陳浩文，殷國樂，王艷麗，宋曉偉，許劉萬

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750)

1 概述

鉆孔灌注樁施工方法已被廣泛地應(yīng)用于路橋工程、高層建筑、水利建設(shè)基礎(chǔ)工程等領(lǐng)域，與之工藝相匹配的設(shè)備也在不斷地更新發(fā)展，從最初的轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)、沖抓鉆機(jī)、循環(huán)鉆機(jī)發(fā)展到了現(xiàn)在的旋挖鉆機(jī)。旋挖鉆機(jī)憑借其自身鉆進(jìn)效率高、成孔質(zhì)量好、環(huán)境污染小、行走移位方便等特點(diǎn)，逐漸取代了其他鉆機(jī)設(shè)備，代表了目前基礎(chǔ)工程施工的先進(jìn)水平[1]。

旋挖鉆機(jī)主要以旋轉(zhuǎn)切削方式進(jìn)行鉆進(jìn)，目前在土層、卵礫石層等松軟地層中鉆進(jìn)效率比較理想，但是當(dāng)遇到堅硬基巖地層時則存在較大的問題[2]。旋挖鉆機(jī)在基巖地層施工時，其鉆進(jìn)原理為通過鉆頭對巖體進(jìn)行切削或磨碎，再將巖屑(巖心)通過鉆頭提鉆排至孔外，如此反復(fù)鉆進(jìn)、出渣等施工循環(huán)，最終形成樁基的造孔。通常的工藝方法是旋挖鉆機(jī)匹配短螺旋鉆頭、巖石筒鉆和清底筒鉆等進(jìn)行施工鉆進(jìn)，但是會造成截齒磨損嚴(yán)重、進(jìn)尺緩慢、機(jī)器震動大、施工經(jīng)濟(jì)性較差等問題[3]。

2 氣動潛孔錘反循環(huán)硬巖鉆進(jìn)技術(shù)

我們通過多方調(diào)研以及用戶的意見反饋，總結(jié)出目前旋挖鉆機(jī)在基巖施工有如下特點(diǎn)：(1)鉆孔直徑大，一般孔徑都在1 m左右，有的甚至達(dá)到2 m；(2)樁孔的嵌巖深度一般在30 m以內(nèi)；(3)施工地層多為堅硬基巖；(4)施工現(xiàn)場要求環(huán)保清潔；(5)施工工期緊張，采用常規(guī)的施工工藝難以滿足要求。因此，設(shè)計研發(fā)一套施工效率高、穩(wěn)定可靠性強(qiáng)、適于旋挖鉆機(jī)使用的入巖工藝及配套設(shè)備迫在眉睫。針對旋挖鉆機(jī)在硬巖地層的施工特點(diǎn)，我們借鑒地質(zhì)鉆探領(lǐng)域中成熟的氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝方法，經(jīng)過長期研究，將其改進(jìn)以適于旋挖鉆機(jī)使用。

2.1 氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)原理

氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于地?zé)峋?、水井、煤層氣井、礦山爆破孔等領(lǐng)域，是目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的硬巖鉆進(jìn)方法。其基本原理為高壓空氣驅(qū)動沖擊器產(chǎn)生軸向沖擊運(yùn)動，由沖擊器帶動錘頭碎巖[4]。鉆頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由地面的鉆機(jī)驅(qū)動。同時高壓空氣還將作為沖洗介質(zhì)將巖渣輸送返至孔口。相比旋挖鉆機(jī)傳統(tǒng)的切削研磨碎巖方式，潛孔錘的碎巖機(jī)理為沖擊碎巖，可使巖石成體積破碎，并且可以連續(xù)施工作業(yè)，大大提高了鉆進(jìn)效率。氣動潛孔錘鉆進(jìn)循環(huán)方式分為正循環(huán)和反循環(huán)兩種?？紤]到旋挖鉆機(jī)施工基本為大口徑樁基，并且施工過程要求環(huán)保清潔，若使用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝則環(huán)空間隙過大，無法保證巖渣順利上返，且孔口污染嚴(yán)重，因此選用反循環(huán)施工工藝[5]。

2.2 氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)配套鉆具

氣動潛孔錘反循環(huán)鉆具的設(shè)計全面考慮了大口徑樁基施工及潛孔錘的應(yīng)用特點(diǎn)，在不改變旋挖鉆機(jī)任何結(jié)構(gòu)的情況下即可配套。本套鉆具主要包括：氣水龍頭(圖1a)、主動鉆桿(圖1b)、雙壁鉆桿(圖1b)、交叉接頭(圖1c)、集束式氣動潛孔錘、孔口裝置(圖1d)和除塵裝置等，連接方式如圖2所示。

圖1反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)配套鉆具

整套鉆具最上端為雙通道氣水龍頭，由旋挖鉆機(jī)主卷揚(yáng)懸吊。其主要作用為：(1)懸吊其下所有鉆具的重量；(2)向旋轉(zhuǎn)著的鉆桿環(huán)狀間隙導(dǎo)入高壓空氣；(3)從旋轉(zhuǎn)著的鉆桿中心通道導(dǎo)出巖渣。由于樁基口徑大，單位時間碎巖量多，故中心返渣通道需大直徑通孔。根據(jù)實際工況，以石油水龍頭為基礎(chǔ)，設(shè)計出了大通孔大噸位氣水龍頭。

氣水龍頭下接主動鉆桿，主動鉆桿為三層同心管結(jié)構(gòu)；內(nèi)置減震機(jī)構(gòu)，可有效過濾潛孔錘工作時產(chǎn)生的震動，降低對動力頭的損壞[6]；主動鉆桿外管為驅(qū)動桿，結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)旋挖鉆桿相同，可直接穿過旋挖鉆機(jī)動力頭，由動力頭提供給主動鉆桿回轉(zhuǎn)動力[7]；主動鉆桿外管與隨動架軸承相連，其連接形式與傳統(tǒng)旋挖鉆桿相同；主動鉆桿外管尺寸可根據(jù)不同型號旋挖鉆機(jī)進(jìn)行單獨(dú)匹配，適用性廣。主動鉆桿中間管與內(nèi)管共同組成雙通道鉆桿，其結(jié)構(gòu)及作用與雙壁鉆桿相同。

圖2 反循環(huán)氣動潛孔錘鉆具連接示意圖

雙壁主動鉆桿下接雙壁鉆桿。雙壁鉆桿由內(nèi)管和外管同心相穿組成，從而形成了內(nèi)、外管之間的環(huán)狀間隙和中心管兩個通道。雙壁鉆桿主要作用：(1)起下潛孔錘；(2)傳動扭矩；(3)輸送高壓空氣；(4)排出巖渣。雙壁鉆桿與主動鉆桿連接共同搭建了用于輸送高壓空氣的環(huán)狀間隙通道和用于返渣的中心管通道[8]。

雙壁鉆桿下接交叉接頭和氣動潛孔錘。氣動潛孔錘分為單體式和集束式兩大類，相比單體式潛孔錘，集束式潛孔錘輕松可達(dá)到1 m以上的大口徑，且維修保養(yǎng)方便[9]。所以優(yōu)先選用集束式氣動潛孔錘。由于現(xiàn)有大口徑集束式反循環(huán)潛孔錘相比正循環(huán)潛孔錘技術(shù)并不成熟，使用效果不甚理想，故在此選用集束式正循環(huán)氣動潛孔錘。

要想在使用正循環(huán)氣動潛孔錘情況下實現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，則必須在正循環(huán)潛孔錘上面加裝交叉接頭。交叉接頭主要作用：(1)將鉆具與孔壁間的巖渣導(dǎo)入到中心管通道中；(2)輸送高壓空氣至潛孔錘。除此之外，交叉接頭上部四周焊接釬頭，當(dāng)出現(xiàn)埋鉆卡鉆等孔內(nèi)事故時進(jìn)行正反轉(zhuǎn)掃孔處理[10]。

此外在孔口處設(shè)計孔口裝置供加接鉆桿時使用，滿足快速提下鉆要求，輔助時間短，工人勞動強(qiáng)度低。在排渣管末端加裝旋流消塵裝置實現(xiàn)集中收集巖渣，消除粉塵功能。整套鉆具相互連接方式為六方插接，銷軸限位，實現(xiàn)了快速連接，并可進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，安全可靠[11]。整套鉆具的氣路密封采用氫化丁腈橡膠密封圈進(jìn)行密封，對于密封易失效處進(jìn)行單獨(dú)的密封件設(shè)計，保證整個氣路的密封[12]。

2.3 施工作業(yè)流程

使用本套鉆具進(jìn)行施工時流程如下：當(dāng)旋挖鉆機(jī)遇到松軟地層時可以按照傳統(tǒng)的施工工藝作業(yè)；當(dāng)其鉆至硬巖地層時，便可隨時加接氣動潛孔錘反循環(huán)鉆具進(jìn)行施工。此時，空壓機(jī)提供高壓空氣進(jìn)入氣水龍頭的進(jìn)氣口，然后高壓空氣通過主動鉆桿、雙壁鉆桿、交叉接頭中外管與內(nèi)管之間的環(huán)狀間隙最終到達(dá)潛孔錘并驅(qū)動其工作。從潛孔錘排出的高壓氣體攜帶碎巖鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑正循環(huán)上返至交叉接頭，通過交叉接頭進(jìn)入雙壁鉆桿中心通道。巖屑沿著中心通道上返至氣水龍頭，從氣水龍頭排渣管排出進(jìn)入旋流消塵器，最終排出孔口。整個鉆進(jìn)過程效率高、成孔質(zhì)量好、環(huán)保清潔。

3 野外生產(chǎn)試驗

野外試驗主要考察氣動潛孔錘反循環(huán)工藝方法的可行性、鉆具使用過程中的可靠性、便捷性以及鉆進(jìn)效率等。針對以上問題，在廈門進(jìn)行了野外試驗。

3.1 工程概述

廈門市軌道交通2號線一期工程土建施工總承包何厝站施工方為中國中鐵股份有限公司。何厝站主體采用明挖順注法施工，外圍采用鉆孔灌注樁進(jìn)行圍護(hù)。由于廈門島內(nèi)地勢由南向北傾斜,東南部出露由花崗巖類組成的丘陵地形陡峭,西北部由火山巖組成的低丘地勢平緩。環(huán)島四周分布有海蝕堆積地形。施工所在地表面覆蓋層約為10 m，覆蓋層下即為弱風(fēng)化或中風(fēng)化花崗巖層，由于旋挖鉆機(jī)在基巖地層施工緩慢，故施工單位創(chuàng)新性地采用旋挖鉆機(jī)用空氣潛孔錘反循環(huán)硬巖鉆進(jìn)工藝方法進(jìn)行施工作業(yè)。

該鉆孔灌注樁施工采用兩臺旋挖鉆機(jī)流水接力作業(yè)，具體流程如下。

(1)先用裝備有撈沙斗的旋挖鉆機(jī)開孔作業(yè)，施工至基巖面后施工結(jié)束，移動至下一孔位繼續(xù)施工。

(2)使用振動錘樁機(jī)將鋼護(hù)筒下至基巖面。護(hù)筒外徑1060 mm，內(nèi)徑1030 mm。

(3)使用裝備有反循環(huán)鉆具的旋挖鉆機(jī)進(jìn)行入巖施工，鉆至設(shè)計孔深，移動至下一孔位繼續(xù)施工。

(4)樁內(nèi)下入鋼筋籠并灌入混凝土，施工結(jié)束。

3.2 配套設(shè)備

采用空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工所用的旋挖鉆機(jī)為福田雷沃FR6220-2型，功率250 kW。施工所需高壓氣源為3臺壽力空壓機(jī)并聯(lián)供氣。其中1400SRH型空壓機(jī)2臺，額定排氣壓力3 MPa，公稱容積流量38.2 m3/min，功率522 kW；1070XHH型空壓機(jī)1臺，額定排氣壓力3.45 MPa，公稱容積流量30.3 m3/min，功率403 kW。入巖鉆進(jìn)試驗所用鉆具如表1所示。

表1 入巖鉆進(jìn)試驗鉆具

3.3 施工情況

本試驗場地廈門軌道交通2號線何厝站位于廈門軟件園西側(cè)，樁孔呈一字形相接排列，設(shè)計樁孔直徑1 m，深度12～20 m不等，主要用于保證基坑的穩(wěn)定性及坑內(nèi)作業(yè)的安全、方便。

氣動潛孔錘反循環(huán)鉆具進(jìn)場后進(jìn)行了2 d的連接準(zhǔn)備工作(參見圖3)，于2016年8月8日正式開工鉆進(jìn)。第一口樁是在旋挖鉆機(jī)按傳統(tǒng)施工方法鉆至基巖面后開始施工鉆進(jìn)。由于第一次使用大口徑雙壁鉆具配合集束式氣動潛孔錘應(yīng)用于旋挖鉆機(jī)入巖施工，故開始無法確定合理的鉆進(jìn)參數(shù)，只能在施工過程中不斷摸索。

在施工過程中，整套鉆具質(zhì)量達(dá)12 t，集束式氣動潛孔錘推薦鉆壓為70～90 kN，而旋挖鉆機(jī)本身并無減壓裝置，只能靠人工控制旋挖鉆機(jī)卷揚(yáng)下放速度。若卷揚(yáng)下放速度過快，則整套鉆具質(zhì)量將全部壓在潛孔錘之上，會造成鉆具振動，潛孔錘損壞，回轉(zhuǎn)困難；若卷揚(yáng)下放速度過慢，則會造成鉆進(jìn)效率下降。所以下放速度只能憑借施工人員對孔底情況的判斷進(jìn)行控制。鉆具轉(zhuǎn)速也是重要鉆井參數(shù)之一。若轉(zhuǎn)速過慢，則會造成潛孔錘重復(fù)碎巖現(xiàn)象，影響鉆進(jìn)效率；若轉(zhuǎn)速過快，則會影響潛孔錘的壽命，造成錘頭刃齒過早磨損和破裂。因此，轉(zhuǎn)速則是由施工地層、鉆具技術(shù)參數(shù)、鉆機(jī)性能等諸多因素決定[13]。

圖3 氣動潛孔錘反循環(huán)鉆具現(xiàn)場連接

本次試驗在中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖地層共施工10個樁孔，試驗鉆具：?1000 mm集束式氣動潛孔錘+交叉接頭+?245 mm雙壁鉆桿+?508 mm主動鉆桿，開鉆后約5 min開始返渣(如圖4所示)。具體鉆進(jìn)試驗參數(shù)統(tǒng)計如表2所示。

圖4 現(xiàn)場施工情況

表2 試驗參數(shù)統(tǒng)計

由表2可知，在中風(fēng)化花崗巖地層(抗壓強(qiáng)度45 MPa)，使用新工藝方法鉆進(jìn)平均速度為5.9 m/h，對比傳統(tǒng)工藝施工速度0.6 m/h,平均鉆速提高883%；在微風(fēng)化花崗巖地層(抗壓強(qiáng)度110 MPa)，使用新工藝方法鉆進(jìn)平均速度為1.45 m/h，對比傳統(tǒng)工藝施工速度0.2 m/h，平均鉆速提高625%。高效的鉆進(jìn)速度可使工期縮短、總工程成本降低。

4 試驗結(jié)論

(1)旋挖鉆機(jī)用氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝及配套鉆具通過野外試驗證明效果理想，達(dá)到了設(shè)計要求。施工過程中雙壁鉆具安全可靠，密封性能優(yōu)異；鉆具之間連接簡單便捷；排渣迅速暢通。

(2)該套工藝方法鉆進(jìn)效率高。相比傳統(tǒng)施工工藝，新工藝在硬巖地層鉆進(jìn)效率提高了7～9倍，這對于工期緊，任務(wù)重的工程尤為重要。

(3)由于采用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，孔口處揚(yáng)塵明顯較少，并可集中收集鉆進(jìn)施工過程中產(chǎn)生的巖渣，符合文明施工的要求。

(4)旋挖鉆機(jī)配氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝尚屬新工藝方法，今后鉆進(jìn)參數(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化。雖然試驗效果理想，鉆進(jìn)效率高，但仍有提高的空間。

(5)氣動潛孔錘鉆進(jìn)碎巖機(jī)理為沖擊動載破碎巖石，鉆壓只是保證沖擊功充分發(fā)揮作用的輔助力，因此無需太大鉆壓。旋挖鉆機(jī)本身無減壓鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)，鉆進(jìn)時整套鉆具重力都壓在潛孔錘之上，過大的鉆壓會造成鉆具的震動和錘頭的過早損壞。因此，在今后的工作中要改進(jìn)旋挖鉆機(jī)的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，增加減壓鉆進(jìn)功能。

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