旋挖钻机在不同地层施工中的多发事故分析

杨亚军;井文奇;赵娜

【摘 要】分析不同地层的物理特性和受力特点,综述了旋挖钻机施工过程中多发事故的预防、判别及处理方法,通过对这些施工工法的总结,力求为旋挖钻机的施工提供一定指导作用,提高钻机成孔效率,延长钻机使用寿命. 【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2010(036)029 【总页数】2页(P101-102)

【关键词】旋挖钻机;地层;多发事故;泥浆 【作 者】杨亚军;井文奇;赵娜

【作者单位】陕西建工集团机械施工有限公司,陕西,西安,710032;陕西建工集团机械施工有限公司,陕西,西安,710032;陕西建工集团机械施工有限公司,陕西,西安,710032 【正文语种】中 文 【中图分类】TU753

旋挖钻机施工具有成孔快、质量高、无噪声、无污染等特点[1],由于其在灌注桩施工中具备无可比拟的优势而受到越来越多施工单位的青睐,因此,现阶段旋挖钻机作为地下工程施工的主力军正处于方兴未艾的时期。其施工工艺流程(本文以静浆护壁施工工艺为例)为:施工准备→测量放线埋辅桩→设备就位→安装护筒→注浆/补

浆→钻进成孔→清孔→成桩。

由于地下工程往往是隐蔽工程,工程质量不易检测,而且一旦有事故发生很难补救,因此地下工程施工的复杂性和重要性不言而喻。旋挖钻机施工同样具有以上特点。施工过程中各步骤相辅相成,缺一不可。后续的施工以前面步骤为基础,因此必须严格保证每一步骤的质量控制都要扎实到位,在复杂地层施工中,任何一处的纰漏都有可能造成重大的事故。 1 各地层多发事故分析与处理 1.1 黏土层

黏土层中土颗粒小,胶结力强,透水性差,钻进后孔壁较为稳定,属于良性施工地层。黏土层施工钻进时,由于黏土附着力强,导致每次钻进后清渣时间过长,严重影响钻进效率,甚至卸土时间远远长于钻进时间。针对黏土层工况,为提高卸渣效率,防止事故发生,有必要对钻斗进行一定的改进。使用两瓣开合的钻斗或带有活塞装置可以将黏土推出的钻斗,不仅方便卸土,也能因为减少高速甩土而降低钻机能耗。 1.2 砂层

砂土也叫无黏性土,粒径较黏土大,胶结力弱,遇水软化,渗透系数大,地下水丰富时易发生流砂现象。砂土密实度不同时力学性质差异大,密实度高时,砂土强度大,结构稳定,压缩性小。其性质与形成的地质年代、颗粒组成、矿物成分有很大关系。因此施工前必须详尽了解砂层地质报告。砂层施工要保证“两慢”,即钻进速度慢,提钻速度慢。这是因为快速的钻进和提钻会造成孔内泥浆对孔壁稳定产生不利影响。如图1所示,快速提钻会在钻斗下部产生负压抽吸区和孔壁冲刷区,砂层本身颗粒间胶结力弱,又常含有丰富的地下水,因此容易引起孔壁坍塌,轻者出现混凝土灌注超量,严重时可能会引起孔壁大面积坍塌、地表沉陷。 1.3 卵、砾石层

卵、砾石层密实情况下硬度大、钻进困难、透水性强,形成的孔壁结构也较为稳定。

由于地层较硬,当旋挖钻机施工中钻进压力过大,会致使钻杆在该地层中长期大负荷运转,钻杆在大压力的作用下可能产生中部弯曲变形,而且钻进过程中又形成一种横向掰力,导致钻杆开裂、脱落等事故。处理时多采用汽吊法、爆破法或者冲砸法打捞孔内钻杆钻具碎片。不仅延误工期,还造成巨大的经济损失。因此该地层施工一方面要严格遵守操作规程,慢压慢钻,另一方面要经常检查易损易开裂的钻杆、钻齿和销轴等部位,做到及时修复或更换。由于碎石层渗透性大,钻至该层要注意泥浆品质,及时调整或补充泥浆,防止孔壁坍塌。

1.4 硬质岩层

对于工程设计为嵌岩端承桩的深基础,要求桩端入岩大于1.5倍桩径,因此旋挖钻机必须具备在硬质岩层钻进的能力。由于在坚硬岩层钻进缓慢,对切削具磨损大,对主机和钻杆也有很大的影响,因此选用合适的钻具和施工工法有重要的意义。 钻具选取先采用牙轮或截齿筒钻取心,之后使用锥形螺旋钻头破碎,再采用双底旋挖钻斗清渣,如果桩径偏大可以分级钻进。

钻进效率关键在于选取具备合适参数的钻具,同时及时清除岩层碎屑,当孔底清洁时,牙轮或截齿硬质合金刀刃始终作用在新鲜岩面上,很少进行二次破碎,所以钻进效率较高。 1.5 软土层

旋挖钻机在填土层钻进存在两方面问题:1)因杂填土结构松散、表面松软而致使较重的旋挖钻机无法在其上行走、就位;2)旋挖钻机就位后,由于杂填土的不均匀性导致成孔过程中钻机所处杂填土发生不均匀沉降,出现旋挖钻机歪斜等情形。因此可能造成钻孔偏斜、孔壁坍塌、钻机倾倒等事故。

处理方法为:可在杂填土上铺一层厚度约50 cm含碎砖块、石块的房渣土便于钻机行走;对于钻机就位后由于其钻机振动、钻杆摆动甩土等原因造成其下杂填土左右

或前后沉降不均匀问题,在旋挖钻机履带下铺垫厚钢板即可解决,要求厚度不小于20 mm、宽及长均比履带大出约1 m;钻机在一个桩位处钻进时间较长时要勤观察,测量钻机底盘是否水平。

旋挖钻机成孔过程中遇淤泥层时,易出现孔壁坍塌、缩孔现象,此时需注意以下几点:1)要慢速钻进,提钻下钻均要缓慢、均匀,且每次钻深不宜过大,以每次下钻少进尺、勤提钻为原则,下钻提钻时动作不要过猛,以防孔壁淤泥或垃圾塌落而埋住钻头。2)若是水下钻进,则应适当加大护壁泥浆的粘稠度,或直接向桩孔内投掷适量黏土块,然后下钻在软土段不进尺研磨一段时间再继续钻进。3)采用加长护筒或跟管钻进的办法维护孔壁稳定,此时须加快后续工序(吊装钢筋笼、灌注混凝土)的施工速度,并要及时拔出护筒,以防时间过长或桩孔内灌满混凝土后起拔护筒困难。 1.6 硬质胶泥夹层

硬质胶泥层常以透镜体形式夹杂于黏土层和砂层之中,塑性好、硬度低,理论进尺速度应该较快,然而实际施工中常常钻进效率低下,钻至该层经常出现钻斗在胶泥上打滑,钻齿不能很好的切入土中。要彻底解决问题,需要从改变钻具结构形式和改进施工操作手段着手,一方面要增加单位切削齿对地层的压力,使其能轻松插入胶泥层,而不是在上面打滑,因此钻齿角度要大,截面要尖。同时在筒内适当增加导土切断板,使胶泥从钻底顺利进入钻筒内,防止出现研磨糊钻的现象;另一方面钻机操作要使钻具接触胶泥层时突然加压,在显示钻压升高时再持续加压,进尺到位后,反转关闭钻底,防止有胶泥滑落,增加下次钻进难度。 1.7 冻土层

冻土成孔后结构稳定,不易坍塌,且不受地下水的影响。该地层施工难度在于钻进速度慢。因为冻土强度往往达到数十兆帕(饱和砂土在-10℃～-20℃时强度可从8 MPa增加到25 MPa),加压钻进阻力很大,钻杆扭矩较大容易产生断裂事故,而当不加压钻进时,冻土受长时扰动,温度上升,冻土融化后容易包裹钻头形成糊钻,不仅影响

进尺,清渣工作量也大。

根据冻土层的特点,钻进时宜采用定量切削的方法。采用定量切削,是将每钻进尺量控制在100 mm左右,冻土层薄,钻进阻力小,使冻土易于切削,又不致产生大量热量使其融化,钻机工作负荷也较低,冻土破碎成块状、片状等散状物,清渣容易。 如图2所示,螺旋钻头中心管与钻杆连接头采用托盘式连接,螺旋片与钻杆连接头间增加了加强装置连接,以改善钻头的受力结构,杜绝钻头常发生的连接头与中心管间开裂、管断裂及螺片开裂事故。

1.8 岩溶地层

岩溶也称喀斯特(Karst),由溶有CO2的水长时间的侵蚀和冲刷石灰岩、石膏或岩盐等形成。地表水侵蚀形成溶沟、溶槽,地下水侵蚀则形成溶洞或暗河。由于岩溶溶洞的隐蔽性,往往会造成施工中不可预见的事故发生,因此做好施工前的勘探工作十分重要。当桩基要通过大型溶洞且无法避让时,可根据实际情况首先进行地面预注浆,防止钻孔时出现大量漏浆和塌孔的现象。

由于溶洞地层的复杂性,目前采用旋挖钻机通过该类地层钻孔成功的案例鲜有报道。岩溶地层地下水较为丰富,常赋存于冲积层和岩层裂隙。为平衡地下水压,必须使用泥浆护壁。

另需要注意的是:当钻至溶洞顶板时,必须轻压慢钻。

对于大量漏浆的溶洞,可以向内泵入混凝土,填充至溶洞上方1 m处,待其强度达到30%后继续钻进。 2 施工中的其他影响因素

1)泥浆。旋挖钻机钻孔使用的泥浆不再承担携渣功能,但其仍发挥着重大的作用:平衡地下水压头、形成稳定的泥皮、防止塌孔、冷却钻头等,因此在施工中不可忽视对泥浆的管理。通过砂层、卵石层等易塌孔的地层时要严密观察孔内泥浆液面和品

质变化,当出现液面快速变化或有大量气泡产生时,往往出现孔壁坍塌事故,施工人员应该查明原因,迅速控制事故进一步恶化。另外,施工前要特别注意地层所含阳离子对泥浆品质的影响。

2)护筒。护筒具有导正钻头、控制桩位、隔绝地下水、防止孔口坍塌、抬高孔内静压水头、固定钢筋笼等必须严格保证质量。另外护筒对于穿越易缩径淤泥质黏土、易塌孔杂填土和砂层也有很大的保护作用。施工时需要注意的是保证护筒定位和垂直度的精确性,同时满足回填土强度要求,严防护筒底部渗漏,保证护筒在施工期间不发生错位等。

3)旋挖钻机选型。针对不同的工况,施工技术人员必须依据工程设计方案、地质情况选取适当的旋挖钻机型号和钻具形式。为钻具配备适当钻齿参数和布置形式是保证施工效率的前提。旋挖钻机的功率和扭矩也必须能够满足施工要求,此外,防止钻机长时满负荷运转对于保护钻机,延长使用寿命也有积极的作用。 3 结语

由于地质情况复杂多变,且同孔位不同深度地层性质也有千差万别的变化,因此不同的地质组合造就了工程的唯一性和不可重复性,对应于此的是施工中没有一成不变的工法,只有靠经验积累和灵活多变的处理方式,才能保证施工的顺利进行。 参考文献:

【相关文献】

[1]杨景峰,张文杰,赵海玉.旋挖钻机施工工艺及控制[J].交通科技,2006(6):20-22.

[2]杜文举,樊正林,王德惠.旋挖钻机在中细砂层和粉细砂层中的钻孔施工[J].四川建筑,2007(9):38-40. [3]胡连吉,崔德胜.浅谈泥浆护壁旋挖成孔灌注桩的施工[J].中国港湾建设,2004(4):8-10. [4]梁海东.旋挖钻孔灌注桩施工技术[J].山西建筑,2008,34(10):117-118.