組合式潛孔錘旋挖鉆機組合在樁孔施工中的應用

康文波 朱會昆 王東華

（貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義 563003）

1 引言

隨著我國基礎施工行業的不斷發展，施工企業不斷了解到旋挖鉆機的優越性，使得旋挖鉆機在國內已經得到廣泛而成熟的應用，代表了基礎工程施工目前的先進水平。旋挖鉆機具有裝機功率大、輸出扭矩大、軸向鉆壓大、起拔力大、機動性好、施工效率高的特點，配備合適的旋挖鉆具，可在覆蓋土、淤泥、粘土、淤泥質亞粘土、粉土、砂性土、砂石層以及軟質裂隙層理較發育的基巖等地層進行成孔作業。但是在堅硬地層，采用旋挖鉆機施工存在較大的困難，為了更好的發揮旋挖鉆機施工的優越性，我們將大直徑反循環組合式氣動潛孔錘與旋挖鉆機組合進行施工，取得了很好的效果。下面就將潛孔錘與旋挖鉆機的組合施工方法進行簡單介紹。

2 旋挖鉆機基巖鉆進機理

旋挖鉆機在基巖樁孔施工過程中，常用的工法通常是，在較軟的巖石層，直接用入巖式旋挖鉆斗，加壓后慢慢鉆進。當遇到堅硬巖石層時，先用嵌巖筒式鉆頭，加壓鉆進，先將孔底基巖形成柱狀式巖心，再打反轉使筒式鉆頭的內齒嵌入巖心，隨后提鉆，靠鉆機卷揚機的提升力強行將巖心拉斷后提出孔表。如果遇到不能拉斷巖心的情況，則要將筒式鉆頭更換為雙螺錐短螺旋鉆頭后繼續加壓鉆進，將柱狀式巖心破碎掉，然后改用入巖式旋挖鉆斗將破碎的巖石撈出，進而完成基巖樁孔施工。采用該種施工工藝方法施工，鉆頭更換頻繁，鉆頭磨損大，鉆進過程中需要很大的鉆壓和輸出扭矩，對鉆機的損耗大，同時鉆進效率低。

3 大直徑潛孔錘與旋挖鉆機配套在基巖施工中的鉆進機理

大直徑反循環組合式氣動潛孔錘與旋挖鉆機組合在基巖樁孔施工的過程中，是將潛孔錘的沖擊功能與旋挖鉆機的旋轉功能相結合起來，實施沖擊回轉碎巖鉆進，提高其鉆進效率，其工作機理是：高壓空氣通過組合式潛孔錘上的配氣裝置通向組合式潛孔錘中的各個單體錘，該單體錘是一種無閥式潛孔錘，它利用話塞的往復運動自行配氣，當組合式潛孔錘下入孔底，各單體錘的活塞沖錘位于下死點位置，即沖擊狀態，空壓機所給的高壓氣體經送風道、內缸、外缸間的環狀間隙和進風口進入前氣室推動活塞開始上行即回程階段。當活塞運行一段距離后，活塞與內缸相互密封，堵死了氣體進入前氣室的通道，此時活塞靠前氣室氣體膨脹作功，活塞繼續上行，前氣室與排氣通道相通，活塞靠慣性繼續上行。在活塞回程的同時，后氣室相應進行的是：排氣、壓縮及進風道與后氣室相通，后氣室開始進入高壓氣體，由于壓差和重力作用，回程運行速度減慢直至零，活塞處于瞬間的靜止，回程結束；高壓氣體進入后氣室，而前氣室處于低壓排氣狀態，活塞向下運行即沖程開始，運行一段距離后，活塞環面將后氣室進氣通道堵死，后氣室高壓氣體膨脹作功。活塞繼續向下運行，后氣室排氣口打開，活塞靠慣性向下運行直至沖擊鉆頭，此運動階段為沖程階段。活塞沖擊鉆頭后，又進入回程階段。從而實現活塞周而復始地沖擊鉆頭，受沖擊的鉆頭將能量傳遞給巖石面以破碎巖石。同時高壓氣通過配氣裝置和鉆頭上的映射孔將氣流引向中間排渣管，使排渣管局部形成負壓，同時將驅動潛孔錘工作的廢氣引向中心排渣管道，進而對孔底巖渣形成抽吸作用，將孔底巖渣通過中心排渣管道不斷排出孔外，實現反循環連續排渣。同時旋挖鉆機給其施加連續的回轉功能，并實現了沖擊回轉鉆進。采用該種施工工藝方法施工，可以連續鉆進，直至設計嵌巖深度要求，鉆進過程中不用更換鉆頭，鉆進效率高，對鉆機和鉆頭的損耗相對較小，同時對鉆機的鉆壓、輸出扭矩等要求不是太高。

4 大直徑潛孔錘與旋挖鉆機組合配套方案

要采用旋挖鉆機實施沖擊回轉碎巖鉆進，就必須將潛孔錘的功能與旋挖鉆機的功能進行組合，由于使用的是反循環潛孔錘進行組合，其在施工過程中形成的巖渣要從潛孔錘的中心管道排出，同時需要將高壓氣體送至孔底驅動潛孔錘工作，因此，要將旋挖鉆機與潛孔錘組合使用，首先就要解決配氣和排渣的問題，下面提出了兩種組合方案。

大直徑組合式潛孔錘與旋挖鉆機組合的兩種方案：一種是采用加接鉆桿的方式將潛孔錘與旋挖鉆機組合施工，如圖1所示。另一種是采用伸縮鉆桿加配氣反循環排渣套的方式將潛孔錘與旋挖鉆機組合施工，其如圖2所示。

圖1 加接鉆桿連接方式

圖2 伸縮鉆桿連接方式

上述兩種組合方案的使用特點分析：第一種方案，直接用中空式加接鉆桿，將組合錘與旋挖鉆機組合在一起施工，優點是可以很方便的將渣從中心孔道排出地表，不需增加任何輔助裝置。缺點是提鉆下鉆過程麻煩，該過程所花時間長，影響施工效率。第二種方案，通過設計一隨鉆配氣反循環排渣裝置，用摩阻式伸縮鉆桿將大直徑組合式潛孔錘與旋挖鉆機連接起來施工，優點是采用伸縮鉆桿連接，提鉆下鉆方便，降低了施工時的輔助時間。缺點是對隨鉆配氣反循環排渣裝置的密封性要求高，在進行濕孔施工時，有泥漿通過該裝置排出孔表，由于泥漿對密封圈損害很大，使其旋轉結合面的泥沙越積越多，最終導致該裝置卡死，從而降低該裝置的可靠性。

通過施工驗證結果表明，采用第二套連接方案施工更為合理，該套方案降低了施工過程輔助時間，施工效率相對較高，施工效果見圖3。

圖3 潛孔錘與旋挖機組合施工效果圖

5 大直徑潛孔錘與旋挖鉆機組合施工工法及注意事項

5.1 施工順序的選擇

采用大直徑潛孔錘與旋挖鉆機組合施工時，首先利用旋挖鉆機配上旋挖鉆斗，將所有樁孔的覆蓋層挖掉，施工至中風化巖石的半成孔，然后更換清孔鉆頭，將孔底的浮土清理干凈，當這一系列工作完成后，在孔內加入300mm深的水，將普通的旋挖鉆頭更換成組合錘，接空壓機進行施工，直至設計孔深。

5.2 旋挖鉆機成孔要求

每次施工都必須先用旋挖鉆機帶旋挖鉆斗，將覆蓋層挖掉，至中風化巖石便停止施工，然后用清孔鉆頭清孔，力爭使孔底平整，以確保下一步在樁孔內用潛孔錘施工時有一個平整的工作面。

5.3 潛孔錘施工前的準備

當用旋挖鉆機將覆蓋層挖完，并用清孔鉆清理完孔后，向孔內加入300mm深的清水，以并潛孔錘能順利將孔底無法清除的浮土排錘孔表，如果不加水，孔底的浮土如果粘性太強，將會堵塞潛孔錘的排渣孔道，影響潛孔錘的施工效率。

5.4 空壓機的連接與鉆桿的選用

空壓機采用高壓膠管與大直徑組合式潛孔錘的配氣裝置連接，通過動力頭上的膠管過輪下放到孔底，同時確保連接部位的密封，避免因風量的下降而造成潛孔錘的正常工作。鉆桿選用摩阻式伸縮鉆桿，通過隨鉆配氣反循環排渣裝置將其與組合式潛孔錘相連。

5.5 施工過程控制

利用潛孔錘施工過程中，應嚴格控制鉆桿轉速，正常工況下應控制在3～5r/min，因為轉速過高容易影響破碎巖石的速度，同時會加快合金柱齒的磨損速度。鉆進過程中，應經常提鉆后高速轉動鉆桿修磨孔壁，避免蹩鉆、卡鉆的事故發生。經常強吹孔底，還可以提高排渣速度，進而提高鉆進速度。施工結束時，先將潛孔錘提離孔底后掃孔清渣，然后關閉空壓機。

6 結論

通過以上分析和研究，和現場施工試驗驗證，得出如下結論：

施工前要仔細的研究巖土工程勘察報告,以便選擇適合的成孔施工工藝,并結合施工工藝進行鉆具的配備,采用伸縮鉆桿與組合錘連接時，須設計好隨鉆配氣反循環排渣裝置，確保其可靠性。

由于采用了伸縮式鉆桿通過隨鉆配氣排渣裝置將潛孔錘與旋挖鉆機進行組合使用,在施工過程中更換鉆頭機動方便,相對地提高了施工效率, 同時還不妨礙旋挖鉆機對下一個樁孔的正常施工。大大提高了旋挖鉆機在硬巖地層的施工效率,同時又降低了對鉆頭的損耗,具有良好的經濟效益。

大直徑反循環潛孔錘鉆進工藝和旋挖鉆機鉆進工藝相結合,充分發揮了潛孔錘對硬基巖地層施工速度快的優越性,也發揮了旋挖鉆機施工軟土速度快的優越性,同時也拓寬了旋挖鉆機對中～硬基巖施工的領域,提高了旋挖鉆機施工中～硬基巖樁基的效率,為旋挖鉆機施工類似中～硬基巖提供了技術參考和經驗借鑒。

[1]劉偉.旋挖鉆機的發展及應用.建筑機械化.2004

[2]李世忠主編。鉆探工藝學，北京：地質出版社，1992，第一版

[3]杜祥麟，潛孔錘鉆進技術，北京：地質出版社，1998。

[4]耿瑞倫，陳星慶.多工藝空氣鉆探，北京：地質出版社，1995.10

[5]張祖培，殷琨，蔣榮慶，孫友宏。巖土鉆掘工程新技術，北京：地質出版社，2003