岩溶地层大口径钻孔的防斜治斜实践_陆祖安

岩溶地层大口径钻孔的防斜治斜实践

陆祖安,龙立民

(湖南省基础建设工程总公司,湖南娄底417000)

摘　要:列举了大口径工程桩孔施工中桩孔偏斜的因素,并给出了相应的防斜、治斜措施。关键词:大口径工程桩孔;偏斜因素;防斜;治斜

中图分类号:U443.15+3;P634.7　　文献标识码:B　　文章编号:1000-3746(2002)01-0030-021　问题的提出

我国幅员辽阔,工程地质条件十分复杂,在各类大口径

钻孔工程中,常常遇到难以攻克的复杂地层。岩溶石笋地层是各类复杂地层的典型代表,钻孔中经常出现半边岩、夹缝岩、柱心岩、三角岩、多边岩、一线岩、蜂窝岩等千姿百态的现象,并且含有多层溶洞和充填物,水系发育,岩石软硬不均和高低不平,增加了钻进难度,易造成顺层偏孔、随软斜孔和断杆事故,采用冲、抓、钻、挖等综合工艺均无法攻克,施工单位深受其害。1998年湖南省地矿厅物探队承接了邵阳市洋溪大桥24根 1.8m钻孔桩的施工任务,由于岩溶石笋成孔困难,工程拿不下来,成孔单价由1500元/m提高到6000元/m也无济于事,先后进入3个施工队伍均败下阵来,最后被迫更改设计;我公司于2000年签订了汨水大桥300万元的钻孔任务,也因板岩顺层斜孔而只完成20万元的产值;同年我公司在长沙市水渡河大桥签订了130万元的成孔合同,由于钙质砂岩顺层孔斜,进场2个月未完成一个钻孔。在饱尝了大口径孔斜的苦头之后,我们摸索出了各种地层的治斜方法,并取得了较好的孔斜防治效果,现与同仁们交流,以求达到抛砖引玉、共同提高的目的。2　孔斜原因

2.1　地层因素

(1)当钻头通过具有一定倾角的软硬互层时,一般软岩进尺快,硬岩进尺慢,使孔底破岩不均匀而产生了钻速差,导致钻孔倾斜;(2)在松散破碎带钻进时,孔壁不稳定,孔径通常超大,超大孔径容易使钻头摆动漂位;

(3)钻进孤石、卵砾石时,由于卵砾石不规则,活动性大,给予钻头的挤压力及回转阻力差异很大,钻孔易孔斜;

(4)钻进溶洞时,充填物的不规则和孔底的高低不平,易使钻头滑动偏离钻孔轴线。

2.2　工艺因素(1)大口径一般采用全面无心钻头钻进,为了减小钻进阻力,钻头通常设计为锥形切削面,遇到倾斜地层或孤石,其

　收稿日期:2001-04-24;改回日期:2001-12-04

　作者简介:陆祖安(1954-),男(汉族),湖南临湘人,湖南省基础建设工程总公司生产技术部主任,高级工程师,探矿工程专业,从事基础工程技术与管理工作,湖南省娄底青中街10号,(0738)8211474;龙立民(1966-),男(汉族),湖南涟源人,湖南省基础建设工程总公司项目经理,高级工程师,探矿工程专业,从事基础工程施工与管理工作。

锥形切削面起到了导斜作用;

(2)孔口护筒安装不正,开孔时钻头沿护筒内壁倾斜;

(3)倾斜岩层钻进时钻压过大,钻孔还没有钻出轨迹就顺层斜孔;

(4)为了减小大口径钻进的扭矩和阻力,钻具组合时,没有使用导正器或导正器太短。2.3　安装因素

(1)地基修筑不牢固,钻进的振动和渗水使填方部分下沉,机座随之倾斜造成斜孔;

(2)设备安装时没有校正好,立轴(转盘)、天车、孔口三点不在同一中心;

(3)机架没有定位牢固,钻进时机架前后滑动或左右摆动引起孔斜。

3　孔斜征兆

(1)回转阻力增大,严重时断杆;

(2)起下钻时钻具靠边;

(3)下部钻杆和钻头偏磨;(4)孔斜严重时,钻具下不到原钻进孔深。4　孔斜的防治措施

4.1　回填纠斜

李子沟特大桥位于云贵高原的交界地段,距云南昭通县80km,距贵川威宁县50km,我公司承接了9号墩50根钻孔桩的施工任务。钻孔桩设计为 1.5m,长40m,施工地层自上而下为:①0～8m,坡残积层,主体是土石混合层,0.5～4.0m围径的孤石随时可遇,该层与附近相距15m远的河流相通,地下水丰富;②8～15m,碎石层,块径0.1～0.8m;③15～32m,页岩;④32～40m,灰岩,倾角为60°。

考虑到孤石层不利于回转钻进,8m以上孔深采用人工开挖,碎石层用滚刀钻头钻进;页岩易水化和糊钻,宜采用单环硬质合金钻头钻进;灰岩硬度大,岩性脆,宜用滚刀钻头钻进。这些措施保证了3个孔的顺利进行。然而当施工到第4个孔(9-7号孔)时自32m孔深开始憋车严重,成孔十分艰

2002年第1期　　　　　　　　　　探矿工程(岩土钻掘工程)

难,不仅打坏了变速箱的伞型齿轮,还将转盘规方卡憋圆了。钻进时主动钻杆的平衡杆严重靠边,钻孔顺着60°岩坡斜孔了。当强行钻到33.8m孔深时突然断杆,起钻只起上钻头的法兰盘,钻头自心管的焊接部位憋断,1.6m长的滚刀钻头掉入孔内。经用钻杆捞钩及钢丝绳三爪钩分别打捞,钻头在孔底仅只能上下活动0.5～0.8m的距离。根据打捞深度计算,钻头横向是打捞不上的根本原因。我们只好退出打捞器,改用人工护壁及下内护筒的方法打捞钻头,也因抽不干破碎带的地下水而失败。事故处理无望,我们只好申请报废钻孔。但3.5m的桩距太密,不适宜补桩,大桥指挥部指示我们,要不惜代价挽救钻孔。

经过再三讨论,我们认为钻头总体隐蔽于钻孔的拐弯段,真正露体于钻孔垂直线部位最多是一节 168mm心管。因此,处理事故的最好办法就是将钻孔纠直,避开事故孔段。要纠直钻孔,就得消除岩石的软硬差异,将斜孔钻空部位回填与灰岩强度基本一致的混凝土,以消除岩坡的导斜作用。

于是我们配制了C20混凝土,将30～33.8m孔段全部回填。停待3天以后,再用 1.5m滚刀钻头重新钻进。当滚刀钻头磨到有铁的感觉时,改用平底磨孔钻头灭管。由于混凝土包裹了心管,仅用了1天时间就磨灭了残管。纠斜的第7天钻出了新孔,经历了2个月之久的孔斜事故终于得到了解决。这个孔虽然付出了沉重的代价,但为后期工程提供了防治孔斜的办法,我们用回填的办法解决了21、23和47号孔的孔斜问题。4.2　导正纠斜

2000年8月,我公司投入了2台GPS-20型钻机施工了京珠高速公路临(湘)长(沙)段水渡河大桥28根 1.8m、深58m的钻孔桩工程。施工地层自上而下为:①0～4m,粉质粘土;②4～14m,卵砾石层,一般粒径2～6cm,最大粒径16cm;③14～58m红层,局部夹有砂砾岩,中风化红层为桩尖持力层。

工程开工后,两机生产顺利,进展喜人。不料第5天却发生了意想不到的孔斜事故,1号孔和2号孔在深45m的孔段串通了。为了检测孔斜的严重程度,甲方特制了一个与钻孔同径的钢筋笼探孔器(长10m,事先用测量仪校好垂直度)。经探孔器探孔,1号孔只能探到18m孔深,2号孔探到42m孔深。引起孔斜的原因主要是思想重视不够,认为红层软岩不斜孔,采用了导正性差的单环锥形硬质合金钻头钻进。当红层钻进中遇到了砂砾岩夹层时,钻头的锥形切削面就会避硬顺软斜孔。在实施纠斜方案时,考虑到2个孔回填的混凝土用量大,成本高,扫孔难,2孔均只从40m以下孔深回填混凝土堵塞串孔通道,同时1号孔从16m以下孔深回填黄土。没有料到用滚刀钻头扫孔后,钻头仍朝老孔跑。在吸取第一次纠斜失败的教训后,我们增加了钻具的导正长度,在钻头上部加带了一根3m长的双环导正器钻杆(自滚刀钻头算起,导正总长为5m),再次回填混凝土扫孔后,探孔器均能下到孔底。从此,我们不论是使用单环硬质合金钻头还是滚刀钻头钻进,开孔就带上双环导正器,杜绝了类似的孔斜事故。4.3　内凹平底钻头纠斜

怀化田坪大桥共设计40根 2.0m、长35m的钻孔桩,

图1　内凹平底钻头示意图

31

施工地层有:①杂填土,由粘土及含量10%～45%的灰岩块石组成,厚度10～14.9m;②冲填土,含少量灰岩碎石,厚度

1～4m;③粉质粘土,含45%左右灰石,厚度3.10～6.95m,在N6工程勘察孔见到一个高5.9m土洞;④灰岩,顶部微弱风化,中下部岩石坚硬,岩层呈单斜产出,倾向北东,倾角40°～50°,在整个勘察孔中,见有溶洞的占32%,溶洞高0.3～1.7m。

刚开始施工时,我公司投入2台自制冲击钻机成孔,18m以浅孔深施工顺利,但进入岩溶地层以后,冲击钻头不是被溶洞卡楔,就是沿溶洞斜壁斜孔,根本无法施工。根据上述情况,我公司又投入2台GPS-20型钻机专门施工下部灰岩,整个工地采用了冲击、回转2种成孔工艺。由于灰岩的强度高,硬度大,尽管成孔采取防斜措施,还是逃不脱孔斜的苦恼。导正器长了成孔阻力大,经常出现断杆事故,导正器短了,溶洞的活动空间大,又起不到防斜作用。例如11号孔从26.4m孔深钻过1.20m溶洞后,钻头还是顺着洞壁斜孔,钻具下不到27.6m的孔底,反复扫孔也加不上钻杆,钻具总是搁到26.4m的台阶上。经过反复实践,我们设计了一种纠斜效果很好的内凹平底钻头(见图1)。

内凹平底钻头加工时,先用30mm厚的钢板卷制成上、下导正环(上导正环高300mm,下导正环高400mm),再用50mm厚的4块长方形钢板作骨架(中间各开一个长方形窗口,作回转过水通道,以减小回转阻力),以十字交叉的形式焊接上下导正环和心管(焊接时,下导正环要留出10cm的下台阶不焊,以便用螺杆将活动刀片固定在钢板底部而形成内凹),最后焊好下环底刃即可。使用时可与双环导正器同时使用,也可单独使用。钻进时,下环底刃在导正器的管制下,以菜刀似的单边切口垂直切削岩坡,克服了全面磨岩钻头及锥形切削钻头致命的岩坡打滑缺点。初始削坡时,要采用低压、慢转的钻进参数,使之形成台阶和岩柱,岩柱又反过来导正钻头沿岩坡垂直钻进,此后再也用不着担心钻头滑坡和斜孔了,可改用正常参数钻进。当岩柱达10cm高度后,内凹平底活动刀片就削刮岩柱,同时进行有岩心和无岩心钻进。在整个纠斜过程中,内凹平底钻头始终保持了10cm高的岩柱,起到始终导正钻孔垂直钻进的作用。11号孔的纠斜

(下转第33页)

2002年第1期　　　　　　　　　　探矿工程(岩土钻掘工程)

(1)压桩前,认真研究桩位附近超前钻探资料,了解各贯穿层土质的大致分布与物理力学性质,做好技术交底;施压时,参照附近已压桩的地层分布、桩长、终桩压力等技术资料,做到心中有数、有的放矢。

(2)桩吊入桩位后,使桩尖对正桩位,并使桩身中心线与压梁中心相重合;压桩时,保持桩机底盘水平周正、桩架垂直;以操作台内的水平仪、垂线以及地面的吊线随时校正桩身垂直度,确保其满足规范要求。

(3)对地层异常复杂、连续出现断桩的地段,使用倒锥型桩尖,加大桩尖刺入岩面的嵌入力,避免桩管顺岩面产生滑移而断桩。

(4)注意压桩力变化,特别是当桩端进入土(溶)洞中软土层,压力会出现骤然减小、在接触基岩面后又逐渐增大;当桩端进入微风化岩面,随压桩负荷的增大,压桩机可能发生瞬时抬升或抖动,在此过程中特别注意控制压力和压桩速度,谨慎操作,防止压桩机位移引起桩顶偏斜和其它事故。

(5)当桩长≥40m,而压桩力仍未达到设计要求,此时终桩另采取桩侧压浆进行处理,以减少桩身长细比过大造成的垂直度控制难而断桩的事故发生。

(6)定期检查压桩机夹具,尤其是桩管夹持点的受力状况,调节好夹具夹持力,防止受力不均、过大或过小造成桩管损坏。

(7)对部分复杂地段 600mm桩使用壁厚120mm的厚壁桩管,以增大其抗弯能力。

(8)严格按设计要求进行跳打,减弱桩身挤密作用。(9)对地下2m范围内的障碍物进行挖除处理。4.2　质量保证措施(1)管桩进场前严格按规程要求进行检查,包括规格、批号、出厂日期、外观等,严禁使用质量不合格的桩管;验收合格后,及时报现场监理工程师进行半成品验收手续,并按指定地点和要求堆放。

(2)接桩质量直接影响单桩承载力,桩间接点焊接严格按规范要求进行。接桩时,被接桩在对准下节桩并呈垂直状(上接第31页)

成功,为我们找到了一种较好的治斜方法,并在长沙黑石铺大桥、怀化商业大楼等钻孔桩工程中得到应用。5　注意事项

(1)采用回填方式纠斜时,要事先做好岩石的强度检测,以配制强度一致的混凝土;

(2)回填高度要超过孔斜部位1～2m,以避免直接钻扫斜孔台阶作无效工作;

(3)回填混凝土时,孔底沉渣不能超过0.3m,否则钻空部位或高低不平的孔底又使纠斜钻头朝老孔跑;

33

态后进行焊接,焊接时要2人同时对称操作,焊接要求连续饱满;如接头处两端面接触不密实,则在间隙处插入楔形铁片,使上下桩端紧密接触,防止继续施压时焊缝处出现变形而断桩。

(3)落实现场技术人员24h跟班作业制,特别是要加强夜间施工的工序质量监控力度;实行交制,尤其对施工过程中出现的异常情况进行书面交接。

(4)出现断桩后及时分析原因,不断总结经验,制订防范措施,并组织机台人员学习,提高管理和操作水平。5　断桩处理

5.1　断桩检验

施工过程中,当发现桩机抖动、压桩力瞬间降低、压力持续稳定等异常情况时,随即用测绳对桩身进行探测,用测量的管内深度与实际压入的桩管长度进行对比,如管内深度小于压入的桩管长度,且测锤粘水、粘泥或粘浆,则判断已出现断桩。实际施工中,用该种方法检查断桩十分简便、准确。5.2　断桩处理

对查出的断桩,经设计、监理方核定,主要采用以下方法处理:

(1)在断桩的两侧补压2根相同直径的静压桩;(2)对补桩影响上部结构施工或地层异常复杂地段, 600mm静压桩改为 600mm冲(钻)孔桩。6　结语

本工程结束后,按总桩数的15%进行了低应变动力测试, 500、600mm桩随机各选1根进行了现场静载荷试验,结果表明桩身完整性、单桩承载力全部满足设计要求,工程被评为优良。

工程实践证明,在岩溶地区施工嵌岩静压预制管桩,只要技术措施合理、质保体系严密、施工管理到位、现场监控得力,断桩数量的减少和控制是能够实现的。

(4)回填混凝土以后,必须停待3天以上时间,待混凝土凝固后才能纠斜;(5)无论使用何种纠斜钻头,钻头越重越好,越重越稳定,越重越具有垂直作用;(6)无论采用何种纠斜方式,至少要超钻原孔深0.3～0.5m,方可恢复使用钻进钻头;(7)采用内凹平底钻头纠斜时,可根据不同岩石硬度配制硬质合金刀片或金刚石刀片,如使用金刚石刀片时,要用磁铁打捞铁器残渣;

(8)单独使用内凹平底钻头时,其导正长度应大于钻孔直径的0.5～1.0m。