CN108060894A - 一种复杂地质条件下的钻孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂地质条件下的钻孔方法，钻孔过程中捞取钻孔中土样，进行比照并确定当前土层为淤泥层、砂粘层、卵石层或岩石层；新钻孔时采用新泥浆，新泥浆质量指标为：比重为1.03‑1.1g/cm3；粘度为：17‑20s；含砂率为＜2％；钻取淤泥层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.1‑1.20g/cm3；粘度为：16‑22s；含砂率为3‑5％；钻取砂粘层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.20‑1.30g/cm3；粘度为：18‑26s；含砂率为4‑8％；钻取卵石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.30‑1.50g/cm3；粘度为：19‑28s；含砂率为5‑9％；钻取岩石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.25‑1.35g/cm3；粘度为：17‑26s；含砂率为5‑9％。通过在不同地质条件下，选取不同性能的泥浆，保证不同地质条件下孔壁的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂地质条件下的钻孔方法，属于建筑施工技术领域。
背景技术
目前，灌注桩基一般采用旋挖钻机施工，泥浆贯穿于钻孔灌注桩施工全过程。旋挖钻机钻孔施工方法是在泥浆保护下钻进，钻进速度较快，因钻机结构决定,钻头钻进时,每孔要多次上下往复作业。泥浆主要作用是：保护孔壁，压抑地下水，防止孔壁坍塌；悬浮钻渣，延缓钻渣沉降。如果对护壁泥浆管理不善,就可能发生坍孔等事故，因此泥浆的性能指标是影响成孔、成桩质量的重要因素。在复杂地质条件下，比如具有淤泥层、砂粘层、卵石层和岩石层4层的土层内钻孔时，如果对泥浆选择不合适，就会出现孔壁坍塌、孔壁质量不合格等结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决上述技术问题，提供一种能够提高复杂地质条件下孔壁质量的钻孔方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种复杂地质条件下的钻孔方法，钻孔过程中捞取钻孔中土样，进行比照
并确定当前土层为淤泥层、砂粘层、卵石层或岩石层；
新钻孔时采用新泥浆，新泥浆质量指标为：比重为1.03-1.1g/cm3；粘度为：17-20s；含砂率为＜2％；
钻取淤泥层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.1-1.20g/cm3；粘度为：16-22s；含砂率为3-5％；
钻取砂粘层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.20-1.30g/cm3；粘度为：18-26s；含砂率为4-8％；
钻取卵石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.30-1.50g/cm3；粘度为：19-28s；含砂率为5-9％；
钻取岩石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.25-1.35g/cm3；粘度为：17-26s；含砂率为5-9％。
优选地，本发明的复杂地质条件下的钻孔方法，施工中钻渣随泥浆从钻孔内排出经泥浆槽进入沉淀池，沉淀后的泥浆在造浆池内与基浆或者新浆混合后回到钻孔内。
优选地，本发明的复杂地质条件下的钻孔方法，所述基浆由钠基膨润土：10-12重量份、水：100重量份和纯碱搅拌而成；制备过程中先将水与膨润土混合泥浆，膨润土颗粒在水中充分分散后即往溶液中加入纯碱，调整泥浆比重、粘度及pH值为：
粘度：20～22；比重：<1.03g/cm3；含砂率<0.3％；PH值：9～10；胶体率>98％；失水率：<20％；剪切力：2～4N。
优选地，本发明的复杂地质条件下的钻孔方法，制备基浆过程中，使用高压水泵经过自吸、反喷多次循环将水与膨润土混合而形成均质泥浆。
优选地，本发明的方法，制备基浆过程中，先将一定量的水加入造浆机中，再按比例加入膨润土，利用制浆机的机械功能进行高速旋转搅拌10-15min，高速搅拌速度为1200-1500r/min。
优选地，本发明的复杂地质条件下的钻孔方法，所述新浆的制备方法为：将0.02-0.06重量份羧基丁苯胶乳加入到NaOH溶液中混合均匀，将聚丙烯酰胺在羧基丁苯胶乳的NaOH溶液中水解成PHP凝胶，这样可保证羧基丁苯胶乳与PHP凝胶充分混合均匀，将PHP胶体按0.4-0.6kg每立方米基浆的量加入到基浆中制成新浆，新浆性能控制为：
粘度：26～35；比重：<1.04g/cm3；含砂率<0.3％；PH值：10～12；胶体率>100％；失水率：<20％；剪切力：4～6N。
优选地，本发明的复杂地质条件下的钻孔方法，所述羧基丁苯胶乳的总固含量为：52-53％；黏度(25℃)为：200-250mPa·S；pH值为8-8.5。
膨润土：主要成分为蒙脱石，分钙土和钠土，使用时加入纯碱改造成钠土用于配浆。具有相对密度低、失水量少、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、造浆能力大等优点。
烧碱(NaOH)：调整泥浆的ph值，使其保证在8—10的偏碱性范围内，以保证水化膜的厚度，提高泥浆的胶体率(稳定率)和稳定性，降低失水量，同时避免了因ph值过小而引起钻头锈蚀和粘土颗粒难于分解而降低粘度，也避免了ph值过大而引起粘土颗粒凝聚力减弱而造成裂解使孔壁坍塌。
羧基丁苯胶乳，是以丁二烯、苯乙烯加少量羧酸及其它助剂，通过乳液聚合生成的共聚物，是一种带有蓝紫色光泽的乳白色水分散体。能够提高泥浆的粘结力和结膜强度，提高钻孔时的固壁能力。同时，又能使砂粒聚合在一起，方便砂粒沉淀或者经过滤而去除。
本发明的有益效果是：
本发明的复杂地质条件下的钻孔方法，钻孔过程中捞取钻孔中土样，进行比照并确定当前土层为淤泥层、砂粘层、卵石层或岩石层；新钻孔时采用新泥浆，新泥浆质量指标为：比重为1.03-1.1g/cm3；粘度为：17-20s；含砂率为＜2％；钻取淤泥层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.1-1.20g/cm3；粘度为：16-22s；含砂率为3-5％；钻取砂粘层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.20-1.30g/cm3；粘度为：18-26s；含砂率为4-8％；钻取卵石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.30-1.50g/cm3；粘度为：19-28s；含砂率为5-9％；钻取岩石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.25-1.35g/cm3；粘度为：17-26s；含砂率为5-9％。通过在不同地质条件下，选取不同性能的泥浆，保证不同地质条件下孔壁的质量。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种复杂地质条件下的钻孔方法，钻孔时依次钻过淤泥层、
砂粘层、卵石层和岩石层；
新钻孔时采用新泥浆，新泥浆质量指标为：比重为1.03-1.1g/cm3；粘度为：17～20s；含砂率为＜2％；
不同地质条件下的泥浆质量指标：
| 序号 | 地质情况 | 比重/g/cm3 | 粘度/s | 含砂率/％ |
| 1 | 淤泥层 | 1.1-1.20 | 16-22 | 3-5 |
| 2 | 砂粘层 | 1.20-1.30 | 18-26 | 4-8 |
| 3 | 卵石层 | 1.30-1.50 | 19-28 | 5-9 |
| 4 | 岩石层 | 1.25-1.35 | 17-26 | 5-9 |
钻孔时，泥浆的供给由泥浆循环系统负责：
泥浆循环系统主要组成：造浆机、泥浆池、循环沉淀池、泥浆泵、渣浆分离器及相关导管，充分利用机械效能，尽量减少占用空间。
施工中钻渣随泥浆从孔内排出经泥浆槽进入沉淀池，沉淀后的泥浆经造浆池返回钻进的孔内，形成不断的循环沉淀净化。泥浆循环顺序为：新制泥浆→造浆池→桩孔→泥浆槽→沉淀池→造浆池→桩孔。
为保护环境和文明施工，利用自动泥浆沉渣分离装备将废渣分离出，钻孔弃渣(废泥浆)放置到指定地方，不得任意堆砌在施工场地内或直接向水塘、河流排放，以避免污染环境。废泥浆用运输车送到处理场进行处理；钻渣待沉淀后运到指定的弃土场。
泥浆指标控制坚持分地层控制的原则，在钻孔过程中捞取钻孔中土样，和设计部门提供的地质资料相比照，根据不同的地层，采用不同的泥浆指标。
在钻进过程中应及时加入新浆和/或基浆，保持孔内泥浆指标的稳定。
基浆的配制方法：
基浆是由膨润土、纯碱和水拌制而成，钠基膨润土的细度为200目以下的占98％以上；制备过程中先将水与膨润土混合，膨润土和水在自然状态下不能混合成泥浆，必须通过高速率搅拌才能形成泥浆胶体。即在制浆池中装置高压水泵，经过自吸、反喷多次循环而形成均质泥浆。也可先将一定量的水加入造浆机中，再按比例加入膨润土，利用制浆机的机械功能进行高速旋转(1200-1500r/min)搅拌10min。膨润土颗粒在水中充分分散后即往溶液中加入纯碱，以调整泥浆比重、粘度及pH值配置好的基浆性能按照下表进行控制：
表基浆性能指标：
| 粘度 | 比重 | 含砂率 | PH值 | 胶体率 | 失水率 | 剪切力 |
| 20～22 | ＜1.03 | ＜0.3 | 9～10 | >98 | ＜20 | 2～4 |
新浆的配置方法：
将羧基丁苯胶乳加入到NaOH溶液中混合均匀，将聚丙烯酰胺在羧基丁苯胶乳的NaOH溶液中水解成PHP凝胶，这样可保证羧基丁苯胶乳与PHP凝胶充分混合均匀，将PHP胶体加入到基浆中即为新浆。配置好的新浆性能按照下表进行控制：
表新浆性能指标：
| 粘度 | 比重 | 含砂率 | PH值 | 胶体率 | 剪切力 |
| 26～35 | ＜1.04 | ＜0.3 | 10～12 | ＞99 | 4～6 |
本发明的配置方法，先配置基浆在配置新浆，得到的钻孔用泥浆，配置方法简单，成分和性能指标控制精确，有利于提高护壁泥浆在钻孔灌注桩施工过程中的各项性能指标，提高泥浆的质量；能使钻机得到较低的初切力，使泥浆易于放出裹在里面的气体，减少含砂率。在施工过程中不用进行二次清孔，直接进行混凝土的灌注，达到了成孔后泥浆指标满足规范要求。
实施例2
本实施例提供一种冲击钻钻进施工方法，包括以下步骤：
(1)钻进
冲击转就位开孔前，检查机座的平整度(用水平尺检测)及冲锤轴线的垂直度(用垂球或全站仪检测)以及冲锤是否对准桩位，以保证成孔的垂直度。在冲击的过程中也要经常检查，一旦发现垂直度超出范围应立即进行调整。
初钻进尺适当控制，采用小冲程钻进，使最初成孔竖直、圆顺，防止孔位偏心、孔口坍塌；进入粘土层后，采用大冲程钻进。对于嵌岩桩，快到达岩层层顶标高时，换用小冲程钻进，并及时检查钻头偏位情况，一旦发生偏位立即提钻，回填一定厚度宕渣后继续施工。
钻进过程中应在地层变化处均应捞取渣样，判断地质的类型，并根据实施例1中在不同地质时选用不同的泥浆，漏浆严重时，应及时补充泥浆保证孔壁稳定，钻进时应采用中冲程、低频率冲击，当发现成孔偏移时，应回填黏土至偏孔上方300～500mm处，然后重新冲孔。当遇到孤石时，采用高低冲程交替冲击，将大孤石击碎或挤入孔壁；遇基岩面高低不平时，加硬片石回填反复冲打至正常钻进。
事先在冲锤顶部1/3位置穿好打捞绳，因故掉钻时，及时利用钻机或吊机打捞钻具，同时进行泥浆循环，防止钻渣埋钻，必要时进行水下爆破，使冲锤松动后提出。
在各种不同的土层、岩层中成孔时，按下表操作要点进行施工。
不同土层成孔操作要点：
(2)清孔
采用泵吸反循环法清孔，由吸浆管、砂石泵、排浆管、泥浆池和沉淀池组成泵吸反循环系统，如将吸浆管安装在冲击钻头上，边冲击成孔边清孔，清孔效率高，成孔后用泥浆泵继续循环冲洗，换浆清理沉渣。开始保持原泥浆的比重进行循环，随着残存的沉渣不断的被减少，然后逐步降低泥浆比重，直到孔底沉碴满足要求为止。为了保持孔壁的稳定，上述工作应迅速进行。
实施例3
本实施例提供一种气举反循环钻机施工方法，包括以下步骤：
(1)初钻
先往孔内供泥浆，换出原孔中的清水。然后开动空压机送风吸渣，最后开动钻机转盘机构，并低速开钻，直至整个钻头进入正常速度钻进。反循环排渣时使用一台20m3/min的空压机，压力在0.7MPa左右。
(3)正常钻进
为了保证钻杆垂直，孔位准确，采用减压钻进，在钻杆上方加以配重块，使钻杆在钻进过程中始终受拉而保持钻杆垂直，以避免或减少弯孔、斜孔现象发生。
钻进时，空压机送风与钻锥回转同时进行，接钻杆时，将钻杆稍提升30cm左右，先停止钻锥回转，再送风数分钟，将孔底钻渣吸尽，再放下钻锥，进行拆装钻杆工作，以免钻渣沉淀而发生埋锥事故。另外，随时注意护筒口泥浆面标高，如果逐渐往下降时，立即补浆，以免发生坍孔事故。
换钻杆时，先用水洗净钻杆端面，加上经检查完好的橡胶垫圈，最后对孔接杆，务必做到接头紧密，避免漏气，漏水和松脱。
保证钻孔内水头，从泥浆池向孔口提供的泥浆量约等于从孔底通过钻杆排出的泥浆量，以避免孔壁坍塌现象发生。护筒内的泥浆面应比施工水位高出2～4m，确保内外水头压差。
钻进过程中，如发现钻杆有偏斜，应严格控制速度并采用扫孔方法纠正。钻进过程中，若钻杆卡死，溢流阀溢流时应立即提升钻杆，再缓慢下放改为轻钻压慢钻进，排除故障后正常钻进。
因故中断钻进时立即将钻头提起至安全位置(一般0.5～2m)，并送气10～15min，让砂石完全排出钻杆，再钻进时先送气10～15min，让泥浆充分循环，直至泥浆正常之后慢慢放下钻具钻进，要特别注意停钻时先提钻，停主机泵组，等排出的泥浆中无渣时方可停风，否则将会造成埋钻事故。
(4)钻孔施工过程中要随时对钻孔泥浆性能进行测试。断地质的类型，并根据实施例1中在不同地质时选用不同的泥浆，漏浆严重时，应及时补充泥浆保证孔壁稳定，钻进时应采用中冲程、低频率冲击，当发现成孔偏移时，应回填黏土至偏孔上方300～500mm处，然后重新冲孔。当遇到孤石时，采用高低冲程交替冲击，将大孤石击碎或挤入孔壁；遇基岩面高低不平时，加硬片石回填反复冲打至正常钻进。
钻进时卡埋钻是旋挖钻机最易发生的施工事故，施工过程中应采取积极主动的措施加以预防。当钻机施工时出现卡埋钻现象时，采取切实可行的措施及时进行处理施工事故。
1)采用吊车直接向上起吊；
2)用反循环等方法，清理钻筒周围沉渣，然后起吊。
(3)注意事项
1)由于钻机设备较重，施工场地必须平整、宽敞，并有一定硬度，避免钻机发生沉陷。
2)钻机施工中检查钻斗，发现侧齿磨怀，钻斗封闭不严时必须及时整修。
3)泥浆初次注入时，垂直向桩孔中间进行入浆，避免泥浆沿着护筒壁冲刷其底部，致使护筒底部土质松散。
4)因粘土层中钻进过深易造成颈缩现象，在钻机施工时应严格一次钻进深度。
5)钢筋笼或检孔器向孔内放置时，应由吊车吊起，将其垂直、稳定放入孔内，避免碰坏孔壁，使孔壁坍塌，在砼浇筑时出现废桩事故。
6)根据不同地质情况，必须检测清孔后灌注砼时泥浆性能指标，确保泥浆对孔壁的撑护作用。
钻孔施工过程控制及故障应对方法：
(1)钻孔施工控制措施
1)准备工作结束后，先慢速钻进，待整个钻头进入土层后，钻机调节到正常速度。
2)采用减压钻进，钻杆上设导向装置，利用超声波检测仪检孔，及时调整钻架、转盘水平保证钻孔垂直度。每天定期用超声波检测仪检孔两次控制桩孔斜度和缩、扩孔情况。
3)钻过护筒脚部位时必须慢速钻进，经常观察水面和水位情况，防止护筒脚漏浆，若发现漏浆必须马上回填或加压护筒后再钻进，确保安全成孔。
4)在钻孔平台上建立工地实验室，准备好配置水泥浆的原材料，随时可以调整泥浆的比重，钻进过程中，要保证泥浆的质量，每1～2小时测一次泥浆的粘稠度，相对密度、胶体率参数，根据泥浆成份的变化分析孔内、护筒脚等情况的变化而作出相应的处理措施。钻孔过程泥浆比重控制在1.06～1.2较为合适。
5)钻进过程中，严格控制孔内的水压比，密切监控涨、退潮情况，据此及时动态调整泥浆面位置，确保孔壁静压有0.02MPa以上，孔内的泥浆面比水面高出约2m，保证钻孔安全。
6)钻孔时废浆废渣均用运渣船运走，严禁直接排入江内，避免造成环境污染。
7)加接钻杆时，应先停止钻进，将钻头提起50-300mm维持冲洗液循环1—2min以清洗孔底并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵加接钻杆，钻杆连接应拧紧上牢，防止螺母、螺栓、拧缸工具等掉入孔内。
8)如钻进过程中产生坍孔、涌砂等异常情况时，应立即停钻停气，加泥浆增大水头压力抑制涌砂和坍孔。如果钻头被埋住则小气量循环泥浆排渣清出钻头后提起。处理好恢复钻进后，空压机排量不宜过大，以免吸坍孔壁。
9)钻进参数应根据地层各标高的地质情况控制钻进速度和转盘转速。
钻孔施工故障处理及预防方法：
1)漏浆
开钻前需准备足够的锯末和粘土等堵漏材料，当发生轻微漏浆时，可向孔内加入膨润土，若漏浆不能止住可再向孔内加入锯末，循环堵漏。当发生严重漏浆时，立即提出钻头，并向孔内加入1～2.0m的粘土，同时向孔内加泥浆，保证孔内水头高度，再向孔内加入1m左右的片石，重新冲击，把粘土挤到缝隙内堵漏。
2)掉钻
事先在冲锤顶部1/3位置穿好打捞绳，因故掉钻时，及时利用钻机或吊机打捞钻具，同时进行泥浆循环，防止钻渣埋钻，必要时进行水下爆破，使冲锤松动后提出。
3)塌孔、缩孔
相邻桩孔之间相互扰动。钻孔灌注桩是先成孔，依靠泥浆护壁，然后在孔内成桩，周围土移向桩身，土体对桩产生动压力。尤其是在成桩初始，桩身混凝土的强度很低时；钻孔进尺速度控制不好；护壁泥浆性能差；成孔后放置时间过长没有灌注混凝土。
主要技术措施有：
采取隔孔施工程序，选取适当的桩距是一项防止塌孔和缩孔稳妥的技术措施。
钻孔过程中要适当控制进尺速度：由硬地层钻到软地层时可适当加快钻进速度；当软地层变为硬地层时，要少加压慢钻进；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩孔；对硬塑层采用大压力快转速钻进，以提高钻进效率；砂层则采用中等压力，慢转速并适当增加泥浆比重和粘度。
为防止塌孔，孔内水位必须高出潮水位1m以上，钻进过程中适时控制泥浆性能指标，主要控制其密度为1.03～1.15g/cm3、粘度为20～25s、含砂率≤3％，若孔内自然造浆不能满足以上要求时，可采用添加外加剂的方法，改善泥浆的性能，通过对泥浆的除砂处理，可控制泥浆的密度和含砂率。
清孔后泥浆指标：相对密度：1.03～1.10；黏度：17～20Pa.s；含砂率：＜2％；胶体率：＞98％；
其中清孔后的泥浆指标，是从桩孔的顶、中、底部分别取样检验的平均值。本项指标的测定，现指大直径桩或有特定要求的钻孔桩。
对冲击成孔的桩，清孔后泥浆的相对密度可适当提高，但不宜超过1.15。
当泥浆指标达到相对密度1.03～1.10；粘度17～20s；含砂率＜2％；胶体率＞98％；沉淀厚度不大于设计要求后，停止清孔，拆除钻具，移走钻机。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种复杂地质条件下的钻孔方法，其特征在于，钻孔过程中捞取钻孔中土样，进行比照并确定当前土层为淤泥层、砂粘层、卵石层或岩石层；
新钻孔时采用新泥浆，新泥浆质量指标为：比重为1.03-1.1g/cm3；粘度为：17-20s；含砂率为＜2％；
钻取淤泥层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.1-1.20g/cm3；粘度为：16-22s；含砂率为3-5％；
钻取砂粘层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.20-1.30g/cm3；粘度为：18-26s；含砂率为4-8％；
钻取卵石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.30-1.50g/cm3；粘度为：19-28s；含砂率为5-9％；
钻取岩石层时，控制泥浆质量指标为：比重为1.25-1.35g/cm3；粘度为：17-26s；含砂率为5-9％。
2.根据权利要求1所述的复杂地质条件下的钻孔方法，其特征在于，施工中钻渣随泥浆从钻孔内排出经泥浆槽进入沉淀池，沉淀后的泥浆在造浆池内与基浆或者新浆混合后回到钻孔内。
3.根据权利要求2所述的复杂地质条件下的钻孔方法，其特征在于，所述基浆由钠基膨润土：10-12重量份、水：100重量份和纯碱搅拌而成；制备过程中先将水与膨润土混合泥浆，膨润土颗粒在水中充分分散后即往溶液中加入纯碱，调整泥浆比重、粘度及pH值为：
粘度：20～22；比重：<1.03g/cm3；含砂率<0.3％；PH值：9～10；胶体率>98％；失水率：<20％；剪切力：2～4N。
4.根据权利要求3所述的复杂地质条件下的钻孔方法，其特征在于，制备基浆过程中，使用高压水泵经过自吸、反喷多次循环将水与膨润土混合而形成均质泥浆。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，制备基浆过程中，先将一定量的水加入造浆机中，再按比例加入膨润土，利用制浆机的机械功能进行高速旋转搅拌10-15min，高速搅拌速度为1200-1500r/min。
6.根据权利要求2-5任一项所述的复杂地质条件下的钻孔方法，其特征在于，所述新浆的制备方法为：将0.02-0.06重量份羧基丁苯胶乳加入到NaOH溶液中混合均匀，将聚丙烯酰胺在羧基丁苯胶乳的NaOH溶液中水解成PHP凝胶，这样可保证羧基丁苯胶乳与PHP凝胶充分混合均匀，将PHP胶体按0.4-0.6kg每立方米基浆的量加入到基浆中制成新浆，新浆性能控制为：
粘度：26～35；比重：<1.04g/cm3；含砂率<0.3％；PH值：10～12；胶体率>100％；失水率：<20％；剪切力：4～6N。
7.根据权利要求6所述的复杂地质条件下的钻孔方法，其特征在于，所述羧基丁苯胶乳的总固含量为：52-53％；黏度(25℃)为：200-250mPa·S；pH值为8-8.5。
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