潜孔钻机在硬度大岩层钻孔技术.doc

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。

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：

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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1.0m
AH钻头截面净面积 (m2)
0.71
0.60
0.50
Ac桩帽面积(m2)
1.77
1.23
0.79
AP桩面积(m2)
1.77
1.23
0.79
EH钻头弹性模量(kpa)
202×106
202×106
202×106
EC桩帽弹性模量(kpa)
2559×104
2559×104
2559×104
EP桩的弹性模量(kpa)
2559×104
2559×104
2559×104
γH钻头重度(kN/m3)
78.5
78.5
78.5
γC桩帽重度(kN/m3)
26.4
26.4
26.4
γP桩重度(kN/m3)
26.4
26.4
26.4
H落锤高度(m)
2.0
2.0
2.0
η-效率，用落锤式钻机
0.6
0.6
0.6

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/m2
1.50
13293
1767
1455
8
9
1.25
14147
1227
985
12
14
1.00
15182
785
612
19
25
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