無循環(huán)鉆進工藝在易坍塌、縮孔和卵礫石地層的應用

劉家榮

(1.中國地質大學工程技術學院,北京 100083;2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

無循環(huán)鉆進工藝在易坍塌、縮孔和卵礫石地層的應用

劉家榮1,2

(1.中國地質大學工程技術學院,北京 100083;2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

無循環(huán)鉆進工藝是我國現(xiàn)在和將來樁孔施工領域的主要施工工藝之一,通過對無循環(huán)鉆進工藝及器具的研究,解決了我國樁孔施工在無水地區(qū)和巖石層、卵礫石、淤泥、流沙層進行樁孔鉆進的難題,大大減少了孔內(nèi)事故,提高了無循環(huán)鉆進工藝在復雜地層中鉆進的效率。根據(jù)我國目前全套管施工設備少,而旋挖鉆機保用量已超過3000多臺的現(xiàn)狀,通過新的鉆具和工藝的結合,用旋挖鉆進工藝與全套管跟管鉆進、全套管護壁鉆進等特殊工法和特殊鉆具的配套施工,解決了全套管鉆進的成本問題,推動了無循環(huán)鉆進工藝、機具及全套管配套技術的研究。

復雜地層 無循環(huán)鉆進工藝 全套管護壁鉆進工藝 卵礫石地層的鉆進

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0 前言

無循環(huán)旋挖鉆機是一種基礎工程成孔作業(yè)的樁工機械(吳時民,2002;劉偉,2004),以柴油機為動力,液壓驅動,履帶行走(王平,2001),底盤可360°回轉,塔架可自行起落(董天亮,2005)。采用4-5層的伸縮鉆桿和各種類型的鉆頭等(周紅軍, 2003),具有施工效率高、扭矩大、多功能、成孔速度快、機動靈活、多種速度調節(jié)、環(huán)境污染小等特點,無循環(huán)鉆進工藝主要適用于土層、沙層、風化巖石層等地層的樁孔施工(周紅軍,2009),已經(jīng)成為我國青藏鐵路、高速鐵路、高速公路、城市軌道交通等大型重點工程基礎樁孔鉆進的主要施工方法(于好善, 2007)。

常規(guī)的無循環(huán)旋挖鉆進工藝使用的鉆頭在卵礫石、漂石層鉆進時鉆齒消耗大,鉆桿易折斷,鉆進時易孔斜,鉆進效率低,成本高,甚至于無法鉆進,在流沙層、淤泥層、回填土層鉆進時經(jīng)常發(fā)生塌孔、縮孔埋鉆具、無法提鉆具的事故(宋剛,2005)。為了使無循環(huán)鉆具的使用發(fā)揮最優(yōu)效能,避免事故的發(fā)生,一方面需要對鉆進工具合理設計(張懷生,2003),另一方面需對無循環(huán)施工工藝進行研究,在無循環(huán)施工工藝對付復雜地層時的施工技術方面進行探討,主要研究在復雜地層內(nèi)旋挖鉆進工藝與全套管鉆進技術配套使用的鉆具和鉆進工藝。

1 全套管鉆進工作原理

全套管鉆機一般均裝有液壓驅動的抱管、搓管(或回轉)和壓拔管機構、上下導向裝置。成孔過程是將套管邊來回搓管(或回轉)邊壓入地層之中,配合吊機或旋挖鉆機使用錘式抓斗、旋挖鉆斗以及螺旋鉆頭在套管中取土成孔(宋志彬等,2007),在灌注混凝土后逐節(jié)拔出并拆除套管,最后將套管全部取盡,用于下一孔鉆進,套管的長度一般在3～6m間,套管之間的接頭一般有以下兩種連接方式,一是由鍵定位而由錐銷連接傳扭;二是由鍵定位并傳扭而由卡塊連接。

全套管施工工藝是在樁孔鉆進時不再使用泥漿和其它介質護壁排渣,由全套管施工鉆機、搓管機、旋挖鉆機、振動錘等設備將套管下到孔內(nèi)護壁進行鉆進的工藝。全套管施工法是由法國貝諾特公司在50多年前發(fā)明的一種施工方法,也稱為貝諾特工法。全套管護壁鉆進在我國才剛剛開始,我國雖然缺乏專用的全套管施工鉆機,但利用現(xiàn)有的旋挖鉆機配套合適的鉆具和鉆進工藝,也可以進全套管施工鉆進。

1.1 全套管護壁鉆進優(yōu)勢

1、在鉆進時可確切地知道摩擦持力層和樁端持力層的土性和巖性,可以選擇合適的樁長,避免了浪費。

2、杜絕了在流砂層、淤泥層、回填層、卵礫石層等復雜地層鉆進時塌孔埋鉆具、縮孔卡鉆具事故的發(fā)生,可抓出小于套管內(nèi)徑1/3的石塊。

3、因套管的作用,排除了泥漿和其它介質對孔壁的擾動,可與特殊的鉆頭配合鉆進,根據(jù)地層情況,可在套管內(nèi)進行跟管、氣舉反循環(huán)(盧予北, 1992;張永江,1993)、沖擊、沖抓等多種工藝方法的鉆進(鄢泰寧等,2008),可在任何地層施工,提高了鉆進效率,保證了施工進度。

4、因套管的隔離,成孔和成樁質量高,取土時因套管插入整個孔內(nèi),孔壁不會坍塌;易于控制樁斷面尺寸與形狀;含水比例小,較容易處理孔底虛土,清底效果好;充盈系數(shù)小,節(jié)約混凝土;排除了泥漿護壁造成的泥皮和沉渣對灌注樁承載力的不利影響,避免了一般灌注樁可能發(fā)生的縮徑、斷樁、混凝土離析等質量事故。

5、全套管施工工藝對周圍環(huán)境影響少,可靠近建筑物施工,無泥漿排放,不污染環(huán)境,可在城市施工,在城市舊城區(qū)的改造中可處理原基礎的舊樁。

6、可施工斜樁。

2 在卵礫石層、淤泥層、流沙層的施工工藝和器具

在淤泥、流沙、松散卵礫石層等易縮孔、易坍塌的地層鉆孔時(荊和平等,2001),因地層的原因,經(jīng)常發(fā)生埋鉆、跳鉆、鉆桿斷裂、塌孔、縮孔抱死鉆具無法提出等事故(宋剛,2005),因此,在上述地層鉆進時,必須下護筒或套管鉆進,護筒或套管下裝有合金刀具,可回轉或擺動鉆進,在軟地層也可以用振動或強力壓入,將護筒或套管下至不易坍塌的地層,然后下鉆具鉆進成孔,灌注混凝土后再將套管拔出。鉆具組合如圖1。

2.1 牙輪擴孔鉆頭的設計與使用

圖1 套管靴、套管、驅動器工作狀態(tài)組裝圖Fig.1 Composite diagram show ing casing boots, cas ing,and work ing state of drive

在卵礫石層鉆進樁孔的鉆擴兩用鉆頭的基本結構為下開式(如圖2所示),由于在該地層施工振動較大,擴孔翼采用對稱布置四翼,中心為內(nèi)外四方結構,扭矩通過傳扭板傳遞到擴孔翼上,擴孔翼本身為箱式結構,鉆桿的重量加到與之相連的四方接頭上,四方接頭帶動連桿和擴孔翼沿傳扭板和導向輪向外滑動,邊鉆進邊擴孔;擴孔結束后提鉆桿,四個擴孔翼便可收回。四組傳扭板相互連成一整體,強度大,剛度好,重量輕。擴孔翼的破巖刀具盡量離孔底距離近一些,刀具為牙輪或滾刀,它采用高強度、高硬度的硬質合金為刀齒(胡定成,1998;鄭治川, 2007)。

圖2 在卵礫石層等硬地層鉆進的擴孔鉆頭Fig.2 Ream ing drilling bit in gravel beds and other hard strata

2.2 撈砂斗擴孔鉆頭的設計與使用

在土層、淤泥層進行擴孔鉆進時采用撈砂斗擴孔鉆頭,其具體結構如圖3。由于該擴孔鉆頭與旋挖鉆機配套使用,要求鉆頭的剛度大、強度高,回轉扭矩大,以保證在鉆頭擴孔時不變形,不損壞。

圖3 在縮孔、塌孔的淤泥層擴孔鉆進的撈沙斗擴孔鉆頭Fig.3 Remove sed iment bucket ream ing drill in the clay layer of shr inkage and collapsed holes

擴孔鉆頭主要由加壓的四方接頭組件、擴孔翼板、連桿、傳扭組件四部分組成,鉆頭的基本形狀為對稱雙翼下開式,擴底翼通過上銷軸與四方接頭連接,連桿通過下銷軸與撈砂斗連接。

鉆頭張開時,鉆進壓力通過加壓的四方接頭組件由上銷軸傳遞給擴孔翼,同時,由于連桿的支承作用使擴孔翼向外張開。鉆頭回轉時的巨大扭矩主要是通過加壓的四方接頭組件和撈砂斗的鉸座直接傳遞到擴孔翼上,同時,也通過加壓四方接頭組件的四方結構帶動撈砂斗與擴孔鉆頭同時回轉。邊回轉鉆進,邊擴孔,最大擴孔直徑可超過套管外徑。上、中、下三個銷軸和連桿既傳遞扭矩,又傳遞給進動作和給進壓力。鉆進時的泥土由下方直接進入撈砂斗內(nèi),擴孔切削下的泥土由兜土板從上方收入撈砂斗內(nèi)。提鉆時擴孔翼板收回,鉆頭直徑小于套管內(nèi)徑,每鉆進一個回次將鉆頭從套管內(nèi)提鉆具到孔口除渣。

2.3 螺旋擴孔鉆頭的設計

螺旋擴孔鉆頭(如圖4)是在螺旋鉆頭的底部切削齒的部位加一擴孔翼板,翼板上焊有切削齒,鉆頭正轉時擴孔翼板逐漸擴開,最大擴孔直徑可超過套管外徑,反轉時擴孔翼板逐漸收回,鉆頭可從套管內(nèi)提到孔口除渣。此種結構的鉆頭是在無水或低水位的孔中配合跟管鉆進時使用的。可在膠結的卵礫石層、淤泥層,砂土層內(nèi)鉆進。該擴孔鉆頭與旋挖鉆機配套使用,回轉扭矩大,擴孔翼采用50mm厚錳板,上面焊有切削齒,以保證在鉆頭擴孔時不變形,不損壞。

圖4 與全套管鉆進護壁配鉆合頭進行跟管鉆進的螺旋擴孔Fig.4 Screw ream ing drill of cooperate with the whole casing pipe drill ing dado shaft with pipe drilling

上述三種擴孔鉆頭提鉆具時擴孔翼板收回,鉆頭直徑小于套管內(nèi)徑,可從套管內(nèi)提鉆具到孔口除渣;鉆頭超前于套管加壓鉆進時,擴孔翼在鉆具的壓力下,邊回轉鉆進邊逐漸擴開,擴孔直徑大于套管外徑,下套管的阻力減小,鉆機動力頭可將套管壓入。我國目前無循環(huán)樁孔施工設備主要是旋挖鉆機,這三種擴孔鉆頭同旋挖鉆機配套在樁孔工程施工中的成功使用,對全套管施工工藝在我國的推廣具有現(xiàn)實意義。

3 卵礫石層鉆進工藝與器具

與正反循環(huán)鉆進工藝相比,無循環(huán)鉆進工藝最大的優(yōu)點就是不需把卵礫石破碎為粉粒狀,而是將其攪松后直接取出,施工效率是正反循環(huán)鉆進工藝的10～30倍,但需要一些特殊的鉆具來鉆進。下面逐一介紹三種專門用于卵礫石層鉆進的工藝和鉆具。

3.1 切削盤內(nèi)置式筒鉆鉆進工藝

針對鉆進卵礫石層易偏斜、易坍塌、難破碎的特點,我們專門設計了復合鉆具,其鉆進工藝如下:

1、采用取心筒鉆外圈掏槽,中間定心,保證鉆進不偏斜。

2、泥漿護壁,灌漿補漿及時,泥漿濃度配備稍大。

3、加設通氣孔,使提升時徹底消除抽吸作用,避免塌孔(楊引娥,2004)。

4、選擇桶徑較大鉆頭,耐磨條與孔壁間隙為1cm,鉆進時起保徑支撐作用。

5、鉆具從上至下,對中性強,鉆進平穩(wěn),擺動小,對孔壁造成的擾動小。

6、由于超前掏槽使樁孔產(chǎn)生自由面,隨后對中間卵礫石進行犁溝式鏟切,卵礫石松動,之后被擠入桶內(nèi)。

7、在鉆進過程中,實行孔底配重加壓,孔口減壓鉆進(郝樹青等,2009)。

圖5 切削盤內(nèi)置式筒鉆Fig.5 Cutting disks built-in tube drill

8、根據(jù)鉆機的能力,在回填土等易塌孔地層施工時,盡量將護筒下的深一些,減少塌孔事故的發(fā)生(郝樹青等,2009)。

圖6 錐螺前置式撈沙斗Fig.6 Cone front-remove sed iment bucket 1-連接方;2-開合桿;3-桶體;4-底盤組件;5-旋轉軸;6-螺旋片;7-鉆齒;8-前刃

施工時,先用普通鉆具鉆進,遇到卵礫石層后換切削盤內(nèi)置式筒鉆(如圖5),鉆進時,先將樁孔內(nèi)的卵礫石與周圍地層切割開來,內(nèi)置的截齒切削盤將卵礫石鉆松后收入鉆斗中。

3.2 在卵礫石層鉆進用復合式螺旋鉆頭

鉆進時遇含水層的卵礫石層,螺旋鉆可以鉆進,但提鉆時因水的沖刷作用,無法將克取的卵礫石取上來,需換鉆頭鉆進,無法提高鉆進效率,為此我們專門設計了復合式螺旋鉆頭(如圖6)。

螺旋鉆頭雖然可以有效在板結的卵礫石層鉆進,因為提鉆時有泥漿的沖刷作用,無法將克取的卵礫石取上來,錐螺前置式撈沙斗其前置錐螺將卵礫石鉆松后沿著螺片直接進入撈沙斗中,不用再換鉆頭,提高了鉆進效率。

圖7 卵礫石取心鉆頭的結構設計Fig.7 Structure design of gravel coring bits

圖8 西平鐵路工地取的礫石Fig.8 Gravel taken from the Xiping subway construction site

3.3 在漂石層鉆進的卵礫石取心鉆頭

在樁孔的施工過程中,經(jīng)常遇到大塊的卵礫石、漂石、回填的水泥塊(劉三意,1999),旋挖鉆機往往無法鉆進,一般換沖擊鉆機用鉆頭將其沖碎,不僅效率低,環(huán)境污染大,而且擴孔率高,沖擊振動對周邊建筑物有影響,無法在城市施工。針對這種現(xiàn)狀,我們專門研制了卵礫石取心筒式鉆頭(如圖7)。

3.4 小結

在北京地鐵工地、廣東東莞高速公路工地及鄭州高速鐵路工地實驗證明,卵礫石取心鉆具不僅能在礫石層鉆進,也可以在中風化的巖石層鉆進,其抓取機構的強度足以抓取折斷巖心;在礫徑為0.5～0.8m的卵礫石層鉆進速度約1m/h,在風化的巖石層鉆進速度約0.5m/h;風化的巖石將卵礫石取心鉆具筒擠滿,提出孔外后鉆機正反轉振動后巖石掉出。

在鄭州高速鐵路工地,φ2.0取芯筒鉆成功地將因事故卡在35m深處φ1.8m沖擊鉆頭取出,避免了更嚴重事故的發(fā)生(表1)。

4 結論

無循環(huán)鉆進工藝與全套管旋挖技術配合使用,是我國目前在易坍塌、縮孔和卵礫石地層中鉆進可靠、安全、有效的施工方法,由于其具有成樁質量高,孔內(nèi)事故少,對周圍的地下基礎無擾動,可靠近建筑物施工,無泥漿排放,環(huán)境污染少,施工周期可控等獨特的優(yōu)點(楊引娥,2009),已在國內(nèi)外得到廣泛使用,國外采用專用設備進行全套管施工,因成本較高的原因,我國目前很少用此種設備。根據(jù)我國的國情,到2010年5月,國內(nèi)旋挖鉆機保用量已超過3000多臺,旋挖鉆機進行樁孔施工非常普遍,用旋挖鉆機配合特殊的鉆具和鉆進工藝設備進行全套管鉆進,用拔管機起拔套管的方法已經(jīng)成為適合我國國情的在易坍塌、縮孔和卵礫石地層中鉆進成本較低的工法之一。日本、歐洲一些國家?guī)缀跛械你@孔都要求進行全套管施工,隨著我國對成孔質量的要求越來越高,對工期的控制越來越科學,對環(huán)境的保護越來越重視,該工法在未來的施工中會得到普遍的推廣應用。

表1 取芯筒鉆實驗使用情況Table1 Exper imental situations of the core drill device

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Application of No-C irculation Drilling Technology to Collapse Prone,Shrinkable and Gravel Strata

L IU Jia-rong1.2
(1.China University of Geosciences of Engineering and Technology,Beijing 100083; 2.Beijing Institute of Exploration Engineering,Beijing 100083)

The no-circulation drilling technology is one of the main construction technologies in the pile hole construction field of our country for present and future.By the studyof this drilling technology and instruments,the difficultproblemsof drilling for construction of pile holes in the areas lack ofwater,and with gravel,sludge and flowing sand beds.It has greatly reduced the hole accidents and improved efficiency of drilling in complex formations.According to China’spresent situation that there is a little full-casing equipmentwhile the rotating drills exceed 3,000 sets,it is suggested to combine drilling tools and technology,and the casing pipe,casingwith drilling and specialmethods to solve the problem of the casing drilling cost.Thus it can also promote the research of the no-circulation drilling technology,tools,and matching techniques of casing.

complex formation,no-circulation drilling technology,the casing slurry-supported drilling process

book=9,ebook=632

P634.5

A

0495-5331(2010)05-0960-07

2009-05-13;

2010-07-12;[責任編輯]郝情情。

科技部科研院所技術開發(fā)研究專項資金項目《多工藝旋挖鉆進技術的研究與開發(fā)》(編號:NCSTE-2006-JKZX-255)資助。[第一作者簡介]劉家榮(1965年-),男,教授級高級工程師,在讀博士研究生,長期從事巖土鉆掘工程設備及技術的研究與管理工作, Email:langfangljr@163.com。