为避免事故保证钻进顺利进行, 应采用如下施工技术:
(1) 根据岩溶地层 (碳酸盐岩) 岩性硬、脆、研磨性相对较差的特点, 为提高冲击钻进效率, 冲锤底刃硬质合金采用长度10cm左右, 间距5~8cm, 呈梳齿状交错排列, 以减少钻头底刃与孔底的接触面积, 提高钻头单位面积冲击力, 增强对岩石的破碎效果, 提高钻进效率。
(2) 孔口护筒埋设稳固, 根据不同地层特点, 采取相应的护壁措施。在土层中钻进时, 向孔内投入少量碎石, 防止糊钻;并采用小冲程冲击钻进, 使碎石挤入土层增强孔壁稳定能力、提高护壁效果。在岩层中钻进时, 根据地层情况, 钻进时采取向孔内投入优质粘土等相应钻进措施, 冲击造浆排渣、维持孔壁稳固。在对严重破碎地层、砂卵石等地层中钻进, 可投入粘土和水泥等材料, 用冲锤将粘土和水泥等材料挤入严重破碎地层、砂卵石等地层中形成胶结和稳固孔壁, 防止泥浆漏失、孔壁掉块与坍落。
(3) 确保钻孔垂直。
(4) 遇溶洞时, 应根据溶洞大小及特点采取相应的钻进措施。对于小溶洞, 可向孔内抛入粘土、碎石、片石后钻进;对于直径大的溶洞冲击钻进时易引起钻头被夹、卡或歪斜。钻穿溶洞顶板后, 向溶洞内填入块石、碎石、粘土、水泥等材料, 采用小冲程冲击, 形成人工稳定孔壁后钻进。必要时下钢护筒至溶洞底板, 用钢筒护壁钻进。
(5) 采用常规措施处理无效时, 可在相应孔段灌入混凝土, 利用混凝土来改善、调节地层的稳定性和均匀性, 待混凝土凝固后再进行钻进。
(6) 采用反循环清孔、排渣确保工程质量。
桩孔倾斜的主要原因为:岩面起伏大, 石笋 (芽) 、溶沟、溶槽发育冲锤穿越土层进入基岩时冲锤顺倾斜岩面下滑, 导致钻孔倾斜;溶洞顶底板不平, 锤头中心与钻孔中心线不重合;穿越较大土 (溶) 洞时, 因充填物强度低, 冲击钻进时冲锤摆动较大而导致钻孔倾斜。
依据工勘资料, 掌握灰岩和溶洞埋深, 冲击钻进至基岩面和溶洞顶面时采用小工艺参数施工, 减少锤头顺倾斜岩面下滑趋势, 待在倾斜的岩石面上冲击出台阶后, 随台阶截面的增大逐渐提高锤头冲击钻进行程, 防止钻孔顺倾斜层岩面倾斜;冲击钻进过程中, 如发现钢丝绳偏摆严重, 说明孔底不平或软硬不均, 钻头歪斜严重。此时应立即停钻, 向孔内投入抗压强度大于灰岩的岩石, 在孔内创造均质截面, 并采用“低程勤击”方法冲击钻进。以减少锤头倾倒量, 防止钻孔倾斜。填石高度一般以高出引起钻孔倾斜界面1m以上为宜。如冲至原位后钢丝绳仍偏摆严重, 应继续填石纠偏直到钻进平稳;钻进过程中每钻进1~2m应检查钻孔垂直状况。发现钻孔倾斜应提出钻头, 向孔内抛入1~2m厚片石, 以小冲程冲击钻进方法校正钻孔;如遇多次抛填片石小冲程钻进仍难纠偏时, 需清孔后在孔斜段以水下混凝土灌注方式灌注高强度混凝土, 待混凝土凝固后再进行冲击钻进;钻孔倾斜严重时, 为避免在原光滑孔壁和基岩面上重复冲击影响纠偏效果, 可将桩位往与钻孔倾斜方向相反方向移动后重新冲孔, 在倾斜的岩石层面冲击出台阶后逐步移至设计桩位钻进。
岩体裂隙发育且与溶沟、溶槽、溶洞相互连通, 泥浆沿裂隙通道漏失。土 (溶) 洞相互连通, 遇洞后泥浆漏失, 遇无充填的土 (溶) 洞时, 泥浆快速漏失。遇透水性强的砂层、砂砾层、卵石层等孔隙较大地层泥浆沿孔隙漏失。
当钻头冲穿无填充物或仅有少量填充物的溶 (土) 洞顶板时, 钻孔内泥浆液面急剧下降, 孔壁失去护壁压力, 外部地下水渗透压力过高, 引起孔壁坍塌;钻孔内泥浆漏失、泥浆液面下降, 孔壁失去护壁压力或护壁泥浆液压小于地下水侧向压力时, 孔壁受力失去平衡而坍塌;冲入土 (溶) 洞时钻孔内快速涌水、突水, 导致孔内泥浆比重下降, 护壁压力降低, 导致孔壁坍塌;钻遇溶 (土) 洞时, 洞中的流-软塑状充填物涌入孔内, 引起土洞破坏或土洞进一步发展而导致坍塌, 有时甚至引起大面积地面塌陷;冲穿承压、似承压含水层时, 外部地下水涌入孔内, 护壁泥浆变稀, 孔内压力失衡而引起坍孔;地下水位上升, 外部地下水、地表水涌入孔内, 导致孔内泥浆比重下降, 孔内压力失衡而引起坍孔。
开孔前将孔口护筒埋设稳固以防地表水渗入;遇人工填土等松散土层时向钻孔内投入粘土与少量碎石, 小冲程冲击挤密, 以增加孔壁土体强度降低土体渗透性;遇砂、卵石层时, 投入适当优质粘土, 低程反复冲击将粘土挤入以防止渗漏, 增加泥浆中的固相含量, 加大泥浆的比重和粘度, 保持孔壁稳定;在岩层中钻进时, 向孔内投入含砂量较低的粘土, 通过冲击将粘土挤入基岩裂隙中, 防止浆液漏失, 维持泥浆浓度;钻遇破碎严重地层、土 (溶) 洞、基岩面时, 向孔内投入粘土、碎石、片石、水泥等混合物, 用冲锤挤压, 对孔壁起到较好的胶结和稳固作用, 堵塞漏浆通道。
提高泥浆对孔壁的侧压力, 即提泥浆密度、增加泥浆的固相含量, 泥浆密度一般应大于1.3g/cm3;保持泥浆液柱高度, 根据钻探资料预计可能漏浆位置, 采取相应措施。施工时认真检查孔内泥浆液面高度、泥浆稠度、泥浆密度和孔外水位变化情况, 及时取渣分析, 如出现漏浆, 立即向孔内抛入优质粘土等止漏材料后低程冲击, 将粘土挤入裂隙、孔隙, 堵塞裂隙、孔隙等漏浆通道, 保持泥浆密度与稠度;如泥浆漏失强度大时, 向孔内投入块石、片石、砂袋和袋装粘土, 低程冲击方法把投入物挤入溶 (土) 洞或大裂隙中。待泥浆液面上升至孔口且不再漏浆后, 在高于漏失带1.5~2m处, 提出锤头, 向孔内投入适量整包水泥后再冲击, 使水泥与石块、粘土和砂结合, 形成人工稳定孔壁, 防止浆液漏失;如孔壁出现局部坍塌, 立即填入优质粘土, 以提高泥浆密度与稠度提高泥浆护壁能力, 防止坍塌进一步发展;当孔口坍塌不太严重时, 在孔口重新埋置大于设计孔径2~3级的护筒, 周围用水泥碎石固定, 待水泥凝结后再施工;当孔壁、孔口坍塌严重时, 用优质粘土必要时加入水泥回填至孔口并压实, 经15d后, 采用:锤头行程1.0~1.5m, 泥浆比重1.30~1.35, 进尺速度3.0m/h左右等工艺参数重新冲击钻进;必要时回填压实后直接下入钢护筒护壁施工。
(1) 遇较大岩溶裂隙时, 在钻头接近基岩面处预先填入粘土和级配较好碎石, 每钻进50至60cm左右投入一次, 直至终孔。在漏浆情况下应保证及时回填, 达到快速止浆效果, 粘土宜采用袋装或泥球状抛入, 碎石被冲入裂隙中起骨架作用, 稳定充填物, 使孔壁趋于密实、稳定。为保证回填及时, 必须准备足够的编制袋, 将粘土与碎石放在钻孔周围随时准备投入。粘土应具有一定的膨胀性, 以提高止漏效果。
(2) 遇地下水位以下, 洞高较小且充填物呈软流塑状的溶洞 (土洞) 时, 在钻穿溶 (土) 洞顶板后, 向孔内抛入片石和粘土等混合物, 抛填至洞顶板以上0.5m左右后采用小冲程冲击钻进, 在钻进过程中保持较高泥浆的稠度、密度, 若第一次抛填的混和料不能完全填充溶洞时, 可再次抛填混合物直至形成人工稳定孔壁。
(3) 遇地下水位以下, 洞高较大且充填物呈软流塑状的溶洞 (土洞) 时, 在钻穿溶 (土) 洞顶板后采用如下方法处理: (1) 用片石和粘土回填溶洞, 回填高度以一次1.5~2.0m为宜, 每回填一次后采用小冲程挤压, 再回填再挤压, 直至完全填充溶洞后再用小冲程冲击钻进, 在钻进过程中适当增加粘土数量, 提高泥浆密度 (泥浆比重以1.25至1.35g/cm3为宜) 。 (2) 回填碎石、粘土混合料后用护管跟进护壁。 (3) 填充混凝土后钻进, 冲至溶洞底板后, 不清孔用水下灌注方式向孔内灌注C20混凝土, 每灌1m左右振动, 使混凝土向四周挤压, 一直灌到超过洞顶0.5m左右。灌注的混凝土在溶 (土) 洞四周形成一个圆形或半圆形围护, 有效地防止洞内流塑状充填物涌入和泥浆漏失。待混凝土达一定强度后再进行钻进。
(4) 遇地下水位以下, 且无充填或半充填的土洞、溶洞时, 在钻至溶洞、土洞顶板时, 钻一小孔使钻孔与溶洞、土洞相连, 并加大泥浆浓度, 以防泥浆浓度快速变稀引起钻孔塌陷。待土洞、溶洞中泥浆浓度与桩孔中泥浆浓度平衡后再钻穿溶 (土) 顶板, 钻进方法同前。
(5) 遇地下水位以上, 无充填或半充填的土洞、溶洞时, 为防止钻孔中泥浆快速消失引起地面塌陷和桩孔塌陷;在钻到溶洞土洞顶板时, 钻一小孔使桩孔与溶洞、土洞连通, 待土洞、溶洞中充满泥浆后, 再采用前述方法钻穿溶 (土) 顶板。
由于岩溶区溶沟、溶槽、石芽、孤石发育, 基岩起伏岩面倾斜, 溶洞顶板厚度不均易引起钻孔倾斜而导致挤钻、卡钻。孔壁存在“探头石”, 岩石碎块掉入孔内导致锤头被卡。冲进溶洞后冲锤滑动, 锤头被溶洞顶板卡住。
定期修补锤头, 保持锤头直径保证孔壁光滑;在岩溶发育孔段施工时采用小冲程冲击钻进以减少或消除“探头石”;冲遇溶洞底板或基岩面时采用小冲程慢速冲击钻进, 并向孔内抛入片石等材料以减少锤头歪倒量, 防止钻孔倾斜;保证泥浆质量, 护孔壁稳定, 防止孔壁石块掉入孔内。
基岩面起伏强烈或溶洞底板倾斜较大, 孔底岩体质地不均;导致冲击钻进时锤头底面承受岩体的反作用力不均, 质硬一侧锤翼受力过大而导致锤翼崩坏、脱落。
经常检查锤头、锤翼状况, 发现裂痕及时补强;当钻进接近灰岩面或溶洞底板时, 减小锤头行程以降低锤头冲击力;冲遇陡倾角基岩面、溶洞底板和石芽时, 向孔内抛入片石等材料, 创造人工均质截面, 使锤头底部受力均匀。
当锤头冲穿溶 (土) 洞顶板进入溶 (土) 洞时, 未采取有效预防措施, 在制动刹把的瞬间, 锤头仍惯性下行, 引起钢丝绳受力过大而被拉断而导致锤头脱落;冲遇倾斜基岩面、溶洞底板时, 锤头顺倾斜岩面下滑, 引起钻孔倾斜而导致提锤困难, 引起钢丝绳或锤销被拉断, 造成锤头脱落。
熟悉地层情况, 掌握灰岩和溶洞的埋深, 根据不同地质条件选取合理施工工艺参数;检查锤头和提引系统状况, 如不符合要求应及时更换;因岩溶或基岩面倾斜导致锤头歪倒时, 孔内抛入片石等材料, 创造人工均质截面, 减小锤头歪倒量;施工时出现卡锤、埋锤等事故后, 经常规处理无效时, 可振打入钢护筒到卡锤、埋锤位置, 以钢筒为护壁, 起挡土、挡水作用, 防止塌方。
岩溶区桩基础常采用端承桩, 正确判断桩端是否全部嵌入灰岩是保证岩溶地区桩基质量的关键。岩溶区基岩起伏剧烈, 桩基施工时实际遇岩深度比勘察孔揭示遇岩深存在较大差异。全岩面的现场判定方法:以勘察钻探揭示的基岩面标高为参考, 桩孔实际见岩后, 再进尺50cm后, 进行全岩面检验。进尺速度小于同型号钻机相同桩径同类灰岩平均进尺速度;钢丝绳垂直、摆动不明显, 锤头触底时出现轻微反弹;用细目筛网捞取岩渣, 以岩屑含量为50%~70%, 且含泥、含砂量<4%作为全岩面标志。判断标志不明显时, 沿桩孔中心均匀布设3~5个触探点, 用工勘钻机触探确定。
根据地质条件和钻进情况, 采用向孔内抛入片石、粘土等材料创造人工均质冲击钻进截面、人工稳定与防漏孔壁可防止钻孔倾斜、防止泥浆漏失、塌孔等钻进事故保证施工顺利进行。冲孔施工技术在桩基施工的实践证明:冲击钻进技术是岩溶发育区较佳的嵌岩桩施工技术。
摘要：钻孔桩、挖孔桩施工技术在复杂岩溶地质条件下适应性较差, 冲击钻孔技术对不均匀地层具有良好的适应性, 实践证明冲击钻进是岩溶发育区较佳的嵌岩桩基础施工技术。本文重点论述岩溶区不同地质条件下相应的冲孔桩施工方法和钻进事故防治措施。
关键词：岩溶,桩基础,施工技术,冲击成孔
