摘要：结合骆马沟1#大桥岸边桩基施工，分析了武当群片岩斜坡地层钻孔桩施工中遇斜坡岩钻进的技术难点，详细介绍了斜坡岩钻进的各种方法，并提出了针对不同岩性的斜坡岩应选用施工措施的依据及其优缺点，以达到快速钻进、降低成本的目的。
关键词：斜坡岩钻孔桩钢护筒水压爆破
Abstract: combining the llamas ditch the 1 # bridge pile foundation construction, analyzes the formation of wudang schist slope bored pile construction in rock slope in the drilling technology difficulty, detailed introduces the slope rock drill into the various kinds of methods, and puts forward the lithology according to different slope rock should choose the basis of construction measures and their advantages and disadvantages, in order to achieve rapid drilling, lower the cost of purpose.
Keywords: slope rock drilling pile steel tube the water pressure blasting
中图分类号： U443.15+4 文献标识码：A 文章编号：
随着近年来交通基建工程的增多，桥梁工程建设中所占的比例逐年增加，在特别是在山区修建的大量跨越河流、山谷的桥梁施工也具有极大挑战。桩基础已作为一种常见的使用极为频繁的桥梁基础形式出现，但是往往在桥梁跨越河流或山谷时，两岸近桥台的桥墩桩基础经常会受桥梁布孔设计或地形影响而位于水下斜坡岩上，使桩基钻孔施工时难度很大，容易出现无法钻进、频繁偏孔的状况，给施工进度带来阻碍，同时也增加施工成本。本位以在建骆马沟1#大桥为例就水下斜坡岩桩基钻进施工技术进行论述。
1 概述
1.1 工程概况
骆马沟1#大桥位于鄂西北山区，为双向四车道高速公路桥梁，桥跨设计为8孔30米T梁，交角90度，桥梁全长253.5米，最大桥墩高45米，桥梁上跨G209公路及官山河，除两端桥台为扩大基础外，其余桥墩均设计为群桩承台基础，其中5#墩位于河中央；4#墩和6#墩位于河流两侧靠岸斜坡地带，附近倾角约为35度。
1.2 地层构造
桥址区属构造侵蚀剥蚀低山地貌区，地形呈深切“V”型山谷，地址构造处鄂西北山区，大地构造位置属秦岭地槽系南秦岭印支褶皱带与扬子准地台区或秦昆纬向构造带、淮阳山字形与新华厦系第三隆起带及第二沉降带复合部位。桥址区普遍分布第四系冲洪积层、残坡积层，下伏基岩为元古界武当群片岩。桥梁横跨官山河常年流水，水深4~6米，下伏3~5米砂卵石层后进入武当片岩硬质岩层。
1.3 岩性特征
元古界武当群片岩总体呈斜向片状构造，根据外露岩面及取样观察，外观呈灰绿色，鳞片变晶结构，片状构造，其主要矿物成分为云母、长石、石英等，触摸滑感强烈，节理裂隙较发育。
岩石的物理力学性质指标详见表1。
表1 岩石的物理力学指标统计表
岩性 指标 饱和密度（g/cm3） 饱和抗压强度（MPa） 吸水率（%）
中风化片岩 统计数 9 12 13
最大值 2.8 38.2 0.5
最小值 2.6 14.9 0.2
平均值 2.7 27.1 0.26
标准差 0.05 7.17 0.08
变异系数 0.02 0.26 0.32
2 斜坡岩钻孔桩技术难点
骆马沟1#大桥4#墩和6#墩桩基础位于河流靠两岸侧水中，水下砂卵石层厚3~6米，以下为中风化武当群片岩，共计桩基16根，桩长20米，桩径1.5米，均采用冲击钻成孔。根据钻孔显示桥墩所在位置地下岩层倾斜度为35度~45度，受长期冲刷岩质坚硬，钻孔施工过程中当钻头贴近岩面时出现明显偏孔甚至钻机倾倒现象，进尺每天不足20cm，并时而出现塌孔、卡钻和掉钻情况，严重影响施工进度，并加大了桩基成孔的成本。
3 产生偏孔原因分析
通过对骆马沟1#大桥岸边水中桩基在斜坡岩上钻进过程中出现的问题进行总结分析，有以下几方面原因导致钻机钻进困难，发生了偏孔、卡钻和掉钻现象，影响整体工程工期进展，加大了桩基施工的成本投入。
（1）斜坡岩倾斜岩面直接影响。当钻头向下垂直跌落遇斜面时，因钻头周边物理性质不同进而偏向物理性质较弱岩面较低的一侧，多次锤砸造成偏孔。根据斜坡岩面积边缘与钻孔面积大小关系分两种情况（见下图1和图2），一种是斜坡岩水平投影面积较大，钻孔水平投影面积位于斜坡岩之上，则在采用防偏孔措施后可使钻头缓慢入岩；另一种是斜坡岩较低一侧岩面边缘恰好位于钻孔面积之内，由于斜坡岩边缘往往岩层较薄，则在锤砸过程中极易出现将斜坡岩边缘砸碎之后锤头掉入岩层下面，造成卡钻或掉钻。
（2）斜坡岩岩性本身的影响。岩石的产状、节理、硬度、矿物成分因素也是决定钻进速度和采取纠偏措施的主要依据，对于岩质较松软且片状构造明显节理发育的岩层，采用常规回填片石或“小冲程、快频率”的方式可解决；对于岩面倾斜角度较大，岩质坚硬含特殊矿物成分的块状构造岩石，则需采取特殊方式方可通过。
图1 桩孔整体穿过斜坡岩斜坡岩 图2 斜坡岩边缘位于孔中
（3）斜坡岩以上河床地层构造的物理性质也是影响穿越斜坡岩的因素，进行斜坡岩入岩前锤砸过程中由于振动可能引起塌孔现象。河床的覆盖层分为砂卵石层、砂层和淤泥层，砂卵石层，不同覆盖层对于防止塌孔所采取的措施不同，相比之下，采用泥浆护壁后砂层较为稳定，砂卵石层次之，淤泥层最差。
4 斜坡岩钻进措施
根据骆马沟1#大桥实际施工经验和相关资料表明，穿越斜坡岩钻进采取的主要措施主要有：回填片（块）石、永久钢护筒、孔内水压爆破等，辅助措施有：孔口钢丝绳限位、增大泥浆稠度、改善锤头构造、“小冲程、快频率”等，下面针对不同岩层构造分别介绍以上方法的使用条件。
4.1 回填片石
回填片石是最简易有效的解决突破斜坡岩钻进的办法。当根据桥址地质资料和实际钻进过程中钢丝绳偏孔现象判定岩面为斜坡岩时，首先应采取直接回填硬质片石或块石，石料大小以30cm~50cm为宜。每次投石数量需经过简单计算，防止投放过少作用不明显，投放过多造成浪费，投石数量通过下图3估算，图中D为桩径，θ为斜坡岩倾角，则投石数量V=D3tgθ/8，其中θ角通过查找地质资料或通过测设桩孔两侧不同深度来推算。
该种方法适用斜坡岩以上覆盖层较为稳定的情形，若覆盖层为淤泥则不宜直接回填冲砸。优点在于简单易行，成本低廉；缺点在于遇到较为坚硬岩石需多次投放大量的片（块）石，时间长、成本高，而且长时间冲砸容易造成塌孔，这时通常需与其它方法配合使用效果更好。
图3 投石数量估算
4.2 永久钢护筒
施工过程中，针对骆马沟1#大桥Z6a-1#桩基因水深较浅约1米，钻孔探明水下河床覆盖层为砂层，深度为3.5米，之下为武当群片岩斜坡岩层。施工时首先在岸边用沙袋围堰修建孔口钻机就位平台，埋设一节加工成型的2.5米长钢护筒后开钻，当钻到斜坡岩标高时再在孔口接长一节2.5米长钢护筒并将整体接长钢护筒打入至岩层，然后向孔中投入强度较高的片石或块石进行冲砸，往复数次直至冲破斜坡岩层使钻头入岩时停止投石，该种处理方法快速解决了Z6a-1#桩基的成孔问题。
该种处理措施适用于基岩以上覆盖层较薄（一般在5米之内）、物理性质单一如均匀砂层，以便钢护筒容易接长后容易继续向下打入至岩层。该处理方案优点在于能够避免塌孔并快速钻进通过斜坡岩；缺点在于并钢护筒在灌注混凝土后无法拔出，造成成本增加。
4.3 孔内水压爆破
在骆马沟1#大桥Y6b-1桩基钻至地面以下9米时遇到了斜坡岩，由于斜坡岩以上覆盖了砂卵石层，在几次钢护筒无法打入采用了或多次塌孔后，尝试了孔内水压爆破，并取得了良好效果。钻孔桩孔内爆破的原理是：用地质钻在桩孔内硬质岩石上钻一个炮孔，炮孔中装炸药注水回填进行爆破，从而破碎了硬质岩层，再进行冲击钻孔。具体的施工工艺为：通过铅锤或钻头探出硬质斜坡岩的位置及走向，利用在孔口固定的地质钻在桩孔内岩面中心位置钻一个炮孔。为方便地质钻成孔后装药，开钻之前可在地质钻头及钻杆外加设直径为钻头2~3倍的钢套管，炮孔成孔后将钻杆拔出，将钢套管留在原位不动，在刚套管中插入一根直径略小的塑料管，再把一根绑有多个药包的钢丝顺着塑料管管放入炮孔中，根据炮孔深度须保证所有药包均在炮孔深度内，药包就位后向塑料套管注入少许水并用炮泥回填堵塞塑料管，完成以上工序并拔出刚套管后即可实施水下爆破。
实践证明，水下爆破炮孔深度以2~3m为宜，每立方岩层炸药用量约为1.5kg，既能起到破碎或松动斜坡岩层，又能避免造成大塌孔。水下爆破完成后冲击钻再行钻孔，可快速突破斜坡岩硬质岩层。水下爆破方法优点在于可迅速松动硬质岩层，尤其是含硬度较高的石英成分或云母含量较高的岩层，效果明显，可大大提高冲击钻的钻进功效；缺点在于需增设一台小型地质钻机，并由专业爆破人员实施，若药量过大可能导致塌孔。
4.4 辅助措施
突破斜坡岩钻进的辅助措施有：孔口钢丝绳限位、增大泥浆稠度、改善锤头构造、“小冲程、快频率”。在采用以上回填片石、永久钢护筒和水下孔内爆破中任何一种处理措施时，辅助措施都是必不可少的，其中“孔口钢丝绳限位”可通过在孔口设置钢架定位器，使钢丝绳始终居中或略微偏向斜坡岩较高一侧，以减小钻头在斜坡岩面上的冲砸偏孔；“增大泥浆稠度”则可防止长期冲砸、震动等导致的塌孔现象；“小冲程、快频率”多适用于斜坡岩硬度在20Mpa以下，在通过多次低提升、快冲砸后进尺明显时使用，若冲程过大易引起塌孔，若遇强度较高岩层则几乎无进尺效果。
5 结束语
通过骆马沟1#大桥岸边斜坡岩不同地层的钻孔桩施工，实践总结了几种水下斜坡岩钻孔施工的方法，并介绍了各种方法的优缺点及使用条件，尤其是永久钢护筒和水下爆破方法的应用取得了成功的经验，顺利突破了水下较厚的砂层和富含石英等硬质斜坡岩层，明显提高了斜坡岩特殊地层的钻孔功效，降低了施工成本，为以后类似地层钻孔桩施工提供了借鉴经验。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。