灌注樁錐形潛孔錘硬巖鉆進(jìn)施工技術(shù)

李洪勛，尚增弟，雷 斌，許國兵，高子建

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518063)

0 引言

在灌注樁硬巖鉆進(jìn)施工中，大直徑潛孔錘由于破巖效率高、鉆進(jìn)速度快，越來越多地應(yīng)用于灌注樁硬巖鉆進(jìn)項目中。潛孔錘鉆進(jìn)成孔一般使用單體平底潛孔錘錘頭和集束潛孔錘，潛孔錘鉆進(jìn)依靠高風(fēng)壓驅(qū)動，鉆頭高速沖擊鑿巖，多用于直徑600～1 000mm 灌注樁施工。而對于硬巖強(qiáng)度>60MPa或巖石軟硬不均或硬巖厚度較大的灌注樁成孔，常用的單體平底潛孔錘錘頭和集束潛孔錘鉆進(jìn)時會出現(xiàn)較大磨損，有的發(fā)生錘齒折斷、錘頭斷裂(見圖1)，甚至出現(xiàn)壞錘而無法使用，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低、施工成本高。

圖1 潛孔錘錘頭斷裂

為解決硬巖成孔技術(shù)難題，利用多功能鉆機(jī)，采用土層全護(hù)筒跟管、硬巖錐形潛孔錘破巖組合鉆進(jìn)施工工藝，經(jīng)過一系列現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場總結(jié)、工藝優(yōu)化，有效提升了潛孔錘破巖效率，提高了灌注樁硬巖鉆進(jìn)效率，取得了顯著效果。

1 工藝原理

1.1 錐形潛孔錘構(gòu)造

1.1.1錘頭

錐形潛孔錘錘頭為一種改進(jìn)型的潛孔錘鉆頭，底部為圓錐形，相應(yīng)結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)如下。

1)錘頭底部錐形面與水平夾角為20°～25°。

2)錐形面上按一定間距鑲嵌合金顆粒，沿錘面全覆蓋布設(shè)。

3)錐形潛孔錘底部設(shè)置4個主排渣槽，寬度為10cm，直徑為4cm的高壓氣體通氣孔設(shè)置在主排渣槽中，在錘頭側(cè)壁四周均布4個副排渣槽輔助排渣(見圖2)。

圖2 錐形潛孔錘結(jié)構(gòu)

4)錐形錘頭中心(最底處)為圓錐形結(jié)構(gòu)。

1.1.2錘身

1)潛孔錘錘身(即沖擊器)為圓形剛性結(jié)構(gòu)，直徑較錐形錘頭略小，一般情況下兩者差值為50～100mm，可根據(jù)巖層施工垂直度控制難度進(jìn)行選擇。錐形潛孔錘構(gòu)造如圖3所示。

圖3 錐形潛孔錘構(gòu)造

2)錘頭與鉆桿采用六方接頭連接，通過2根插銷固定。

3)高壓空氣進(jìn)氣管設(shè)置在鉆機(jī)鉆桿接頭內(nèi)，在鉆桿與潛孔錘連接時，同時也完成了高壓空氣輸送通道的對接。

1.2 錐形潛孔錘破巖機(jī)理

錐形潛孔錘錘頭在高風(fēng)壓、超高頻率振動下鑿巖鉆進(jìn)，錐形錘頭潛孔錘相比傳統(tǒng)平底潛孔錘，在相同高鉆壓作用下能與巖層形成較大的沖擊壓力，處在其中心下方的巖石在沖擊作用下首先形成V形楔，使巖體上出現(xiàn)應(yīng)力中心，隨著后續(xù)的不斷沖擊，楔形區(qū)巖石逐漸破碎，在沖擊楔形區(qū)旁的巖石首先產(chǎn)生層狀脫落，破碎區(qū)逐漸由應(yīng)力中心向沖擊邊緣擴(kuò)散，最終形成全斷面破碎，進(jìn)而實現(xiàn)錐形潛孔錘在巖體上的擠壓貫入式刺入破碎，使被沖擊巖體產(chǎn)生體積破碎，施工效率高。在錐形潛孔錘底面留設(shè)排渣通氣孔和主、副排渣槽，高壓氣體經(jīng)過排渣通氣孔對孔底巖渣進(jìn)行沖刷清理，破碎的巖渣隨高風(fēng)壓氣體經(jīng)主、副排渣槽被攜帶出孔，孔底殘渣及時排出能避免重復(fù)破碎，使巖石破碎鉆進(jìn)效率更高。破巖機(jī)理如圖4所示。

圖4 錐形潛孔錘擠壓貫入破巖機(jī)理

2 錐形潛孔錘硬巖鉆進(jìn)施工技術(shù)

為提高綜合施工效率，采用組合式施工工藝，即土層采用全護(hù)筒跟管、長螺旋鉆進(jìn)，硬巖采用錐形潛孔錘破巖，既提高了鉆進(jìn)施工效率，又確保了潛孔錘高風(fēng)壓下的孔壁穩(wěn)定，保證了成樁工程質(zhì)量。總體施工工藝流程為：樁孔測量定位→鉆機(jī)就位→土層段長螺旋鉆進(jìn)→跟管鉆進(jìn)至巖面→錐形潛孔錘破巖鉆進(jìn)至終孔→安裝鋼筋籠及灌注導(dǎo)管→灌注樁身混凝土→拔出鋼護(hù)筒。

2.1 樁孔測量定位

1)采用全站儀對施工樁位中心點進(jìn)行放樣，從樁位中心點引出4個方向上的4個點，便于后續(xù)工序?qū)段坏膹?fù)核。

2)施工過程中對控制點進(jìn)行保護(hù)。

2.2 鉆機(jī)就位

1)采用SWSD2512型多功能鉆機(jī)，樁架立柱直徑920mm，高度為21～36m，履帶式行走，配備雙動力頭驅(qū)動。

2) 樁機(jī)移動前，平整施工場地和行走道路，防止樁機(jī)履帶下陷而發(fā)生高樁架傾覆。

3)樁機(jī)移動時指派專人指揮，慢速行走。

4)樁機(jī)就位后，將樁機(jī)前后4個支撐柱液壓控制支頂，確保樁機(jī)施工過程中的穩(wěn)固和安全。

2.3 土層段長螺旋鉆進(jìn)

1)所采用的SWSD2512型多功能鉆機(jī)，配置內(nèi)外雙動力頭，其中內(nèi)動力頭驅(qū)動長螺旋鉆桿鉆進(jìn)。

2)采用螺旋鉆桿直徑為900mm，桿體直徑500mm，螺距為600mm，葉片厚度為25mm，鉆桿整體剛度強(qiáng)、鉆削力大、成孔精度高、施工速度快。

3)長螺旋鉆桿底部配置硬質(zhì)合金刀頭，可鉆進(jìn)至強(qiáng)風(fēng)化巖面。

2.4 護(hù)筒跟管鉆進(jìn)至巖面

1)在樁機(jī)外側(cè)動力頭處安裝接駁器，在鋼護(hù)筒頂部設(shè)置與接駁器相對應(yīng)的連接螺栓孔位，以便實現(xiàn)扭矩傳遞；在鋼護(hù)筒底部設(shè)置管靴，鋼護(hù)筒可根據(jù)鉆深需要進(jìn)行連接(見圖5)。

圖5 套管連接

2)為控制好錐形潛孔錘在進(jìn)行鑿巖鉆進(jìn)時的垂直度，護(hù)筒內(nèi)徑選擇較成孔直徑略小。如灌注樁設(shè)計直徑1 000mm，鋼護(hù)筒外徑1 020mm、內(nèi)徑988mm、壁厚16mm。

3)樁機(jī)配置的內(nèi)側(cè)動力頭驅(qū)動內(nèi)側(cè)螺旋鉆桿(見圖6)，螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)取土，在土層段鉆進(jìn)時能快速將渣土排出，在鉆進(jìn)過程中，長螺旋鉆桿和孔壁構(gòu)成1個螺旋輸送通道，為外側(cè)護(hù)筒完成超前鉆進(jìn)。

圖6 跟管鉆進(jìn)

4)樁機(jī)配置的外側(cè)動力頭則提供外側(cè)跟進(jìn)護(hù)筒的動力輸出，并使護(hù)筒保持持續(xù)跟進(jìn)；通過內(nèi)側(cè)鉆桿持續(xù)排土和外側(cè)護(hù)筒跟進(jìn)回轉(zhuǎn)護(hù)壁，直至鉆進(jìn)至巖面。

5)在上部土層跟管鉆進(jìn)時，內(nèi)側(cè)螺旋鉆桿需超前鉆進(jìn)一定距離，外護(hù)筒再進(jìn)行跟管，根據(jù)土層情況，超前鉆進(jìn)50～80cm。

6)采用內(nèi)側(cè)長螺旋鉆桿與外側(cè)護(hù)筒同軸逆向旋轉(zhuǎn)方式鉆削，長螺旋鉆桿與外側(cè)護(hù)筒產(chǎn)生的鉆削轉(zhuǎn)矩方向相反、相互抵消、自行平衡，使鉆孔過程穩(wěn)定、無噪聲振動。

2.5 錐形潛孔錘破巖鉆進(jìn)至終孔

1)長螺旋鉆進(jìn)至巖面后，從孔內(nèi)提出長螺旋鉆桿，并拆除螺旋鉆頭，便于后續(xù)安裝錐形潛孔錘。

2)采用起重機(jī)將錐形潛孔錘移至鉆機(jī)旁便于安裝處，提升螺旋鉆桿，使其下方的六方接頭與潛孔錘上方的六方接頭對準(zhǔn)，再下放螺旋鉆桿，插入2根固定插銷以實現(xiàn)鉆桿扭矩傳遞。

3)錐形潛孔錘腰帶處直徑設(shè)計為975mm，與鋼護(hù)筒間距為6.5mm，較小的間距有利于潛孔錘鉆進(jìn)過程中受到鋼護(hù)筒的約束，以保證鉆進(jìn)時鉆孔垂直度滿足設(shè)計要求。

4)潛孔錘鉆進(jìn)的供氣裝置由空壓機(jī)組、儲氣罐及相應(yīng)高壓氣體輸送管道組成。配備5臺LUY300-22 GⅢ空壓機(jī)，空壓機(jī)組連接1臺F160559型儲氣罐組成高壓氣體輸出裝置，如圖7所示。

圖7 空壓機(jī)組

5)由于潛孔錘錘頭較大，僅比護(hù)筒內(nèi)徑小13mm，在下放安裝完成的錐形潛孔錘時，需安排施工人員在孔口進(jìn)行指揮，避免磕碰已安裝完成的鋼護(hù)筒造成錯位。

6)錐形潛孔錘開始鉆進(jìn)時，先將鉆具提離孔底20～30cm，開動空壓機(jī)及鉆具上方的回轉(zhuǎn)電機(jī)，待護(hù)筒口出風(fēng)時，再將鉆具輕放至孔底，方可開始錐形潛孔錘破巖鉆進(jìn)。

7)錐形潛孔錘鉆進(jìn)過程中，高風(fēng)壓攜帶鉆渣通過螺旋鉆桿與鋼護(hù)筒間的空隙上返，直至排出孔外。

3 工藝特點

1)硬巖鉆進(jìn)效率高 錐形潛孔錘獨特的錐形錘頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其破巖機(jī)理相比普通集束或平底潛孔錘更為有效，破巖效率顯著提升。

2)成孔質(zhì)量好 上部土層孔段采用護(hù)筒跟管鉆進(jìn)，有效避免了成孔過程中孔壁坍塌；同時，潛孔錘高風(fēng)壓能有效將孔底巖渣攜帶至地面，確保孔底沉渣滿足要求，成孔質(zhì)量更有保證。

3)施工安全性高 選用的SWSD2512型多功能鉆機(jī)配備了大直徑高強(qiáng)度樁架、鉸接的三腳支撐和長螺旋鉆桿，可保證在大功率施工時鉆機(jī)整體的穩(wěn)定性；鉆進(jìn)過程中，采用雙動力頭驅(qū)動，內(nèi)側(cè)鉆桿與外側(cè)鉆套同軸逆向旋轉(zhuǎn)方式鉆削，鉆桿與外鉆套產(chǎn)生的鉆削轉(zhuǎn)矩方向相反、相互抵消、自行平衡，使鉆孔過程穩(wěn)定、無噪聲振動。

4)施工成本較低 采用全護(hù)筒跟管、長螺旋鉆進(jìn)+錐形潛孔錘破巖組合鉆進(jìn)工藝，相比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、旋挖鉆進(jìn)、單一的潛孔錘鉆進(jìn)等，長螺旋土層鉆進(jìn)速度快，潛孔錘破巖效率高，長螺旋形成的出渣通道更為快捷，使組合鉆進(jìn)更為優(yōu)化、有效，鉆進(jìn)速度快、成樁質(zhì)量好，總體施工成本低。

4 實際應(yīng)用

本施工技術(shù)在珠三角城際廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)4工區(qū)21號工作井圍護(hù)工程中得到了應(yīng)用，采用錐形潛孔錘對該工程的110根支護(hù)樁進(jìn)行施工，總?cè)霂r為1 250m3。該項工程擬建工期為90d，本項施工技術(shù)投入生產(chǎn)后，提前30d完成施工。另外，本項施工技術(shù)因在低耗材和設(shè)備低損耗等方面具有優(yōu)越性，使項目成本節(jié)約了約85萬元，提高入巖施工經(jīng)濟(jì)效益約15%。

5 結(jié)語

在當(dāng)前大力開發(fā)地下空間的形勢下，越來越多的灌注樁需在硬巖中成孔，而錐形潛孔錘在施工實際施工過程中體現(xiàn)了良好的施工效率，在施工成本控制方面突顯成本低的優(yōu)越性，解決了常規(guī)施工工法在灌注樁硬巖成孔施工過程中施工效率低、成本高的難題，提供了一種創(chuàng)新的灌注樁硬巖成孔施工技術(shù)，大大加快了項目施工進(jìn)度。