旋挖成孔中埋钻事故预防及处理.pdf

- 1 - 旋挖成孔中埋钻事故预防及处理 胡春 曹海 （中国有色金属工业西安勘察设计研究院 西安 710054） 摘 要 本文介绍了工程施工中砂层塌孔埋钻事故的处理过程， 分析了埋钻事故的形 成原因， 总结了埋钻事故的预防要点以及旋挖钻机成孔过程中砂层塌孔事故的几种常 用的处理方法，实践效果明显。 关键词 旋挖成孔 砂层埋钻 事故预防处理 0 前言 旋挖钻机成孔的钻孔灌注桩，因速度快，效率高，承载力高而在西 安地区普遍使用。但成孔过程中遇到较厚砂层时，如果护壁措施不当， 往往造成塌孔，沉渣超标，钢筋笼下不到位等。有的还因砂层塌孔造成 埋钻事故。本文介绍了作者在西安地区旋挖机成孔过程中常见埋钻事故 的预防及处理办法。 1 砂层的特性 砂层的粘聚力为零，只有内摩擦力，靠内摩擦阻力保持稳定，在地 下水位以下时由于砂土含水量和湿化程度增高，内摩阻力和抗剪强度降 低。当钻孔形成后，应力向孔内释放，最初表现为孔径总体缩小。最终 表现为砂层孔壁坍塌。容易导致钢筋笼下不到位，孔径过大充盈系数增 加，沉渣超标，严重时会造成成孔过程中的埋钻事故。 2 埋钻事故的形成 由于在较厚砂层成孔时采取措施不当，护壁的效果不理想。在成孔 过程中孔壁失稳造成砂层坍塌。如果坍塌时钻具正在砂层以下进尺或升 降钻具，当砂层坍塌量较大时，就会造成钻孔塌落的砂层埋住并卡死钻 具，造成埋钻事故的发生。 3 埋钻事故的预防 严格控制砂层塌孔是预防埋钻事故积极而有效的措施，埋钻事故的 处理是不得已的被动处理方法。实践中通过以下几点来预防，效果十分 - 2 - 明显。 3.1 严格控制升降钻具的速度，降低对钻孔的抽吸作用。 旋挖钻机的钻头为钻斗式取土钻头 （如图 1） 由于钻头和孔壁之间间 隙很小，钻头在升降时像一个巨大的活塞在孔内上下运动形成抽吸，当 提升速度较快时，对钻孔形成负压，使孔壁稳定遭到破坏，造成塌孔。 因此在升降钻具时应严格控制其升降速度（尤其是提升） ，以减轻因快速 提钻形成抽吸造成的塌孔。 图图 1 钻孔示意图钻孔示意图 3.2 控制好液面的高度。 一般情况下在孔口的围堰形成的盛水空间应大于钻具在孔内的体 积，当钻具完全提出孔内卸泥时，围堰中的泥浆回流到孔内，保持孔内 液面不低于孔口，以形成足够的液柱压力，维持孔壁应力平衡。 3.3 泥浆护壁 常用泥浆护壁效果较好，优质泥浆主要以膨润土为主，适当添加烧 碱或纤维素配制而成，一般泥浆的比重控制在 1.051.15 之间效果较好。 钻头 钻杆 泥浆 - 3 - 配制每立方米泥浆需要粘土量可用下式计算 Pγ1γ- γ2/ γ1- γ2 其中 P配制 1m3泥浆需粘土重量， γ1粘土比重，γ泥浆比重，γ2水的比重 实践证明在西安地区膨润土造浆的护壁防塌效果很好，技术成熟， 操作简便，但应注意对泥浆沉淀池及时清理，保证泥浆的性能。 4 埋钻事故的处理 4.1 轻微埋钻事故的处理 工程实例西安西高新开发区甘家寨某工地。设计桩长为 30m，孔 径为 600mm，成孔至 20m 提钻至 12m 时，由于上部 8m10m 段砂层坍 塌，造成埋钻， （如图 2） ，刚埋钻时钻具可正、反转轻微转动，经过一段 时间处理，钻具卡死。 经过测量，塌落砂顶面距孔口 9.0m，钻具在孔内段的长度为 12m， 钻头本身长度为 1m，上部砂层厚约 2m。因钻具的正反转动砂粒填充了 钻头和孔壁的间隙将整个钻头抱死。经分析研究决定采用泥浆泵送入泥 浆对沉淀的砂层冲刷悬浮并部分携带出孔内的方法进行处理。 图图 2 冲孔示意图冲孔示意图 9m 1m 泵泥浆池 冲孔工具 12m 钻杆 钻头 2m - 4 - 4.1.1 配制泥浆 将膨润土用泥浆搅拌机搅拌，泥浆比重控制在 1.11.18 之间，可在 配制泥浆时加入适量的纤维素提高泥浆粘度，增加泥浆对砂粒的悬浮作 用。配制泥浆的方量要满足在冲孔过程中能够正常循环（如图 2） 4.1.2 冲孔工具制作 用Φ50 钢管，将一端考热后加工成如图 3 的扁铲形状。在下部 300500mm 处沿着圆周打直径为 5mm 左右的圆孔，底部留 12mm 的间 隙。小孔成梅花状分布。同时将水泵的管线同冲孔工具连接成图 2 的形 状。由于冲孔压力较大，管线一定要连接紧密牢固，严禁漏气。 图图 3 冲孔工具示意图冲孔工具示意图 4.1.3 冲孔 工具做好并连接好管线及泥浆泵后，逐渐下入孔内。可用旋挖钻机 的负卷扬提升。冲孔工具底部进入塌落砂层顶面时开泵冲孔。泥浆正常 循环后。逐渐沿着钻杆和孔壁的环状空间 360 o 范围逐渐移动（如图 4） 使整个环状空间堆积的砂粒被冲起，悬浮在泥浆中，部分随着冲孔泥浆 的循环带出孔外在泥浆流动的水渠内沉淀，随着冲孔的持续要逐渐下放 冲孔工具，并不断在环状空间 360 o 循环移动位置。冲孔工具快到达钻头 顶部时，要轻轻地正、反转活动钻具。并适当提升或下放钻具使钻斗和 孔壁之间的砂粒松动。冲孔要多冲一段时间，使整个环状空间的砂粒充 分悬浮。 当冲孔工具距钻头顶部 10cm 左右时，钻具在试着转动的过程中突然 500mm - 5 - 松动，并逐渐转动、提升，提升高度约 0.5m 时，认为埋钻处理成功，此 时不停泵，将钻具和冲孔工具一同提出孔内后停泵，埋钻事故处理完毕。 图图 4 塌孔剖面图塌孔剖面图 4.2 严重埋钻事故的处理 实例高新开发区某工程。设计桩径 600mm，设计桩长 35m，设计 孔深约为 36.5m，成孔至 25m 时砂层塌孔埋钻。钻具卡死，正、反转都 不能转动（如图 5） 。经测量埋钻沙堆顶面距孔口约为 20m，埋钻砂层厚 度约为 4m。由于砂层较厚，塌落砂层量大，且距孔口深，埋钻事故严重。 图图 5 埋钻示意图埋钻示意图 塌落砂形成 的环状空间 孔壁 钻杆 钻头 1m4m 20m 塌落砂 钻杆 25m 塌落砂 - 6 - 4.2.1 处理方法 1 同 4.1 轻微埋钻事故的处理方法一样，配置泥浆，泥浆比重可适当 加大 1.101.20 之间，纤维素可适当多加一些。由于塌孔位置较深，泥浆 悬浮并携带砂粒至孔口的距离长，因此要求泵量泵压要大，以增加其悬 浮效果。 本工程冲孔工具使用Ф50 钻杆用的花管做成图 3 的形状，泥浆泵采 用 DPP- 100- 4 钻机上采用的 BW450 泥浆泵。冲孔方法同 4.1.3 一样沿着 环状空间在 360 o 范围内循环冲孔。由于该泵可调节泵量，故要逐渐加大 泵量进行冲孔，并且冲孔时间要适当加长。随时观察泥浆沉淀槽内有沉 淀的砂粒时及时清理。当冲孔工具离钻头顶部 10cm 左右时，要随时经常 正、反转活动钻具。经过两个多小时的冲孔并配合转动钻杆，钻具有所 松动，进一步冲孔后能自由转动。此时不停钻边提钻边提冲孔工具，但 不能停泵。直至钻具提出孔内为止，事故处理完毕。 4.2.2 处理方法 2 有的埋钻事故更加严重经过长时间反复冲孔而无效果。这时可采用 打自救孔的方法进行处理（如图 6）在事故孔的一侧打一自救孔。两孔壁 最小距离约 10cm 左右，自救孔深度 h 段的体积要大于塌落砂粒的体积， 一般以两倍为宜。用一偏心钻具将两孔之间的隔土切掉，使两孔连通， 然后用冲孔工具将钻头上的沙粒冲至自救孔内，达到自救的效果。 偏心钻具如图 7 所示，采用厚 810cmФ500mm 的圆形钢板，在如图 的位置镶焊合金，焊接与钻杆连接的四方接头。工具做好并同钻杆连接 后下入孔内，镶合金的一面对准两孔之间的隔墙，到达被埋钻头顶部 3050cm 时，正、反转来回摆动偏心钻头，开始切削。随着切削的持续 可不断将钻杆向事故孔方向靠近。直至将隔墙打通，并且可逐渐上、下 升降钻杆进行重复切削，切削到两孔连通时，在事故孔内开泵冲砂（开 泵前要将偏心工具提出孔内） ，将堆积在钻斗上的沙粒冲入自救孔内，并 试着转动钻杆，直至钻具转动提出为止。 - 7 - 图图 6 自救孔示意图自救孔示意图 图图 7 偏心钻具示意图偏心钻具示意图 图图 8 偏心钻具工作示意图偏心钻具工作示意图 4.2.3 处理方法 3 有的卡钻事故经以上多种方法处理无效。为了减少经济损失，提出 钻杆。可采用千斤顶顶升的方法，强行顶升。把连接钻头与钻杆的销子 切断，提出钻杆；有的从钻斗与钻杆四方套下部拉断，提出钻杆。此种 方法只是一种为了减少经济损失无奈的处理方法。 其工作原理如图 9将 三角形铁块焊接在钻赶上（要焊接牢固） ，安装好钢梁、千斤顶后开始加 压，逐渐加压稳定一段时间后卸压再重新加压。当千斤顶升到最高位置 时可在其下垫钢板。如此重复，直至钻杆与钻头脱开为止。 事故孔 自救孔 350 400mm 四方接头 500mm 钻杆 钻头 h 事 故 孔 自 救 孔 10cm 隔墙 - 8 - 图图 9 液压顶升示意图液压顶升示意图 5 在处理埋钻事故时注意事项 （1）控制好泥浆比重和粘度，调节好泥浆泵的流量和压力。 （2）配合冲孔随时正、反转活动钻具。 （3）严禁强行提升，以免钢丝绳断裂，造成次生事故。 （4）钻具能活动时，严禁立即停泵，避免砂粒立刻沉淀再次埋钻。 （5）操作时要耐心、细致、多观察钻具在孔内的状况。 （6）采用千斤顶顶升时要将千斤顶、钢梁、枕木固定牢固，缓慢加 压。 6 结束语 砂层埋钻事故是常见的孔内事故，处理事故是不得已被动采取措施。 实践中提倡积极预防，避免塌孔埋钻事故的发生才是上策。工程实例证 明一旦事故发生，采用以上方法进行处理效果十分明显。 作者简介胡春（1963） ，高级工程师，从事岩土工程施工管理。 收稿日期20100813 钻杆 钻头 铁块 千斤顶 检测用钢梁