CN108049804B - 松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法，其利用松散地层垮塌部位形成的环状空间，实现靶向岩土置换，地层最松散处被置换的岩土最多，随后下入钻头正反转压实挤密，最松散的地段被挤进压实的黏土最多，形成的‘护壁’层越厚。本方法由于在钻头的压、挤、扩的过程中，不仅是对回填粘土层进行了挤密压实，同时对钻孔周边原状土层进行了挤密压实，因此通过这样处理以后的钻孔整体稳定性得到了很大的提升，有效的保证了后续工序安全高效稳定的推进。投入孔内的粘性土可以利用其它钻孔钻出的粘土或就近取材。它在解决塌孔的过程中没有增加额外成本，立足于使用原有设备，甚至回填粘土也可以是其他钻孔的钻渣，节约了成本。

Description

松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法

技术领域

本发明涉及一种松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法。

背景技术

在稳定非含水第四纪地层钻进成孔工艺中，干成孔长螺旋钻进钢筋混凝土灌注桩施工工艺具有灌注工艺简单、投入设备、人工少、成桩速度快、成桩质量高、事故率低、施工场地污染小、综合效益明显等优点。因此，干成孔长螺旋钻进施工工艺得以广泛应用。但是，在干燥松散软弱地层应用螺旋钻机干成孔作业极易造成塌孔事故发生。

一、克服干燥松散地层塌孔事故发生的常规钻进方案和其存在的不足

克服干燥松散地层塌孔事故发生的常规钻进方案包括反插钢筋笼工法、回转钻机泥浆护壁成孔工法、旋挖钻机泥浆护壁成孔成桩工法。但与干成孔长螺旋钻进工法比较，3种工法存在着诸如需要增加设备、工作效率低、经济效益低、质量保证率低、易污染环境等方面的不足。

1、反插钢筋笼工法。

与干成孔长螺旋钻进工法比较，反插钢筋笼工法施工，首先需要增加施工设备。如混凝土输送泵、泵送混凝土管道、振动锤以及插笼设备、大吨位吊车等，增加设备投入价值约在40万元以上，增加施工成本；其次施工效率下降较多。因钻机与输送泵是通过混凝土输送管道连接的，钻机的移位受到限制，辅助工作时间增加，造成成桩速度下降。第三，浪费空桩混凝土且增加桩头凿除费用。因反插钢筋笼工法要求浇筑满钻孔内混凝土，如果施工场地标高高于设计桩头标高，则必须将两标高差造成的空桩段灌注混凝土、这样不但浪费了空桩混凝土还需要增加桩头凿除费用。

2、回转钻机泥浆护壁成孔工法

与干成孔长螺旋钻进工法比较，回转钻机泥浆护壁成孔工法施工，首先需要增加施工设备和材料。如泥浆搅拌设备、水下混凝土灌注设备、废弃泥浆处理及运输设备、造浆材料等。其次，施工效率下降较多。因回转钻机成孔工法成孔速度慢、灌注混凝土时间长，造成施工效率下降。第三，成桩质量保证率降低。因水下灌注混凝土对作业人员的技术要求较严格，且易受天气、电力供应等因素影响，回转钻机成孔、水下混凝土灌注质量保证率较干成孔长螺旋钻进工法低。

3、旋挖钻机成孔工法。

与干成孔长螺旋钻进工法比较，旋挖钻机成孔成孔工法的缺点与回转钻机成孔工法缺点类似。不同之处为旋挖钻机为大型设备，使用成本及进出场费高昂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法，其可有效的解决螺旋钻机在钻进松散软弱地层干成孔灌注桩成孔过程塌孔的问题，它在解决塌孔的过程中没有增加额外成本，立足于使用原有设备，甚至回填粘土也可以是其他钻孔的钻渣，节约了成本。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法，其关键技术在于：其利用松散地层垮塌部位形成的环状空间，实现靶向岩土置换，地层最松散处被置换的岩土最多，随后下入钻头正反转压实挤密，最松散的地段被挤进压实的黏土最多，形成的‘护壁’层越厚；其具体步骤如下：

1）施工中如果遇到地层密实度比较小的干燥、松散、易塌孔地层，可以先预钻穿该层的底板，提出钻杆观察钻孔内情况，如果孔壁发生事故，即刻向塌孔段投入稍湿粘性土，粘土投入量以稍高于塌孔段顶板；

2）低速下入螺旋钻具并反转，利用螺旋钻具叶片下行产生的下压力和侧压力挤压，再以慢速正转钻进少许，如此反复2到3次，投入孔内的粘土在钻头挤扩作用下向孔壁四周挤扩密实；使塌孔部位岩土密实度上升达到60%以上时，塌孔段形成筒状或半圆筒状‘护壁环’；以克服周边松散砂土向下滑动，得以形成完整钻孔。

步骤1）中稍高于塌孔段顶板控制为粘土投入量高于塌孔段顶板1m；

所述层密实度比较小的干燥、松散、易塌孔地层是密实度为松散或稍密；饱和度Sr≤5%；压缩模量平均值≤15；标准贯入试验锤击数N≤15；

所述稍湿粘性土指标为：最大干密度为1.86g／cm，含水量20％，液限W=35.8％，塑限=22.7％，塑性指数=13.1。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本方法由于在钻头的压、挤、扩的过程中，不仅是对回填粘土层进行了挤密压实，同时对钻孔周边原状土层进行了挤密压实，因此通过这样处理以后的钻孔整体稳定性得到了很大的提升，有效的保证了后续工序安全高效稳定的推进。投入孔内的粘性土可以利用其它钻孔钻出的粘土或就近取材。它在解决塌孔的过程中没有增加额外成本，立足于使用原有设备，甚至回填粘土也可以是其他钻孔的钻渣，节约了成本；

2、本发明有效的解决了螺旋钻机在钻进松散软弱地层干成孔灌注桩成孔过程塌孔的问题，但没有改变螺旋钻机干孔钻进混凝土灌注成桩工艺，保留了螺旋钻进干孔灌注混凝土成桩工艺的所有优点；

3、整个施工过程安全、环保、高效。这套工法的推广将会产生极高的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明钻进至易坍塌层底板的示意图；

图2是本发明提钻后孔壁塌陷的示意图；

图3是本发明提钻后回填粘土至顶板上方的示意图；

图4是本发明复钻，正反转压实的示意图；

图5是本发明钻进至设计孔深，提钻成孔的示意图；

其中，1、杂填土，2、易坍塌层，3、螺旋钻头，4、塌孔区，5、塌孔堆积物，6、填入粘土面，7、填入粘土，8、挤扩粘土，9、形成孔壁。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见附图1-附图5，本发明具体的工艺流程简介如下：

施工中如果遇到地层密实度比较小的干燥、松散、易塌孔地层（如：粉细砂，密实度为松散-稍密；饱和度Sr≤5%；压缩模量平均值≤15；标准贯入试验锤击数N≤15）可以先预钻穿该层的底板，提出钻杆观察钻孔内情况。如果孔壁发生事故，即刻向塌孔段投入稍湿粘性土（试验中曾采用场内其他钻孔取出的粘土，其最大干密度为1.86g／cm，最优含水量20％，液限W=35.8％，塑限=22.7％，塑性指数=13.1）。此粘土投入量以稍高于塌孔段顶板（一般控制为顶板1m），然后下入螺旋钻具以低速、反转。利用螺旋钻具叶片下行产生的下压力和侧压力挤压，再以慢速正转转钻进少许。如此反复2到3次，投入孔内的粘土在钻头挤扩作用下向孔壁四周挤扩密实。使塌孔部位岩土密实度上升达到60%以上时，塌孔段形成筒状或半圆筒状‘护壁环’。以克服周边松散砂土向下滑动，得以形成完整钻孔。由于在钻头的压、挤、扩的过程中，不仅是对回填粘土层进行了挤密压实，同时对钻孔周边原状土层进行了挤密压实，因此通过这样处理以后的钻孔整体稳定性得到了很大的提升，有效的保证了后续工序安全高效稳定的推进。投入孔内的粘性土可以利用其它钻孔钻出的粘土或就近取材。

本发明利用垮塌部位形成的环状空间。实现靶向岩土置换，地层最松散处被置换的岩土最多，随后下入钻头正反转压实挤密，最松散的地段被挤进压实的黏土最多、形成的‘护壁’层越厚。当投入的黏土在钻头挤密最终密实度达到60%以上时，钻进成孔后孔壁稳定质量良好。实现了松散地层非开挖原位换填。

具体实施例：

我们施工队伍进入涞水县人防基坑支护工地。26米螺旋钻机进场施工护坡桩，桩径600mm、桩间距1200mm、桩数330根、施工工艺设计螺旋干成孔灌注桩、预计施工工期28天。9月30日钻机就位开始打桩，在施工进入第二天钻机钻进遇到松散软弱地层，孔壁垮塌成孔困难钻进受阻。通过了解得知垮塌地段是松散粉质砂层、地层干燥粘结力极差、它的承载力特征值远小于考察报告所提供的数值。

考虑到地层干燥我们想通过增加地层含水量来达到成孔目的。经过一天的努力这个思路实施起来困难比较大，第一个原因水量需求巨大现场水源无法保证有效供应；第二个原因向地层注水需要小口径钻机钻进注水孔工作量大，不符合节能高效的创新原则，因此向地层注水增加岩土含水量的思路被否定了。

通过充分调研反复论证我们形成了一个大胆设想，即‘非开挖原位换填螺旋钻进干成孔灌注桩工作法’。先预钻进一定深度提出钻杆观察了解钻孔内情况。如果孔壁不完整有塌孔现象马上向塌孔段投入稍湿润粘性土并且投入黏土上面要稍高于塌孔段，下入螺旋钻具开低速反转向下下压钻进少许再开正转慢转钻进少许如此反复二到三次，投入孔内的粘性土在钻头正反转下压挤扩作用下向孔壁四周挤扩密实。使塌孔部位岩土密实度提升后塌孔段落在钻进后形成桶状或半圆筒状‘护壁’以克服周边松散砂土向下滑动得以形成完整钻孔。由于钻头在向下正反转下压挤扩的过程不仅仅是对回填土层进行了挤密压实还对钻孔周边原状土层进行了挤密压实，因此通过这样处理以后的钻孔整体稳定性得到了很大的提升，有效的保证了后续工序安全高效稳定的推进。投入孔内的粘性土可以利用其它钻孔钻出的钻渣或就近取材。当预钻进一定深度后地层的薄弱之处最直观的暴露出来，松散软弱粘结性比较差的岩土塌落到孔底，于是在垮塌部位形成了大于钻孔直径的圆圈环状阶梯样空间。这就给岩土置换创造了条件，孔内投入黏土时哪里地层薄弱那里首先被黏土填充满、哪里地层最薄弱那里被置换的岩土最多，随后下入钻头正反转压实挤密过程中原先地层最薄弱的地段被挤进压实的黏土最多、形成的‘护壁’层越厚，当投入的黏土在钻头挤密最终密实度达到一定程度时钻进成孔后孔壁稳定质量良好。这一技术试验的成功为我们工地优质高效完成施工任务打下了良好的基础。10月21日330根护坡桩全部施工完毕，工期比原计划提前6天圆满完成了生产任务。

此种工作方法是我们从来没有使用过并且在桩孔施工领域没有听说过的。

在桩工施工领域对付干孔钻进松散、软弱、易塌孔地层有比较成熟的施工工艺。一般是改干孔钻进为泥浆护壁钻进工艺，泥浆护壁钻进工艺是目前应用最广泛工艺之一，此工艺应用时间比较长、工艺成熟、掌握此技术的工人众多。一般施工条件下，如果干孔钻进工艺施工受阻成孔困难，都会采用泥浆护壁钻进工艺施工。

采用泥浆护壁成孔灌注桩工艺施工目前通常用到方法有两种：一种是正或反循环钻进泥浆护壁成孔灌注桩，另外一种是旋挖钻进泥浆护壁成孔灌注桩工艺。这两种施工工艺都利用泥浆护壁成孔因此在钻进成孔之前需要先购买制造泥浆材料、制作泥浆池、安装制造泥浆设备、制造泥浆备用。在混凝土灌注成桩环节全采用水下混凝土导管灌注法进行混凝土灌注。水下混凝土导管灌注需要专业的灌注设备、施工质量要求比较高、施工难度比较大并且此工艺对施工作业人员专业技能与专业素质要求比较高。正或反循环钻进成孔速度比较慢并且利用泥浆护壁因此生产现场文明施工难度比较大，泥浆内含有化学成分，无论在生产过程还是后期泥浆处理过程都不可避免存在环境污染问题。旋挖钻进泥浆护壁工艺，成孔速度虽然比较快但它也利用泥浆护壁，所以同样存在现场文明施工的麻烦以及环境污染问题。旋挖钻机本身成本巨大，进出场费用较高。因此正或反循环钻进、旋挖钻进泥浆护壁成孔混凝土灌注桩施工成本巨大且施工进度较慢。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明创造。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明创造的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明创造将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法，其特征在于：其利用松散地层垮塌部位形成的环状空间，实现靶向岩土置换，地层最松散处被置换的岩土最多，随后下入钻头正反转压实挤密，最松散的地段被挤进压实的黏土最多，形成的护壁层越厚；其具体步骤如下：

1）施工中如果遇到地层密实度比较小的干燥、松散、易塌孔地层，可以先预钻穿该层的底板，提出钻杆观察钻孔内情况，如果孔壁发生垮塌事故，即刻向塌孔段投入湿粘性土，粘土投入量高于塌孔段顶板；

2）低速下入螺旋钻具并反转，利用螺旋钻具叶片下行产生的下压力和侧压力挤压，再以慢速正转钻进少许，如此反复2到3次，投入孔内的粘土在钻头挤扩作用下向孔壁四周挤扩密实；使塌孔部位岩土密实度上升达到60%以上时，塌孔段形成筒状或半圆筒状护壁环；以克服周边松散砂土向下滑动，得以形成完整钻孔。

2.根据权利要求1所述的松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法，其特征在于：步骤1）中高于塌孔段顶板控制为粘土投入量高于塌孔段顶板1m；

所述层密实度比较小的干燥、松散、易塌孔地层是指松散、干燥、密实度低的岩土；

所述湿粘性土指标为：最大干密度为1.86g／cm，含水量20％，液限W=35.8％，塑限=22.7％，塑性指数=13.1。

3.根据权利要求1所述的松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法，其特征在于：步骤1）中层密实度比较小的干燥、松散、易塌孔地层具体为：其密实度为松散或稍密；饱和度Sr≤5%；压缩模量平均值≤15；标准贯入试验锤击数N≤15。

4.根据权利要求1所述的松散地层非开挖原位换填螺旋钻进方法，其特征在于：步骤1）中高于塌孔段顶板控制为粘土投入量高于塌孔段顶板1m。