劉家榮

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083;2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

無循環(huán)鉆進(jìn)工藝在易坍塌、縮孔和卵礫石地層的應(yīng)用

劉家榮1,2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083;2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

無循環(huán)鉆進(jìn)工藝是我國現(xiàn)在和將來樁孔施工領(lǐng)域的主要施工工藝之一,通過對(duì)無循環(huán)鉆進(jìn)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(jìn)行樁孔鉆進(jìn)的難題,大大減少了孔內(nèi)事故,提高了無循環(huán)鉆進(jìn)工藝在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)的效率。根據(jù)我國目前全套管施工設(shè)備少,而旋挖鉆機(jī)保用量已超過3000多臺(tái)的現(xiàn)狀,通過新的鉆具和工藝的結(jié)合,用旋挖鉆進(jìn)工藝與全套管跟管鉆進(jìn)、全套管護(hù)壁鉆進(jìn)等特殊工法和特殊鉆具的配套施工,解決了全套管鉆進(jìn)的成本問題,推動(dòng)了無循環(huán)鉆進(jìn)工藝、機(jī)具及全套管配套技術(shù)的研究。

復(fù)雜地層 無循環(huán)鉆進(jìn)工藝 全套管護(hù)壁鉆進(jìn)工藝 卵礫石地層的鉆進(jìn)

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0 前言

無循環(huán)旋挖鉆機(jī)是一種基礎(chǔ)工程成孔作業(yè)的樁工機(jī)械(吳時(shí)民,2002;劉偉,2004),以柴油機(jī)為動(dòng)力,液壓驅(qū)動(dòng),履帶行走(王平,2001),底盤可360°回轉(zhuǎn),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(jī)動(dòng)靈活、多種速度調(diào)節(jié)、環(huán)境污染小等特點(diǎn),無循環(huán)鉆進(jìn)工藝主要適用于土層、沙層、風(fēng)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(diǎn)工程基礎(chǔ)樁孔鉆進(jìn)的主要施工方法(于好善, 2007)。

常規(guī)的無循環(huán)旋挖鉆進(jìn)工藝使用的鉆頭在卵礫石、漂石層鉆進(jìn)時(shí)鉆齒消耗大,鉆桿易折斷,鉆進(jìn)時(shí)易孔斜,鉆進(jìn)效率低,成本高,甚至于無法鉆進(jìn),在流沙層、淤泥層、回填土層鉆進(jìn)時(shí)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(duì)鉆進(jìn)工具合理設(shè)計(jì)(張懷生,2003),另一方面需對(duì)無循環(huán)施工工藝進(jìn)行研究,在無循環(huán)施工工藝對(duì)付復(fù)雜地層時(shí)的施工技術(shù)方面進(jìn)行探討,主要研究在復(fù)雜地層內(nèi)旋挖鉆進(jìn)工藝與全套管鉆進(jìn)技術(shù)配套使用的鉆具和鉆進(jìn)工藝。

1 全套管鉆進(jìn)工作原理

全套管鉆機(jī)一般均裝有液壓驅(qū)動(dòng)的抱管、搓管(或回轉(zhuǎn))和壓拔管機(jī)構(gòu)、上下導(dǎo)向裝置。成孔過程是將套管邊來回搓管(或回轉(zhuǎn))邊壓入地層之中,配合吊機(jī)或旋挖鉆機(jī)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(jìn),套管的長(zhǎng)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(jìn)時(shí)不再使用泥漿和其它介質(zhì)護(hù)壁排渣,由全套管施工鉆機(jī)、搓管機(jī)、旋挖鉆機(jī)、振動(dòng)錘等設(shè)備將套管下到孔內(nèi)護(hù)壁進(jìn)行鉆進(jìn)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(hù)壁鉆進(jìn)在我國才剛剛開始,我國雖然缺乏專用的全套管施工鉆機(jī),但利用現(xiàn)有的旋挖鉆機(jī)配套合適的鉆具和鉆進(jìn)工藝,也可以進(jìn)全套管施工鉆進(jìn)。

1.1 全套管護(hù)壁鉆進(jìn)優(yōu)勢(shì)

1、在鉆進(jìn)時(shí)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(zhǎng),避免了浪費(fèi)。

2、杜絕了在流砂層、淤泥層、回填層、卵礫石層等復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)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(zhì)對(duì)孔壁的擾動(dòng),可與特殊的鉆頭配合鉆進(jìn),根據(jù)地層情況,可在套管內(nèi)進(jìn)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(jìn)(鄢泰寧等,2008),可在任何地層施工,提高了鉆進(jìn)效率,保證了施工進(jìn)度。

4、因套管的隔離,成孔和成樁質(zhì)量高,取土?xí)r因套管插入整個(gè)孔內(nèi),孔壁不會(huì)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(hù)壁造成的泥皮和沉渣對(duì)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(zhì)量事故。

5、全套管施工工藝對(duì)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(chǔ)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(shí)(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(jìn)時(shí),必須下護(hù)筒或套管鉆進(jìn),護(hù)筒或套管下裝有合金刀具,可回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)鉆進(jìn),在軟地層也可以用振動(dòng)或強(qiáng)力壓入,將護(hù)筒或套管下至不易坍塌的地層,然后下鉆具鉆進(jìn)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(kuò)孔鉆頭的設(shè)計(jì)與使用

圖1 套管靴、套管、驅(qū)動(dòng)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(jìn)樁孔的鉆擴(kuò)兩用鉆頭的基本結(jié)構(gòu)為下開式(如圖2所示),由于在該地層施工振動(dòng)較大,擴(kuò)孔翼采用對(duì)稱布置四翼,中心為內(nèi)外四方結(jié)構(gòu),扭矩通過傳扭板傳遞到擴(kuò)孔翼上,擴(kuò)孔翼本身為箱式結(jié)構(gòu),鉆桿的重量加到與之相連的四方接頭上,四方接頭帶動(dòng)連桿和擴(kuò)孔翼沿傳扭板和導(dǎo)向輪向外滑動(dòng),邊鉆進(jìn)邊擴(kuò)孔;擴(kuò)孔結(jié)束后提鉆桿,四個(gè)擴(kuò)孔翼便可收回。四組傳扭板相互連成一整體,強(qiáng)度大,剛度好,重量輕。擴(kuò)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(qiáng)度、高硬度的硬質(zhì)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(jìn)的擴(kuò)孔鉆頭Fig.2 Ream ing drilling bit in gravel beds and other hard strata

2.2 撈砂斗擴(kuò)孔鉆頭的設(shè)計(jì)與使用

在土層、淤泥層進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)采用撈砂斗擴(kuò)孔鉆頭,其具體結(jié)構(gòu)如圖3。由于該擴(kuò)孔鉆頭與旋挖鉆機(jī)配套使用,要求鉆頭的剛度大、強(qiáng)度高,回轉(zhuǎn)扭矩大,以保證在鉆頭擴(kuò)孔時(shí)不變形,不損壞。

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

擴(kuò)孔鉆頭主要由加壓的四方接頭組件、擴(kuò)孔翼板、連桿、傳扭組件四部分組成,鉆頭的基本形狀為對(duì)稱雙翼下開式,擴(kuò)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(shí),鉆進(jìn)壓力通過加壓的四方接頭組件由上銷軸傳遞給擴(kuò)孔翼,同時(shí),由于連桿的支承作用使擴(kuò)孔翼向外張開。鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)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(kuò)孔翼上,同時(shí),也通過加壓四方接頭組件的四方結(jié)構(gòu)帶動(dòng)撈砂斗與擴(kuò)孔鉆頭同時(shí)回轉(zhuǎn)。邊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),邊擴(kuò)孔,最大擴(kuò)孔直徑可超過套管外徑。上、中、下三個(gè)銷軸和連桿既傳遞扭矩,又傳遞給進(jìn)動(dòng)作和給進(jìn)壓力。鉆進(jìn)時(shí)的泥土由下方直接進(jìn)入撈砂斗內(nèi),擴(kuò)孔切削下的泥土由兜土板從上方收入撈砂斗內(nèi)。提鉆時(shí)擴(kuò)孔翼板收回,鉆頭直徑小于套管內(nèi)徑,每鉆進(jìn)一個(gè)回次將鉆頭從套管內(nèi)提鉆具到孔口除渣。

2.3 螺旋擴(kuò)孔鉆頭的設(shè)計(jì)

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

圖4 與全套管鉆進(jìn)護(hù)壁配鉆合頭進(jìn)行跟管鉆進(jìn)的螺旋擴(kuò)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(kuò)孔鉆頭提鉆具時(shí)擴(kuò)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(jìn)時(shí),擴(kuò)孔翼在鉆具的壓力下,邊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)邊逐漸擴(kuò)開,擴(kuò)孔直徑大于套管外徑,下套管的阻力減小,鉆機(jī)動(dòng)力頭可將套管壓入。我國目前無循環(huán)樁孔施工設(shè)備主要是旋挖鉆機(jī),這三種擴(kuò)孔鉆頭同旋挖鉆機(jī)配套在樁孔工程施工中的成功使用,對(duì)全套管施工工藝在我國的推廣具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 卵礫石層鉆進(jìn)工藝與器具

與正反循環(huán)鉆進(jìn)工藝相比,無循環(huán)鉆進(jìn)工藝最大的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)工藝的10～30倍,但需要一些特殊的鉆具來鉆進(jìn)。下面逐一介紹三種專門用于卵礫石層鉆進(jìn)的工藝和鉆具。

3.1 切削盤內(nèi)置式筒鉆鉆進(jìn)工藝

針對(duì)鉆進(jìn)卵礫石層易偏斜、易坍塌、難破碎的特點(diǎn),我們專門設(shè)計(jì)了復(fù)合鉆具,其鉆進(jìn)工藝如下:

1、采用取心筒鉆外圈掏槽,中間定心,保證鉆進(jìn)不偏斜。

2、泥漿護(hù)壁,灌漿補(bǔ)漿及時(shí),泥漿濃度配備稍大。

3、加設(shè)通氣孔,使提升時(shí)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(jìn)時(shí)起保徑支撐作用。

5、鉆具從上至下,對(duì)中性強(qiáng),鉆進(jìn)平穩(wěn),擺動(dòng)小,對(duì)孔壁造成的擾動(dòng)小。

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

7、在鉆進(jìn)過程中,實(shí)行孔底配重加壓,孔口減壓鉆進(jìn)(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(jī)的能力,在回填土等易塌孔地層施工時(shí),盡量將護(hù)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(zhuǎn)軸;6-螺旋片;7-鉆齒;8-前刃

施工時(shí),先用普通鉆具鉆進(jìn),遇到卵礫石層后換切削盤內(nèi)置式筒鉆(如圖5),鉆進(jìn)時(shí),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(jìn)用復(fù)合式螺旋鉆頭

鉆進(jìn)時(shí)遇含水層的卵礫石層,螺旋鉆可以鉆進(jìn),但提鉆時(shí)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(jìn),無法提高鉆進(jìn)效率,為此我們專門設(shè)計(jì)了復(fù)合式螺旋鉆頭(如圖6)。

螺旋鉆頭雖然可以有效在板結(jié)的卵礫石層鉆進(jìn),因?yàn)樘徙@時(shí)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(jìn)入撈沙斗中,不用再換鉆頭,提高了鉆進(jìn)效率。

圖7 卵礫石取心鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)往往無法鉆進(jìn),一般換沖擊鉆機(jī)用鉆頭將其沖碎,不僅效率低,環(huán)境污染大,而且擴(kuò)孔率高,沖擊振動(dòng)對(duì)周邊建筑物有影響,無法在城市施工。針對(duì)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(jié)

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(shí)驗(yàn)證明,卵礫石取心鉆具不僅能在礫石層鉆進(jìn),也可以在中風(fēng)化的巖石層鉆進(jìn),其抓取機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度足以抓取折斷巖心;在礫徑為0.5～0.8m的卵礫石層鉆進(jìn)速度約1m/h,在風(fēng)化的巖石層鉆進(jìn)速度約0.5m/h;風(fēng)化的巖石將卵礫石取心鉆具筒擠滿,提出孔外后鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)振動(dòng)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(yán)重事故的發(fā)生(表1)。

4 結(jié)論

無循環(huán)鉆進(jìn)工藝與全套管旋挖技術(shù)配合使用,是我國目前在易坍塌、縮孔和卵礫石地層中鉆進(jìn)可靠、安全、有效的施工方法,由于其具有成樁質(zhì)量高,孔內(nèi)事故少,對(duì)周圍的地下基礎(chǔ)無擾動(dòng),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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(楊引娥,2009),已在國內(nèi)外得到廣泛使用,國外采用專用設(shè)備進(jìn)行全套管施工,因成本較高的原因,我國目前很少用此種設(shè)備。根據(jù)我國的國情,到2010年5月,國內(nèi)旋挖鉆機(jī)保用量已超過3000多臺(tái),旋挖鉆機(jī)進(jìn)行樁孔施工非常普遍,用旋挖鉆機(jī)配合特殊的鉆具和鉆進(jìn)工藝設(shè)備進(jìn)行全套管鉆進(jìn),用拔管機(jī)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(jìn)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(jìn)行全套管施工,隨著我國對(duì)成孔質(zhì)量的要求越來越高,對(duì)工期的控制越來越科學(xué),對(duì)環(huán)境的保護(hù)越來越重視,該工法在未來的施工中會(huì)得到普遍的推廣應(yīng)用。

表1 取芯筒鉆實(shí)驗(yàn)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(zé)任編輯]郝情情。

科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目《多工藝旋挖鉆進(jìn)技術(shù)的研究與開發(fā)》(編號(hào):NCSTE-2006-JKZX-255)資助。[第一作者簡(jiǎn)介]劉家榮(1965年-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,在讀博士研究生,長(zhǎng)期從事巖土鉆掘工程設(shè)備及技術(shù)的研究與管理工作, Email:langfangljr@163.com。