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【摘 要】结合沙坡头黄河特大桥11＃墩桩基钻孔灌注桩施工实例，着重介绍了大孔径钻孔桩在黄河漂石地层采用冲击钻十字冲锥成孔的方法。工程实践表明，采取传统的冲击式钻机钻进破碎漂石层是一种非常有效的方法，这为该类地层的顺利成孔积累了成功经验。
【关键词】黄河； 漂石层；冲击钻孔
Analysis the big bore path drill hole stake in the yellow river stone layer of become the bore
Hou Jian-sheng
(Ningxia highway construction administration quality safety place Yinchuan Ningxia 750000)
【Abstract】Combine a sand ascent a head yellow river big bridge 11# Ji to drill a hole to infuse to note a stake a construction especially solid example, emphasize introduction the big bore path drill a hole a stake an adoption at the yellow river Piao stone geologic strata pound at drill ten words blunt awl become the method of bore.The engineering practice enunciation and adopt tradition of pound at the type drill machine to drill into broken up Piao stone the layer be very 1 kind valid of method, this for should type geologic strata of smooth became a bore backlog success experience.
【Key words】Yellow river; Stone layer;Pound at to drill a hole
根据《宁夏地质志》中描述，宁夏境内的黄河从中卫黑山峡一直流经石嘴山出境总长约370公里，河床堆积的大颗粒物质（漂卵砾石）主要分布在黑山峡－中卫－中宁－叶盛，成分以石英砂岩、硅质岩为主，岩质坚硬，地层密实，是目前大直径钻孔工程施工中要解决的难题之一。本文结合沙坡头黄河特大桥11＃墩桩基钻孔灌注桩施工实例，着重介绍了漂石地层采用冲击钻成孔的方法。
1. 工程概况及地质构造
沙坡头黄河特大桥位于宁夏中卫市常乐镇小湾村西侧，是上海至武威公路中宁至营盘水高速公路跨越黄河的一座特大桥，桥址区处于黄河黑山峡峡口地带，黄河河谷呈不对称的“U”形宽谷地貌，桥位处河面宽为200m～250m，水深7m。主桥上部为65m+2×120m +65m预应力混凝土连续刚构箱梁，下部构造为矩形薄壁空心墩、基础采用2.0m钻孔灌注多排桩，桩长64m，桩基持力层为弱风化泥灰岩层。
根据设计文件的地勘报告，11＃墩桩基位置地质情况从河床顶以下依次为：
①细砂亚砂土层厚0.4m，深灰色、饱和、流塑。
②漂石层厚8.7m，灰色、粒径一般25～40cm，最大可达50cm，填充物以砾石为主，漂石成分以石英砂岩、硅质岩及灰岩为主，岩质坚硬、密实。
③强风化砾岩层厚4.0m。
④弱风化粉砂质泥岩层厚28.0m。
⑤微风化泥灰岩层厚7.6 m。
⑥微风化石英砂岩层厚17m。
桩基成孔时要穿过厚度达7～20m含粒径20～50cm不等的漂石层，属桩孔难钻进地层。如何有效地成功钻进此段地层是本桥桩基施工的重点和难点。
2. 钻机选型
目前钻孔桩施工采用的大都是大口径钻机，常见的有3种类型。第1类是冲击钻机，如冲击钻、冲抓钻机等。根据冲锤的不同，冲击钻又分为实心锤和空心锤；第2类是回转钻机，包括正循环钻机和反循环钻机，依据配备的钻头的不同，又分为合金钻、牙轮钻和滚刀钻等；第3类就是目前市场上应用比较广泛的旋挖钻机。
冲击钻机适用于所有土层，空心冲击锥用冲击锥进行冲砸，提筒进行捞渣，钻具上下速度快，成孔后清孔换浆时间短，适用于黏土层、密实的砂层、圆砾层施工，但用于含粒径大于15cm的卵石层和坚硬岩石层钻进时则进尺缓慢，而且冲击锥易损坏。实心冲击锥适用于卵石层、坚硬岩层的钻进，锤头重量大，冲程长，落距大，在卵石层和坚硬岩石中成孔效果较好。
回转钻机正循环回转钻机的特点是进尺速度比冲击钻略快，但由于清孔时间长，特别是在钻进坚硬岩石层时必须配置滚刀钻头或牙轮钻头，所以成孔费用要比冲击钻机高。反循环钻机适用于黏土层和密实砂层，进尺速度较快，不需要清孔，但在钻进粒径大于10cm的卵砾石层时常会因吸水管堵塞而很难钻进；对于厚度较大的松散砾层，由于砾层所含泥浆比重小，护壁效果不好，经常造成塌孔；对于坚硬岩石，必须配置滚刀钻头或牙轮钻头，钻进速度与正循环回转钻机相似。
旋挖钻机适用于黏土层和密实砂层，进尺速度优势明显，不需要清孔，无需大量制造浆液。但其缺点是对于厚度较大的松散砂层在钻进时易塌孔，在卵石含量较大的卵石层钻进时速度慢，更不适用漂石及坚硬岩石。
需要指出的是，任何一种机械设备都不是万能的，都有其适用范围，关键是找到切入点。施工中不注意其施工质量和超过其适用范围，就会出现质量问题，甚至造成重大事故及经济损失。
在选择钻机类型时，根据沙坡头黄河特大桥11＃墩桩基位置地质情况结合以上对钻机的适用能力分析最终选择了冲击钻机。在施工中钻机的型号采用了两种，一种是YCJF-25型钻机，该钻机是一种大口径全液压冲击反循环钻机，冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外，冲击锥头如图1；另一种是CZ系列实心十字冲锥，通过钢丝绳带动冲锤上下运动，通过冲锤自由下落的冲击作用，将漂石或岩石破碎，钻渣随泥浆正循环排出，十字冲击锥头如图2。
图1冲击反循环钻机空心冲锥
3. 成孔的难点及解决的方法
桥梁桩基大孔径钻孔灌注桩在黄河水下漂石层成孔过程中难点是漏水严重，清渣慢，进尺慢，工效低。第四纪冲洪积卵漂石层是由于黄河刚出黑山峡峡谷，河水从上游携带来的大颗粒物质卵漂石在峡口区域经过千百万年的沉积，形成厚度达7.0～20.0m的卵漂石层，颗粒直径大，岩质坚硬。钻进过程中，由于锤头的击打、扰动，在漂石层孔壁出现严重漏水现象。
在钻孔进尺的过程中，保证顺利进尺完成成孔主要有三个关键要解决的问题：第一就是要将漂石击碎；第二是如何将击碎的漂石碎渣清出孔外即清渣；第三是要解决钻进过程中的漏浆问题，漏浆最终可能造成孔壁坍塌。当孔内水头高度与河面水位标高基本一致时，首先会造成孔底泥浆和河床地下水的循环补充而造成孔底泥浆的稀释，漂浮的碎卵石沉淀，无法将渣清除出来，最终无法进尺。
图2实心十字冲锥
图3十字型冲击锥（mm）
在沙坡头黄河特大桥11＃墩桩基施工中，施工单位根据地质和孔径、桩长等情况决定采用底部锥形多点冲击锥（如图1）进行施工。施工在未到漂石层还比较正常，但进尺到达漂石层时，护筒内水位开始急速下降，孔底开始漏水。暂时停止进尺后，重新加一定量的片石、胶泥保持水头高度后再进行施工，但到了漂石层又开始漏水，如此反复不能进尺。针对这种情况，监理和施工单位做了认真分析，此种冲击锥虽能击破漂石，但冲击过程中只能击碎片石、胶泥等，不能起到其冲击力向四周扩散。胶泥、片石不能挤入孔内漂石层四周漂石的缝隙，只靠浆液护壁是不能满足护壁的要求，抵挡不住地下潜流水的涌入，因此要解决漂石缝隙地下水潜流的涌入，就必须采取很有效的护壁。最后采用十字冲击锥（锤）（如图3）进行施工。
冲锥由锥身、刃脚和转向装置三部分组成。锥身重力越大，冲击破碎能量越大，钻进效率相应提高，但是总重不得超过卷扬机的起重能力。锥刃脚下的刃口要用优质焊条焊上耐磨层，特别加强。
十字冲击锥（锤）的突出优点一是自身质量重（6～8T），冲击量大，在一定的势能下，能够很有效的击破漂石；二是和一般冲击锥相比，用锤头冲击造孔过程中，它能够将事先填入的胶泥、片石混合物冲击挤压扩散到孔壁四周的漂石缝隙内，成孔后，孔壁四周形成一层密实的土层，堵住孔内孔外水的流出流入，对稳定孔壁，起到很好护壁作用。它的缺点是由于冲击式钻机的钻进是将岩石破碎成粉粒状钻渣，功率消耗很大，钻进效率很低。因此，除在漂卵石层钻孔时采用外，其它地层中已被其它型式的钻机所取代。
在开钻时，要慢速钻进，待导向部位或钻头全部进入地层后，方可加速钻进。在钻进的过程中必须要加强泥浆护壁，对于通过漂石地层针对漏水问题采取的处理措施：按7：3或6：4比例先回填片石、粘土，再用锥锤大、小冲程交替冲击，以将漂石冲碎成钻渣一同挤进孔壁，防止渗漏，在此过程中，应防止斜孔和坍孔。当遇有钻孔漏浆时，如护筒内水头不能保持，应增加护筒埋深，适当减少水头高度，或采取加稠泥浆，也可按一定比例填入水泥、锯末、聚丙烯混合物，反复冲击，以增强护壁。
施工注意的主要问题：
（1）十字锥（锤）头的要求首先是要选择一定重量的锥（锤）头（6～8T），二是十字冲锥（锤）的底部应向外凸，即中间凸于其他四点，底部不能向内凹，否则将减小冲击力。冲击过程中被冲物向四周扩散能力小，严重时还有可能发生吸锥（锤）现象。
（2）十字锥（锤）底的中间部分要焊一定厚度的锰钢，根据施工磨损情况及时补焊。
（3）护筒的埋设不易过浅。要经常按一定比例加胶泥和片石，特别是在护筒脚处上下部位造壁时要反复造壁，反复加胶泥块和片石。
4．结论
在黄河漂石地层中采用冲击法进行大孔径钻孔施工，即采取传统的钢绳简易冲击钻配十字冲锥钻进破碎漂石层是一种非常行之有效的施工方法，能够有效地解决卵漂石层中其他类型钻机不能攻克严重漏浆的难题，具有无可比拟的优越性。该方法工艺简单、安全可行、成本较低，均能一次性成孔，更重要的是大大节省了工序时间，赢得了工期。
参考文献
［1］ 人民交通出版社《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）
［2］ 姚玲森主编《桥梁工程》北京：人民交通出版社，2000
［3］ 交通部第一公路工程局编制《公路施工手册（桥涵）》 北京：人民交通出版社，2003年10月
［文章编号］1619-2737（2010）11-12-229
［作者简介］ 侯建生，工作单位：宁夏公路建设管理局质量安全处。
【关键词】黄河； 漂石层；冲击钻孔
Analysis the big bore path drill hole stake in the yellow river stone layer of become the bore
Hou Jian-sheng
(Ningxia highway construction administration quality safety place Yinchuan Ningxia 750000)
【Abstract】Combine a sand ascent a head yellow river big bridge 11# Ji to drill a hole to infuse to note a stake a construction especially solid example, emphasize introduction the big bore path drill a hole a stake an adoption at the yellow river Piao stone geologic strata pound at drill ten words blunt awl become the method of bore.The engineering practice enunciation and adopt tradition of pound at the type drill machine to drill into broken up Piao stone the layer be very 1 kind valid of method, this for should type geologic strata of smooth became a bore backlog success experience.
【Key words】Yellow river; Stone layer;Pound at to drill a hole
根据《宁夏地质志》中描述，宁夏境内的黄河从中卫黑山峡一直流经石嘴山出境总长约370公里，河床堆积的大颗粒物质（漂卵砾石）主要分布在黑山峡－中卫－中宁－叶盛，成分以石英砂岩、硅质岩为主，岩质坚硬，地层密实，是目前大直径钻孔工程施工中要解决的难题之一。本文结合沙坡头黄河特大桥11＃墩桩基钻孔灌注桩施工实例，着重介绍了漂石地层采用冲击钻成孔的方法。
1. 工程概况及地质构造
沙坡头黄河特大桥位于宁夏中卫市常乐镇小湾村西侧，是上海至武威公路中宁至营盘水高速公路跨越黄河的一座特大桥，桥址区处于黄河黑山峡峡口地带，黄河河谷呈不对称的“U”形宽谷地貌，桥位处河面宽为200m～250m，水深7m。主桥上部为65m+2×120m +65m预应力混凝土连续刚构箱梁，下部构造为矩形薄壁空心墩、基础采用2.0m钻孔灌注多排桩，桩长64m，桩基持力层为弱风化泥灰岩层。
根据设计文件的地勘报告，11＃墩桩基位置地质情况从河床顶以下依次为：
①细砂亚砂土层厚0.4m，深灰色、饱和、流塑。
②漂石层厚8.7m，灰色、粒径一般25～40cm，最大可达50cm，填充物以砾石为主，漂石成分以石英砂岩、硅质岩及灰岩为主，岩质坚硬、密实。
③强风化砾岩层厚4.0m。
④弱风化粉砂质泥岩层厚28.0m。
⑤微风化泥灰岩层厚7.6 m。
⑥微风化石英砂岩层厚17m。
桩基成孔时要穿过厚度达7～20m含粒径20～50cm不等的漂石层，属桩孔难钻进地层。如何有效地成功钻进此段地层是本桥桩基施工的重点和难点。
2. 钻机选型
目前钻孔桩施工采用的大都是大口径钻机，常见的有3种类型。第1类是冲击钻机，如冲击钻、冲抓钻机等。根据冲锤的不同，冲击钻又分为实心锤和空心锤；第2类是回转钻机，包括正循环钻机和反循环钻机，依据配备的钻头的不同，又分为合金钻、牙轮钻和滚刀钻等；第3类就是目前市场上应用比较广泛的旋挖钻机。
冲击钻机适用于所有土层，空心冲击锥用冲击锥进行冲砸，提筒进行捞渣，钻具上下速度快，成孔后清孔换浆时间短，适用于黏土层、密实的砂层、圆砾层施工，但用于含粒径大于15cm的卵石层和坚硬岩石层钻进时则进尺缓慢，而且冲击锥易损坏。实心冲击锥适用于卵石层、坚硬岩层的钻进，锤头重量大，冲程长，落距大，在卵石层和坚硬岩石中成孔效果较好。
回转钻机正循环回转钻机的特点是进尺速度比冲击钻略快，但由于清孔时间长，特别是在钻进坚硬岩石层时必须配置滚刀钻头或牙轮钻头，所以成孔费用要比冲击钻机高。反循环钻机适用于黏土层和密实砂层，进尺速度较快，不需要清孔，但在钻进粒径大于10cm的卵砾石层时常会因吸水管堵塞而很难钻进；对于厚度较大的松散砾层，由于砾层所含泥浆比重小，护壁效果不好，经常造成塌孔；对于坚硬岩石，必须配置滚刀钻头或牙轮钻头，钻进速度与正循环回转钻机相似。
旋挖钻机适用于黏土层和密实砂层，进尺速度优势明显，不需要清孔，无需大量制造浆液。但其缺点是对于厚度较大的松散砂层在钻进时易塌孔，在卵石含量较大的卵石层钻进时速度慢，更不适用漂石及坚硬岩石。
需要指出的是，任何一种机械设备都不是万能的，都有其适用范围，关键是找到切入点。施工中不注意其施工质量和超过其适用范围，就会出现质量问题，甚至造成重大事故及经济损失。
在选择钻机类型时，根据沙坡头黄河特大桥11＃墩桩基位置地质情况结合以上对钻机的适用能力分析最终选择了冲击钻机。在施工中钻机的型号采用了两种，一种是YCJF-25型钻机，该钻机是一种大口径全液压冲击反循环钻机，冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外，冲击锥头如图1；另一种是CZ系列实心十字冲锥，通过钢丝绳带动冲锤上下运动，通过冲锤自由下落的冲击作用，将漂石或岩石破碎，钻渣随泥浆正循环排出，十字冲击锥头如图2。
图1冲击反循环钻机空心冲锥
3. 成孔的难点及解决的方法
桥梁桩基大孔径钻孔灌注桩在黄河水下漂石层成孔过程中难点是漏水严重，清渣慢，进尺慢，工效低。第四纪冲洪积卵漂石层是由于黄河刚出黑山峡峡谷，河水从上游携带来的大颗粒物质卵漂石在峡口区域经过千百万年的沉积，形成厚度达7.0～20.0m的卵漂石层，颗粒直径大，岩质坚硬。钻进过程中，由于锤头的击打、扰动，在漂石层孔壁出现严重漏水现象。
在钻孔进尺的过程中，保证顺利进尺完成成孔主要有三个关键要解决的问题：第一就是要将漂石击碎；第二是如何将击碎的漂石碎渣清出孔外即清渣；第三是要解决钻进过程中的漏浆问题，漏浆最终可能造成孔壁坍塌。当孔内水头高度与河面水位标高基本一致时，首先会造成孔底泥浆和河床地下水的循环补充而造成孔底泥浆的稀释，漂浮的碎卵石沉淀，无法将渣清除出来，最终无法进尺。
图2实心十字冲锥
图3十字型冲击锥（mm）
在沙坡头黄河特大桥11＃墩桩基施工中，施工单位根据地质和孔径、桩长等情况决定采用底部锥形多点冲击锥（如图1）进行施工。施工在未到漂石层还比较正常，但进尺到达漂石层时，护筒内水位开始急速下降，孔底开始漏水。暂时停止进尺后，重新加一定量的片石、胶泥保持水头高度后再进行施工，但到了漂石层又开始漏水，如此反复不能进尺。针对这种情况，监理和施工单位做了认真分析，此种冲击锥虽能击破漂石，但冲击过程中只能击碎片石、胶泥等，不能起到其冲击力向四周扩散。胶泥、片石不能挤入孔内漂石层四周漂石的缝隙，只靠浆液护壁是不能满足护壁的要求，抵挡不住地下潜流水的涌入，因此要解决漂石缝隙地下水潜流的涌入，就必须采取很有效的护壁。最后采用十字冲击锥（锤）（如图3）进行施工。
冲锥由锥身、刃脚和转向装置三部分组成。锥身重力越大，冲击破碎能量越大，钻进效率相应提高，但是总重不得超过卷扬机的起重能力。锥刃脚下的刃口要用优质焊条焊上耐磨层，特别加强。
十字冲击锥（锤）的突出优点一是自身质量重（6～8T），冲击量大，在一定的势能下，能够很有效的击破漂石；二是和一般冲击锥相比，用锤头冲击造孔过程中，它能够将事先填入的胶泥、片石混合物冲击挤压扩散到孔壁四周的漂石缝隙内，成孔后，孔壁四周形成一层密实的土层，堵住孔内孔外水的流出流入，对稳定孔壁，起到很好护壁作用。它的缺点是由于冲击式钻机的钻进是将岩石破碎成粉粒状钻渣，功率消耗很大，钻进效率很低。因此，除在漂卵石层钻孔时采用外，其它地层中已被其它型式的钻机所取代。
在开钻时，要慢速钻进，待导向部位或钻头全部进入地层后，方可加速钻进。在钻进的过程中必须要加强泥浆护壁，对于通过漂石地层针对漏水问题采取的处理措施：按7：3或6：4比例先回填片石、粘土，再用锥锤大、小冲程交替冲击，以将漂石冲碎成钻渣一同挤进孔壁，防止渗漏，在此过程中，应防止斜孔和坍孔。当遇有钻孔漏浆时，如护筒内水头不能保持，应增加护筒埋深，适当减少水头高度，或采取加稠泥浆，也可按一定比例填入水泥、锯末、聚丙烯混合物，反复冲击，以增强护壁。
施工注意的主要问题：
（1）十字锥（锤）头的要求首先是要选择一定重量的锥（锤）头（6～8T），二是十字冲锥（锤）的底部应向外凸，即中间凸于其他四点，底部不能向内凹，否则将减小冲击力。冲击过程中被冲物向四周扩散能力小，严重时还有可能发生吸锥（锤）现象。
（2）十字锥（锤）底的中间部分要焊一定厚度的锰钢，根据施工磨损情况及时补焊。
（3）护筒的埋设不易过浅。要经常按一定比例加胶泥和片石，特别是在护筒脚处上下部位造壁时要反复造壁，反复加胶泥块和片石。
4．结论
在黄河漂石地层中采用冲击法进行大孔径钻孔施工，即采取传统的钢绳简易冲击钻配十字冲锥钻进破碎漂石层是一种非常行之有效的施工方法，能够有效地解决卵漂石层中其他类型钻机不能攻克严重漏浆的难题，具有无可比拟的优越性。该方法工艺简单、安全可行、成本较低，均能一次性成孔，更重要的是大大节省了工序时间，赢得了工期。
参考文献
［1］ 人民交通出版社《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）
［2］ 姚玲森主编《桥梁工程》北京：人民交通出版社，2000
［3］ 交通部第一公路工程局编制《公路施工手册（桥涵）》 北京：人民交通出版社，2003年10月
［文章编号］1619-2737（2010）11-12-229
［作者简介］ 侯建生，工作单位：宁夏公路建设管理局质量安全处。