大倾角复杂地层钻孔灌注桩成孔工艺及方法

摘：湖北香溪河大桥主墩(4#、 5#)基础分别为18根直径3m水上钻孔灌注桩，桩长约83m。桩端持力层为新鲜、完整、坚硬白云质灰岩和粉砂岩，岩石倾角以40- -60°为主，属强造斜地层，钻孔穿越地层上部松散破碎，极易片帮塌孔，下部岩石坚硬，成孔施工难度和风险极大。本文针对复杂地层条件下大口径钻孔灌桩成孔工艺及方法研究，通过成功实际案例介绍，探索大口径钻孔灌注桩在不同地质条件下对钻孔机械，工艺方法的要求，从而提高对复杂地层成孔施工的能力。

关键词:大倾角、大口径、灌注桩、复杂地层、工艺方法。

一、工程概况

二、岩性与地质构造

根据地质调绘、工程钻探查明，桥址区内分布地层岩性从新至老依次分布为第四系坡积层(Qdl)、冲积层(Qal)，基岩为侏罗系下统香溪组(J1x)、三叠系上统沙镇溪组( T3s )以及三叠系上统嘉陵江组(T1j）。

香溪河东岸桥址区为倾西的单斜顺向坡，岩层倾角40°~ 50°；桥轴线带山体斜坡上多为台坎相间柑地坎高1.0m~ 25m不等，平台宽般3.0m~ 6.0m。

香溪河西岸桥址区位于吴家沟南侧三面临空的狭窄山脊上，山脊顶部宽约30m，山脊三面临空的边坡地形坡度较缓，地面高程150m ~ 200m，山脊东侧边坡为基岩逆向坡山脊南北冲沟两侧边坡均为基岩横向坡;吴家沟两侧地形较陡，岩层倾角40° ~ 60°。

桥址区域受地质构造变动作用较为强烈，主要构造形迹为断层、裂隙及层间剪切带，裂隙发育，夹黑色碳质泥页岩，呈鳞片状，取芯破碎，轻微染手，锤轻击即散。

三、施工工艺、设备选择

1、工艺选择

针对本工程主墩桩基桩径大，深度大，地质复杂，最大入岩深度近67米，底部岩石强度高、倾角大，工期紧，成孔质量要求高;另外，由于覆盖层较薄，部分护简埋深只有3m左右，底口无法封水，钻孔施工时需要护筒跟进。故采用冲击与回旋相结合钻进，泵吸、气举反循环成孔施工工艺，同时针对个别孔采用护简跟进方法来解决护筒漏浆问题。

2、设备选择

考虑到本工程桩基桩径大、深度大，钻孔穿越地层上部岩层破碎、松散钻孔时极易片帮塌孔、下部岩层坚硬倾角大。故采用ZJD 4000型回旋钻机作为主要成孔施工设备;另外，由于护筒内空桩段小回旋钻开孔无法直接形成气举反循环排渣，故先采用GZ10型冲击钻机，以泵吸反循环方式，先冲击成1.5m、深度30m的先导孔，为回旋钻快速开孔形成气举反循环排渣创造条件，从而综合提高成孔速度，降低施工成本。

4#、5#主墩分别选用1台GZ-10型冲击钻机和3台ZJD-4000型回旋钻机配合钻进成孔施工。采用楔齿滚刀钻进施工，钻具组装重量60t采用双层导向扶正器 ，确保成孔垂直度和钻进效率的提高。

表2钻机主要性能参数表

四、钻孔施工

1、泥浆配制

在反循环成孔施工中，泥浆的作用是稳定孔帮，平衡地层外围压力临时护壁，润滑冷却和排渣。泥浆的护壁原理是通过孔内浆面位置和泥浆浓度高于外部水位，产生向外的正压力来实现的，泥浆中悬浮的阴性材料颗粒与孔格土体中的阳性颗粒发生离子交换，泥浆中的固相颗粒吸附在孔帮上形成泥皮护壁。根据地质资料，桥址区城冲击覆盖层薄，自然造浆能力差，采用膨润土造浆，同时加入纯碱和CMC对膨润土钠化改良。泥浆比重控制在1.15g/cm³-1.18 g/cm³左右，粘度在20-25s左右，含砂率小于2%，胶体率大于95%，PH值在8-10左右，泥浆处于碱性，有利于提高膨润土的分散度，具体配方比见表3。按以上指标控制泥浆性能参数，使泥浆具有一定的液柱压力，以平衡孔帮外围的地层压力，稳定孔帮，达到护壁和反循环施工工艺要求。另外，在钻孔施工不断摸索，及时调整各地层的泥浆参数，极大的降低了裂隙额发育、破碎地层的片帮，有效的保证了钻孔施工的安全。

表3新制泥浆配比( 1000ml浆液)

2、钻孔

2.1先导孔施工

采用GZ- 10型冲击钻机，以泵吸反循环方式，先冲击成φ1.5m、深度30m的先导孔的原因是护筒内空桩段小，回旋钻直接钻进无法形成气举反循环排渣，开孔速度慢，先导孔因为直径小又采用泵吸反循环方式 ，能达到快速开孔和提前探明地质情况的目的，为回旋钻钻进施工创造了有利条件，提高了综合钻进效率和降低成本。

2.2回旋钻进

钻具组装重量为60t (不含钻杆重量)， 设置双层导

向扶正器， 钻头布置19把滚刀，每把刀钻压3t左右较为理想 ，能使钻机的性能得到充分的发挥。地层钻进参数。

表4回旋钻进钻进参数参考指标和优化参数

2.3钻孔垂直度控制

钻孔偏斜的原因有地质存在的客观原因也有钻孔施工过程中关键工序把控以及人为操作不当造成的主观原因，本工程施工的地质条件复杂，有多层软硬转换地层，岩层倾角40°-60°为主，是极易造成钻孔偏斜的主要因素，所以我们施工时通过对主观、客观原因分析采取了以下防控措施：①钻头的导向简体加长至1.5m ；②钻具配重至60t，确保钻头的重锤作用和减压钻进;③在钻头以上部位增设两层导向扶正圈，较小钻具的摆动;④钻机安装就位时严格控制对中找平工序，确保钻机动力头中心、机座中心、孔位中心三心一线;⑤严格控制软硬换层部位和倾角岩层的钻进参数；⑥发现问题及时扫孔纠偏，有效控制防止偏孔导向造成偏料增大。

3、清孔

清孔的目的是优化泥浆的比重、粘度、降低含砂率、提高泥浆稳定性等指标，达到施工规范和钢筋笼安装砼浇筑期间孔帮的稳定以及控制泥浆中国相颗粒的沉淀;清除钻渣，减少孔底沉清厚度，防止沉清过厚而降低了桩的承载力同时为浇筑水 下砼创造良好条件。施工中我们采用两次清空的办法:第次清孔是在，钻至设计深度后将钻头提离孔底200mm左右，通过ZX-250除砂器将泥浆中的含砂率、比重降至规范要求以内，同时通过填加清水或其它调浆材料，优化泥浆粘度提高泥浆稳定性;第二次清孔是在钢筋笼安装完毕，利用砼导管采用气举反循环将钢筋笼别蹭掉落的泥皮和沉淀物清理出来，有效的保证钻孔成桩质量。

五、总结

终上所述，针对桥梁工程中大倾角复杂地层的大口臣钻孔灌注桩施工工艺及方法的选择和优化是至关重要的，科学合理的安排既保证了桩基的成桩质量又确保了项目的安全、经济运行，由于桥梁钻孔灌注桩成桩质量的好果接对整个桥梁的整体结构会造成很大的影响，并会带来一定的后续问题。因此，在桥梁钻孔灌注桩在施工前科学合理的组织设计和施工过程中的严格把控，才可以确保 ，质量，从而保证桥梁在以后的交通运输中发挥正常作用。