專利名稱：復雜地層灌注樁施工采用多級合金超前牙輪鉆頭回旋鉆進成孔工法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及巖土工程施工技術領域，具體的說是一種復雜地層灌注樁施工采用多級合金超前牙輪鉆頭回旋鉆進成孔工法。
背景技術：
在復雜地層灌注樁施工工法中，不同的成孔工藝均有不同的適用條件，在工程投資、工程質量、工程進度上也有很大差別。人工挖孔方式對樁徑、地下水及地層特性等條件要求較高、安全性風險高；沖擊鉆成孔在基巖面起伏較大、巖層產狀陡直、傾角較大時，樁孔極易偏斜且不易糾偏、往往屢糾屢偏；回旋鉆成孔采用常規(guī)合金鉆頭或牙輪鉆頭鉆進基巖層和碎塊石土層時，鉆進效率低，易出現(xiàn)順層跑、斜孔、憋鉆、卡鉆甚至埋鉆現(xiàn)象；旋挖成孔對地下水位及巖層特性要求高，普通鉆頭入巖困難，且對設備損害較大。由于復雜地層灌注樁施工中的不確定因素甚多，不可避免總有牙輪掌或小型操作工具等落入孔內或卡鉆、埋鉆、掉鉆等意想不到的施工事故發(fā)生，若不打撈和處理，很有可能需要更改設計，采用補樁措施補救。這些措施不僅延誤工期，還會給合同履行和控制工程成本等帶來不利影響。特別是巖溶發(fā)育地區(qū)，由于巖溶狀態(tài)各異，溶洞、溶溝、溶槽的位置、深度、形狀及大小等情況變化無常，給施工帶來更多更大的困難，尤其在遇到“葫蘆串”狀溶洞、裂隙時，以上常規(guī)方法基本無法正常保證嵌巖達到設計要求，造成許多質量隱患。

發(fā)明內容
本發(fā)明是一種針對諸如塊石堆填地層、基巖面陡傾地層、含“葫蘆串”狀溶洞地層、 折線形裂隙地層、上下不同心的串珠狀裂隙地層、半邊巖等復雜地層灌注樁采用多級合金超前牙輪鉆頭回旋鉆進成孔的施工工法。本發(fā)明復雜地層灌注樁施工采用多級合金超前牙輪鉆頭回旋鉆進成孔工法，包括
1、采用常規(guī)鉆頭鉆進到塊石土或陡傾基巖等復雜地層表面；
2、根據(jù)勘察報告提供的地層特性，對多級合金超前牙輪鉆頭的傾角進行優(yōu)化設計；
3、采用常規(guī)鉆頭鉆進到復雜地層表面后，將多級合金超前牙輪鉆頭運至孔口，并通過鉆具連接器與原鉆頭設備的鉆具連為一體，借助鉆探設備的動力下放到孔內，通過鉆探記錄確定鉆孔的深度，將多級合金超前牙輪鉆頭下放到孔底；
4、輕輕拉直鋼絲繩，讓活動滑車的彈簧處于壓縮狀態(tài)，保證牙輪處于全鉆壓狀態(tài)，以 2檔速度轉動鉆機轉盤，觀察鉆具進尺，當活動滑車的彈簧處于放松狀態(tài)時，緩緩下放鋼絲繩，使彈簧處于壓縮狀態(tài)；
5、鉆頭入巖深度在50cm以上后，輕提鋼絲繩，使彈簧處于壓縮狀態(tài)，離合器掛到3、 檔，采用低壓高速鉆進，直到入巖或孔深滿足設計要求；
6、對巖溶地層，根據(jù)鉆孔超前鉆資料，鉆進過程中，當鉆頭進入巖溶接近下層溶洞頂板時，應降低轉速，低壓低速鉆進，以免因進尺過快造成鉆頭偏移，影響鉆孔垂直度；
7、當鉆頭鉆進至傾斜的較硬巖石或半邊巖(一邊為巖石，一邊為土)時，因鉆桿、特制鉆頭的多級導正效果，加之低壓高轉速鉆進，可使傾斜巖層或半邊巖形成臺階，防止鉆頭“順層跑”(溜坡現(xiàn)象)，有效避免樁孔的偏斜。8、所述的低壓是指鋼絲繩僅上拉鉆桿及部分鉆頭重量，使鉆頭有掃孔且慢進現(xiàn)象為準，由卷揚控制，鉆頭切削刃壓巖重量< (1/ 鉆頭重量。用卷揚鋼絲繩受力控制鉆壓需保持一定時間(最初入巖時保持時間不得少于15min)，以確保切削具在該壓力下有時間切入巖石，避免切削沒來得及形成由小變大的臺階就離開該處。9、所述的高轉速是指鉆機轉速，根據(jù)鉆頭口徑大小，采用中檔或高檔轉速時，可以使合金在巖石斜面上高線速度、利于形成巖石臺階。低轉速是指轉速15 30r/min，中轉速是指轉速3(T75r/min，高轉速是指轉速> 75r/min。現(xiàn)場實際施工時，不同廠家生產的不同型號的鉆機轉速往往不同，總的來說分為三檔或四檔位，其中低速為1檔，中速為2檔，高速為;Γ4檔。10、鉆孔過程中，采用較大比重泥漿，利于有效保護孔壁，防止塌孔，并且可懸浮更多鉆渣，加快鉆進速度；比重較大的泥漿是指泥漿比重為1. 3^1. 6。有溶洞樁孔可加強上部護壁剛度防止孔壁開裂，孔口地層復雜時先應進行人工或機械挖孔清障，并設置一定高度的鋼護筒，防止孔口地層過于松散引起塌孔事故。11、成孔過程若出現(xiàn)泥漿緩慢流失或瞬時快速流失時，即應迅速加大泥漿濃度。采取的改進措施主要包括增加固相含量(膨潤土或優(yōu)質粘土的摻量由5%增加到10%)、增粘 (添加Na-CMC. (Hv)劑，將其在鉆孔泥漿中的含量增加至0. 3%)、添加“橋接堵漏”材料(主要有細顆粒核桃殼和棉籽殼)；
12、若漏漿現(xiàn)象并未緩解時，向孔內投以泥包、碎石等，并用鉆具低錘夯實，使泥漿中的大分子增粘材料和橋接堵漏材料與泥包碎石充分混合，從而攜帶填充物堵塞裂隙，根除樁孔漏漿現(xiàn)象；泥包、碎石的選擇簡單，孔周雜填土或泥漿池沉淀物均可利用(其中泥漿池沉淀物要經過凈化沉淀后才能使用)；個別坍漏現(xiàn)象較為嚴重的孔，可投入水泥砂漿包，下鉆低錘夯實，若泥漿面穩(wěn)定則靜置M小時后重新開鉆；仍然漏漿時則用低標號混凝土灌滿樁孔，待其具有一定的強度2-3天后，即可再次進行鉆進成孔；
13、當?shù)叵驴變?、孔底因不良地層造成斷鉆桿、掉鉆具及鉆頭時，采用鉆具打撈器進行打撈；
14、當施工過程中孔內牙輪掌斷裂或不慎落入孔中及其他小型操作工具不慎墜落孔中時，采用落物打撈箕斗進行打撈；
15、采用該成孔工法尤其對多有串珠狀溶洞且上下不同心、多陡傾巖面及多半邊巖的巖溶地區(qū)地層的灌注樁施工有效。所述的鉆進到復雜地層表面，其判別依據(jù)為施工勘察報告及鉆進進尺速度與鉆進狀態(tài)，當普通鉆頭鉆進速度明顯減慢，鉆桿跳動激烈并出現(xiàn)憋鉆現(xiàn)象時即可認為到達復雜地層表面；
所述的對多級合金超前牙輪鉆頭的傾角進行優(yōu)化設計，是指根據(jù)勘察報告提供的巖層特性，對每個場地的多級合金超前牙輪鉆頭的傾角進行優(yōu)化設計， 根據(jù)巖土力學的基本理論，要使鉆進效率最高，多級合金超前牙輪鉆頭的傾角Q應滿足如下關系tan 5 = ^IJrj
式中β—多級合金超前牙輪鉆頭的傾角(° )
口一巖土材料和鉆頭界面之間的滑動摩擦系數(shù)，取值在0. 2^1之間； 多級合金超前牙輪鉆頭的傾角0的最優(yōu)值在45°飛0°之間，考慮將鉆頭實際形狀簡化為圓錐型的影響，實際取值與理論分析的傾角相比偏大，因此，在實際應用時，傾角可稍禾肖偏大；
本發(fā)明復雜地層灌注樁施工采用多級合金超前牙輪鉆頭回旋鉆進成孔工法的優(yōu)越主要在于采用了多級合金超前牙輪鉆頭，其優(yōu)點是利用牙輪的滾動鉆進減小阻力，多級破碎，切割巖石，保證進尺；利用多級合金段修正孔壁，而且使孔壁容易切割成臺階，防止“順層跑”，能夠在不同心“葫蘆串”溶洞的鉆進過程中由偏向變?yōu)橥?，減少孔偏，良好的導正性能保證復雜地層鉆孔樁的垂直度要求；能夠準確高效地找到持力層，而上部的多級鋼圓筒既能輔助導正又能收集巖石屑料，以利于技術人員判斷地層巖性；因鉆頭不易搖擺，偏孔率低，擴徑率低，充盈系數(shù)低；利用孔內循環(huán)泥漿作為冷卻液和沖洗液，避免牙輪運轉時溫度過高而破壞牙輪掌結構，通過泥漿循環(huán)沖洗破碎面，將破碎下來的巖石顆粒帶走，避免重復破碎，增強了破碎巖石的效果；可適用于普通回轉鉆機正反循環(huán)工藝，鉆頭加工簡單，起落鉆方便；成孔垂直度好，持力層可靠，樁基工程質量可靠度高，近年的工程實踐證明，采用該工藝施工的灌注樁成孔成功率為100%，樁檢合格率100%。


圖1為本發(fā)明多級合金超前牙輪鉆頭結構示意圖。圖2為本發(fā)明多級合金超前牙輪鉆頭的物理模型和簡化幾何模型示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明復雜地層灌注樁施工采用多級合金超前牙輪鉆頭回旋鉆進成孔工法，本工法的基本施工工藝操作流程嚴格按照《建筑樁基技術規(guī)范(JGJ 94-2008)》中關于鉆孔灌注樁施工的要求執(zhí)行，這里僅以巖溶地區(qū)穿透串珠狀溶洞應用該工法施工為例，將其區(qū)別于傳統(tǒng)施工方法之處具體說明，其他不再一一說明
采用常規(guī)鉆頭鉆進到基巖層表面，其判別依據(jù)為巖溶施工勘察報告及鉆進速度與狀態(tài)(鉆進速度明顯減慢，鉆桿跳動現(xiàn)象激烈并出現(xiàn)憋鉆即表明已到基巖表面)；
采用常規(guī)鉆頭鉆進到基巖層表面后，根據(jù)勘察報告提供的巖層特性選擇合適傾角的多級合金超前牙輪鉆頭，將其運至孔口，并通過鉆具連接器與原鉆頭設備的鉆具連為一體，借助鉆探設備的動力下放到孔內，通過鉆探記錄確定鉆孔的深度，將多級合金超前牙輪鉆頭下放到孔底；
輕輕拉直鋼絲繩，讓活動滑車的彈簧處于壓縮狀態(tài)，保證牙輪處于全鉆壓狀態(tài)，以2檔速度轉動鉆機轉盤，觀察鉆具進尺，當活動滑車的彈簧處于放松狀態(tài)時，緩緩下放鋼絲繩， 使彈簧處于壓縮狀態(tài)；
鉆頭入巖深度在50cm以上后，輕提鋼絲繩，使彈簧處于壓縮狀態(tài)，離合器掛到3、檔， 采用低壓高速鉆進，直到入巖或孔深滿足設計要求；根據(jù)鉆孔超前鉆資料，鉆進過程中，當鉆頭進入上層溶洞接近下層溶洞頂板時，應降低轉速，低壓低速鉆進，以免因進尺過快造成鉆頭偏移，影響鉆孔垂直度；
所述的低壓是指鋼絲繩僅上拉鉆桿及部分鉆頭重量，使鉆頭有掃孔且慢進現(xiàn)象為準， 由卷揚控制，鉆頭切削刃壓巖重量< (1/2)鉆頭重量。用卷揚鋼絲繩受力控制鉆壓需保持一定時間(最初入巖時保持時間不得少于15min)，以確保切削具在該壓力下有時間切入巖石，避免切削沒來得及形成由小變大的臺階就離開該處。所述的低轉速是指鉆機轉速，根據(jù)鉆頭口徑大小，采用中檔或高檔轉速時，可以使合金在巖石斜面上高線速度、利于形成巖石臺階。低轉速是指轉速15 30r/min，中轉速是指轉速3(T75r/min，高轉速是指轉速> 75r/min?，F(xiàn)場實際施工時，不同廠家生產的不同型號的鉆機轉速往往不同，總的來說分為三檔或四檔位，其中低速為1檔，中速為2檔，高速為 3 4檔。鉆孔過程中，采用較大比重泥漿，利于有效保護孔壁，防止塌孔，并且可懸浮更多鉆渣，加快鉆進速度；比重較大的泥漿是指泥漿比重為1. 3^1. 6。有溶洞樁孔可加強上部護壁剛度防止孔壁開裂，孔口地層復雜時先應進行人工或機械挖孔清障，并設置一定高度的鋼護筒，防止孔口地層過于松散引起塌孔事故。成孔過程若出現(xiàn)泥漿緩慢流失或瞬時快速流失時，即應迅速加大泥漿濃度。采取的改進措施主要包括增加固相含量(膨潤土或優(yōu)質粘土的摻量由5%增加到10%)、增粘(添加Na-CMC. (Hv)劑，將其在鉆孔泥漿中的含量增加至0. 3%)、添加“橋接堵漏，，材料(主要有細顆粒核桃殼和棉籽殼)；
若漏漿現(xiàn)象并未緩解時，向孔內投以泥包、碎石等，并用鉆具低錘夯實，使泥漿中的大分子增粘材料和橋接堵漏材料與泥包碎石充分混合，從而攜帶填充物堵塞裂隙，根除樁孔漏漿現(xiàn)象；泥包、碎石的選擇簡單，孔周雜填土或泥漿池沉淀物均可利用(其中泥漿池沉淀物要經過凈化沉淀后才能使用)；個別坍漏現(xiàn)象較為嚴重的孔，可投入水泥砂漿包，下鉆低錘夯實，若泥漿面穩(wěn)定則靜置M小時后重新開鉆；仍然漏漿時則用低標號混凝土灌滿樁孔，待其具有一定的強度2-3天后，即可再次進行鉆進成孔；
當?shù)叵驴變?、孔底因不良地層造成斷鉆桿、掉鉆具及鉆頭時，采用鉆具打撈器進行打撈；具體實施時，當鉆桿局部位置斷裂時，鉆具打撈器利用漸開線的原理搜索目標，對復雜地層鉆桿貼近孔壁的，可以利用打撈鉤漸開線導槽將鉆桿扶正，然后導入打撈鉤中取出 ’導槽寬度大于鉆桿外徑rSmm，使斷掉的鉆桿、鉆具易滑落進入導槽目標位置；鉆具打撈鉤平面與鉆具連接器之間的夾角70° SB SSOci,實踐證明采用這種夾角鉆桿不易出槽脫落；當發(fā)生卡鉆現(xiàn)象時，有可能打撈鉆具的頂部連接振動錘，利用鉆具傳動使鉆頭與孔壁出現(xiàn)松動，考慮受力，這種情況下夾角可以適當增大，但不得大于90° ；當斷裂部位發(fā)生在鉆頭根部時，使用打撈直鉤，直鉤鉆頭上預留有孔洞、翼板和纏繞在鉆頭上的保護鋼繩；
當鉆孔內發(fā)生掉物或牙輪掌、合金塊等因磨損而脫落的事故時，可迅速將落物打撈箕斗運至孔口，通過鉆具連接器與原有鉆機連為一體，借助鉆機的動力下放到事故孔底，使用人工或機械慢檔輕輕轉動部件，讓打撈箕斗在孔內貼近孔底處順時針緩慢旋轉，將落物鏟入打撈箕斗中，緩緩提升鉆具，然后逐段起鉆提升。
權利要求
1.一種基于回旋鉆成孔方式的強巖溶地區(qū)灌注樁施工工法，其特征在于其步驟如下⑴采用常規(guī)鉆頭鉆進到巖溶層和碎石土層表面；⑵根據(jù)勘察報告提供的巖層特性，對多級合金超前牙輪鉆頭的傾角進行優(yōu)化設計； ⑶采用常規(guī)鉆頭鉆進到巖溶層和碎石土層表面后，將多級合金超前牙輪鉆頭運至孔口，并通過鉆具連接器與原鉆頭設備的鉆具連為一體，借助鉆探設備的動力下放到孔內，通過鉆探記錄確定鉆孔的深度，將多級合金超前牙輪鉆頭下放到孔底；⑷輕輕拉直鋼絲繩，讓活動滑車的彈簧處于壓縮狀態(tài)，保證牙輪處于全鉆壓狀態(tài)，以 2檔速度轉動鉆機轉盤，觀察鉆具進尺，當活動滑車的彈簧處于放松狀態(tài)時，緩緩下放鋼絲繩，使彈簧處于壓縮狀態(tài)；( 鉆頭入巖深度在50cm以上后，輕提鋼絲繩，使彈簧處于壓縮狀態(tài)，離合器掛到3、 檔，采用低壓高速鉆進，直到入巖或孔深滿足設計要求；(6)根據(jù)鉆孔超前鉆資料，鉆進過程中，當鉆頭進入巖溶接近下層溶洞頂板時，應降低轉速，低壓低速鉆進，以免因進尺過快造成鉆頭偏移，影響鉆孔垂直度；⑵鉆孔過程中，泥漿能保護孔壁，防止塌孔，并且浮渣可以加快鉆進速度，有溶洞樁孔可加強上部護壁強度以防止“流泥”引起孔壁開裂，局部下鋼護筒以防孤石引起較大的塌孔等事故，上部可以采用人工挖孔清障，而隨著孔深的逐漸增加，則需要選用比重較大的泥漿增強泥漿在該孔段的護壁效果；⑶泥漿比重大、粘度大雖然可以防坍塌，對成孔有利，但容易造成泥皮過厚，對樁基的承載力不利，因此選擇泥漿參數(shù)前，需先分析泥漿的失水過程⑶加大泥漿的比重在“瞬時失水”和“動失水”階段進行，泥漿的基漿配方為水和優(yōu)質膨潤土采取的改進措施主要包括增加固相含量(膨潤土的加量由5%增加到10%)、增粘(添加Na-CMC. (Hv)劑，將其在鉆孔泥漿中的含量增加至0. 3%)、添加“橋接堵漏”材料(主要有細顆粒核桃殼和棉籽殼)；(10)當泥漿改進后，向孔內投以泥包、碎石等，并用鉆具低錘夯實，使泥漿中的大分子增粘材料和橋接堵漏材料與泥包碎石充分混合，從而攜帶填充物堵塞裂隙，根除樁孔漏漿現(xiàn)象；泥包、碎石的選擇簡單，把孔周圍雜石土，或泥漿孔沉淀物反鏟，直接挖填，重復利用有效(但要經過凈化沉淀后才能使用)；個別坍漏現(xiàn)象較為嚴重的孔，需要投入水泥砂漿包，下鉆低錘夯實，在泥漿穩(wěn)定后起鉆，導到水下，待凝固后，再利用低標號混凝土灌滿，待其具有一定的強度后，即可再次進行鉆探成孔；(11)當?shù)叵驴變?、孔底因不良地層造成斷鉆桿、掉鉆具及鉆頭時，采用鉆具打撈器進行打撈；(1 當施工過程中孔內牙輪掌斷裂或不慎落入孔中及其他小型操作工具不慎墜落孔中時，采用落物打撈箕斗進行打撈；(1 本工法的施工工藝操作流程嚴格按照《建筑樁基技術規(guī)范(JGJ 94-2008)》中關于鉆孔灌注樁施工的要求執(zhí)行。
2.根椐權利要求1所述的一種基于回旋鉆成孔方式的強巖溶地區(qū)灌注樁施工工法，其特征在于所述的對多級合金超前牙輪鉆頭的傾角進行優(yōu)化設計，就是結合巖土力學的基本理論，要使鉆進效率最高，多級合金超前牙輪鉆頭的傾角Q應滿足如下關系tan 5 = ^IJrj式中β—多級合金超前牙輪鉆頭的傾角(° )巧一巖土材料和鉆頭界面之間的滑動摩擦系數(shù)，取值在0. 2^1之間。
3.根椐權利要求1所述的一種基于回旋鉆成孔方式的強巖溶地區(qū)灌注樁施工工法，其特征在于所述的泥漿的失水可以大致分為瞬時失水或孔底失水，主要發(fā)生在成孔前階段；動失水，主要發(fā)生在成孔過程及成孔后；靜失水，主要發(fā)生在下鋼筋籠導管澆砼之前的階段。
4.根椐權利要求1所述的一種基于回旋鉆成孔方式的強巖溶地區(qū)灌注樁施工工法， 其特征在于所述的加大泥漿的比重所采取的改進措施主要包括增加固相含量，即膨潤土的加量由5%增加到10%;增粘劑，即添加Na-CMC. (Hv)，將其在鉆孔泥漿中的含量增加至 0. 3% ；添加“橋接堵漏”材料，主要有細顆粒核桃殼和棉籽殼。
5.根椐權利要求2所述的一種基于回旋鉆成孔方式的強巖溶地區(qū)灌注樁施工工法，其特征在于多級合金超前牙輪鉆頭的傾角8的最優(yōu)值在45°飛0°之間，考慮將鉆頭實際形狀簡化為圓錐型的影響，實際取值與理論分析的傾角相比偏大，因此，在實際應用時，傾角可稍稍偏大。
全文摘要
一種基于回旋鉆成孔方式的強巖溶地區(qū)灌注樁施工工法，其要點在于(1)采用常規(guī)鉆頭鉆進到巖溶層和碎石土層表面；(2)結合巖土力學的基本理論，找出多級合金超前牙輪鉆頭的傾角的最優(yōu)化值與巖土材料和鉆頭界面之間的滑動摩擦系數(shù)的數(shù)學關系；(3)采用常規(guī)鉆頭鉆進到巖溶層和碎石土層表面后，將常規(guī)鉆頭換成多級合金超前牙輪鉆頭，先高壓低速鉆進，待鉆頭入巖深度在50cm以上后，低壓高速鉆進，直到入巖或孔深滿足設計要求；(4)為防止樁孔坍塌，提高樁基的承載力，對泥漿比重分階段優(yōu)化設計；(5)采用鉆具打撈器、落物打撈箕斗處理鉆孔過程的斷鉆桿、掉鉆、埋鉆、孔內牙輪掌斷裂、牙輪掌及其他小型操作工具不慎墜落孔等突發(fā)性事故。
文檔編號E21B7/10GK102409978SQ20111032857
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權日2011年10月26日
發(fā)明者丁洪元, 劉耀峰, 昌鈺, 李事業(yè), 潘獻義, 肖玉成, 陳斌 申請人:中冶集團武漢勘察研究院有限公司