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        雙動力多功能鉆機(jī)在富水巖溶地層降水井施工中的應(yīng)用

        2019-03-15 00:29:54李業(yè)波徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司江蘇徐州221000
        安徽建筑 2019年1期
        關(guān)鍵詞:潛孔護(hù)筒鉆桿

        李業(yè)波 (徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司,江蘇 徐州 221000)

        1 工程概況及特點(diǎn)

        1.1 工程概況

        銅山路站場地位于銅山路與三環(huán)東路交叉口東側(cè),車站橫跨徐海路南北向布置,為地下兩層端頭廳島式站臺,本站基坑設(shè)降水井為72口,井徑800mm,井深為基坑深加8m,平均約28m;濾管:管外徑為400mm,壁厚4mm的鋼管;濾料:直徑為5~10mm的礫砂或礫石。

        1.2 工程、水文地質(zhì)條件

        ①上部土層為人工雜填土,回填時(shí)間及厚度不均勻,結(jié)構(gòu)比較松散,工程性質(zhì)不佳。普通鉆孔施工工藝容易造成塌孔埋鉆的隱患。

        ②下部為強(qiáng)、中風(fēng)化的寒武系灰?guī)r,巖石強(qiáng)度高,個(gè)別部位巖石達(dá)到47.71MPa,溶裂隙等不良地質(zhì)較為發(fā)育,沖擊鉆、旋挖鉆等鉆進(jìn)效率低,泥漿流失風(fēng)險(xiǎn)高,卡鉆、埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)大。

        ③地下水豐富,泥漿質(zhì)量受影響大,制約成孔質(zhì)量。

        2 雙動力多功能鉆機(jī)簡介

        本工程采用的SWSD2512多功能鉆機(jī)無需泥漿護(hù)壁,成樁質(zhì)量好,能較好的解決以上問題。該鉆機(jī)由全液壓雙動力頭和高穩(wěn)定行性全液壓式履帶式框架構(gòu)成,可配備螺旋鉆桿+外側(cè)套管或外側(cè)套管+潛孔錘兩個(gè)組合系統(tǒng),前者適用于土層,外設(shè)套管護(hù)壁,鉆桿可持續(xù)排土,鉆進(jìn)切削強(qiáng)、成孔精度和施工速度佳;后者可用于各種復(fù)雜硬質(zhì)地層,也是本工程所采用的組合,即外側(cè)套管+潛孔錘,同時(shí)配置供氣系統(tǒng),潛空錘在堅(jiān)硬巖層中實(shí)現(xiàn)大直徑全斷面、快速高效入巖,同時(shí)雙動力頭驅(qū)動螺旋鉆桿可輔助排渣,外套管旋轉(zhuǎn)跟進(jìn)進(jìn)行護(hù)壁,形成近乎封閉的出渣通道,氣量泄露少,排渣順暢、孔型規(guī)則,鉆進(jìn)效率高。

        3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

        3.1 工藝流程

        本工法利用的主要機(jī)械設(shè)備為配置氣動潛孔錘的雙動力頭鉆機(jī),輔助設(shè)備為空壓機(jī)。通過使用氣動潛孔錘,保證鉆機(jī)在硬巖地層高效鉆井,提高整體效率,降低綜合成本。土層中利用鉆機(jī)外側(cè)動力頭驅(qū)動鑲嵌銑刀的護(hù)筒直接旋入,保證散土地層部分不塌孔。巖層中更換潛孔錘鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn),此時(shí)關(guān)閉外側(cè)動力頭,開啟內(nèi)側(cè)動力頭進(jìn)行堅(jiān)硬巖層中的鉆進(jìn)。遇巖溶或破碎帶,提出螺旋鉆桿,更換撈渣鉆頭進(jìn)行撈渣處理,處理完后,更換潛孔錘繼續(xù)鉆進(jìn),直至穿越巖溶或者破碎帶。鉆至預(yù)設(shè)井底后,依次進(jìn)行清孔,下濾管,回填濾料和洗井后,完成整個(gè)降水井的施工.

        3.2 操作要點(diǎn)

        3.2.1 測放井位

        根據(jù)降水井平面布置圖,放線并用紅漆標(biāo)出降水井井位點(diǎn);基坑內(nèi)降水井通過結(jié)構(gòu)軸線和井間距施放,布置坑內(nèi)井位時(shí),應(yīng)提前避開工程樁、結(jié)構(gòu)梁等。定位放線后應(yīng)經(jīng)過監(jiān)理確認(rèn)后方可進(jìn)行降水井下步施工。

        3.2.2 多功能鉆機(jī)就位

        本工法采用的多功能鉆機(jī)采用高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),克服了借用起重機(jī)底盤存在的穩(wěn)定性差特點(diǎn),從結(jié)構(gòu)上提高了整機(jī)移動和作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性,且無論是側(cè)身還是正面都可以施工。故按照鉆機(jī)操作規(guī)程能快速進(jìn)行鉆機(jī)的就位對中,鉆機(jī)就位后復(fù)測校正,鉆頭對準(zhǔn)孔心,同時(shí)使鉆機(jī)底座水平。

        3.2.3 護(hù)筒施工

        為保證井位的準(zhǔn)確性,啟動內(nèi)、外側(cè)動力頭,先低檔位慢速鉆進(jìn),通過利用鑲嵌在護(hù)筒上的銑刀將護(hù)筒旋入,護(hù)筒高出地面長度符合規(guī)范要求。

        3.2.4 巖層鉆進(jìn),出渣

        開啟潛空錘,進(jìn)入巖層鉆進(jìn)。同時(shí)雙動力頭驅(qū)動螺旋鉆桿輔助排渣,外套管護(hù)壁并形成近乎封閉的排渣通道,氣量泄露少,排渣均勻順暢。

        3.2.5 巖溶、破碎帶處理

        巖層鉆進(jìn)過程中,若遇到巖溶、破碎帶,緩慢提升鉆桿,利用汽車吊配撈渣桶進(jìn)行撈渣,然后下入鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn),重復(fù)以上操作,直至穿越巖溶破碎帶。

        3.2.6 清孔、下濾管

        完成鉆孔進(jìn)行清孔,滿足相關(guān)要求后,下濾管;濾管上安裝有居中限位楔塊,保證濾管平穩(wěn)豎直地下入降水管井中。下管前要檢查井管的質(zhì)量和數(shù)量,下管時(shí)要慢慢上下提升,嚴(yán)禁強(qiáng)行下管。在下管過程中隨時(shí)檢查井管能否自由轉(zhuǎn)動、有無阻力,發(fā)現(xiàn)有阻力要及時(shí)查明原因并進(jìn)行處理。井管下到設(shè)計(jì)深度后要將井管固定在孔的中間,不能偏斜,以保證填料厚度均勻。井管口高出地面0.3~0.5m,井口應(yīng)裝有保護(hù)蓋。

        3.2.7 填濾料、洗井、下泵

        選擇符合設(shè)計(jì)要求的粒徑5~10mm水洗圓礫向井內(nèi)填充,成井后及時(shí)采用反循環(huán)進(jìn)行洗井,洗井需要從靜水位起由上而下分段清洗直到井底,達(dá)到水清砂凈為止。下泵前測量實(shí)際井深并記錄,按照設(shè)計(jì)要求下泵,泵底部距實(shí)際井深不得少于1.00m。水泵到達(dá)預(yù)定深度后,用足夠抗拉強(qiáng)度的繩索吊住或用夾板固定在孔口上,提泵時(shí)不得使電纜受力,并將電纜固定在出水管或吊索上,為確保安全,電纜不得接觸或摩擦孔壁。

        4 雙動力多功能鉆機(jī)在本工程中的應(yīng)用分析

        針對本站所處區(qū)域地層條件,技術(shù)攻關(guān)小組人員提出利用雙動力頭多功能鉆機(jī)進(jìn)行降水井施工的方案,首次將潛孔錘施工工藝用于具有上部為松散土層(散粒狀),下部為堅(jiān)硬巖石(整體塊狀)的地層成孔施工,解決了不同地層鉆孔進(jìn)尺對機(jī)械設(shè)備的要求不同的難題。創(chuàng)造性地提出將用于工程樁施工的潛孔錘施工工藝應(yīng)用到降水井施工并進(jìn)行試驗(yàn)。

        4.1 松散土層降水井成孔施工技術(shù)

        松散土層降水井成孔采用內(nèi)、外側(cè)動力頭同時(shí)施工。護(hù)筒下面安裝有銑刀,外側(cè)動力頭帶動護(hù)筒進(jìn)行土層切削,內(nèi)側(cè)動力頭通過鉆桿帶動雙頭單螺直螺旋鉆頭將護(hù)筒切削的土通過鉆桿提出地面。

        普通氣動潛孔錘施工工藝在上部松散土層鉆進(jìn)過程中,高壓氣流能夠?qū)⒖妆跊_垮,造成孔壁塌孔,因此為保證成孔質(zhì)量,防止卡鉆埋鉆事故需要下放護(hù)筒。

        不同孔位土層厚度不同,同一場地的土層厚度差別較大,部分能夠達(dá)到2~3m,個(gè)別工地差別達(dá)到10m,不同土層厚度采用的護(hù)筒長度不同,對機(jī)械設(shè)備的護(hù)筒進(jìn)行改進(jìn),配備1、2、3和5m類型的護(hù)筒,每種型號的護(hù)筒可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行合理的組合,以適用不同厚度的土層,保證在上部松散土層中不塌孔,進(jìn)而引發(fā)的埋鉆事故,同時(shí)降低施工成本。

        4.2 堅(jiān)硬巖層降水井成孔施工技術(shù)

        完成上部松散土層成孔施工的過程后,提鉆取土,提鉆取土前安裝清土器,將螺旋鉆桿上的土進(jìn)行清理到地面,防止高空墜落安全隱患。取土完成后更換潛孔錘鉆頭,進(jìn)行巖石地層內(nèi)鉆進(jìn)準(zhǔn)備。關(guān)閉外側(cè)動力頭,開啟內(nèi)側(cè)動力頭進(jìn)行堅(jiān)硬巖層中的鉆進(jìn)。

        4.3 大直徑高強(qiáng)度巖層快速入巖技術(shù)

        大直徑高強(qiáng)度巖層快速入巖技術(shù)主要包括以下處理和改進(jìn)措施:①使用高風(fēng)壓氣動淺孔錘技術(shù)進(jìn)行入巖,將提高堅(jiān)硬巖石的鉆進(jìn)效率;②空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓風(fēng)流能夠快速清理孔底的巖屑,保證鉆頭始終切削磨損新鮮巖面,防止二次磨損;③在施工過程中,通過合理地調(diào)整進(jìn)尺和鉆速,控制巖石顆粒的大?。虎芡ㄟ^采用組合錘技術(shù)可實(shí)現(xiàn)1.2~1.5m大直徑降水井施工。

        4.4 巖溶區(qū)域處理

        降水井施工過程中遇到溶洞、破碎帶,出現(xiàn)卡鉆、埋鉆事故。技術(shù)攻關(guān)人員提出復(fù)雜地層溶洞穿越施工技術(shù)和巖溶、破碎帶卡鉆埋鉆處理技術(shù)。主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下。

        4.4.1 溶洞頂板穿越技術(shù)、破碎充填物處理技術(shù)

        在距溶洞頂板以上0.5~1.0m范圍內(nèi)采取減壓,將自動模式換成手動放繩模式,為防止空錘對鉆桿造成損壞,最后2~3cm停止放繩,利用高壓空氣破壞剩余的2~3cm。溶洞頂板穿越后,提鉆換成撈渣筒進(jìn)行清渣處理。

        4.4.2 溶洞底板開孔技術(shù)

        清渣完成后,更換雙頭單螺直螺旋鉆頭,進(jìn)行傾斜巖面切削,該過程采用低進(jìn)尺高鉆速,將傾斜巖面切削程形成錘擊平臺。

        錘擊平臺形成后,提出鉆桿更換潛孔錘鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。

        ①溶洞頂板穿越在溶洞頂板以上0.5~1.0m范圍內(nèi)采取減壓,換成手動放繩防止空錘最后2~3cm停止放繩利用高壓空氣破壞剩余2~3cm的頂板,防止錘頭急劇下沉;

        ②底板開孔;提鉆換成雙頭單螺直螺旋鉆頭進(jìn)行傾斜巖面切削,形成錘擊平臺,防止錘頭受力偏心,折斷鉆桿錘擊平臺形成后更換錘頭;

        ③低于2m的高度導(dǎo)向足夠直接穿越套管螺旋桿保徑條錘頭與孔壁之間可進(jìn)行導(dǎo)向,能夠保證2m范圍內(nèi)的;

        ④大于2m,利用自身配帶的撈渣筒進(jìn)行撈渣處理。

        4.5 環(huán)保控制技術(shù)

        施工過程中,部分降水井施工出現(xiàn)了嚴(yán)重的粉塵污染問題,對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提出螺旋上升型的保徑條形式,有效降低粉塵的污染;同時(shí)提出了破碎巖石顆粒粒徑控制技術(shù)、混合氣體加水技術(shù)及孔口加水技術(shù),保證周邊居民的生活空氣質(zhì)量,滿足國家綠色施工要求:

        4.5.1 錘套結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

        原始錘頭上焊接的保徑條方向平行于軸線對稱均勻分布,在高壓氣流的作用下,石粉沿著保徑條和孔壁之間的“通道”直接沖出孔口帶來嚴(yán)重的粉塵污染。為了降低粉塵污染的程度,首次提出螺旋上升形的保徑條,改變粉塵上升的路徑,避免粉塵直接沖到孔口,沿著螺旋形的保徑條飄落在螺旋鉆桿的葉片上。

        4.5.2 總結(jié)形成破碎巖石顆粒粒徑控制技術(shù)

        堅(jiān)硬巖層鉆進(jìn)過程中,通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和進(jìn)尺的關(guān)系,防止巖石顆粒二次破碎,將顆粒直徑控制在1~5mm范圍內(nèi),從源頭上控制粉塵污染的產(chǎn)生。

        4.5.3 提出混合氣體加水技術(shù)和孔口加水技術(shù)

        一般空壓機(jī)將壓縮空氣直接通過鉆桿輸送到孔底,底部磨碎的巖粉在高壓空氣的帶動下沖出孔口,為了將粉末狀的巖粉在孔底變成軟塑狀的“巖土”,在地面上接高壓水管,和高壓氣混合通過鉆桿輸送到孔底,濕潤巖粉,將巖粉由粉末狀變?yōu)檐浰軤?,控制巖粉沖出孔口,造成粉塵污染。

        為了將粉塵污染降到最低程度,在孔口設(shè)置2個(gè)水炮,將飛出的剩余巖粉變?yōu)榉弁两德湓阢@桿周邊的地面上。

        5 效益分析

        5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

        ①按以往類似工程經(jīng)驗(yàn)推算,本站北側(cè)降水井(21口,平均深27.5m)進(jìn)行分析,場地內(nèi)可配備3臺沖擊鉆,每臺每天進(jìn)尺2.5m,工期為77d;利用多功能鉆機(jī)施工,每小時(shí)平均7m,工期縮短至10d,施工時(shí)間可減少2月,并考慮因噪音擾民而節(jié)省的時(shí)間約3~4d;同理,本站南側(cè)估計(jì)節(jié)約工期90d,共可節(jié)約工期5個(gè)月。

        ②如利用沖擊鉆施工,約需460個(gè)臺班,吊車150個(gè)臺班,人工費(fèi)每臺班400元,沖擊鉆用電500元,鉆機(jī)消耗12元,汽車吊每臺班350元,折合成孔成本每米約823元。采用雙動力頭多功能鉆機(jī)需10個(gè)臺班,空壓機(jī)30個(gè)臺班,人工費(fèi)每臺班600元,油耗22400元,吊車350元,多功能鉆機(jī)設(shè)備消耗5000元,錘頭消耗11200元,空壓機(jī)租賃費(fèi)每臺班1667元,折合成孔成本約768元。相比沖擊鉆施工,每米可節(jié)約費(fèi)用55元。

        5.2 環(huán)境效益分析

        ①雙動力頭多功能鉆機(jī)鉆進(jìn)效率高,可以盡量減少夜間施工的概率,將對周邊居民的影響降至最低。

        ②雙動力頭多功能鉆機(jī)用于降水井施工過程中不需泥漿護(hù)壁,成孔產(chǎn)生的固態(tài)渣土很容易清理和處理,降低了對場地環(huán)境的污染。

        6 結(jié)論

        在富水巖溶地區(qū)散土-硬巖等復(fù)雜地層施工降水井,利用雙動力頭配置氣動潛孔錘鉆機(jī),解決了大直徑樁高效率入巖的技術(shù)難題,能在堅(jiān)硬巖層中順利成孔入巖,成樁質(zhì)量較好,因不需要泥漿護(hù)壁,故杜絕了泥漿制作與排放對環(huán)境的污染,文明施工較好,同時(shí)如遇到巖溶破碎帶,配合撈渣筒也可處理巖溶破碎帶地層的鉆進(jìn)問題,提高效率、縮短工期、降低綜合成本,除此以外雙動力多功能鉆機(jī)有多種組合系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能,具有單機(jī)多功能、多用途,多樣化施工特點(diǎn),在建筑樁基施工中有更大的市場前景。

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