泥浆护壁成孔施工技术

泥浆护壁成孔施工技术目前，国内施工直径Φ3000mm以上的嵌岩钻孔灌注桩，由于孔壁圆环面积大，入岩较深，成孔周期又长，为了确保成孔施工时孔壁的安全，一般将钢护筒打入到基岩，采用全套管钻进施工方法。在第四纪覆盖层较厚，而振动锤无法将钢护筒一次性打入到设计标高时，均结合吸泥机吸泥法击沉，但其吸泥深度受到河床地层的限制，在打入土深度较大时，采用“跟管钻进”法能将钢护筒打入深度提高到满足设计的要求，但其施工成本相当大，，即增加了造价，又延长的工期。鄂黄长江大桥主5墩19根Φ3000mm钻孔灌注桩成孔施工时，由于所采用的钢护筒直径达Φ400mm，基岩的埋藏又较深，一般达25m左右，在实际击振护筒时，由于本桥址河床底标高－7～－11m处含硬质粘土层，无法利用吸泥机将其吸除后跟进护筒，大部分钢护筒一次性基本上只能打入到该层标高，如果要将钢护筒打入到基岩，则必需采用“跟管钻进”技术击振护筒。由于受长江水每年汛期的影响，采用“跟管钻进”技术时，无法确保在6月份洪水期到来之前完成主墩水下基础的施工，因此，经过仔细研究，决定采用优质膨润土泥浆护壁成孔工艺。本工程成孔地质条件是：河床底高程1.24～3.98m覆盖层为细砂及含砾中细砂和卵石层，其基岩埋深较大，基岩面高程在－20.77～－26.01m之间,岩面起伏较大,在3m直径截面内岩面最大高程差达4m估计钢护筒只能打入到－7左右标高，受打护筒时河水冲刷的影响，其入土深度只有9m左右，在长江上，钻进3米直径的大口径桥桩，打入护筒这么短，而由于下部岩体完成，抗压强度又大，基岩成孔工作量多达15m，其施工周期长达15天左右，目前国内算首例，在做泥浆护壁施工方案时，我们先根据桥址处河床底地层情况，从钻进工艺对孔壁稳定性来考虑,我们对钢护筒应打入的最小深度进行试算。采取泥浆护壁的前题是合理的钢护筒入土深度，因为要求通过一定入土长度的钢护筒来建立合理的超压水头高度，同时结合优质膨润土泥浆才能达到泥浆护壁的要求。在本工程成孔施工过程中，由于对上述三方面的实施方案及控制措施进行了详细的组织设计，从1999年12月20日开工到2000年3月10圆满完成桩基施工，历时约80天，无一严重孔内事故，现对成孔过程中泥浆钻进防坍技术作介绍如下：合理的钢护筒打入深度众所周知，在深水河床钻进时，应在河床底埋设护筒，其主作用为隔离江水位，形成泥浆制作系统，同时建立孔内水头高度，以保证孔内的水头高度。理论上护筒打入深度越深越好，在基岩埋深较浅时，一般将护筒打入基岩，以维护钻进及灌注时的孔壁稳定，但本工程受诸多条件的限制，要将直径Φ3400mm长45米的护筒打入岩面，其施工工期不允许。根据我们以往施工经验，一次性能打入土10米就相当不错了，而打入的这10米能否满足钻进工艺建立超压水头的要求？能否防止泥浆的反串与坍孔？最小护筒埋深为多少？是本工程采用泥浆护壁成孔的技术关键。护筒底埋深的确定，本来就是一个复杂的技术问题，其计算公式也有较多，根据我们多年施工经验，结合土的渗透、流砂和管涌的原理，采用如下简便实用公式计算。在深水处钻孔时，为确保钻孔的安全，在采用反循环钻进时，一般要求有2米以上的水头压力，现假定超压水头3m，来研究孔壁的受力情况，桩孔内泥浆柱压力与孔壁土压力分布形成三个区域，即被动区、过渡区和塑性区，在被动区内，孔壁压力大于孔内泥浆柱压力，属易坍孔区，钢护筒最小应穿过该层；过渡区孔壁内外压力则接近平衡，根据钻探工艺理论，该区为钻进理想区，因为孔内外地层压力平衡，自然地层在钻头的拨动下容易通过循环系统将其孔内钻渣排出孔外，在石油钻探上，称作平衡钻井法，实际平衡控制相当困难，这里不作描述。对于本工程来讲，该过渡区仍属危险区，因为受长江涨落的影响，在孔壁地下水渗流作用下，若孔内泥浆压力大于孔壁压力时，容易发生孔内泥浆的反串，导致无法建立孔内水头高度，严重时护筒下沉、孔口坍塌，若孔内泥浆压力小于孔外地层及江水压力时，则容易发生垮孔，从而影响孔壁的安全，因此，钢护筒入土深度应最小应大于该深度Z0。由于我们钻孔施工平台采用钢管桩作支撑，一次性将钢管桩打入到基岩，平台上钻孔机械（约1000吨）的荷载通过钢管桩直接传递到基岩，因此，施工现场地面机械堆载不考虑，由于河床底为砂层，按朗肯土压力理论，在平衡点Z0处，桩孔周围无粘性土的被动土压力为：PZ＝KP×r×Z0式中：r－为土的容重；Z0－为计算点至土层面的深度；KP－为被动土压力系数（tg2（450+Φ/2））。孔壁外河水的压力为：PW＝rw×（h2+Z0）………………..（1）式中：rw－为水的容重；h2为河水深；孔壁内泥浆柱的压力为：P0＝rm×（h1+h2+Z0）……………..（2）rm为泥浆比重，h1为水头压力高度；在过渡区平衡点Z0处，孔内外压力平衡，故：P0＝PW＋PZ上式经整理后为：rm×（h1+h2）－rw×h2Z0＝rw＋KP×r－rm其中rw＋KP×r为河床土的饱和容重γd；一般在勘察报告中巳给出，因此上式可简写成：rm×（h1+h2）－rw×h2Z0＝＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿…………….（3）rd－rm根据公式(3)计算出来的Z0值即为在河床土质均匀密实时，护筒的最小下入深度，为防上由于河床上不匀质而引起局部渗透，长江水位涨落等造成孔内泥浆向外发生流动、管涌等事故，上式计算出Z0值应乘以1.5～２的安全系数作为采用的护筒埋置深度。根据公式（3）计算本工程护筒最小入土深度：[1.13×（3+17.4）－1×17.4]×2Z0＝＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＝13.4m1.97－1.13在实际护筒施工时，大部分钢护筒通过吸泥机吸泥法打入到该设计深度，其中，个别孔由于难以打入该深度，在钻出护筒时发生泥浆漏失，即串孔事故，我们分析认为，造成串孔的原因主要是由于护筒内吸泥时吸泥过深，搅动护筒底部地层所引起的，经跟进护筒1～3m后解决了这些问题。合理的超压水头高度及控制根据公式（2）孔内泥浆柱压力越大，对孔壁侧压力就越大，但由于本工程中护筒入土深度只有10～13.4m,为防止泥浆的反串，在初成孔时，我们设计水头高度为2.2m，由于河床底部砂层中含大量腐木，以及基岩面上含1～4m的卵石层，首先为防止漏浆而引起孔内事故，我们在钻机上安装了孔内水位灯，同时，在正常钻进过程中，设孔内水位观察岗，由专门人员观察孔内的水位，确保孔内发生泥浆漏失时，及时采取快速补浆措施。5＃墩3＃孔（初成孔）在钻穿岩面上部的卵石层，钻入基岩约6米后，仍发现有卵石从反循环出渣口排出，在此之前，我们曾提钻检查钻具，排除了卵石层钻进时落入钻头体内或夹在滚刀内，在基岩钻进由于钻具震动大，夹在滚刀内的卵石才掉落的可能。我们分析，由于基岩面倾斜，钻孔截面内，最大岩面高差达4米外，而在基岩上第四纪覆盖层为卵石层，孔壁卵石容易沿倾斜的岩面滑落孔底，由于钢护筒又无法跟进入岩，我们采取了提高泥浆粘度到20～23s，同时，建立3.5m的超压水头的措施，其效果很明显，在后续10天的钻孔过程中，未发现有卵石从出渣口排出，在终孔利用超声波测孔时发现，在砂层中，钻孔扩径约为3.4m,而在岩面上卵石层中达到了3.6m左右,充分说明在钻进过程中,卵石层的确发生坍落，在后续成孔过程中，我们根据护筒打入的情况，把水头高度控制在3.0～3.5m内，未发生孔壁坍落的问题。上面提到，在砂层钻进过程中，根据超声波测孔结果，发现砂层扩径3.4m，从钻探理论上讲，实际是一种坍孔（孔壁小面积坍落），我们分析认为与我们在该层钻进过程中进尺速度有关，在第一孔砂层钻进过程中，一般钻速0.2～0.3m/h,而在第二个孔钻进时,我们在平台上补浆来得及的情况下,提高钻速为0.7～1.3m/h,结果不但孔壁曲线直,而且扩径小，因此，我们认为，在砂层中应控制钻速在1m/h、转速在6~9rpm为好。优质膨润土泥浆护壁由于河床底部为大量的砂层，属不造浆地层，因此，应采用膨润土造浆，初成孔时，采用当地的黄粘土预先倒入孔内进行预水化，在开钻进利用刮刀钻头进行搅浆，但由于制成的泥浆中含砂量大，比重也过大（1.20～1.40），孔壁形成的泥皮过厚，特别是泥浆中的失水量大于20ml/30min，远远超过钻探工艺的要求，虽然泥浆比重大能增加孔内泥浆柱压力，但孔内泥浆柱的压力可通过调整水头高度很容易调节。因此，在第二孔施工时，不采用粘土，而在孔内先倒入膨润土和配制好的纯碱和片碱，在护筒内进行搅拌，泥浆搅拌好后，在合理水头压力下，钻出护筒，在钻进过程中，要求不断监测泥浆的失水量，泥皮厚度和粘度三项重要指标。由于风化的玄武岩泥侵严重，有时每钻进0.5m，泥浆比重就可能从1.12上升到1.25左右，此时，泥浆也变稠，其粘度达28s，因泥浆中粘土颗粒含量过高引起不良的粘度反应，表现为钻渣不易清除，基岩钻进速度迅速下降。针对这种情况，我们在反循环出水口接了一根放浆管和补水管，一方面溢除孔内的一部分泥浆，一方面补充清水，以保证泥浆的比重在1.15以内，含砂量＜4％，达到钻探工艺的要求。在实际操作中，我们首先设计了一个大粒径钻渣网，由专人负责排渣，出渣人员一方面负责出渣，同时观察孔底出渣异常情况，发现出渣异常时及时通知钻机操作人员。从孔内返出的泥浆经过3个护筒沉淀后流回孔内，每天由钻孔技术员对泥浆最重要的一项指标＿＿失水量进行测量，严格控制泥浆的失水量＜20ml/30min，这是防止钻孔事故的关键，失水量越小，其形成的泥皮薄而且致密坚韧，有利于巩固孔壁，而失水量越大，形成的泥皮越厚，在流塑性地层中易造成孔壁膨胀，导致坍孔。同时，通过对泥浆比重的监测，侧面了解孔内泥浆的表观性能，在比重大于1.15时,说明泥浆中的含砂量也上升、所形成的泥皮增厚,此时通过溢浆法对泥浆进行调整,除第一孔泥浆比重达1.25、含砂量达8％外,其余各孔流回孔内泥浆时比重均在1.15以内、含砂量＜4％,确保了优质泥浆的一个重要指标。在本工程开始施工过程中，个别孔超径较大，其主原因是泥浆的质量较差，其表现为泥浆比重大、粘度高、含砂量大和失水率大。经我们采用换浆的措施后，确保泥浆有以较低的泥浆比重，合适的粘度要求，以满足泥浆失水造壁形成薄而致密的泥皮，在基岩长达12天左右的钻进过程中，防止了上部第四纪覆盖层的坍塌。泥浆的酸碱度PH值也是一项重要的指标，在开始钻进时，由于泥浆的PH值较低，一般在7.5左右，在风化基岩钻进发生粘土侵时，入侵到泥浆中的风化基岩形成粘土颗粒不易分解，造成滚刀硬质合金片与合金片之间的间隙被粘土糊住，进尺慢，在技术员每次往孔内加NaOH液体时,发现夹在滚刀上的粘土块上返出来。根据这种情况,我们把PH值调至9~10,在提钻时,发