牛慶磊，呂永亮，賈 煒，王三牛，史兵言

(1．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000;2．吉林大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130021)

0 引言

旋挖鉆機(jī)是現(xiàn)代樁基施工中最常用的設(shè)備之一，主要適合于沙土、粘性土、粉質(zhì)土等土層施工，在鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、基礎(chǔ)加固等多種基礎(chǔ)施工中得到了廣泛應(yīng)用。旋挖鉆機(jī)功率一般為125～450 kW，動(dòng)力頭扭矩為120～520 kN·m，成孔直徑一般為0.8～2 m，最大成孔直徑達(dá)到4 m，最大孔深在60～90 m之間，其主要特點(diǎn)是鉆進(jìn)能力強(qiáng)、效率高、環(huán)保、自動(dòng)化程度高。

但隨著現(xiàn)代樁基礎(chǔ)的加深，嵌巖樁及其他入巖鉆孔樁的需求增多，旋挖鉆機(jī)的應(yīng)用受到越來(lái)越多的局限，特別是卵礫石、致密灰?guī)r以及花崗巖地層，旋挖鉆機(jī)施工起來(lái)十分困難。通常在嵌巖樁最后幾米入巖時(shí)采用的方法是牙輪筒鉆套取法或螺旋破巖法，表現(xiàn)的主要問(wèn)題是切削齒或牙輪損耗巨大、機(jī)器振動(dòng)大、進(jìn)尺效率低、耗時(shí)長(zhǎng)、鉆進(jìn)成本高。若遇到山上打樁開孔入巖或嵌巖樁工程量加大時(shí)，從經(jīng)濟(jì)上考慮旋挖鉆就顯得不適合。

近些年，隨著旋挖鉆機(jī)的不斷普及，常規(guī)土層挖孔價(jià)格一路走低，入巖樁的價(jià)格還處在較高水平，提高旋挖鉆機(jī)入巖能力，降低入巖樁施工成本，還是會(huì)有較高的利潤(rùn)。在小口徑鉆探如鑿巖爆破孔、水井基巖孔、礦山通風(fēng)孔及地質(zhì)鉆探中，潛孔錘一直是應(yīng)對(duì)硬巖地層快速鉆進(jìn)最有效的解決辦法，單體的潛孔錘最大直徑28 in(771.2 mm)，最大能打43 in(1092 mm)的孔，這對(duì)于大口徑樁基工程的樁徑來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，且價(jià)格過(guò)高，不利于市場(chǎng)推廣。

集束式潛孔錘是近些年發(fā)展起來(lái)的新型鉆具，它是將若干個(gè)小直徑潛孔錘組合在一起回轉(zhuǎn)破巖的特殊鉆井工具，鉆孔口徑在600～3000 mm之間。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所多年來(lái)一直致力于大口徑旋挖鉆具及集束式潛孔錘研制工作，經(jīng)過(guò)2年多的研究，開發(fā)出了JSQ－Z系列正循環(huán)及JSQF系列反循環(huán)集束式潛孔錘，并提出了旋挖鉆機(jī)硬巖鉆進(jìn)3種配套解決方案。3種方案各有利弊，要結(jié)合具體工程條件來(lái)選擇。

1 JSQ－Z型正循環(huán)集束式潛孔錘

1．1 JSQ－Z型正循環(huán)集束式潛孔錘主要技術(shù)參數(shù)

JSQ－Z系列正循環(huán)集束式潛孔錘是專門為旋挖鉆機(jī)配套設(shè)計(jì)，口徑系列包括800、1000、1200、1500、1800 mm等，滿足市場(chǎng)大部分鉆孔灌注樁工程需求，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 JSQ－Z系列集束式潛孔錘技術(shù)參數(shù)

1．2 JSQ－Z型正循環(huán)集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)原理

該系列集束式潛孔錘主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，采用國(guó)產(chǎn)高風(fēng)壓無(wú)閥式潛孔錘，工作風(fēng)壓1.0～2.1 MPa，沖擊功1150 J，沖擊頻率950～1650次/min，潛孔錘采用特殊設(shè)計(jì)的上下接頭，實(shí)現(xiàn)軸向固定和防自轉(zhuǎn)。筒體采用箱式結(jié)構(gòu)焊接加工而成，結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高。

JSQ－Z系列集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)如圖1所示。通氣接頭上部為母方頭，鉆機(jī)通過(guò)伸縮鉆桿與通氣接頭相連驅(qū)動(dòng)集束式潛孔錘回轉(zhuǎn)?？諌簷C(jī)產(chǎn)生的高壓空氣通過(guò)膠管進(jìn)入通氣接頭中心，通氣接頭連通氣室，氣室連通著各個(gè)潛孔錘，高壓氣體通過(guò)配氣接頭進(jìn)入單體潛孔錘內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)潛孔錘工作。潛孔錘產(chǎn)生的尾氣攜帶巖渣通過(guò)返渣通道上返至鉆桿處，由于鉆桿與孔壁環(huán)空間隙增大，空氣流速降低巖渣下落，落入渣筒內(nèi)。渣筒裝滿后提鉆，通過(guò)副卷?yè)P(yáng)提拉渣筒，渣筒與集束式潛孔錘脫開倒出巖渣，再次下鉆繼續(xù)進(jìn)行下一回次鉆進(jìn)。筒體采用焊接式結(jié)構(gòu)，整體性強(qiáng)、安全可靠，潛孔錘拆卸簡(jiǎn)單，易于維修及更換錘頭。

2 JSQ－F型反循環(huán)集束式潛孔錘

圖1 JSQ－Z系列正循環(huán)集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)示意

反循環(huán)集束式潛孔錘主要特點(diǎn)是鉆桿及鉆頭采用雙通道結(jié)構(gòu)，雙壁鉆桿環(huán)空間隙走氣，中心通道返渣。之所以采用這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行大口徑施工時(shí)，鉆孔直徑和鉆桿直徑差比較大，鉆進(jìn)所產(chǎn)生的巖屑經(jīng)過(guò)鉆桿與孔壁環(huán)空間隙返至地表，這需要有足夠的風(fēng)量才能保證較高的上返流速?；蛘卟捎们懊嫣岬降恼h(huán)潛孔錘上部放置盛渣筒的結(jié)構(gòu)，在上返流速不夠的情況下，巖屑落入盛渣筒。當(dāng)鉆進(jìn)一段時(shí)間盛渣筒裝滿時(shí)，需要提鉆倒出巖屑，這就需要很長(zhǎng)的輔助作業(yè)時(shí)間，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)，不適合于較深孔鉆進(jìn)。反循環(huán)鉆進(jìn)工藝很好地解決了這一問(wèn)題，潛孔錘尾氣攜帶巖渣進(jìn)入相對(duì)狹窄的內(nèi)管通道，使上返流速達(dá)到20 m/s以上較理想的速度，使用的空壓機(jī)數(shù)量少，且不受孔徑大小限制，孔底清潔效果好，節(jié)約鉆進(jìn)成本。

JSQ－F型反循環(huán)集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)如圖2所示，上部采用六方接頭與上部雙壁鉆桿相連，氣體從雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)空間隙進(jìn)入交叉氣室中，交叉氣室與下氣室通過(guò)法蘭連接，氣體在下氣室平均分配給各個(gè)潛孔錘，驅(qū)動(dòng)其工作，潛孔錘尾氣攜帶巖渣進(jìn)入吸渣管上返，通過(guò)交叉氣室進(jìn)入六方接頭內(nèi)管，巖渣沿內(nèi)通道返至地表。JSQ－F型反循環(huán)集束潛孔錘采用的潛孔錘與JSQ－Z型采用的都是8 in(203 mm)正循環(huán)潛孔錘，具有互換性。單體潛孔錘也可采用反循環(huán)貫通式，這樣集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)上就省略了下部吸渣管，巖屑直接從潛孔錘中心通道返至雙壁內(nèi)通道，具體結(jié)構(gòu)如同吉林大學(xué)研制的行星排列反循環(huán)集束式潛孔錘(如圖3所示)。

圖2 JSQ－F系列反循環(huán)集束式潛孔錘結(jié)構(gòu)示意

圖3 行星式反循環(huán)組合式潛孔錘結(jié)構(gòu)示意

圖4 旋挖配套集束式潛孔錘方案一

3 旋挖鉆機(jī)配套集束式潛孔錘鉆進(jìn)工藝

3．1 第一種方案

該方案舍棄旋挖鉆機(jī)伸縮鉆桿，采用特殊設(shè)計(jì)的摩阻式主動(dòng)鉆桿及單壁鉆桿，連接方式采用六方連接，一方面保證鉆桿外平，同時(shí)保證鉆桿加接快捷性，不需要另外購(gòu)置鉆桿擰卸設(shè)備，潛孔錘采用JSQ－Z系列正循環(huán)集束式潛孔錘。整套設(shè)備工作原理如圖4所示，高壓空氣通過(guò)鉆桿內(nèi)通道進(jìn)入潛孔錘，驅(qū)動(dòng)潛孔錘做功，集束式潛孔錘進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。潛孔錘尾氣攜帶巖渣通過(guò)集束式潛孔錘返渣通道上返落入渣筒，形成正循環(huán)鉆進(jìn)。為了避免渣筒裝滿后提鉆拆卸鉆桿的麻煩，在整套設(shè)備中增加了砂石泵，砂石泵將孔內(nèi)巖渣抽到地表，通過(guò)泥沙處理裝置進(jìn)入沉渣池，最終泥漿又回流至孔內(nèi)。這種工法類似于泵吸反循環(huán)鉆井工藝，受到內(nèi)摩阻力、砂石泵與沖洗液面高差等因素影響，其反循環(huán)的孔深受到一定限制，一般泵吸反循環(huán)合理深度在70 m以內(nèi)。應(yīng)用這種工藝孔內(nèi)必然有泥漿循環(huán)，空氣潛孔錘背壓較高，需要增大風(fēng)量才能保證潛孔錘正常工作，能耗增加顯得不夠經(jīng)濟(jì)，這種工法主要適合于嵌巖樁較多的工程中。

3．2 第二種方案

該方案依然采用旋挖鉆機(jī)伸縮式鉆桿，未對(duì)旋挖鉆機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)，旋挖鉆機(jī)僅需卸掉原有撈砂斗，與JSQ－Z正循環(huán)集束式潛孔錘相連即可，鉆具配套非常簡(jiǎn)單。整套設(shè)備工作原理如圖5所示，旋挖鉆機(jī)采用撈砂斗清除上部土層，提鉆卸去撈砂斗，接上集束式潛孔錘，同時(shí)接上高壓通氣膠管。鉆機(jī)啟動(dòng)高壓空氣通過(guò)高壓膠管送至孔底，驅(qū)動(dòng)潛孔錘工作，尾氣攜帶巖渣落入盛渣通。盛渣筒裝滿后，旋挖鉆機(jī)提鉆，主機(jī)轉(zhuǎn)向，副卷?yè)P(yáng)提拉盛渣筒卸掉巖渣，接著進(jìn)行下一回次鉆進(jìn)。圖1中通氣接頭與膠管接頭剛性連接，接頭回轉(zhuǎn)膠管也跟著一起轉(zhuǎn)，為防止高壓膠管纏繞鉆桿，旋挖鉆機(jī)只能做正負(fù)360°的回轉(zhuǎn)。還有一種辦法就是在集束式潛孔錘通氣接頭上增加反扭裝置如圖3中所示，實(shí)現(xiàn)氣管相對(duì)孔壁不動(dòng)，中心軸驅(qū)動(dòng)集束潛孔錘回轉(zhuǎn)。第二種方案孔內(nèi)不需要沖洗液，可進(jìn)行干孔鉆進(jìn)，潛孔錘背壓小，可采用較少的空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)，能耗低、配套鉆具少、施工簡(jiǎn)便快捷，適合于嵌巖樁最后幾米入巖鉆進(jìn)。

圖5 旋挖配套集束式潛孔錘方案二

3．3 第三種方案

該方案采用JSQ－F系列反循環(huán)集束式潛孔錘，因此需要配套雙通道的鉆具，如圖6所示。旋挖鉆機(jī)配套氣水龍頭及雙壁主動(dòng)鉆桿，雙壁主動(dòng)鉆桿采用摩阻桿，這樣潛孔錘的振動(dòng)不會(huì)作用至動(dòng)力頭，對(duì)動(dòng)力頭產(chǎn)生沖擊破壞。主動(dòng)鉆桿與下部雙壁鉆桿采用六方連接，鉆桿下部連接集束式潛孔錘。另外還需配套空壓機(jī)組、集氣罐、高壓膠管、排渣膠管、孔口板及除塵氣渣分離裝置等。高壓氣體通過(guò)雙壁鉆桿內(nèi)外環(huán)狀間隙輸送至孔底，驅(qū)動(dòng)潛孔錘做功，尾氣攜帶巖渣沿內(nèi)管通道上返至地表。這種方案的主要特點(diǎn)的是集束式潛孔錘可進(jìn)行連續(xù)鉆進(jìn)，鉆桿采用六方接頭連接加接速度快，氣密性好，鉆井不受限制;采用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，孔底清潔效果好，巖屑上返所需的風(fēng)量較少，在滿足潛孔錘正常工作的前提下，風(fēng)量足夠滿足巖屑上返需求。相比較前兩種方案來(lái)說(shuō)，配套雙壁鉆桿及反循環(huán)集束式潛孔錘等成本較高，因此該種方案適合于深孔硬巖鉆井工程，且鉆孔工程量較大，才能降低綜合使用成本。

圖6 旋挖配套集束式潛孔錘方案三

4 JSQ－F型反循環(huán)集束式潛孔錘試制及鉆具配套

2015年6月天津某基礎(chǔ)工程有限公司在云南承包了一個(gè)大型水電樁基工程，該工程設(shè)計(jì)將山體上部覆蓋層去除，在基巖上打198個(gè)1.3 m樁孔，孔深110 m，基巖單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到120 MPa以上，采用旋挖鉆機(jī)施工難度極大。我們與該公司經(jīng)過(guò)細(xì)致研究后，決定采用第三種配套方案，即采用JSQF型反循環(huán)集束式潛孔錘，配套氣水龍頭、雙壁主動(dòng)鉆桿、377 mm雙壁鉆桿、孔口板、集氣罐、高壓膠管及排渣膠管等(如圖7所示)。目前，設(shè)備已全部試制成功，集束式潛孔錘完成了室內(nèi)試驗(yàn)，潛孔錘工作正常、性能良好，鉆桿鉆具完成氣密性試驗(yàn)，達(dá)到了出廠要求。

5 結(jié)語(yǔ)

圖7 1300 mm反循環(huán)集束潛孔錘、氣水龍頭、377 mm雙壁鉆桿

集束式潛孔錘發(fā)展至今已有30多年，隨著氣動(dòng)潛孔錘設(shè)計(jì)及制造水平的發(fā)展，集束式潛孔錘的性能及壽命也不斷提高，應(yīng)用范圍不僅可應(yīng)用于旋挖基礎(chǔ)施工，還可廣泛應(yīng)用于礦山通風(fēng)、送料、瓦斯抽采、救援孔工程中，可采用正循環(huán)或反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，是一種快速、高效、安全的施工方法。旋挖配套集束式潛孔錘，發(fā)揮了旋挖鉆機(jī)施工大口徑速度快的優(yōu)勢(shì)，提升了旋挖施工中硬以上基巖地層的能力，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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