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脆性剪切碎岩和动载冲击碎岩。

5.2.2.2脆性剪切碎岩广泛使用于岩石裂隙发育充分的地质情况，其机理是在岩石颗粒边界处利用两向力即加压力和扭矩或多维应力共同作用产生搓碾剪切从而导致岩石破碎的一种准静载破岩方式。

常用的碎岩工具应具有点式或圆球形切削刃面。

例如装有子弹头的短螺旋钻头，嵌岩筒钻等等都是较常用的有效工具。

5.2.2.3动载冲击碎岩是利用冲击器的冲击能来加速岩石颗粒边界处裂隙的发育和增大岩石脆性从而实现快速断裂碎岩的一种方式。

相对其它碎岩方式来说，具有单位体积比能耗小，破岩效率高的优势。

常用的方式有振动锤、振动镐、冲击锤，落锤、牙轮钻头、爆破器、射流冲击器等。

例如，气举反循环全断面破岩成孔工法兼具脆性剪切破岩和动载冲击碎岩的一些基本特征，详情见后述章节。

5.3编制施工作业指导书

5.3.1目的

编制施工作业指导书的目的是为了制订施工时护壁稳定、提高作业效率及降低工程成本的最优方案，一般应从硬件配置和参数设计两个方面来考虑。

5.3.2硬件配置

针对不同的地质情况，应该对钻杆、钻具、斗齿、护筒、泥浆、清孔工具、监理检测等施工机械与设备进行选择和优化。

一般来说，一台钻机至少要配置机锁钻杆和摩擦钻杆各一只且配备若干数量的钻具、斗齿、护筒等等。

5.3.3参数设计

针对不同的地质情况和施工设备，优化考虑施工的方式、钻进参数、质量控制措施等等。

如是否采用接力钻削，土壤切削、岩石钻削时加压方式，钻进扭矩，钻头转速，进尺速度，监理检测质量控制指标等等。

详情见后述章节。

6施工机械与设备

6.1特殊要求

旋挖钻机、起重机、电焊机、泥浆泵、测量仪器（如全站仪、水准仪）等机械设备须有出厂合格证。

6.2中小型等机具的要求

6.2.1起重机：

机体安装坚实平稳，各类离合器、制动器、钢丝绳、防护罩必须安全、可靠有效；

操作手应持证上岗。

6.2.2手持电动工具：

必须单独安装漏电保护器；

防护罩安全有效；

外壳必须有接地或接零；

橡皮线不准破损。

6.2.3电焊机：

有可靠的防雨措施；

有良好的接地或接零保护；

一、二次线接线处应有齐全的防护罩；

二次线应使用线鼻子；

配线不许乱搭、乱拉，焊把绝缘良好；

焊工持证上岗。

6.2.4气瓶：

各类气瓶有明显的色标和防震圈，不准在露天曝晒；

乙炔气和氧气瓶距离应大于5m；

乙炔气瓶在使用时必须装回火防止器；

皮管应用夹头紧固；

操作人员必须持证上岗。

6.2.5泥浆泵三台：

3千瓦一台，也可选用潜水泵；

7.5千瓦一台；

12.5千瓦一台。

水管与泥浆管根据现场所需购置，管径根据每台泵出水口配置。

7场地布置、桩孔位置的确定

7.1基本原则

根据设计要求合理布置施工场地，必须落实四通一平，即路、水、电和通信通；

先平整场地、清除杂物、换除软土、夯打密实。

在进行场地整平后，组织有资格的测量放样人员，将所有桩位放出，钉好十字保护桩，做好测量复核，并记录放样数据备案；

规划行车路线时，使便道与钻孔位置保持一定的距离；

以免影响孔壁稳定；

施工场地为旱地而且在施工期间地下水位在原地面以下时，将场地平整夯实，清除杂物；

场地位于浅水时，采用筑岛后在顶面安置钻机，筑岛顶面高出施工水位1.0m左右；

钻机底盘不宜直接置于不坚实的填土上，以免产生不均匀沉陷；

钻机的安置应考虑钻孔施工中孔口出土清运的方便。

7.2桩位放样

按“从整体到局部的原则”进行桩基的位置放样，进行钻孔的标高放样时，应及时对放样的标高进行复核。

采用全站仪准确放样各桩点的位置，使其误差在规范要求内。

7.3钻机就位

钻机就位时，要事先检查钻机的性能状态是否良好。

保证钻机工作正常。

保证桩位附近平整，把钻机开到桩位旁，螺旋钻头的尖端正对桩位标注点。

钻机停位回转中心距孔位在3～4.5m之间。

在允许的情况下，变幅油缸尽可能将桅杆缩回，这样可以减小钻机自重和提升下降脉动压力对孔的影响。

检查在回转半径是否有障碍物影响回转。

7.4埋设钢护筒

7.4.1基本要求

在准确放样的前提下埋设护筒，应符合埋设护筒的方法和要求，如果钻孔是在陆地上进行的，则一般采用挖坑法，比较简单易行。

钢护筒埋设工作是旋挖钻机施工的开端，钢护筒平面位置与垂直度应准确，钢护筒周围和护筒底脚应紧密，不透水。

埋设钢护筒时应通过定位的控制桩放样，把钻机钻孔的位置标于孔底。

再把钢护筒吊放进孔内，找出钢护筒的圆心位置，用十字线在钢护筒顶部或底部，然后移动钢护筒，使钢护筒中心与钻机钻孔中心位置重合。

同时用水平尺或垂球检查，使钢护筒垂直。

此后即在钢护筒周围对称地、均匀地回填最佳含水量的粘土，要分层夯实，达到最佳密实度。

以保证其垂直度及防止泥浆流失及位移、掉落，如果护筒底土层不是粘性土，应挖深或换土，在孔底回填夯实300-500mm厚度的粘土后，再安放护筒，以免护筒底口处渗漏塌方，夯填时要防止钢护筒偏斜。

护筒上口应绑扎木方对称吊紧，防止下窜。

7.4.2特殊要求

在易缩径的淤泥质粘土和易垮孔的松散杂填土地层和沙层以及严重透水地层必须使用长护筒或全护筒护壁，下护筒的方式有两种：

振动锤下护筒和动力头驱动器下护筒。

7.4.2.1振动锤下护筒：

用汽车吊或履带吊吊挂电动或液压振动锤夹持护筒，通过高频振动使护筒周边沙土液化，在护筒重力作用下使护筒插入土层。

该方法的优点是下放和起拔护筒速度快，在成孔时可用干式成孔法或天然水，降低造浆成本。

但在埋设开始时需注意调整护筒的垂直度。

7.4.2.2动力头驱动器下护筒：

利用动力头反正转搓动和加压油缸加压使护筒切入土中。

操作方便，并能确保护筒埋置夯实性，缩短挖坑埋置时间，提高成孔效率。

8泥浆制备

8.1旋挖钻机特点

8.1.1优点

与传统的正反循环钻机相比，旋挖钻机具有成孔速度快的特点，其工艺优点为：

（1）孔壁不易产生泥皮。

因为在成孔过程中孔壁一直都受钻斗的刮擦。

（2）在孔壁上形成较明显的螺旋线。

这两点有助于增加桩的摩阻力，提高桩的质量。

8.1.2缺点

因为不易形成泥皮，护壁性相对较差，容易缩径、塌孔。

8.2泥浆护壁特点

在钻孔灌注桩的施工过程中,为了防止坍孔,稳定孔内水位及便于挟带钻碴,通常采用澎润土制备成泥浆进行护壁。

泥浆护壁是利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力,以确保孔壁的稳定,所以泥浆的比重在起到保持这种压力差方面具有关键作用。

如果钻孔中的泥浆比重过小,泥浆护壁就容易失去了阻挡土体坍塌的作用;

如果泥浆的比重过大,则容易使泥浆泵产生堵塞甚至使混凝土的置换产生困难,使成桩质量难以得到保证。

要充分发挥泥浆的作用,其指标的选取是非常重要的。

就要求在实际工程的施工中,根据工程地质具体情况,合理地控制不同土层中泥浆的指标。

8.2.1稳定液的原材料

稳定液应具有良好的物理性能、流变性能和稳定性能。

主要指标为密度、粘度、PH值、含砂量等。

其中膨润土的质量标准参见《钻井液材料规范》GB/T5005-2001。

泥浆用粘土应选择粘粒含量大于50%，塑性指标大于20，含砂量小于5%，二氧化硅与三氧化二铝含量的比值为3-4倍的粘土为宜。

稳定液的主要材料见表1。

表1 

稳定液的主要材料表

材料名称

成分

主要使用目的

水

H2O

稳定液的主体

膨润土或粘土

以蒙特土为主的粘土矿物

稳定液的主要材料

重晶石

硫酸钡

增加稳定液相对密度

CNC

羧甲基纤维素钠盐

增加粘性、防止孔壁剥落

腐殖酸族分解剂

硝基腐殖酸钠盐

控制稳定液变质及改善已变质的稳定液

木质素族分解剂

铬铁木质素磺胺酸钠盐（FCL）

碱类

Na2CO3及NaHCO3

渗水防止剂

废纸浆、棉子、锯末等

防止渗水

8.2.2稳定液的配合比

应按地基土的性状、钻机和工程条件来定。

一般100L的水需加8kg的膨润土，对于粘性土层，膨润土可降低到3～4kg。

由于情况各异，稳定液的性能指标和配合比，必须根据地层特性、造孔方法、泥浆用途而有所变化（表2）。

表2 

稳定液的主要性能指标

项目

指标

膨润土的最低浓度

8%

泥浆的最小粘度（500/500ml）

25s

失水率的限度（0.3N/mm2）每30min

20ml

PH值最高限度

11.0

8.2.3稳定液粘度的选取

钻斗钻成孔法为了防止孔壁坍塌，所用稳定液的必要粘度参考值如表3。

表3 

钻斗钻成孔法稳定液的必要粘度参考值

土质

必要粘度（s）（500/500cc）

砂质淤泥

20-23

砂（N≥20）

23-25

砂（N＜10）

＞45

混杂粘土的砂砾

25-35

砂（10≤N＜20）

25-45

砂砾

9钻头的类型及应用

9.1钻头的类型

旋挖钻头实际上就是一个盛土的筒式容器，只是在斗的下侧焊接切削土壤的刀片或刃口。

随着旋挖钻进工艺的推广应用，在遇到沙层、硬岩基层、卵砾石层等各种复杂地层时，不采取特别的措施，旋挖钻机的应用也受到了一定限制。

因此，在施工中应根据不同地质情况，选用合适的钻头和施工工法，这样即可以提高施工效率，节约生产成本，而且在环保、能源消耗、孔内事故等等方面能收到异想不到的效果。

钻头的类型很多，常用的分为两大类：

（1）回转钻头:

a单底土斗b双底捞砂斗

（2）嵌岩钻头:

a短螺旋钻头b嵌岩筒钻c牙轮钻头

9.2钻头的应用

9.2.1一般要求

钻具应有一定的刚度，在钻进中或其他操作时，不产生移动和摇晃，钻具的安装应符合生产厂家的标准。

施工前，了解施工地质情况选用合理的钻具。

在一般地层情况下可选用摩擦钻杆和回转钻头。

在岩层施工时可配用短螺旋钻头、回转斗，嵌岩钻头等各种规格的钻头。

回转钻头，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土、风化岩层。

嵌岩螺旋钻头，适用于碎石土、中等硬度的岩石及风化岩层。

岩心回转斗，适用于风化岩层及有裂纹的岩石。

钻头规格由用户据实际工程的情况选购选配。

9.2.2钻斗的斗齿前角选取

旋挖钻机工作时的压力、扭矩传递为：

压力：

动力头油缸—动力头—钻杆—钻头—切削刃；

扭矩：

动力头马达—动力头转盘—钻杆—钻头—切削岩土。

从整个旋挖钻机工作过程来看，钻机的动力能多少转变为施工所需的压力和扭矩的输出效率问题，对每台钻机来说，出厂时就已经确定下来，而钻机工作过程中的压力和扭矩的输出效率则取决与钻杆和钻头，钻斗的关键参数是斗齿刃前角。

对于相同的地层使用同一钻进扭矩，不同的斗齿刃前角度，钻进效率不同。

因此，只有选择合适的刃前角，才能提高进尺效率。

经过大量的试验：

对于硬度较小的第四地层、强风化层和少冰冻土层，比钻较松软的地层时斗齿刃前角应稍大些，选取45°

～65°

为宜；

钻比较硬的地层时斗齿刃前角应稍小些，选取25°

～45°

为宜。

10旋挖钻机钻杆结构及正确应用

10.1地质硬度分类

选用钻杆时，首先要考虑的因素是地质情况（地层硬度），一般进行松软地层钻进时，依靠钻杆和钻具的自重即可满足进尺加压力的要求，此时选用摩擦式钻杆即可。

对于入岩钻进则应考虑具有强行加压功能的机锁式钻杆。

地层硬度由软到硬排列如下：

1.淤泥层；

2.泥土、（泥）砂层；

3.卵（漂）石层；

4.强风化岩层；

5.中风化岩层；

6.弱风化岩层；

7.微风化岩层；

8.基岩层。

10.2钻杆的类型

根据钻孔时采用的钻进加压方式不同，钻杆分为三种类型：

摩擦加压式钻杆（简称：

摩擦杆）、机锁加压式钻杆（简称：

机锁杆，又称：

凯式钻杆）和组合加压式钻杆（简称：

组合杆）。

摩擦式钻杆（见图1）一般用于较软地层的钻孔施工，可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层。

摩擦式钻杆一般制成5节，1～4节杆每节钢管长13米。

钻孔深度可达60米左右。

图1 

摩擦式钻杆

1、扁头 

2、一杆挡环 

3、第一节钻杆 

4、第二节钻杆 

5、第三节钻杆 

6、第四节钻杆

7、第五节钻杆 

8、减振器总成 

9、一杆外键 

10、一杆内键 

11、弹簧座（托盘） 

12、钻杆弹簧 

13、方头 

14、销轴

机锁式钻杆（见图2和图3）不但可用于软地层，也可用于较硬地层施工。

机锁式钻杆可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层和强风化岩层。

机锁式钻杆一般制成4节，1～3节杆每节钢管长13米。

钻孔深度可达50米左右。

图2 

固定点分段加压式机锁式钻杆

7、减振器总成 

8、一杆外键 

9、一杆内键 

10、弹簧座（托盘） 

11、钻杆弹簧

12、方头 

13、销轴

图3 

多点连续加压式机锁式钻杆

组合式钻杆（见图4）是近年来出现的一种机锁杆（如1、2、3节杆）和摩擦杆（如4、5节杆）组合在一起的钻杆。

该钻杆在孔深0～30米范围可钻较硬地层，在孔深30～60米范围可用于软地层钻孔施工。

该钻杆特别适用于上硬下软较深桩孔的钻孔施工。

图4 

组合式钻杆

3、减振器总成 

4、第一节钻杆（机锁） 

5、一杆外键 

6、第二节钻杆（机锁） 

7、二杆外键 

8、第三节钻杆（机锁）9、三杆外键 

10、第四节钻杆（摩擦）11、四杆外键 

12、五杆外键13、第五节钻杆（摩擦）14、弹簧座（托盘）15、钻杆弹簧 

16、方头 

17、销轴

10.3钻杆的提升和伸放

钻杆在完全缩进状态被安装到旋挖钻机上，整根钻杆的重量通过最内一节杆的扁头和提引器相连接作用在主卷扬钢丝绳上。

最内一节杆通过焊接（或安装）在其上的圆盘和弹簧、弹簧座（托盘）将其它各节杆托起（弹簧座的外径与一杆钢管外径相同）。

钻杆下放（伸出）：

钢丝绳下放，钻杆由于自重整体下降，1杆在动力头内键套内滑动下降。

当1杆上的减振环碰到动力头上平面时，1杆被动力头托住，停止下降；

钢丝绳继续下放，其余各节杆在重力作用下一起继续下降。

当第2节杆的挡环碰到1杆下管内键上端面时，2杆被1杆挡住，停止下降；

当第3节杆的挡环碰到2杆下管内键上端面时，3杆被2杆挡住，停止下降。

如此继续，直到各节杆全部伸出，将安装在最里边一节杆方头上的钻具下放到孔底。

由此可见，各节钻杆的伸出（下放）是由外向里进行的。

钻杆提升（缩进）：

（以5节杆为例）每次钻进结束后，钢丝绳提升，5杆带着钻具一起向上提升，同时5杆向4杆内缩进。

当5杆完全进入4杆内时，安装在5杆上的弹簧座（托盘）将4杆托起，带着4杆一起上升，同时4杆、5杆一起向3杆内缩进。

如此继续，直到5、4、3、2各节杆全部缩进1杆内，并且1杆也被弹簧座托起在动力头内键套内滑动上升，直至钻杆和钻具全部提出地面。

由此可见，各节钻杆的提升（缩进）是由内向外进行的。

10.4钻杆扭矩传递和加压原理

钻机在钻孔作业时，钻杆要将动力头的两个作用力传递给钻具，一个是圆周方向的旋挖扭矩M（圆周力F）；

另一个是轴向的加压力N。

把这两个作用力从第1节钻杆传递给第2节钻杆；

第2节钻杆传递给第3节钻杆…最末一节钻杆传递给钻具。

这两个作用力的传递是靠外面一节杆下部的内键和其里面一节杆的外键相互作用完成的。

摩擦杆和机锁杆加压力传递的作用原理不同:

摩擦杆各节杆上的外键是焊在钢管上圆周120°

均布的3条（或6条）通长钢条，无台阶（无加压点）。

机锁杆各节杆上的外键是焊在各节杆钢管上圆周120°

均布的3条（或6条）带有加压端面（有台阶）或齿面的钢条。

下面均以第1、2节钻杆为例论述各节钻杆传递旋挖扭矩和加压力的原理。

假设：

（1）钻杆、钻具承受孔底土石料的负载反扭矩为：

Mf=22tm；

（2）1、2杆扭矩传递作用半径为：

R=195㎜=0.195m；

（3）钢-钢摩擦系数为：

k=0.11（在有泥浆润滑条件时）；

则：

F圆周力=M/R=22/0.195=112.82（t），

F正压力=F圆周力=112.82（t）；

f摩擦力=k×

F正压力=0.11×

112.82=12.41（t）；

N=f摩擦力=12.41（t）

以上是以SR220C旋挖钻机为例，并且假定负载反扭矩与其最大输出扭矩相等，即Mf=M=22tm计算的加压力。

实际上负载反扭矩比机器的最大输出扭矩要小得多，因为较松软的泥砂地层不会对钻具形成多大的负载反扭矩；

较硬实的风化岩层钻具截齿在上边打滑，不易进尺，也不能形成多大的负载反扭矩。

负载反扭矩小→F圆周力小→F正压力小→f摩擦力小→N加压力小，所以摩擦式钻杆传递的加压力很小。

摩擦式钻杆的进尺加压力主要来自于最末一节钻杆和钻具的自身重量（φ440-5×

13m摩擦杆的第5节杆重量为：

1.8t左右，一个φ1.5m的捞砂钻斗的重量为：

2t左右，加起来共3.8t左右）。

加压油缸提供给动力头的加压力虽然很大（20t），但经过动力头内键套键齿侧与1杆外键侧的摩擦传递和各杆内外键侧的摩擦传递提供给钻具的进尺加压力却很小，所以使用摩擦杆不能在较硬地层施工作业。

注：

在使用机锁钻杆时，要警惕钻杆每节的锁点是否解开，建议在每次每斗上提前将根据钻进深度逆向旋转。

也可按每节钻杆一圈逆旋，如第三节已抽出就三圈，即可有效的保证每节的锁点解开。

11旋挖钻进成孔工艺

11.1钻进成孔及注意事项

钻进成孔:

旋挖成孔首先是动力头转动底门镶嵌斗齿的桶式钻斗切削岩土，并将原状岩土装入钻斗内，然后再由钻机卷扬机和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。

对粘结性好的岩土层，可采用干式或清水钻进工艺，无需泥浆护壁。

而对于松散易坍塌地层，或有地下水分布，孔壁不稳定，必须采用静态泥浆护壁钻进工艺，向孔内投入护壁泥浆或稳定液进行护壁。

成孔前必须检查钻头保径装置,钻头直径、钻头磨损情况,施工过程对钻头磨损超标的及时更换。

成孔中,按试施工确定的参数进行施工,设专职记录员记录成孔过程的各种参数,如钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。

记录必须认真、及时、准确、清晰。

旋挖钻机配备电子控制系统显示并调整钻进时的垂直度,通过电子控制和人工观察两个方面来保证钻杆的垂直度,从而保证了成孔的垂直度。

钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度:

由硬地层钻到软地层时,可适当加快钻进速度;

当软地层变为硬地层时,要减速慢进;

在易缩径的地层中,应适当增加扫孔次数,防止缩径;

对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率;

砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。

11.2地质层情况

第四纪地层：

地表覆盖土、淤泥、粘土、淤泥质亚粘土、砂土、砂层等较软的地层统称为第四纪地层。

这类地层一般比较松软，可选用摩擦钻杆和回转钻斗钻进。

像地表土、淤泥质亚粘土、粘土层在干性状态下胶结性都比较好，在干孔钻进下可用单底板土层钻斗钻进，也可以用双底板捞砂钻斗和土层螺旋钻头钻进；

若在湿孔钻进条件下，因土遇水的胶结性能变差，一般用双底板捞砂钻斗钻进以便于捞取钻渣。

淤泥层一般用双底板捞砂钻斗钻进。

砂土层和砂层的胶结性能都比较差，不管干孔钻进还是湿孔钻进均用双底