蔣睿，牛坤

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2. 河北建設(shè)勘察研究院有限公司，石家莊 050031)

0 引言

旋挖鉆機(jī)施工具有高效、低噪、環(huán)保、成孔質(zhì)量高、機(jī)械化程度高、操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、在轉(zhuǎn)場(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)移位靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為我國(guó)鉆孔灌注樁的首選施工工法。此工法因旋挖鉆機(jī)鉆具的廣泛使用而日趨成熟。在巖土工程勘察施工中，隨著我國(guó)地下水水位的下降和城市土地資源日趨緊張，城市高層建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，鉆孔深度要求也隨之越來(lái)越深。在河谷附近做巖土工程勘察和城市樁基工程施工中，經(jīng)常會(huì)遇到老河床、河漫灘及縱橫階地等地貌，在卵礫石土層中鉆進(jìn)工作量所占的比例也越來(lái)越大。由于卵礫石土層的組成較為復(fù)雜，組成卵礫石的巖石多數(shù)為硬度7～8的巖漿巖和變質(zhì)巖，粒徑不均，巖性堅(jiān)硬致密、表面光滑，而且由于不同粒徑的顆粒在整個(gè)土層中所占的比例不同，土層的性質(zhì)相差也比較大，由此給卵礫石土層的破碎鉆進(jìn)也帶來(lái)了一定的困難，在卵礫石中應(yīng)用旋挖鉆進(jìn)是目前大直徑鉆孔施工中一大難題。在工程實(shí)踐中，經(jīng)常遇到因卵礫石地層施工中成孔速度較慢，為追求進(jìn)度而人為野蠻操作使用旋挖鉆頭的情況，既浪費(fèi)了成本，又延誤了生產(chǎn)進(jìn)度，從而制約了旋挖工藝的推廣應(yīng)用。下面筆者結(jié)合工程實(shí)例，將在含黏土卵礫石地層中取得良好效果的的旋挖鉆進(jìn)工藝及鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面的改進(jìn)及應(yīng)用做簡(jiǎn)單分析介紹，旨在發(fā)揮施工單位旋挖設(shè)備最大效能，提高鉆進(jìn)效率，最大限度節(jié)約成本。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工勘資料，浙江省麗水市青田縣某項(xiàng)目商品房樁基施工現(xiàn)場(chǎng)的地層情況自上而下可分為4層： ①層素填土，約4.6 m，主要由碎石塊、石渣及粉質(zhì)黏土等組成，塊石粒徑大小懸殊，結(jié)構(gòu)松軟，黏土為粉質(zhì)黏土，韌性一般；②層礫砂，約17.4 m，主要成分有卵石、礫石、砂粒及粉黏粒；③層含黏土卵石，約5 m，層厚普遍較大，且含漂石(粒徑≥200 mm)；④層主要為中微風(fēng)化凝灰?guī)r，質(zhì)地堅(jiān)硬，約4 m。

1.2 成樁工法選擇

根據(jù)當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)及勘察報(bào)告建議，適宜該工程的樁基類型主要有泥漿護(hù)壁旋挖鉆孔灌注樁和泥漿護(hù)壁沖擊成孔灌注樁。前者對(duì)環(huán)境污染較小、扭矩較大、適應(yīng)地層能力較強(qiáng)、施工進(jìn)度較快，但施工設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、造價(jià)較高；而后者對(duì)環(huán)境污染較大、施工進(jìn)度較慢，雖然施工設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，但在含有卵(漂)石等粒徑較大地層中不太適應(yīng)，且當(dāng)?shù)厣袩o(wú)成功案例；故本施工現(xiàn)場(chǎng)采用泥漿護(hù)壁旋挖鉆孔灌注樁。

1.3 設(shè)備及相關(guān)鉆頭

施工設(shè)備為中聯(lián)ZR250C旋挖鉆機(jī)一臺(tái)。選用北京探礦工程研究所研制的#800普通型截齒撈砂鉆斗2只，#800特型截齒撈砂鉆斗1只。

1.4 地質(zhì)情況及技術(shù)難點(diǎn)

該工地勘察報(bào)告載明：工區(qū)遠(yuǎn)離河流和山體，不存在河流沖刷及邊坡失穩(wěn)等不良地質(zhì)作用。地基中也不存在墓穴、濱溝、空洞及孤石等對(duì)工程不利的埋藏物；但地基土層含黏土卵石的層厚較大，且含漂石，樁基施工過(guò)程應(yīng)重視。

該類地層成孔難點(diǎn)是孤石、漂石表面光滑，硬度大，鉆頭導(dǎo)正效果差；卵礫石地層膠結(jié)性差，鉆進(jìn)過(guò)程中破碎、排屑、護(hù)孔等較困難。因此在施工過(guò)程中，需要針對(duì)卵礫石地層的這些特點(diǎn)入手解決。一是針對(duì)卵礫石硬度較大、表面光滑、自由度較大,卵礫石在土層中一般都可輕易移動(dòng)的特點(diǎn)，從旋挖鉆頭的碎巖機(jī)理入手，選用合適的鉆具和工藝技術(shù)；二是針對(duì)卵礫石層土夾石、砂夾石結(jié)構(gòu)，水敏性強(qiáng)，易導(dǎo)致地層松散、坍塌的特點(diǎn)，從提高泥漿性能方面入手，防止塌孔埋鉆。

2 傳統(tǒng)旋挖鉆進(jìn)碎巖機(jī)理和過(guò)程

根據(jù)傳統(tǒng)碎巖機(jī)理，在旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)切削具侵入巖石時(shí)(如圖1所示)，在其施力方向出現(xiàn)1個(gè)袋狀或球狀核，這是巖石在承受巨大壓力作用下發(fā)生局部粉碎或顯著塑性變形而形成的，稱為“密實(shí)核”；當(dāng)該處應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石破碎，被成功克取，切削具進(jìn)入一個(gè)新的深度；隨后，載荷再度上升，侵深和載荷又恢復(fù)到上述關(guān)系。如此不斷循環(huán)，越是脆性巖石這種躍進(jìn)破碎越明顯，塑性巖石則比較緩和(見(jiàn)圖2)。

圖1 壓頭侵入巖石的破碎

圖2 載荷—侵深關(guān)系

然而，這種基于傳統(tǒng)碎巖機(jī)理而設(shè)計(jì)的鉆具主要適用于一般性地層，在卵礫石層中的鉆進(jìn)效果表現(xiàn)并不好。更有甚者竟出現(xiàn)因鉆進(jìn)效率較低而誘發(fā)孔壁坍塌，導(dǎo)致埋鉆事故的發(fā)生。圖3所示為本項(xiàng)目發(fā)生事故后鉆頭損壞的情況。

圖3 鉆頭損壞情況

該工地起初使用的是常規(guī)截齒撈砂鉆斗鉆進(jìn)，效率較慢。通過(guò)分析對(duì)比，認(rèn)為出現(xiàn)鉆進(jìn)效率低下主要有以下幾個(gè)方面的因素：

(1)常規(guī)截齒撈砂鉆斗主要適用于鉆進(jìn)連續(xù)、致密的巖層。在該類地層中，巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉和抗剪強(qiáng)度，隨著載荷增大，當(dāng)巖石內(nèi)部最大剪應(yīng)力超過(guò)抗剪強(qiáng)度時(shí)，將錯(cuò)開(kāi)巖石顆粒產(chǎn)生裂紋源，在截齒與巖石接觸面下方首先形成一個(gè)以裂紋源為中心的損傷區(qū)。同樣，在截齒與巖石的接觸邊緣處，當(dāng)最大拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)，將拉開(kāi)巖石顆粒形成赫茲裂紋。當(dāng)載荷進(jìn)一步增大時(shí)，損傷區(qū)內(nèi)裂紋源擴(kuò)張破壞巖石，在截齒下端形成壓碎區(qū)。因此在破碎該類地層的過(guò)程中，主要以剪切破碎為主。卵石層中，而卵石的自由度較大，在地層中可有較明顯的位移，難以伴隨有效切削及充分的體積破碎。

(2)鉆頭筒體與孔壁之間間隙很小，在鉆進(jìn)過(guò)程中如果回次進(jìn)尺太多，有部分巖屑不能進(jìn)入鉆頭， 而是擠在鉆頭筒體與孔壁之間，形成很大的摩阻力產(chǎn)生高熱量，從而對(duì)筒體及切削刃造成了無(wú)謂磨損，鉆頭使用壽命會(huì)大大縮短。

(3)卵礫石、孤石、漂石粒徑變化較大，表面較光滑且硬度大，多為7～8級(jí)，鉆進(jìn)困難，容易夾卡在鉆頭的縫隙結(jié)構(gòu)處，使得切削具難以接觸到新的地層(即所謂的托底)，造成干磨，并容易毀壞鉆頭結(jié)構(gòu)。

(4)鉆頭的保徑條外緣經(jīng)常會(huì)卡在孔壁較大的探頭石擋處，從而產(chǎn)生卡鉆、孔斜、掉鉆頭和塌孔等事故，鉆頭損耗量較大，且成孔效果也非常差。

綜上，傳統(tǒng)的旋挖鉆頭結(jié)構(gòu)是基于土質(zhì)較松軟、巖石性質(zhì)相對(duì)均勻或者巖石體積較大，相互之間固定嵌緊的地層條件而設(shè)計(jì)的，主要依靠截齒尖破碎巖石，取得進(jìn)尺。但卵礫石層卻恰恰相反，卵礫石塊在地層中類似于懸浮狀態(tài)，自由維度較多，很難使齒尖吃上力并產(chǎn)生有效破碎，如果只是傳統(tǒng)破損切削巖石，在巖石位移量較大的情況下效果會(huì)很差。因此，針對(duì)卵礫石復(fù)雜地層應(yīng)進(jìn)行全新的鉆進(jìn)工藝方面的研究，并據(jù)此對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行新改進(jìn)。

3 基于卵礫石層的旋挖鉆進(jìn)工藝及相應(yīng)的鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要想提高旋挖鉆進(jìn)在卵礫石層的鉆進(jìn)效率，就要盡量解決上述問(wèn)題，對(duì)旋挖工藝、旋挖鉆頭進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)改進(jìn)。與傳統(tǒng)旋挖鉆進(jìn)工藝先破碎后鉆進(jìn)相比，改進(jìn)后應(yīng)不以把卵礫石破碎成粉粒狀為目的，而是側(cè)重于將其攪松后直接取出。圍繞該工藝思路，所設(shè)計(jì)的鉆頭結(jié)構(gòu)，應(yīng)該充分發(fā)揮鉆頭的撥動(dòng)和掏出作用，將卵礫石從孔底撥動(dòng)并掏出后，使其順利進(jìn)入鉆頭底板的進(jìn)土口內(nèi)，從而將其提出鉆孔。也就是說(shuō)，需要圍繞以“撥”、“掏”為主，以“碎”為輔的思路去設(shè)計(jì)鉆頭，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一只特型截齒撈砂鉆斗，主要從增大底板進(jìn)土口面積、改變引土板的寬度、角度及型式、調(diào)整底板布齒方式，適當(dāng)改變引土板和定心鉆頭上的齒數(shù)分配情況，使鉆頭能夠以撥和掏的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，減少重復(fù)無(wú)效鉆進(jìn)，提高施工效率。

圖4是特型截齒撈砂鉆頭的改進(jìn)及攜帶卵石的情況。施工實(shí)踐證明，這種鉆進(jìn)工藝及鉆頭結(jié)構(gòu)在卵礫石層中的進(jìn)尺效率比傳統(tǒng)破碎鉆進(jìn)工藝提高了30%。

特型鉆頭在卵礫石層中進(jìn)尺效率更高，主要原因有以下幾個(gè)方面：①定心尖為兩齒結(jié)構(gòu)，且高度相比普通型的更長(zhǎng)些，在鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)定性更高；②引土板與定心尖為無(wú)縫過(guò)渡銜接，不容易卡夾卵礫石，不會(huì)造成托底現(xiàn)象，也不容易糊鉆，從而影響截齒破碎地層；③引土板為錐形，齒尖在縱剖面上呈V型分布，各個(gè)齒尖依次深入地層，且引土板靠近定心處的寬度較普通型的寬些，這兩個(gè)特點(diǎn)均有利于對(duì)地層中的卵礫石起到撥和掏的作用，減少卵礫石在進(jìn)土口前不斷滾動(dòng)滑移而不進(jìn)入鉆斗內(nèi)部的情況，從而提高鉆進(jìn)效率。

圖4 特型截齒撈砂鉆頭的改進(jìn)及使用情況

4 泥漿選擇

卵礫石地層中，由于顆粒之間膠結(jié)物強(qiáng)度有限，鉆進(jìn)時(shí)井壁很容易坍塌。此時(shí)泥漿在卵礫石層中的護(hù)壁作用就顯得至關(guān)重要，泥漿的護(hù)壁作用主要表現(xiàn)為隔水膜的形成、泥漿液態(tài)靜壓力及對(duì)地層成分之間的膠結(jié)力。對(duì)于卵礫石層這種機(jī)械分散地層，解決問(wèn)題的關(guān)鍵是增加井壁顆粒之間的膠結(jié)力，黏性較大的泥漿適當(dāng)深入井壁地層中，可以明顯增強(qiáng)砂、礫之間的膠結(jié)力，從而提高井壁的穩(wěn)定性。通過(guò)泥漿的失水造壁性，可在孔壁處形成一薄層泥皮，使水無(wú)法從內(nèi)向外或從外向內(nèi)滲透，從而使泥漿對(duì)地層的膠結(jié)力得以持續(xù)有效。我所在以往的旋挖鉆進(jìn)施工實(shí)踐中，總結(jié)出了幾種實(shí)用的較高黏度的細(xì)分散泥漿體系配方，在多個(gè)卵礫石層中鉆進(jìn)，均取得了成功。下面列舉出一些典型的配方實(shí)例。

(1)Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿。這是一種最普通的提黏型泥漿，Na-CMC起進(jìn)一步提黏和降濾失作用。配方為：優(yōu)質(zhì)造漿黏土150～200 g，水1000 mL，純堿5～10 g，Na-CMC 6 g左右。泥漿密度1.07～1.10 g/cm3，黏度20～35 s，濾失量小于12 mL/30 min，pH約9.5。

(2)鐵鉻鹽—Na-CMC泥漿。該泥漿提黏且穩(wěn)定性較強(qiáng)，鐵鉻鹽起防絮凝(稀釋)作用。配方為：黏土200 g，水1000 mL，50%濃度純堿液加量約20%，20%濃度鐵鉻鹽溶液加量0.5%，Na-CMC 0.1%。泥漿密度1.10 g/cm3，黏度25 s，濾失量12 mL/30 min，pH 9。

(3)木質(zhì)素磺酸鹽泥漿。木質(zhì)素磺酸鹽取材于亞硫酸紙漿廢液，一般與煤堿劑配合使用，以在提黏的基礎(chǔ)上解決泥漿的防絮凝和降失水。配方為：每立方米用黏土80～200 kg，亞硫酸紙漿廢液30～40 kg，煤堿劑10～20 kg，NaOH 5～10 kg，消泡劑5～10 kg，水900～940 L。泥漿密度1.06～1.20 g/cm3，漏斗黏度18～40 s，濾失量5～10 mL/30 min，靜切力1 min 為6～45 dPa、10 min時(shí)為12～90 dPa，在鉆進(jìn)過(guò)程中為進(jìn)一步降失水可每立方米加1～3 kg Na-CMC。

(4)腐植酸泥漿。腐植酸泥漿是用煤堿劑或腐植酸鈉(鉀)做穩(wěn)定劑(防絮凝)的，它可以與其他處理劑如Na-CMC等配合使用。制備腐植酸泥漿的配方是：每立方米泥漿中加煤堿劑50～200 kg(干量)，Na2CO33～5 kg，水905～955 L。泥漿密度1.03～1.20 g/cm3，漏斗黏度20～60 s，濾失量4～10 mL/30 min，靜切力1 min時(shí)為18～60 dPa、10 min 時(shí)為36～120 dPa，pH 9～10。

在泥漿的制備和使用中均應(yīng)注意其黏度。現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，每過(guò)一段時(shí)間應(yīng)測(cè)量一次泥漿的密度和黏度，黏度下降較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)添加膨潤(rùn)土；由孔底提至地面的帶渣泥漿，應(yīng)保持一定時(shí)間的沉淀后再泵入孔內(nèi)，這樣有利于撈渣及孔壁穩(wěn)定。我們將改進(jìn)后的鉆斗在現(xiàn)場(chǎng)配合Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿一起使用，使得旋挖鉆進(jìn)效率提高了30%，而且不曾再次出現(xiàn)塌孔埋鉆現(xiàn)象，大幅度降低了施工時(shí)間，節(jié)約了人力物力。

5 結(jié)論

(1)在旋挖鉆進(jìn)施工鉆遇卵礫石層時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層特點(diǎn)，選用合理的鉆進(jìn)工藝及與其相適應(yīng)的鉆頭結(jié)構(gòu)型式。本文所分析的鉆進(jìn)工藝及據(jù)此設(shè)計(jì)的鉆頭結(jié)構(gòu)可明顯提高卵礫石層的鉆進(jìn)效率。

(2)卵礫石層一般都不太穩(wěn)定，使用較高黏度的泥漿對(duì)孔壁的穩(wěn)定會(huì)起到至關(guān)重要的作用。本文所選用的Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿體系配方，在現(xiàn)場(chǎng)的鉆進(jìn)過(guò)程中，保證了孔壁的穩(wěn)定，再未出現(xiàn)塌孔埋鉆的現(xiàn)象。

(3)通過(guò)采取上述有效措施，大大提高了鉆進(jìn)效率和成孔率，節(jié)省了施工時(shí)間，降低了施工成本。

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