【知识课堂】旋挖在特殊地层钻孔施工，常见问题及解决方法！

目前，旋挖钻机因工艺先进，成孔快速稳定等优势，已经成为钻孔灌注桩主流的施工机械之一。由于各地工程地质条件千差万别，不同工程设计不太可能做到与实际地层完全一致，有时甚至还存在较大差异。因此，岩土施工单位在承揽钻孔灌注桩基工程时，桩基钻孔面临不小的不确定性。在桩基钻孔过程中有些技术问题若处置不当，不仅会造成较大的经济损失，还可能对工程设备甚至人员安全构成威胁。

结合近几年使用旋挖钻机在各类不同的地层钻进实践经验，总结了旋挖钻机在一些较为特殊地层钻孔施工经常遇到的技术问题及解决方法。希望给遇到类似问题的同行以借鉴。

一、软土等易塌地层

1、软土等易塌地层的特点及成孔风险

在软土、新近堆积的回填土以及新近沉积的松散的细砂类土层，若地下水位较高，旋挖钻机挖取土后，即使钻孔是在泥浆护壁的情况下，孔壁也很难保持稳定，极易造成塌孔或缩颈。由于该类地层多分布于地表浅层，随塌方量逐渐增大，钻孔周围地面将出现塌陷，经常造成护筒下沉。严重时还会对钻孔设备、作业人员等构成威胁。当遇到此类情况，特别是施工中发现孔口护筒已经悬空或下沉时，不应心存侥幸继续钻井，而就尽快回填钻孔，重新固定孔口护筒后再钻井。

2、旋挖钻孔的施工方法

在软土、新近回填土等用泥浆护壁也不能有效的含水地层，最有效率和保险的旋挖钻孔方法是采取长护筒壁措施。每台旋挖钻机视钻孔难易程度配置3个左右钢护筒、1台振动锤和1台足够起拔力的吊车;钢护筒长度就能够下放到软层底部，钢护筒直径宜大于桩径100mm左右(太大造成混凝土浪费;太小时钻头容易卡护筒。很难保证顺利施工)。利用长护筒护壁旋挖成孔时，应注意以下几点：

(1)应基本确认护筒下放深度范围内无100mm以上大直径石块;根据长护筒直径各下放长度选择合适功率的振动锤。

(2)小直径施工时，应综合考虑钻杆的外径及护筒直径的大小，钻杆外径宜比护筒直径小200mm以上，护筒长度较大时，差值应更大些以方便施工。

(3)应确保钢护筒下旋垂直度，尤其是较小直径的钻孔桩。

(4)灌注混凝土后应及时将护筒拔出。

(5)沉放钢护筒和旋挖成桩密切配合。钢护筒起拔后应能直接沉放到下一个待施工的钻孔。这样形成流水作业，将大大提高施工效率。

二、砂土、粉土地层

1、砂土、粉土地层的特点及成了风险

在细砂或粉土层钻时成孔时，若地下水位较高，需要采用泥将护壁成孔。该类地层由于颗粒间无粘接力，在水流作用下极易被冲刷。因为旋挖钻机成孔时直接取土成孔，钻孔的土是由钻斗循环往复提到地面的。钻斗在泥浆中运动，钻斗外侧水流速度较大，很容易造成孔壁的冲刷。孔壁冲刷下的砂粒进一步降低了护壁泥浆的护壁效果。更容易造成护颈甚至塌孔等问题。

2、旋挖钻孔的施工方法

采用泥浆护壁在分先较好的砂土或粉土地层中施工时，应考虑采取以下几点措施：

(1)适当降低钻头的下放和起拔速度，减小钻斗与孔壁之间泥浆的流速，减少冲刷。

(2)适当加大钻齿的外撇角度。增加孔壁与钻斗侧壁的间距。

(3)适当增加钻斗内流水孔面积，减小钻斗起拔过程中顶部和底部的负压，进而减小孔内泥浆的流速。

(4)配置优质泥浆护壁，及时量测孔内泥浆的含砂率。当超标时及时采取有效的措施。

(5)检查钻斗底盖闭合后的密封性。若发现扭曲造成空隙较大，应及时整修，以免造成漏砂。

三、漂石、孤石地层

1、石、孤石地层的特点及成孔风险

山区跳河大桥桩基施工时，钻也过程中经常遇到漂石地层。由于漂石颗粒直径较大且相互嵌固，常规捞砂钻头无法钻进;若强行钻井，极容易将钻齿掰断，甚至损伤钻杆。除此，还经常会遇到跟孔径相差无几的大孤石，或者是部分位于孔中的、大部分埋藏于孔周地层的探头石。若对孤石处理不当，会因长时间振动孔壁造成塌孔。若对探头石处理不当，容易造成斜孔，给后续钢筋笼的下放构成实际困难;下放钢筋笼后灌桩过程中坍塌的，还会严重影响成桩质量。

2、旋挖钻孔的施工方法

旋挖钻钻孔遇到大漂石地层时，若漂石地层位于浅表，宜用挖机将漂石挖除后回填黏土，并将孔口护筒下放到漂石层底，再行钻进;若漂石位于较深部位，当漂石粒径大于捞砂斗开口口径而无法正常钻井时，可用筒形钻头将大漂石取出后，再配合捞砂斗逐步钻井。

钻孔灌注桩遇到孤石时，若孤石恰好全部位于孔内，则可用筒形钻斗直接将孤石取出;若孤石大部分埋于孔周地层中形成探头石，则不应强行钻井。而就用筒形外头慢慢将探头石切断并取出后，方可下正常钻井。

四、硬黏土、泥岩地层

1、硬黏土、泥岩地层的特点及成孔风险

硬黏土给钻孔过程带来的最大问题是糊钻和卸土困难。相比第四系沉积地层，泥岩的典型特征是强度较高，遇水后软化且黏性大，易打滑。一般的循环钻机因为加压力很小，在泥岩中钻孔时，钻齿难以划割岩层，钻头会一直在泥面上打滑，钻井效率极低。利用旋挖钻机钻进泥岩时，尤其在孔深较大的情况下无法采用能够直接加压的机锁钻杆时，若钻头设计不当也容易出现钻进效率低下甚至钻不进等现象。

2、旋挖钻孔的施工方法

在硬黏土中钻井，应考虑采用体形式钻斗或将钻斗底部侧面开豁口等方式，以提高卸土效率。在泥岩地层旋挖钻孔灌注桩成孔，可从以下几点着手，以提高施工效率。

(1)优先选用机锁钻杆干也钻进。不得已采用摩擦钻杆钻进时，可以考虑增加钻杆和钻斗的重量，以便钻齿能够切入泥岩中并顺利建立加压力。

(2)对强风化及风化程度更高的地层，钻斗布齿时优先考虑用V19钻齿钻进。必要时可以通过割豁口、钻斗左右侧布齿高度差异，适当增加入岩角度等布局设计，钻斗布齿时须采用合金截齿，以提高抗磨和搞折断能力。

(3)基桩孔径较大时，应考虑采用分级钻进成孔。首级钻孔可采用长径比较大的筒形钻斗直接取芯;二级钻孔时利用与孔径大小相同的切齿外头钻井这。

(4)避免布齿过于稀疏。避免钻斗两侧布齿具有相同的切削轨迹，应及时修补磨损严重的边齿，有效避免钻齿过度磨损和托底造成的钻进困难。

北京中车重工旋挖钻机

五、灰岩溶洞地层

1、灰岩溶洞地层的特点及成孔风险

灰岩溶洞是在南方多山地区施工经常遇到的情况。该类地层基岩面由于侵蚀不均匀而起伏较大，溶洞大小、形状等各式各样。在该类地层施工钻孔灌注时，经常遇到代斜孔、突然漏浆并造成塌孔、卡钻掉齿甚至损伤钻杆钻具、混凝土超灌量特别大等情况。

2、旋挖钻孔施工方法题

在灰岩溶洞地层进行钻孔灌注桩施工，成孔时可以以下面几方面采取措施，以降低成孔风险。遇到基岩面时，放慢钻进速度以避免斜孔。

(1)认真比对钻探资料。当钻进到溶洞顶面附近时，应放慢钻进速度，备好充足的护壁泥浆及回填用黏土。当钻透洞顶造成孔内护壁泥浆急速下降时，应及时回填钻孔以避免塌孔。

(2)优先选用导向较好的直体加长钻斗。若已造成斜孔并在洞顶附近造成卡钻时，应缓慢旋转提钻。在钻斗顶部应及时焊接，以利于导向的斜梁结构。

(3)遇到溶洞较大且少充或无充填时应及时回填黏土并用旋挖钻斗反转压实。避免成孔后灌注混凝土过程中造成过量超方。

六、花岗岩等硬岩地层

1、花岗硅等硬岩地层的特点及成孔风险

许多特大桥设计桩基时要求基桩进入中风化硬岩达一定的深度，而且这些桩基设计的桩径的桩径多在1.5mm以上，甚至达到2m。如此大直径硬岩地层的钻进，对设备功率和加压力提出了较高的要求，一般需要扭矩在280kN.m以上的设备。在该类地层中钻进，钻齿的损耗很大，且对设备抗振动能力提出了较高的要求。

2、旋挖钻孔的施工法

在花岗岩、砂岩等硬岩地层中施工，应从以下几点采取措施，以提高成孔效率，降低风险。

(1)应选择功率在280kN.m及以上的钻进施工。提前准备好硬度较高、搞磨性较好的钻齿。无水地层应加水，以降低钻齿的磨损。

(2)合理配置钻具。该类地层大直径桩成孔时，应选择分级钻进方式。第一级应选择直径600mm~800mm的加长筒钻，直接取芯，创造自由面;或选择小直径螺旋钻钻进创造自由面。

(3)当硬岩地层发生斜孔后扫孔难度极大。因此遇到斜岩面时，务必修正后才能正常钻进。

七、结论

从近几年使用旋挖钻机施工钻孔灌注实践情况看，其可适用于大部分地层的施工;但是对某一具体项目而言，旋挖钻孔要能顺利和有效实施，需要根据实际地层和设计孔径、孔深等情况，合理选择机型，合理配置钻杆钻具，制定并落实好切实可靠的具体措施，总结起来有以下几点：

(1)做好孔口护壁措施。对需要护壁的钻孔，优先考虑泥浆护壁钻进。对软土及新近回填土等用泥浆护壁无法保证护壁效果的，应果断采用全护筒护壁。

(2)选择适当的机型。当钻机灵活，提放钻等速度快更适合地层好，深度和桩径不大的桩基施工。大钻机功率较大，能够钻进较硬地层和施工大直径钻孔。使用大功率钻机钻进简单地层，效率低下;使用小功率钻进，则无法钻进硬岩地层。

(3)合理配置钻具，根据实际情况优化钻齿布局。在钻机进场前，应根据地勘资料进行钻具配置;先钻进数孔作试探，待了解实际地质情况后，应根据实际情况及时优化钻齿布局。

(4)关键点谨慎钻进。在斜岩面、探头石、溶洞顶部等关键部位，应放慢钻进速度，提前准备好应急措施。目前，旋挖钻机因工艺先进，成孔快速稳定等优势，已经成为钻孔灌注桩主流的施工机械之一。由于各地工程地质条件千差万别，不同工程设计不太可能做到与实际地层完全一致，有时甚至还存在较大差异。因此，岩土施工单位在承揽钻孔灌注桩基工程时，桩基钻孔面临不小的不确定性。在桩基钻孔过程中有些技术问题若处置不当，不仅会造成较大的经济损失，还可能对工程设备甚至人员安全构成威胁。

结合近几年使用旋挖钻机在各类不同的地层钻进实践经验，总结了旋挖钻机在一些较为特殊地层钻孔施工经常遇到的技术问题及解决方法。希望给遇到类似问题的同行以借鉴。

一、软土等易塌地层

1、软土等易塌地层的特点及成孔风险

在软土、新近堆积的回填土以及新近沉积的松散的细砂类土层，若地下水位较高，旋挖钻机挖取土后，即使钻孔是在泥浆护壁的情况下，孔壁也很难保持稳定，极易造成塌孔或缩颈。由于该类地层多分布于地表浅层，随塌方量逐渐增大，钻孔周围地面将出现塌陷，经常造成护筒下沉。严重时还会对钻孔设备、作业人员等构成威胁。当遇到此类情况，特别是施工中发现孔口护筒已经悬空或下沉时，不应心存侥幸继续钻井，而就尽快回填钻孔，重新固定孔口护筒后再钻井。

2、旋挖钻孔的施工方法

在软土、新近回填土等用泥浆护壁也不能有效的含水地层，最有效率和保险的旋挖钻孔方法是采取长护筒壁措施。每台旋挖钻机视钻孔难易程度配置3个左右钢护筒、1台振动锤和1台足够起拔力的吊车;钢护筒长度就能够下放到软层底部，钢护筒直径宜大于桩径100mm左右(太大造成混凝土浪费;太小时钻头容易卡护筒。很难保证顺利施工)。利用长护筒护壁旋挖成孔时，应注意以下几点：

(1)应基本确认护筒下放深度范围内无100mm以上大直径石块;根据长护筒直径各下放长度选择合适功率的振动锤。

(2)小直径施工时，应综合考虑钻杆的外径及护筒直径的大小，钻杆外径宜比护筒直径小200mm以上，护筒长度较大时，差值应更大些以方便施工。

(3)应确保钢护筒下旋垂直度，尤其是较小直径的钻孔桩。

(4)灌注混凝土后应及时将护筒拔出。

(5)沉放钢护筒和旋挖成桩密切配合。钢护筒起拔后应能直接沉放到下一个待施工的钻孔。这样形成流水作业，将大大提高施工效率。

二、砂土、粉土地层

1、砂土、粉土地层的特点及成了风险

在细砂或粉土层钻时成孔时，若地下水位较高，需要采用泥将护壁成孔。该类地层由于颗粒间无粘接力，在水流作用下极易被冲刷。因为旋挖钻机成孔时直接取土成孔，钻孔的土是由钻斗循环往复提到地面的。钻斗在泥浆中运动，钻斗外侧水流速度较大，很容易造成孔壁的冲刷。孔壁冲刷下的砂粒进一步降低了护壁泥浆的护壁效果。更容易造成护颈甚至塌孔等问题。

2、旋挖钻孔的施工方法

采用泥浆护壁在分先较好的砂土或粉土地层中施工时，应考虑采取以下几点措施：

(1)适当降低钻头的下放和起拔速度，减小钻斗与孔壁之间泥浆的流速，减少冲刷。

(2)适当加大钻齿的外撇角度。增加孔壁与钻斗侧壁的间距。

(3)适当增加钻斗内流水孔面积，减小钻斗起拔过程中顶部和底部的负压，进而减小孔内泥浆的流速。

(4)配置优质泥浆护壁，及时量测孔内泥浆的含砂率。当超标时及时采取有效的措施。

(5)检查钻斗底盖闭合后的密封性。若发现扭曲造成空隙较大，应及时整修，以免造成漏砂。

三、漂石、孤石地层

1、石、孤石地层的特点及成孔风险

山区跳河大桥桩基施工时，钻也过程中经常遇到漂石地层。由于漂石颗粒直径较大且相互嵌固，常规捞砂钻头无法钻进;若强行钻井，极容易将钻齿掰断，甚至损伤钻杆。除此，还经常会遇到跟孔径相差无几的大孤石，或者是部分位于孔中的、大部分埋藏于孔周地层的探头石。若对孤石处理不当，会因长时间振动孔壁造成塌孔。若对探头石处理不当，容易造成斜孔，给后续钢筋笼的下放构成实际困难;下放钢筋笼后灌桩过程中坍塌的，还会严重影响成桩质量。

2、旋挖钻孔的施工方法

旋挖钻钻孔遇到大漂石地层时，若漂石地层位于浅表，宜用挖机将漂石挖除后回填黏土，并将孔口护筒下放到漂石层底，再行钻进;若漂石位于较深部位，当漂石粒径大于捞砂斗开口口径而无法正常钻井时，可用筒形钻头将大漂石取出后，再配合捞砂斗逐步钻井。

钻孔灌注桩遇到孤石时，若孤石恰好全部位于孔内，则可用筒形钻斗直接将孤石取出;若孤石大部分埋于孔周地层中形成探头石，则不应强行钻井。而就用筒形外头慢慢将探头石切断并取出后，方可下正常钻井。

四、硬黏土、泥岩地层

1、硬黏土、泥岩地层的特点及成孔风险

硬黏土给钻孔过程带来的最大问题是糊钻和卸土困难。相比第四系沉积地层，泥岩的典型特征是强度较高，遇水后软化且黏性大，易打滑。一般的循环钻机因为加压力很小，在泥岩中钻孔时，钻齿难以划割岩层，钻头会一直在泥面上打滑，钻井效率极低。利用旋挖钻机钻进泥岩时，尤其在孔深较大的情况下无法采用能够直接加压的机锁钻杆时，若钻头设计不当也容易出现钻进效率低下甚至钻不进等现象。

2、旋挖钻孔的施工方法

在硬黏土中钻井，应考虑采用体形式钻斗或将钻斗底部侧面开豁口等方式，以提高卸土效率。在泥岩地层旋挖钻孔灌注桩成孔，可从以下几点着手，以提高施工效率。

(1)优先选用机锁钻杆干也钻进。不得已采用摩擦钻杆钻进时，可以考虑增加钻杆和钻斗的重量，以便钻齿能够切入泥岩中并顺利建立加压力。

(2)对强风化及风化程度更高的地层，钻斗布齿时优先考虑用V19钻齿钻进。必要时可以通过割豁口、钻斗左右侧布齿高度差异，适当增加入岩角度等布局设计，钻斗布齿时须采用合金截齿，以提高抗磨和搞折断能力。

(3)基桩孔径较大时，应考虑采用分级钻进成孔。首级钻孔可采用长径比较大的筒形钻斗直接取芯;二级钻孔时利用与孔径大小相同的切齿外头钻井这。

(4)避免布齿过于稀疏。避免钻斗两侧布齿具有相同的切削轨迹，应及时修补磨损严重的边齿，有效避免钻齿过度磨损和托底造成的钻进困难。

五、灰岩溶洞地层

1、灰岩溶洞地层的特点及成孔风险

灰岩溶洞是在南方多山地区施工经常遇到的情况。该类地层基岩面由于侵蚀不均匀而起伏较大，溶洞大小、形状等各式各样。在该类地层施工钻孔灌注时，经常遇到代斜孔、突然漏浆并造成塌孔、卡钻掉齿甚至损伤钻杆钻具、混凝土超灌量特别大等情况。

2、旋挖钻孔施工方法题

在灰岩溶洞地层进行钻孔灌注桩施工，成孔时可以以下面几方面采取措施，以降低成孔风险。遇到基岩面时，放慢钻进速度以避免斜孔。

(1)认真比对钻探资料。当钻进到溶洞顶面附近时，应放慢钻进速度，备好充足的护壁泥浆及回填用黏土。当钻透洞顶造成孔内护壁泥浆急速下降时，应及时回填钻孔以避免塌孔。

(2)优先选用导向较好的直体加长钻斗。若已造成斜孔并在洞顶附近造成卡钻时，应缓慢旋转提钻。在钻斗顶部应及时焊接，以利于导向的斜梁结构。

(3)遇到溶洞较大且少充或无充填时应及时回填黏土并用旋挖钻斗反转压实。避免成孔后灌注混凝土过程中造成过量超方。

六、花岗岩等硬岩地层

1、花岗硅等硬岩地层的特点及成孔风险

许多特大桥设计桩基时要求基桩进入中风化硬岩达一定的深度，而且这些桩基设计的桩径的桩径多在1.5mm以上，甚至达到2m。如此大直径硬岩地层的钻进，对设备功率和加压力提出了较高的要求，一般需要扭矩在280kN.m以上的设备。在该类地层中钻进，钻齿的损耗很大，且对设备抗振动能力提出了较高的要求。

2、旋挖钻孔的施工法

在花岗岩、砂岩等硬岩地层中施工，应从以下几点采取措施，以提高成孔效率，降低风险。

(1)应选择功率在280kN.m及以上的钻进施工。提前准备好硬度较高、搞磨性较好的钻齿。无水地层应加水，以降低钻齿的磨损。

(2)合理配置钻具。该类地层大直径桩成孔时，应选择分级钻进方式。第一级应选择直径600mm~800mm的加长筒钻，直接取芯，创造自由面;或选择小直径螺旋钻钻进创造自由面。

(3)当硬岩地层发生斜孔后扫孔难度极大。因此遇到斜岩面时，务必修正后才能正常钻进。

七、结论

从近几年使用旋挖钻机施工钻孔灌注实践情况看，其可适用于大部分地层的施工;但是对某一具体项目而言，旋挖钻孔要能顺利和有效实施，需要根据实际地层和设计孔径、孔深等情况，合理选择机型，合理配置钻杆钻具，制定并落实好切实可靠的具体措施，总结起来有以下几点：

(1)做好孔口护壁措施。对需要护壁的钻孔，优先考虑泥浆护壁钻进。对软土及新近回填土等用泥浆护壁无法保证护壁效果的，应果断采用全护筒护壁。

(2)选择适当的机型。当钻机灵活，提放钻等速度快更适合地层好，深度和桩径不大的桩基施工。大钻机功率较大，能够钻进较硬地层和施工大直径钻孔。使用大功率钻机钻进简单地层，效率低下;使用小功率钻进，则无法钻进硬岩地层。

(3)合理配置钻具，根据实际情况优化钻齿布局。在钻机进场前，应根据地勘资料进行钻具配置;先钻进数孔作试探，待了解实际地质情况后，应根据实际情况及时优化钻齿布局。

(4)关键点谨慎钻进。在斜岩面、探头石、溶洞顶部等关键部位，应放慢钻进速度，提前准备好应急措施。

（来源：北京中车重工）