反循环钻机在客运专线桥梁施工中的应用

2022-11-24

1 反循环钻机的工作原理及适用范围

反循环回旋钻成孔由钻机回转装置带动钻杆和钻头回旋切削破碎岩土, 利用泵吸、气举、喷射等措施抽吸循环护壁泥浆, 挟带钻渣从钻杆内腔抽吸出孔外的成孔方法。由钻进系统、排渣管、泥浆泵等组成, 机械动力传动, 配以三翼式钻头, 可以多档调速。设备性能可靠, 噪音振动小, 钻进效率高, 钻孔质量好。该机的最大钻孔直径可达2.5m, 钻进深度可达50m~100m, 一般4m~5 c m石块都能被吸上。最大吸上1 5 c m~20cm石块。适用于碎石类土、砂土、粘性土、粉土、强风化岩、软质与硬质岩层等多种地质条件。经过在哈大铁路客运专线鞍辽特大桥桩基施工中应用总结, 在地层抗压强度小于600k Pa, 粒径小于200mm的砂类土、卵石土、黏土等地层均适用。

2 施工方法

2.1 施工准备

2.1.1 钻孔场地

钻孔场地在旱地时, 应清除杂物、换除软土、平整压实, 场地位于陡坡时, 也可用枕木、型钢等搭设工作平台。

在浅水中, 宜用筑岛围堰法施工, 筑岛面积应按钻孔方法、设备大小等决定, 一般情况下筑岛应大于承台边缘1m~2m。

钻孔场地在深水中或淤泥较厚时, 可搭设工作平台进行施工, 平台须坚固稳定, 能承受施工作业时所有静、活荷载, 同时应考虑施工设备能安全进、退场。如水流平稳时, 钻机可设在船舶或浮箱上进行钻孔作业, 但须锚锭稳固保证桩位准确。

2.1.2 测定桩位, 埋设或下沉钢护筒

用钢板制成的埋设护筒, 接头处内部无突出物, 能耐压、拉、坚实不漏水。护筒入土较深时, 宜以压重、振动、锤击或辅以筒内除土等方法沉入。护筒周围和护筒底脚紧密、不透水。

护筒的埋置深度:旱地或浅水处, 对于粘质土不小于1.0m~1.5m, 对于砂类土应将护筒周围0.5m~1.0m范围内土挖除, 夯填粘质土至护筒底0.5m以下。

深水及河床软土、淤泥层较厚处, 应尽可能深入到不透水层粘质土内1m~1.5m;河床下无粘质土层时, 应沉入到大砾石、卵石层内0.5m~1.0m;水中平台可按最高施工水位、流速、冲刷及地质条件等因素确定埋深, 必要时打入不透水层;水中平台应有导向设备下沉护筒, 控制护筒位置。

护筒插入覆盖层深度应满足孔壁稳定及冲刷要求。护筒下沉完毕后, 测量检查钢护筒的位置, 护筒顶面中心与设计桩位偏差不得大于5cm, 护筒的倾斜度应不大于1%。

护筒直径:当护筒长度在2m~6m范围时, 有钻杆导向的正、反循环回转钻护筒内径宜比桩径大20cm~30cm;冲击钻护筒内径比桩径宜大30cm~40cm;深水处的护筒内径至少比桩径大40cm为宜。

护筒顶标高:满足水头需要和孔壁稳定要求。护筒顶面应高出施工水位或地下水位2.0m以上, 还应满足孔内泥浆面的高度要求, 在旱地或筑岛时还应高出施工地面0.5m。

2.1.3 工艺试桩工作

对于大规模钻孔桩施工, 在桥梁桩基工程开工前, 选取不同地质、不同桩长的桥梁桩基进行试桩。通过试桩, 摸索适应于不同地质状况的成孔工艺, 总结施工经验, 为正式桥梁桩基施工提供施工工艺参数, 验证地质钻探资料或设计参数, 为优化设计提供依据。

试桩完成后, 及时整理试桩报告, 主要内容包括以下几个方面。

(1) 工程概况、试验目的及依据; (2) 试桩地质情况及设备选型; (3) 试桩采集到的工艺性参数, 如泥浆比重、钻进速度等; (4) 数据分析处理; (5) 试桩结论或建议。

2.1.4 泥桨池

钻孔前根据桩孔排浆量确定泥浆池大小进行开挖, 一般30m左右φ1.0m桩基, 泥桨池存量在200m3~300m3即可满足要求, 泥浆比重可根据钻进不同地层及时进行调整。泥浆性能指标如:泥浆比重一般应控制在1.1~1.3之间, 粘度12~22S, 胶体率不小于95%, PH值大于6.5。

2.2 钻孔

2.2.1 钻机就位

钻机就位安装前, 下垫枕木, 枕木应垫平垫实, 便于控制桩机定位和桩架垂直。桩机定位时, 要确保钻杆中心对准桩位中心, 钻头或钻杆中心与护筒顶面中心的偏差不大于5mm。并用线锤调整桩架和钻杆在纵向和横向的垂直度, 符合设计规范要求后将桩机固定。

2.2.2 钻进

开钻前应在护筒内存进适量泥浆, 开钻时宜低档慢速钻进, 钻至护筒下1m后再以正常速度钻进。使用反循环钻机钻孔, 应将钻头提高距孔底约20cm, 待泥浆循环畅通方可开始钻进。钻进速度应与泥浆排量相适应。并应保持护筒内应有的水头, 对不同的地层采用不同的钻速钻压、泥浆比重和泥浆量。在易坍孔的砂土、软土等土层钻孔时, 宜采用低速、轻压钻进, 同时应提高孔内水头和加大泥浆比重。

在粘质土中钻进, 由于泥浆粘性大, 钻头所受阻力也大, 易糊钻。宜选用尖底钻锥中等转速、大泵量、稀泥浆钻进。

在砂类土或软土层钻进时容易坍孔, 宜选用平底钻头, 控制进尺, 低挡慢速、大泵量、稠泥浆钻进。

在卵石、砾石类土层中钻进时, 因土层软硬不均, 会引起钻头跳动, 钻杆摆动加大和钻头偏斜等现象, 易使钻机因超负荷而损坏。宜采用低档慢速、优质泥浆、大泵量的方法钻进。

在岩石中钻进时应根据岩石的特性、风化程度、钻机的扭矩和提升能力选择适当的钻具和刃齿、压重块、钻进参数及泥浆指标。

钻孔时, 须采取减压钻进, 即使孔底承受的钻压不超出钻锥重力和压重块重力之和扣除浮力后的80%, 这样可使钻杆维持竖直受拉状态, 使钻头竖直平稳旋转, 避免或减少断钻杆及斜孔、弯孔和扩孔现象。

泥浆补充与净化:开钻前应调制足够数量的泥浆, 钻进过程中如泥浆有损耗、漏失应予补充。每钻进2m或地层变化处, 应在泥浆槽中捞取钻渣样品, 查明土类并记录, 以便与设计资料核对。

测量:钻进过程中应经常测量孔深, 并对照地质柱状图随时调整钻进技术参数。达到设计孔深后及时清孔提钻, 清孔时以所换新鲜泥浆达到孔内泥浆含砂量逐渐减少至稳定不沉淀为度。

2.2.3 钻进过程中异常情况处理

钻孔中发生弯孔和斜孔时, 一般可将旋转钻机的钻头, 提起到偏斜处进行反复扫孔, 直到钻孔正直。如发生严重弯孔、梅花孔、探头石时, 应采用小片石或卵石与黏土混合物回填到偏斜处, 待填料沉实后再重新钻孔纠偏。

发生卡钻、掉钻、埋钻时, 不宜强提。应查明原因和钻头位置, 采取有效措施, 进行处理。在处理过程中, 应继续泥浆循环, 清除沉淀;保持护筒内泥浆面标高, 待钻头松动后方可上提。严禁人员进入没有护筒或其他防护设施的钻孔内。必须进入有防护设施的钻孔时, 应确认钻孔内无有害气体和备齐防毒、防溺、防埋等保证安全措施后, 方可进入, 并应有专人负责现场指挥。

发生缩孔时, 应调整泥浆指标反复扫孔, 扩大孔径。

发生糊钻时, 应清除钻头泥包, 调整泥浆指标和向孔内投入适当砂。

发生漏浆时, 应调整护筒内外压力差, 加大泥浆浓度, 和向孔内投入粘土块和小石冲击堵漏。

2.3 成孔及清孔

当孔底达到设计标高时, 应立即进行终孔检查, 检查孔深、孔径和倾斜情况, 孔径的要求不小于设计孔径;孔深的要求不小于设计孔深;孔位中心偏差的要求小于100mm, 倾斜度的要求小于1%, 经检查合格后立即进行清孔, 清孔不得隔的太久, 防止泥浆、钻渣沉淀增多, 造成清孔困难甚至坍孔。

钻孔至设计高程, 经对孔径、孔深、孔位、竖直度进行检查确认钻孔合格后, 应立即进行清孔。浇筑水下混凝土前的沉渣厚度应满足设计要求, 当设计无要求时应做到:柱桩不大于5cm;摩擦桩不大于20cm。清孔一般选用换浆法。

对大直径或深孔钻孔桩在采用钻机清孔时, 待孔底沉淀达到要求后宜静置一段时间再进行一次清孔。

不论采用何种方法清孔, 在抽渣或吸泥时都应及时向孔内加注清水或新鲜泥浆, 保持孔内水位或泥浆面标高。

清孔应达到以下标准:孔内排出或抽出的泥浆手摸无2 m m~3 m m颗粒, 泥浆比重不大于1.1, 含砂率小于2%, 粘度17~20s;浇筑水下混凝土前孔底沉渣厚度, 柱桩不大于5cm, 摩擦桩不大于20cm。

严禁采用加深钻孔深度方法代替清孔。

3 技术及经济性比较

3.1 在反循环钻机适用条件下与其它钻机比较

旋挖钻机钻进速度较快, 产生泥浆少, 但旋挖钻机普遍自身造价高, 尤其在地层中含有砂层情况下, 易造成沉渣过多, 极易发生坍孔情况。对于冲击钻机来说, 明显钻进速度慢。因此, 在大规模桩基施工情况下, 目前国内旋挖钻机拥有量相对较少, 反循环钻机具有易于组织, 成本较低的优势, 其钻进速度相对旋挖钻机也并不处于绝对劣势 (针对相同地层状况, 30m左右桩基, 反循环钻机成孔速度较旋挖钻机多30%左右) , 尤其在含有砂层的情况下, 反循环钻机应是较理想的选择。

反循环钻机一般为自行式, 行走方便, 结构紧凑, 对道路及场地要求不高, 经过总结, 在正常情况下, 钻机就位大约在1~1.5小时。

反循环钻机一般也是内燃式, 对沿线电力要求不高, 较适用于电力较困难的工点。

3.2 经济性方面

反循环钻机在桩基扩孔系数控制方面有较明显优势, 经过总结, 在哈大线采用反循环钻机已施工的桩基中, 扩孔系数均控制在1.03以内, 旋挖钻机在1.06左右, 冲击钻机在1.11左右, 以φ1.0m桩基计算, 每1000m桩基将节约混凝土40m3及95m3, 按混凝土每立方350元计算, 将节约14000元及33000元。