材料（主要有细颗粒核桃壳和棉籽壳）；

⑽当泥浆改进后，向孔内投以泥包、碎石等，并用钻具低锤夯实，使泥浆中的大分子增粘材料和桥接堵漏材料与泥包碎石充分混合，从而携带填充物堵塞裂隙，根除桩孔漏浆现象；泥包、碎石的选择简单，把孔周围杂石土，或泥浆孔沉淀物反铲，直接挖填，重复利用有效（但要经过净化沉淀后才能使用）；个别坍漏现象较为严重的孔，需要投入水泥砂浆包，下钻低锤夯实，在泥浆稳定后起钻，导到水下，待凝固后，再利用低标号混凝土灌满，待其具有一定的强度后，即可再次进行钻探成孔；

⑾当地下孔内、孔底因不良地层造成断钻杆、掉钻具及钻头时，采用钻具打捞器进行打捞；

⑿当施工过程中孔内牙轮掌断裂或不慎落入孔中及其他小型操作工具不慎坠落孔中时，采用落物打捞箕斗进行打捞；

⒀本工法的施工工艺操作流程严格按照《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》中关于钻孔灌注桩施工的要求执行。

2.根椐权利要求1所述的一种基于回旋钻成孔方式的强岩溶地区灌注桩施工工法，其特征在于：所述的对多级合金超前牙轮钻头的倾角进行优化设计，就是结合岩土力学的基本理论，要使钻进效率最高，多级合金超前牙轮钻头的倾角

应满足如下关系：

式中：

—多级合金超前牙轮钻头的倾角（°）

—岩土材料和钻头界面之间的滑动摩擦系数，取值在0.2~1之间。

3.根椐权利要求1所述的一种基于回旋钻成孔方式的强岩溶地区灌注桩施工工法，其特征在于：所述的泥浆的失水可以大致分为：瞬时失水或孔底失水，主要发生在成孔前阶段；动失水，主要发生在成孔过程及成孔后；静失水，主要发生在下钢筋笼导管浇砼之前的阶段。

4.根椐权利要求1所述的一种基于回旋钻成孔方式的强岩溶地区灌注桩施工工法，其特征在于：所述的加大泥浆的比重所采取的改进措施主要包括：增加固相含量，即膨润土的加量由5%增加到10%；增粘剂，即添加Na-CMC.(Hv)，将其在钻孔泥浆中的含量增加至0.3%；添加“桥接堵漏”材料，主要有细颗粒核桃壳和棉籽壳。

5.根椐权利要求2所述的一种基于回旋钻成孔方式的强岩溶地区灌注桩施工工法，其特征在于：多级合金超前牙轮钻头的倾角

的最优值在45°~60°之间，考虑将钻头实际形状简化为圆锥型的影响，实际取值与理论分析的倾角相比偏大，因此，在实际应用时，倾角可稍稍偏大。