穿过地下障碍物的钻机成孔

摘要：钻孔桩施工遇到漂石、块石及大粒径卵石、碎石等地下障碍物时，成桩工期可能会数倍地延长。可见，提高成桩效率，关键要顺利掘进障碍物；不仅要充分挖掘钻具的破碎能力，还应利用钻头撞击及障碍物间的撞击或碾磨破碎障碍物，以及扩大可从孔底提升至地面的破碎物粒径。
关键词：钻孔桩钻机成孔地下障碍物成孔速度

钻机成孔钻进，是钻孔灌注桩的主要工序之一。成桩效率很大程度上取决于成孔施工，尤其是穿过漂石、块石、碎石等地下障碍物时的成孔施工。因此，提高成桩速度，关键是顺利掘进障碍物，有效地切割、撞击破碎障碍物及清除破碎物。

1地下障碍物与成孔速度

钻孔桩施工中，由于施工条件及措施不同，成孔速度区别很大。穿过流砂、粘土类地层时，成孔速度可达1～2m/h或以上。在均质岩层中钻进，成孔速度虽然较慢，但相对稳定，一般为3～8cm/h。桩孔穿过地下障碍物时，不仅成孔速度的波动幅度很大，有时几乎无进尺，而且钻机的颤动以及对钻机的损伤或钻具的消耗都较大。

常见的地下障碍 物有漂石、块石、大粒径卵石与碎石，以及建筑物或构造物的基础等。漂石呈多边棱状体居多。块石近似长方体，最大尺寸方向的长度一般在30cm以上，有时在50cm以上。碎石，尤其卵石基本上都分布在砂层或砂砾层内，有时夹于粘土层之间，卵石层埋深大多接近均质的岩层。卵、碎石的含量与层厚差别很大：含量多数为30%～60%，有时高于80%；层厚一般为1～3m，有时达15～20m。粒径10cm以上、含量50%以上的卵碎石对钻机成孔影响较大。建筑物及构造物基础有一定的结构形状，一般始于地表面或埋于地表以下5m以内，多为浆砌砖、条石或混凝土结构。1994年在曹娥江江滩上施工桥墩钻孔桩时，成孔遇到了早期引水渠，埋深4～5m，渠两侧由两层浆砌条石构成，一侧穿过φ1.2m桩孔的半圆内，条石为1.5m×0.4m×0.3m，成孔时间竟达正常孔的4倍。

穿过上述障碍物，有时成孔时间近于成桩时间。因此，区别不同的障碍物，采取有效措施以提高成孔速度，是保证成桩效率的前提。

2钻机成孔

钻机成孔遇到上述障碍物时，不管障碍物属于哪一类，都面临着两个问题：一是如何有效地破碎障碍物；二是如何有效地将孔底破碎的障碍物清除到地面。

2.1钻进破碎障碍物

钻机破碎障碍物的能力，取决于钻机转盘的旋转扭矩和钻具的破碎能力。每台钻机的转盘扭矩是既定的，每个施工点配备的钻机能力也是一定的，是从整体考虑选择钻机型号的，不可能为局部遇到某些地下障碍物而选择能力过大的钻机。然而成孔施工工序则是可以调整的。为成孔施工遇到障碍物，钻机跳动严重或明显感到扭矩不足时，可采用分级钻进，一方面化解钻机能力不足，另一方面有利于二级钻进中障碍物的位移及互相撞击。在障碍物埋深接近桩尖的摩擦桩成孔施工时，采用分级钻进更能明显地提高成孔速度。1999年，在山东施工φ1.5m桥墩桩孔中，分0.8m,φ1.5m的两级钻进，成孔速度比一次全断面钻进提高30%以上。

钻具破碎石块等障碍物的能力，与钻头结构及钻头体上的合金头或刀具有关。破碎这类障碍物，若像岩层钻进那样选用牙轮钻头，不仅成本较高，还常会出现蹩钻现象或发生掉牙轮事故。实际上，破碎石块障碍物时，并不要求将石块全部粉碎，理想的情况是将其大块破碎成能随泥浆上返至地面的小块。简单的实验表明，锤击或撞击石块产生破碎要比金属切割或碾磨更经济、更容易。因此，在破碎障碍物时，不能单靠破岩刀具的切割，还应利用钻头旋转对石块的撞击以及石块对石块的撞击或碾磨。如对分布在钻孔周边的石块，钻进过程中可出现3种形式：①将孔内的部分切割或碾磨破碎掉；②随钻头体旋转将孔内部分挤至孔外；③将孔外部分移至孔内后再破碎掉。然而，不管属于哪一种形式，不管采用哪一种钻头，由于钻头旋转时仅是某一部位受力，并且有可能受阻很大，因而常出现蹩钻、跳钻甚至无法转动等现象。破碎这类石块更需利用石块间的撞击或碾磨。1998年，在杭州中河路成孔施工中遇到这类石块，钻机跳动严重，多日无进尺，后来采取投石钻进，即向孔内投入一定数量的石块，通过钻头体旋转驱动投入的石块碾磨撞击孔内原有的石块，顺利地穿过了这一障碍层，并且减少了合金消耗。

2.2冲洗工作面

有效地冲洗工作面，将破碎的障碍物等钻进破碎物及时从工作面清除至地面，是快速成孔的重要保证。能清除的破碎物越大，清除破碎物越彻底，破碎障碍物越省力，成孔速度越快；关键取决于泥浆的提升循环方式及悬浮力。

泥浆的悬浮能力越强，孔内上返泥浆中悬浮的破碎物的下落阻力越大，意味着破碎物能悬浮上返至地面的可能性越大，允许上返的粒径也越大。泥浆的悬浮能力体现在泥浆的粘度和切力上，取决于泥浆中可造浆粘土的性质、含量及可能添加的化学材料。成孔穿过障碍物层时，要视破碎物的含量及粒径等选择泥浆粘度，一般宜在25s以上。要提高泥浆的粘度和切力，可增加粘土的含量，但要控制泥浆密度的上升，必要时可添加钠基膨润土以及高粘度CMC等。

冲洗与悬浮工作面上破碎物的泥浆，有两种循环方式，即正循环与反循环。反循环又分气举(压气)反循环与泵吸反循环。不同类型的钻机，配套选用不同的泥浆循环方式。目前，φ2.0m以内包括配有泵吸反循环的工程钻机，由于钻杆、水龙头及泵的限制，实际成孔施工中基本上仅能采用正循环。煤炭行业自产的φ1.5m以上的钻机，基本上配套气举反循环。采用正循环冲洗工作面，仅能将一些细粒破碎物携带至地面，即使粒径为φ1.0cm左右的破碎物，当含量较高时也难以及时排至地面，有的破碎物仅能在孔内某一部位处于上返与下落的平衡状态，较大粒径的破碎物根本不能随泥浆上返，仅在孔底随钻头体旋转；有的在清孔时孔底沉渣仅在5cm以内，而停止清孔后孔底沉渣将会迅速上升至1～2m甚至更多。可见，穿过障碍物层时，采用正循环系统是不理想的。反循环系统中，一般情况下，泵吸反循环能将φ6～7cm的石块顺利地从孔底排至地面；气举反循环在钻杆、水龙头允许时，能排除孔底20cm以内的松动石块。因此，桩孔穿过障碍物层成孔时，最宜采用气举反循环洗孔；对于成孔钻机不具有反循环系统时，可采用导管组配气举反循环配合处理。

3钻抓成孔

桩孔施工遇到漂石、块石等体积大、含量多且比较坚硬的障碍物时，完全依靠钻机钻进破碎障碍物，能量消耗较大，成本较高。有时，即使配套采用气举反循环洗孔等措施，成孔效率仍不理想。

若直接采用抓斗冲抓成孔，由于障碍物分布不均，交错重叠，抓斗有效掘装率不高。同时抓斗冲抓障碍物时，在孔内很难实现全方位抓掘。有时由于抓掘的冲击作用以及冲抓周边障碍物，常出现塌孔、垮帮以及扩径等现象，最终导致水下混凝土大量超灌。

对于这类障碍物，可采取钻抓成孔，即以冲抓为主、钻为辅的钻抓联合成孔。此时，转盘驱动钻头旋转钻进，不是为了破碎障碍物，主要是利用钻头体的旋转使孔内障碍物发生位移并松动，尤其使孔内邻近孔帮的障碍物向孔心移动，以便抓斗在孔心位置抓掘障碍物，提高抓斗的掘装率，并避免冲抓破坏孔帮或避免抓帮。桩孔施工中，先采用抓斗从孔心位置尽可能地向下抓掘障碍物，然后改用钻机钻进，钻、抓交替作业，直至穿过障碍物层。所用钻头要有足够强度。可以三翼刮刀钻头为母体，减小锥体锥角；三翼筋板厚度大于5cm，宽度大于50cm，底部为梯形齿结构，齿高及齿顶宽均应大于5cm