一种硬岩层旋挖钻进方法与流程

本发明涉及地下工程施工技术领域，具体是一种硬岩层旋挖钻进方法。

背景技术：

近几年来，旋挖钻因其高效、移动灵活、环保、成桩质量好、适应地层较广等优点而被广泛应用于桥梁、地铁、地下通道等市政工程桩基施工中。但旋挖钻机一般适用于粘性土、粉土、砂石、碎石土、黄土等地质，随着全国性大力发展地铁建设，地铁车站一般为地下二层或三层结构，对围护桩嵌岩要求较高，旋挖钻机的应用受到了限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硬岩层旋挖钻进方法，以解决现有旋挖钻无法在高强度硬岩层应用的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种硬岩层旋挖钻进方法，包括以下步骤：

（1）施工准备工作：研究分析工程地质，施工机械与设备配置，技术参数设计；

（2）测放桩位：在施工前，首先根据桩基设计图纸按1:1的比例在图纸上排出桩位，并给桩编上号码，方便填写成桩记录资料，排好桩位后，在现场按照排好的桩位进行测量放线，定出桩位；

（3）桩基钢护筒加工及埋设：护筒有固定桩位，引导钻头方向，隔离地面水免其流入孔内，保护孔口不坍塌作用，护筒制作材料选用Q235A型钢材，护筒直径1400mm，长度为3m，钢板厚度为6mm；

（4）旋挖钻机就位对中：确定桩位中心，以中心为圆心，以大于桩身半径在四周设立十字护桩，做好标记并固定好，同时在钢护筒上用红漆做好四个标记保护点，用2条细线相拉交汇，将旋挖钻头的钻尖对准细线交汇处，通过钻机自身的仪器设备调整好钻杆、桅杆的竖直度并锁定；

（5）泥浆制备与循环：泥浆原材料由自来水、粘土、膨润土、泥浆外加剂组成；

（6）钻杆、钻头类型和选用：入硬岩基层时以嵌岩筒钻为主，为截齿筒式取芯钻头扰动后配合双层底旋挖钻斗扫孔；

（7）旋挖钻钻进施工：首先，对截齿筒钻进行改进，使其具备取芯能力，在筒钻1上设置楔形钻斗，利用楔形加压原理，楔形钻斗的加压力产生对岩芯的径向分力，最终将岩石折断；其次，在钻进时先采用小直径截齿筒式取芯钻头松动孔内圆周岩芯，然后采用大直径的双层底的嵌岩旋挖钻斗扫孔，截齿筒式钻头和双层底嵌岩旋挖钻斗不断交替使用，直至达到设计孔深；

（8）终孔的判断及检查：及时捞取钻渣，根据掏渣岩样特征、钻孔记录和钻进速度综合判断该孔能否终孔，当确认达到设计要求的嵌岩深度时，可以终孔；判定终孔后，用检孔器下放到孔底以检查孔径、孔深、孔斜，保证成孔符合设计及施工规范要求，经监理检测验收合格后方可进入下道工序；

（9）清孔；

（10）吊放钢筋笼及灌注水下混凝土。

作为本发明进一步的方案：步骤（3）中护筒埋设具体方法为：首先测量放线定出桩位，然后利用人工或机械进行挖孔；安装护筒导向架；将护筒埋设至设计位置；护筒安装严格控制垂直度，垂直度误差在1%范围内；护筒安装完成后，对护筒中心进行复测，护筒与桩中心的偏差不大于5cm。

作为本发明再进一步的方案：步骤（7）中所述楔形钻斗设置在筒钻内，楔形钻斗包括楔形钻头，楔形钻头设置在筒钻内。

作为本发明再进一步的方案：步骤（7）中所述截齿筒式取芯钻头均布设置在筒钻底部，截齿筒式取芯钻头包括多个牙轮钻头，多个牙轮钻头均布设置在筒钻底部。

作为本发明再进一步的方案：步骤（7）中所述双层底嵌岩旋挖钻斗包括双层底钻斗和截齿钻头，截齿钻头设置在双层底钻斗内。

作为本发明再进一步的方案：步骤（9）中所述的清孔包括第一次清孔和第二次清孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、入岩效率高。基于岩石破碎理论，根据岩性特点选用不同钻头并进行钻具优化设计，辅以正确的钻进工艺，达到高效入岩目的。

2、安全性高，成孔质量好。硬岩及斜岩地质钻进通过正确的钻进方法并合理改进，再以对钻机原理的充分理解从操作细节上进行调整，避免卡钻、埋钻等事故发生，同时旋挖所成孔垂直度和质量均有保证。

3、经济效益显著。与该地质常规选用的冲击钻、正反循环钻相比，旋挖钻机的成功应用大大降低了成本和节约了工期。

附图说明

图1为硬岩层旋挖钻进方法中楔形钻斗示意图。

图2为硬岩层旋挖钻进方法中截齿筒式取芯钻头示意图。

图3为硬岩层旋挖钻进方法中双层底嵌岩旋挖钻斗示意图。

图中：1- 筒钻，2- 楔形钻头，3- 岩石，4- 牙轮钻头，5-双层底钻斗，6-截齿钻头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

（1）施工准备工作

1）研究分析工程地质

施工前对地质勘察资料详细分析，总结地质情况及特点。对于岩性地质，需了解溶洞发育情况，岩石的成因及和种类，岩石颗粒的大小和形状、岩石构造及裂隙发育情况，胶结的性质等。

2）施工机械与设备配置

针对工程不同地质情况，对旋挖钻机的钻杆、钻具、斗齿、护筒、泥浆制备等施工机械与设备进行选择和优化。对于硬岩层的桩基施工，一台旋挖钻至少配置三种不同规格和类型钻具，以适应软土和硬岩基层的钻进。

3）技术参数设计

针对不同地质情况，优化钻进参数、质量控制参数等，如溶洞穿越方式、斜岩钻进时加压方式、钻头速度、进尺速度等控制指标。

（2）测放桩位

在施工前，首先根据桩基设计图纸按1:1的比例在图纸上排出桩位，并给桩编上号码，方便填写成桩记录等资料。排好桩位后，在现场按照排好的桩位进行测量放线，定出桩位。

（3）桩基钢护筒加工及埋设：

护筒有固定桩位，引导钻头方向，隔离地面水免其流入孔内，保护孔口不坍塌等作用。

护筒制作一般由专业生产厂家制作，护筒制作材料选用Q235A型钢材，护筒直径1400mm，长度为3m，钢板厚度为6mm。

护筒埋设具体方法：

1）首先测量放线定出桩位，然后利用人工或机械进行挖孔。

2）安装护筒导向架。导向架利用型钢焊制而成，导向架四角利用钢管进行固定，定位桩入土深度按3m考虑。

3）将护筒埋设至设计位置。

4）护筒安装须严格控制垂直度，确保垂直度误差在1%范围内。护筒安装完成后，对护筒中心进行复测，保证护筒与桩中心的偏差不大于5cm。

（4）旋挖钻机就位对中

在桩位复核正确，护筒埋设符合要求，护筒、地坪标高已测定的基础上，钻机才能就位。确定桩位中心，以中心为圆心，以大于桩身半径在四周设立十字护桩，做好标记并固定好，同时在钢护筒上用红漆做好四个标记保护点。用2条细线(基本无伸展性)相拉交汇，将旋挖钻头的钻尖对准细线交汇处，通过钻机自身的仪器设备调整好钻杆、桅杆的竖直度并锁定。

（5）泥浆制备与循环

为保证钻孔桩成孔施工的顺利进行，在正式开钻之前进行泥浆配比试验，选用不同产地的膨润土和不同比例的水、膨润土、碱、CMC等进行试配，选择泥浆各项指标最优的泥浆配比。

泥浆参数需根据通过的土层或岩溶形态进行调整，及时调配使之在不同土层中起到较好的护壁或悬碴作用。当通过砂、砂砾石或砂含量较大的卵石层或其他易坍塌土层（如溶洞段）应加大粘度。

泥浆原材料组成：自来水、粘土、膨润土（钙质）、泥浆外加剂。泥浆配合比由试验室配置。

表1 泥浆性能指标参考值

（6）钻杆、钻头类型和选用

施工中根据不同地质情况，选用合适的钻杆、钻头和施工工艺。

在淤泥质土、一般黏土层等软土地层钻进时，可采用摩擦钻杆和回转钻头。回转钻头一般分为单层底土斗和双层底捞砂斗。

入硬岩基层时主要以嵌岩筒钻1为主，主要为截齿筒式取芯钻头扰动后配合双层底旋挖钻斗扫孔。如图1-3所示，楔形钻斗设置在筒钻1内，楔形钻斗包括楔形钻头2，截齿筒式取芯钻头均布设置在筒钻1底部，截齿筒式取芯钻头包括多个牙轮钻头4，双层底嵌岩旋挖钻斗包括双层底钻斗5和截齿钻头6。

入岩旋挖钻机所用钻斗，通过合理布齿，使齿间相互为对方创造自由面，为高效入岩创造条件。从岩石破碎理论可知，自由面有利于岩面破碎，而自由面又要根据岩石硬度、脆性、表面能等综合考虑。对于相同地层使用同一钻进扭矩，采用不同的布齿，其钻进效率也不同。因此，选用合适的布齿，才能提高进尺效率。对于硬度较小的强分化层斗齿角度应稍大；钻进较硬地层时，斗齿角度应稍小。

（7）旋挖钻钻进施工

旋挖钻机根据地层情况采用多种钻具搭配使用。钻机就位后，调整钻杆垂直度，注入调制好的泥浆，然后进行钻孔。钻机施工过程中保证泥浆面始终不得低于护筒底部，保证孔壁稳定性。

1）软土层旋挖钻进

在黏土、粉土、砂土、淤泥质土、杂填土及含有部分碎石等软土层钻进时，旋挖钻机采用摩擦钻杆和单层底回转钻头钻进。护筒内注满泥浆后，开始钻进，钻进过程中随时不断补充泥浆，使孔内始终保持高于地下水1m-1.5m水头高度，同时根据土质情况调整泥浆配方和比重。旋挖钻进通过配备的电子控制系统显示调整钻进时的垂直度，同时辅以人工观察来保证钻杆的垂直度，从而保证成孔的垂直度。

2）硬岩层旋挖钻进

当进入中分化灰岩、板岩、砂砾岩等硬岩基层时，由于地层密度大，摩擦钻杆和单层底回转钻头无法完成成孔。此时，需选用摩擦钻杆和入岩筒钻1、双层底掏砂斗交替配合钻进。下面以1.2m桩径为例进行工艺描述：

先用0.8m小直径入岩筒钻1（斗齿采用子弹头，镶有钨硬质合金）钻进，对孔内岩心周围进行松动，再下双层底掏砂钻斗进行扫孔，达到高效入岩目的。入岩旋挖钻进时，根据地层选用钻斗的同时，还要注意进尺控制。

（8）终孔的判断及检查

1）钻孔至设计标高以后，应及时捞取钻渣，根据掏渣岩样特征、钻孔记录和钻进速度等综合判断该孔能否终孔，当确认达到设计要求的嵌岩深度时，可以终孔。

2）判定终孔后，用检孔器下放到孔底以检查孔径、孔深、孔斜，保证成孔符合设计及施工规范要求，经监理检测验收合格后方可进入下道工序。

（9）清孔

1）终孔检查合格后，应迅速用捞砂筒进行第一次清孔，不得停留过长时间，使泥浆渣沉淀过多，造成清孔困难，甚至塌孔。

2）一次清孔合格后，经监理确认，方可安放钢筋笼、导管等，在进行二次换浆清孔。

3）清孔整个过程应专人负责测量孔底沉渣厚度，及时对孔内泥浆含砂率和孔底沉渣厚度的变化进行分析。

（10）吊放钢筋笼及灌注水下混凝土

检验合格后，进行钢筋笼的吊装。采用25t汽车吊起吊钢筋笼，在起吊钢筋笼到一定高度后将钢筋笼调整到竖直方向，然后将钢筋笼徐徐下降，使全部钢筋笼降至设计标高为止。

冲击成孔经验孔检测合格后，在灌注混凝土前还应进行钢筋笼就位、导管入孔、再次清孔检查。钢筋笼及导管安设合格，清孔符合要求，经监理工程师成孔检查后可灌注水下混凝土。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。