关于 旋挖桩成孔钻速影响因素回归的研究

作者：张毅  

     采用正循环旋挖钻进，提、下钻具会对孔壁形成抽吸和挤压；而采用反循环旋挖钻进，桩尖易出现负压，同时回浆不及时也会造成泥浆液面较低。这些因素都对孔壁的稳定不利。

  根据地质情况，研究旋挖钻机钻进速度的影响因素可以为同类型工程桩施工提供参考，具体来说，即可以在机械选型、工期控制、计划编制以及工艺选择上提供经验。

1工程概况

  广州宏城广场基坑位于广州市天河区核心商业区，西侧基坑的B1~B3区位于APM线（珠江新城旅客自动输送系统）上方（见图1）。该基坑采用的支护类型有：排桩（冲孔桩或旋挖桩）、立柱桩、地下连续墙、内支撑、锚索和微型钢管桩，这些支护类型组合形成各种形式的支护体系。

  B1~B3区基坑深度-4.30~-8.55m，自北向南呈阶梯状下降，其底板置于APM线隧道顶上方5m，为地铁运营安全，本工程除在APM线左右两侧设置工程桩外，还在APM上下行线之间设置了23根立柱工程桩以提高地下室底板的抗拔能力，设计要求桩底越过APM线隧道底≥2m，且桩身须入连续的微风化泥质粉砂岩层深度≥4. 5m，因此在施工前进行了原位地质钻孔。根据钻孔报告及设计要求，确定桩底标高如表1所示。

  本文对由宝娥旋挖机施工的22根工程桩( 701号除外)成孔效率的影响因素进行探讨。由于岩石各种性质的离散性较大，因此采用回归法进行统计分析。根据已掌握的地质数据和成孔施工记录，利用最小二乘法原理对影响钻速的诸因素，如回次进尺深度、钻孔深度标高、RQD值及岩石天然抗压强度等进行分析。

2  统计数据的定义

  根据钻孔地质资料及钻孔施工记录，建立地质参数矩阵，矩阵元素的定义如下：1-素填土；2-粗砂；3-黏土；4-粉质黏土；5-强风化泥质粉砂岩；6．中风化泥质粉砂岩；7-强风化砾岩；8-微风化泥质粉砂岩；9-微风化砾岩。同时按照钻进回次施工记录定义了包括回次进尺深度、回次用时、RQD值（岩石质量指标，rock quality designation）、勘察报告中的岩石强度及回次钻速等基本统计矩阵。

3  相关性分析

  不同深度的岩层（土层）的力学性质、水化性质的差异性较大，因此旋挖机钻进时在不同段受影响的因素也不尽相同，通过研究钻速与深度的影响，对岩层（土层）做相应分析。

3.1钻速与回次进尺深度的关系

  对所述的9类岩层（土层）分别作统计分析得到“钻速一回次进尺深度”拟合关系，如图2所示。

  无论在哪种类型的土层中钻进，受钻斗体积的限制，钻速一回次进尺深度曲线均接近S形，且最终都趋于平缓达到极限。

3.2钻速与深度之间的回归分析

  综合钻进记录与地质资料，为了研究钻进速度与深度之间的关系，首先利用线性回归模型来分析两者之间的关系。

可将模型定义为：

并得到两者之间的相关系数p= 0.73，表明钻速与钻深标高之间有较强的正相关性，即钻深越大（标高值越小），钻速越小。

表征数据分布特征的偏态系数和峭度分别为：

考察85%的置信度区间，得到关系如图3所示。

  由图3可以看出，钻速．钻深标高的散点多数分布在85%的置信度上下限内，表明钻速与钻深标高可以用线性回归模型来描述，但是偏态系数和峭度的数值表明数据分布存在非线性特征，因此需要进一步用非线性模型来模拟。

  采用四次多项式曲线，用最小二乘法拟合钻速与深度（标高）之间的关系，并得到总体样本拟合曲线的表达式为：

钻速一钻深关系拟合曲线如图4所示。

  从图4可以看出，整体拟合曲线符合数据样本散点的分布趋势：在地面至-5m的杂填土中旋挖机维持较高且稳定的钻速；在钻深-5~- 10m，为粗砂层，钻速波动较大；-10~- 15m为黏土层且往往下覆强风化泥质粉砂岩，钻速开始有明显下降；-15~- 20m为中风化泥质粉砂岩和强风化砾岩，从整体上看，钻速大幅减小，但同时也会出现一定数量的较大值；从- 20m开始，旋挖机主要是对微风化岩的钻进，钻速进一步下降且值的分布更为集中，在1. 00m/h附近波动，受岩石本身性质的影响越来越显著。

3.3钻进速度与RQD值之间的回归分析

  本文所探讨的工程桩钻孔中，对于所有中、微风化岩层段，地勘报告均提供了岩石质量指标RQD值，一般来说，岩石的完整性越好，钻进难度越大。岩石质量指标分级如表2所示。

  结合地质参数，根据最小二乘法，可以得到3类

岩层“钻速-RQD值”回归曲线如图5所示。

  从图5可以看出，中风化泥质粉砂岩钻速与RQD值间的二、三次多项式拟合结果较为接近且符合散点总体分布的趋势。在质量很差的中风化岩（RQD值<10 %）钻进时，钻速相当小，是因为这部分岩石完整性差，在钻进过程中相对易破碎成颗粒，使得钻筒内中风化碎岩渣土迅速增多，对进渣口造成阻力，使得钻进负载上升。另外，这些表面不致密的岩屑与护壁泥浆有较好的亲和力，具有一定黏性，因此容易进入钻具与孔壁之间的缝隙且附着其上，造成钻具与孔壁间摩擦力增大。但随着岩石质量的提高，跃进式整体破坏更加容易发生，即大体积岩块被剥落，且被磨齿磨碎，同时渣土黏性降低，即使其进入钻具与孔壁之间的空隙也不易附着，钻进速率逐渐增大直到峰值。但是当岩石风化程度减小，结构面大幅度削减，钻进的重点则为克服岩石自身的强度特性，因此钻速迅速降低。

  从微风化岩拟合曲线的总体趋势上看，旋挖机在微风化岩中钻速随着RQD值的增大而减小，但离散数据点呈现十分明显的随机性，尤其是对于质量好（或较好）的岩层，这一特征更为显著，说明对于微风化岩，其他因素对钻速的影响已经取代了RQD值的影响。

3.4  钻速与岩石强度之间的关系

  岩石破碎是受压、弯、剪综合作用结果，研究何种作用在破碎中占据主要地位有利于对施工机械和施工工艺进行改良。在本工程地质勘察报告中，已经提供了微风化岩的天然抗压强度值，因此本文考察钻速与该值的关系，得到回归曲线如图6所示。

  从图6可以看出，虽然微风化泥质粉砂岩天然抗压强度差异性较大，但是无论从拟合曲线还是从散点看，钻速并未随着天然抗压强度的提高而降低，钻速的最大值出现在天然抗压强度48. 6MPa处，这种离散性说明了抗压强度对这类微风化岩破碎不起主要影响作用。

  进行岩石的2项基本力学试验——劈裂试验（抗拉强度）与直剪试验（c，φ值）。得到抗拉强度分别为5. 3MPa和3.7MPa，土的黏聚力分别为c=12. 3MPa，φ=39.90；c=14. 2MPa，φ=43.50。抗剪强度数量级与抗压强度相同，内摩擦角的数值与地质勘察报告接近(390)，但黏聚力值是勘察报告值( 500kPa)的24~28倍，导致施工时，投入机械及人员充足时，实际进度下降到计划进度的1/6，因此拉剪是影响岩石钻进速率的主要因素。

4  结语

  1)在实际施工中，要根据取渣钻筒的体积，保证足够的回次取渣量前提下，选择适宜的回次钻深：软弱土层4. 00~5.00m;微风化泥质粉砂岩1. 50~2.00m；微风化砾岩1.30~1.80m。

  2)随着钻深的增长，泥浆液柱压力及地层压力（二者统称为压差）随着钻深的增大而增大，对于软质土或软岩，其影响并不显著，对于孔底的硬质岩石，将使得其“各向压缩效应”增大，压差会对井底的岩屑产生压持效应，使得清渣不彻底，钻具重复碾压切削的概率增大，钻速下降。在钻进工艺控制上，应加快护壁泥浆的循环，有效降低沉渣的黏性，减少附着和摩擦的影响，因此在现场要设置足够体积的循环泥浆池，并定期测量黏度、比重等数据，及时掺入浆料。

3)剪切强度是最主要的影响因素，并导致钻头损坏更换速率加快，因此施工时现场应准备足够数量的旋挖钻头及钻牙，及时更换，以此将旋挖机的无效作业时间降到最低，确保工程进度。

5[摘要]根据宏城广场基坑项目APM中央工程桩的地质超前钻，对宝峨旋挖机钻进速度的差异性进行研究，通过回归分析，得到钻进速度与岩层（土层）厚度、岩石埋深、岩石RQ值及岩石强度值之间的相互关系，并分析原因提出处理措施，合理组织施工。