蔣睿，牛坤

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

0 引言

旋挖鉆機施工具有高效、低噪、環(huán)保、成孔質(zhì)量高、機械化程度高、操作工人勞動強度低、在轉場和現(xiàn)場移位靈活等諸多優(yōu)點，目前已成為我國鉆孔灌注樁的首選施工工法。此工法因旋挖鉆機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工作量所占的比例也越來越大。由于卵礫石土層的組成較為復雜，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，巖性堅硬致密、表面光滑，而且由于不同粒徑的顆粒在整個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也帶來了一定的困難，在卵礫石中應用旋挖鉆進是目前大直徑鉆孔施工中一大難題。在工程實踐中，經(jīng)常遇到因卵礫石地層施工中成孔速度較慢，為追求進度而人為野蠻操作使用旋挖鉆頭的情況，既浪費了成本，又延誤了生產(chǎn)進度，從而制約了旋挖工藝的推廣應用。下面筆者結合工程實例，將在含黏土卵礫石地層中取得良好效果的的旋挖鉆進工藝及鉆頭結構設計兩個方面的改進及應用做簡單分析介紹，旨在發(fā)揮施工單位旋挖設備最大效能，提高鉆進效率，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目商品房樁基施工現(xiàn)場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，結構松軟，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層主要為中微風化凝灰?guī)r，質(zhì)地堅硬，約4 m。

1.2 成樁工法選擇

根據(jù)當?shù)厥┕そ?jīng)驗及勘察報告建議，適宜該工程的樁基類型主要有泥漿護壁旋挖鉆孔灌注樁和泥漿護壁沖擊成孔灌注樁。前者對環(huán)境污染較小、扭矩較大、適應地層能力較強、施工進度較快，但施工設備相對復雜、造價較高；而后者對環(huán)境污染較大、施工進度較慢，雖然施工設備相對簡單，造價相對較低，但在含有卵(漂)石等粒徑較大地層中不太適應，且當?shù)厣袩o成功案例；故本施工現(xiàn)場采用泥漿護壁旋挖鉆孔灌注樁。

1.3 設備及相關鉆頭

施工設備為中聯(lián)ZR250C旋挖鉆機一臺。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)情況及技術難點

該工地勘察報告載明：工區(qū)遠離河流和山體，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，樁基施工過程應重視。

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

2 傳統(tǒng)旋挖鉆進碎巖機理和過程

根據(jù)傳統(tǒng)碎巖機理，在旋挖鉆進過程中，當切削具侵入巖石時(如圖1所示)，在其施力方向出現(xiàn)1個袋狀或球狀核，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“密實核”；當該處應力達到或超過巖石的抗壓強度時，巖石破碎，被成功克取，切削具進入一個新的深度；隨后，載荷再度上升，侵深和載荷又恢復到上述關系。如此不斷循環(huán)，越是脆性巖石這種躍進破碎越明顯，塑性巖石則比較緩和(見圖2)。

圖1 壓頭侵入巖石的破碎

圖2 載荷—侵深關系

然而，這種基于傳統(tǒng)碎巖機理而設計的鉆具主要適用于一般性地層，在卵礫石層中的鉆進效果表現(xiàn)并不好。更有甚者竟出現(xiàn)因鉆進效率較低而誘發(fā)孔壁坍塌，導致埋鉆事故的發(fā)生。圖3所示為本項目發(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，效率較慢。通過分析對比，認為出現(xiàn)鉆進效率低下主要有以下幾個方面的因素：

(1)常規(guī)截齒撈砂鉆斗主要適用于鉆進連續(xù)、致密的巖層。在該類地層中，巖石的抗壓強度遠大于抗拉和抗剪強度，隨著載荷增大，當巖石內(nèi)部最大剪應力超過抗剪強度時，將錯開巖石顆粒產(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，當最大拉應力超過抗拉強度時，將拉開巖石顆粒形成赫茲裂紋。當載荷進一步增大時，損傷區(qū)內(nèi)裂紋源擴張破壞巖石，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，在鉆進過程中如果回次進尺太多，有部分巖屑不能進入鉆頭， 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，從而對筒體及切削刃造成了無謂磨損，鉆頭使用壽命會大大縮短。

(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，鉆進困難，容易夾卡在鉆頭的縫隙結構處，使得切削具難以接觸到新的地層(即所謂的托底)，造成干磨，并容易毀壞鉆頭結構。

(4)鉆頭的保徑條外緣經(jīng)常會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)的旋挖鉆頭結構是基于土質(zhì)較松軟、巖石性質(zhì)相對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計的，主要依靠截齒尖破碎巖石，取得進尺。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很差。因此，針對卵礫石復雜地層應進行全新的鉆進工藝方面的研究，并據(jù)此對鉆頭結構進行新改進。

3 基于卵礫石層的旋挖鉆進工藝及相應的鉆頭結構設計

要想提高旋挖鉆進在卵礫石層的鉆進效率，就要盡量解決上述問題，對旋挖工藝、旋挖鉆頭進行更合理的設計改進。與傳統(tǒng)旋挖鉆進工藝先破碎后鉆進相比，改進后應不以把卵礫石破碎成粉粒狀為目的，而是側重于將其攪松后直接取出。圍繞該工藝思路，所設計的鉆頭結構，應該充分發(fā)揮鉆頭的撥動和掏出作用，將卵礫石從孔底撥動并掏出后，使其順利進入鉆頭底板的進土口內(nèi)，從而將其提出鉆孔。也就是說，需要圍繞以“撥”、“掏”為主，以“碎”為輔的思路去設計鉆頭，因此我們設計了一只特型截齒撈砂鉆斗，主要從增大底板進土口面積、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行鉆進，減少重復無效鉆進，提高施工效率。

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

特型鉆頭在卵礫石層中進尺效率更高，主要原因有以下幾個方面：①定心尖為兩齒結構，且高度相比普通型的更長些，在鉆進時穩(wěn)定性更高；②引土板與定心尖為無縫過渡銜接，不容易卡夾卵礫石，不會造成托底現(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，這兩個特點均有利于對地層中的卵礫石起到撥和掏的作用，減少卵礫石在進土口前不斷滾動滑移而不進入鉆斗內(nèi)部的情況，從而提高鉆進效率。

圖4 特型截齒撈砂鉆頭的改進及使用情況

4 泥漿選擇

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

(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，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時為12～90 dPa，在鉆進過程中為進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時為18～60 dPa、10 min 時為36～120 dPa，pH 9～10。

在泥漿的制備和使用中均應注意其黏度。現(xiàn)場使用時，每過一段時間應測量一次泥漿的密度和黏度，黏度下降較大時，應及時添加膨潤土；由孔底提至地面的帶渣泥漿，應保持一定時間的沉淀后再泵入孔內(nèi)，這樣有利于撈渣及孔壁穩(wěn)定。我們將改進后的鉆斗在現(xiàn)場配合Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿一起使用，使得旋挖鉆進效率提高了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間，節(jié)約了人力物力。

5 結論

(1)在旋挖鉆進施工鉆遇卵礫石層時，應根據(jù)地層特點，選用合理的鉆進工藝及與其相適應的鉆頭結構型式。本文所分析的鉆進工藝及據(jù)此設計的鉆頭結構可明顯提高卵礫石層的鉆進效率。

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

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

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