不同地質情況下鉆孔灌注樁鉆機設備選型

侯 斌

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

鉆孔灌注樁在基礎施工過程中有著較多的施工優(yōu)勢，如不會受到地下水位高低的干擾，可以直接穿過各種地質條件比較復雜的區(qū)域，或者對一些軟硬變化明顯的地質結構進行全面加固和處理，處理完成之后的地基整體穩(wěn)定性更強、承載力更大，整個施工設備使用相對比較簡單，施工效率更快，同時具有良好的安全性。因此，鉆孔灌注樁施工技術在我國各大巖土工程施工當中應用非常廣泛，并且取得了良好的施工效果和經濟效益。

我國不同地區(qū)地質條件構成各有不同，在一些特殊地質條件下需要對鉆孔灌注樁鉆機設備進行針對性選擇，不但需要考慮到鉆機設備的型號，同時還需要考慮鉆機設備的工作穩(wěn)定性、經濟性等多項指標。在鉆孔灌注樁施工過程中，鉆孔是其中非常重要的施工環(huán)節(jié)，鉆孔的速度快慢以及成孔質量直接影響到了整個樁基施工的質量和穩(wěn)定性。因此，在鉆孔施工過程中對鉆機設備的型號選擇至關重要，需要充分考慮到各種鉆機的工作性能和指標，以滿足實際工程施工的具體要求。

1 鉆孔灌注樁鉆機設備類型及技術特點

1.1 沖擊鉆

沖擊鉆機是一種比較常見的鉆機設備，沖擊鉆機依靠沖擊錘進行沖擊，通過拋渣筒排渣。沖擊錘上下反復沖擊將堅硬的巖石破碎，破碎后的殘渣直接輸送到外部環(huán)境，一部分被直接擠入到孔壁內部，也稱之為普通泥漿護壁。沖擊鉆機適用于一些比較常見的填土層、黏土層以及密石砂層等復合型夾層施工，但是在卵石層、微風化地層的施工進度比較緩慢，同時沖擊錘很容易損壞。在一些地質條件比較松散、基層施工厚度較大的砂層當中進行鉆進，很容易出現孔洞坍塌問題，主要原因是沖擊鉆在鉆井工作中，孔洞內部的泥漿比重不平衡，同時出現上不小下不大。通過掏渣筒掏渣處理之后的孔洞內部水位降低，會造成水位差，形成塌孔問題。

沖擊鉆具有施工地層適應性范圍較廣、施工速率較快、對施工場地環(huán)境要求較小等優(yōu)勢，同時造價更加低廉。但是，沖擊鉆的工作勞動強度相對較大，泥漿循環(huán)需要設立泥漿回流池，占地面積較大，產生的泥漿不能直接進行外運，施工過程中會出現較大的振動和聲響，對周圍的環(huán)境影響比較明顯。

1.2 回轉鉆機

回轉鉆機在我國各大巖土工程當中的應用非常廣泛，在鉆孔灌注樁施工過程中，具有非常明顯的施工優(yōu)勢。回轉鉆機設備在我國國內應用時間較長、使用范圍較廣，在社會市場當中保有量相對較大。回轉鉆機除了在卵石層、砂石層鉆進存在一定難度之外，在其他一些比較常見的地層鉆進工作中都具有良好的適用性。回轉鉆機根據排渣方式的不同，可以分為正循環(huán)排渣和反循環(huán)排渣兩種形式，反循環(huán)系統(tǒng)當中又包含了泵吸、孔舉、孔底射流三種構成環(huán)節(jié)。在一些常見的素土層、黏土層和砂礫土層鉆孔施工中，通常使用正循環(huán)工作方式；在一些質地比較堅硬的軟石層、砂卵石夾層和巖石層內部孔底清渣工作，通常選用反循環(huán)方式。根據地層結構的不同，鉆頭的形式可以采用不同的規(guī)格和型號，尤其在比較堅硬的巖石層鉆井，需要配置滾刀鉆頭或者牙輪鉆頭。鉆孔施工的鉆孔直徑可以達到2～5 m，深度可以達到數百米以上。

回轉鉆機在我國各大巖土工程中的應用非常廣泛，護壁效果明顯，成孔質量更高，在施工過程中不存在明顯的振動、噪音等問題，具有操作更加簡單、造價更加低廉等多方面特性。但是在復雜的地層層孔工作中，整體的工作效率相對較低。施工現場的用水量較大，需要排放大量泥漿，同時擴孔率無法進行有效控制，很難在卵石漂石和巖石層表面進行施工。尤其是針對一些質地非常堅硬的地層，鉆孔進度非常緩慢，消耗的經濟成本也相對較大。

1.3 沖擊反循環(huán)鉆機

沖擊反循環(huán)鉆機是將傳統(tǒng)的沖擊鉆機進一步改進和升級，和反循環(huán)排渣工藝進行有效銜接，形成的一種新型大口徑鉆機設備。通過該鉆機設備的有效使用，可以對一些大面積的巖石進行高頻率的沖擊和破碎，保證沖擊面的巖石完全破裂，然后使用反循環(huán)排渣的工作方法，將沖擊產生的巖石碎片及時排出外部環(huán)境。使用該鉆機設備，不但保留了傳統(tǒng)沖擊鉆施工成本較低、清孔更加干凈、沉渣量較小和適用性更加廣闊的優(yōu)勢，同時解決了傳統(tǒng)鉆機不能連續(xù)性排渣等多種問題，可以在各種復雜的地質條件下進行鉆孔施工[1]。

沖擊反循環(huán)鉆機設備和回轉鉆機設備，在鉆孔施工過程中有各自的使用優(yōu)勢。正常情況下，在黏土層、亞黏土層、淤泥質土層和粉砂層施工過程中，回轉鉆機比沖擊反循環(huán)鉆機的鉆孔施工速度更快，整個成本消耗量上相對較低。在卵石層和堅硬巖石層施工過程中，沖擊反循環(huán)鉆機的工作速率可以提升2～3倍以上，尤其在我國一些比較復雜的丘陵和山區(qū)地帶，沖擊反循環(huán)施工在卵石層和堅硬巖石層的成孔速度有更加明顯的優(yōu)勢。在成本消耗量方面，卵石層、粒石層和質地比較堅硬的巖石層施工中，沖擊鉆的鉆進效率較高，而回轉鉆機鉆進速率較慢、成孔周期相對較長，整個經濟成本投入量上相比于沖擊鉆超過3 倍以上。

當遇到一些大漂石、大面積堅硬巖石條件等，通過回轉鉆機無法保證鉆孔工作的效率和穩(wěn)定性，只能選用沖擊反循環(huán)鉆機進行施工。但是，沖擊反循環(huán)鉆機的施工過程會產生較大振動，對周圍環(huán)境形成影響，尤其是沖擊下部比較堅硬的巖石層時，沖擊過程產生的振動效應會產生較大的噪聲。同時，鉆機的工作功率較大，耗電量較高，整體結構也比較復雜，設備的運輸過程也需要投入一定的經濟成本[2]。

1.4 潛水鉆機

潛水鉆機屬于一種比較常見的旋轉式鉆孔機械設備，將防水電機變速機構和鉆頭直接銜接在一起，同時做好外部的密封處理，由鉆桿定位后將鉆機直接潛入到水底，在泥漿中進行鉆孔。注入泥漿之后，通過正循環(huán)和反循環(huán)的排渣工作方法，將孔洞內部產生的大量泥土和碎渣直接排放到外部環(huán)境。潛水鉆機在一些黏土層、淤泥層、淤泥質土沙粒夾層和軟弱地層結構當中的應用非常廣泛。潛水鉆機通過潛水電機提供動力，在鉆孔工作中直接將鉆機深入到空地內部，電機的防水工作性能良好，在工作過程中溫度上升幅度較小，具有良好的過載工作能力。其在鉆孔工作中消耗的動力較小，鉆孔工作效率較高，同時整個鉆孔施工的成本投入量較低，但是潛水鉆機不能用于碎石土層、超過10 cm 的軟力夾層、卵石地層或者比較堅硬的巖石地質條件。在具體的成孔工作中，通過使用泥漿護壁很容易造成現場環(huán)境泥濘。同時，使用反循環(huán)鉆孔施工，在土體當中會存在較大的石塊，很容易卡住管道，造成樁體結構層松散，進而使得樁徑擴大，灌注混凝土施工量超限[3]。

2 鉆機設備選型與經濟性對比

2.1 不同地質條件鉆孔灌注樁鉆機設備選擇

根據各種不同類型鉆機的工作特點，在確定工程施工方案過程中，可以針對不同的地質條件特性，對鉆機的類型進行針對性選擇，有效提高鉆孔工作的整體效率和質量。

（1）黏土層和密實砂層可以直接選用沖擊鉆機、回轉鉆機或者旋挖鉆機任何一種，都可以起到良好的鉆孔工作效果.

（2）密實土層和松散的砂層地質條件，可以直接選擇回轉鉆機或者旋挖鉆機。

（3）土層當中含有＞20%的軟石或者顆粒直徑＞15 cm 的漂石地層結構，可以選用沖擊鉆機來進行鉆孔施工。

（4）卵石含量＜20%或者大漂石的顆粒直徑＜10 cm 的土層結構，可以直接選用沖擊鉆機或者回轉鉆機來進行施工。

（5）軟弱的巖土層或者強風化巖層結構，可以選擇沖擊鉆和回轉鉆機來進行鉆孔施工。

（6）弱風化地質條件、堅硬巖石條件，可以使用實心錘沖擊鉆、牙輪鉆或者滾刀鉆等設備進行鉆孔施工。

（7）抗壓強度＞120 MPa 的堅硬巖石層，可以直接使用滾刀鉆進行鉆孔施工。

從上述的鉆機技術特性以及地質條件特點分析，除了需要大致了解設備的性能和適用性以外，還需要全面了解地質勘測報告中的土壤性質指標，對施工區(qū)域范圍內的地層條件結構、巖性特點等進行全面判斷和分析，針對性地選擇鉆機設備型號，保證鉆孔工作的整體質量和效果。同時，結合環(huán)境保護工作要求，針對泥漿的處理工作成本、施工難度和噪聲問題等進行綜合考慮和分析[4]。

2.2 不同鉆機設備使用經濟性分析

最后要考慮經濟成本因素，包括鉆機設備的功率大小、配套設施造價和各種能源消耗量等，以此選擇鉆機類型。不同地層條件下的鉆孔設備不同，成本造價也會有較大差異。如某鉆孔灌注樁施工區(qū)域地層為巖石條件，其中單軸抗壓強度大小達到了100 MPa，根據鉆機的工作性能可以選擇牙輪鉆、滾刀鉆或者實心錘沖擊鉆機中的任何一種。但是從整個使用經濟角度上考慮，鉆機在工作過程中的成本消耗量存在較大差異，在三種鉆機的制漿、排漿和動力基本相同的條件下，鉆頭的消耗和鉆進速率不同，使得鉆孔工作中的成本消耗量相差較大。其中，實心錘沖擊鉆鉆進工作速率可以達到0.8～1.0 m/臺班，牙輪鉆為0.1～0.3 m/臺班，滾刀鉆進速率為0.3～0.4 m/臺班。實心錘沖擊鉆鉆頭的質量范圍在5～7 t，主要以鑄鐵材料為主。滾刀鉆和牙輪鉆的每米成孔成本，相比于實心錘沖擊鉆的施工成本超出2 倍以上，基于這一施工條件，優(yōu)先選擇實心錘沖擊鉆可降低施工成本。考慮鉆機經濟性能要包含周圍工作環(huán)境要求、場地制約條件和施工工期，這是鉆機選型工作的重要影響因素，需要引起相關施工人員的高度重視[5]。

3 結語

不同的地質條件下，鉆孔灌注樁鉆機的設備選型有明顯的差異性，相關工程施工單位需要針對施工區(qū)域內的地質條件進行全面分析，對鉆孔灌注樁鉆機設備使用的工作效率、工作安全性、使用經濟性和對周圍環(huán)境產生的影響等多方面問題進行綜合考慮，選擇出綜合表現更強的設備進行施工，全面提高工程整體的施工效率和質量，實現工程施工單位的良好經濟效益。