郭佰良

（中科院廣州化灌工程有限公司 廣州510650）

0 引言

由于廣州地區(qū)花崗巖風(fēng)化殼風(fēng)化不均巖層厚度變化較大，所形成的球狀風(fēng)化體無統(tǒng)一規(guī)律，大小、深度、位置不定［1-2］，在樁基工程中對于工期和造價有較大影響。本文結(jié)合廣州市黃埔區(qū)某工程實例，對比分析旋挖鉆機(jī)在花崗巖巖面厚度變化較大，孤石發(fā)育地區(qū)采取的幾種成孔方法，希望對此類地區(qū)旋挖鉆機(jī)巖石成孔施工提供參考。

1 項目概況

1.1 工程規(guī)模

某工程位于黃埔區(qū)開創(chuàng)大道以南，荔紅一路以東，伴河路以北，開源大道以西。建筑面積71 982.09 m2，建筑主要包括2 棟33 層高塔樓，設(shè)2 層地下室。結(jié)構(gòu)類型為框剪，基礎(chǔ)型式為筏板基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。

1.2 工程地質(zhì)條件

場地巖土工程勘察報考揭示，場區(qū)地貌單元主要為丘陵地貌，間夾丘間洼地。場區(qū)地面標(biāo)高基本介于24.06～28.71 m之間。場區(qū)主要位于增城-蘿崗花崗巖侵入臺地區(qū)，下伏巨厚層的花崗巖侵入體或變質(zhì)巖體，蘿崗斷裂沿南崗河谷從場區(qū)附近經(jīng)過。其主要自珠江口沿南崗河谷北上，止于水西村附近，屬次級斷裂。但場區(qū)內(nèi)無斷裂構(gòu)造，本次勘察深度范圍內(nèi)亦未揭露斷裂構(gòu)造形跡，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

1.3 工程特點及施工工藝選擇

本工程在現(xiàn)地面施工基樁空樁部分長，并且場地孤石大量分布且?guī)r面的標(biāo)高變化大，因此孤石及巖面較淺處的鉆進(jìn)速度及成本是本工程的重點難點問題。針對此特點如只采用旋挖鉆機(jī)常規(guī)的牙輪筒鉆巖石成孔工藝無法滿足工程需要，因此考慮采用潛孔錘與旋挖鉆機(jī)的組合工藝以滿足實際工程的需要。而針對具體是采用小直徑的潛孔錘引孔還是整體集束式潛孔錘成孔，本工程進(jìn)行了常規(guī)牙輪筒鉆鉆進(jìn)、小直徑潛孔錘引孔鉆進(jìn)及集束式潛孔錘鉆進(jìn)3種成孔方法的試驗。

2 旋挖鉆機(jī)巖石成孔方法

2.1 牙輪筒鉆成孔

采用牙輪切削巖石，取芯筒鉆提取巖芯的方法，采用的機(jī)械設(shè)備如表1所示。

表1 機(jī)械設(shè)備Tab.1 Mechanical Equipment

牙輪筒鉆［3-4］是一種錘擊式碎巖方式，見圖1?，牙輪筒鉆鉆進(jìn)時，牙輪將上部鉆機(jī)的靜荷載通過牙齒作用在巖石上，而牙齒繞鉆頭軸線的公轉(zhuǎn)與牙齒與巖石相互作用形成的自轉(zhuǎn)使得牙齒與孔底形成單、雙齒交替接觸，牙輪的中心在單齒接觸時處在高位，在雙齒接觸時下降，牙輪中心的上下交替，使鉆頭產(chǎn)生縱向振動，見圖1?，同時疊加了孔底不平引起的低頻振動［5］。

圖1 牙輪筒鉆及牙輪振動Fig.1 Core Barrel with Roller Bit and Roller Vibration

縱向振動與靜荷載共同作用使得牙輪鉆頭對巖石產(chǎn)生沖擊、壓碎作用以破碎巖石。

2.2 氣動潛孔錘引孔結(jié)合牙輪筒鉆成孔

先采用小孔徑的氣動潛孔錘［6-7］（見圖2）引孔后，再采用牙輪筒鉆成孔。

所采用的機(jī)械設(shè)備如表1所示。

小孔徑的氣動潛孔錘引孔后在巖石中產(chǎn)生裂紋節(jié)理形成中空的自由面［8］（見圖3），牙輪筒鉆進(jìn)行二次鉆進(jìn)時巖石中的裂紋節(jié)理近一步擴(kuò)展，使得在相同的比壓下更容易鉆進(jìn)。

2.3 牙輪筒鉆配合集束式潛孔錘成孔

圖2 氣動潛孔錘Fig.2 Pneutic DTH Hammer

圖3 引孔示意圖Fig.3 Pilot Hole Diagram

先用牙輪筒鉆對巖石成槽，然后卸下牙輪筒鉆與正循環(huán)集束式潛孔錘［9-10］（見圖4）連接，空壓機(jī)通過高壓通氣膠管與集束式潛孔錘連接，高壓空氣驅(qū)動潛孔錘碎巖后攜帶巖渣入盛渣筒。

圖4 集束式潛孔錘Fig.4 Cluster DTH Hammer

采用的機(jī)械設(shè)備如表1所示。

本方法無需對旋挖鉆機(jī)進(jìn)行改動，即可實現(xiàn)潛孔錘沖擊作業(yè)（見圖5）。

圖5 潛孔錘沖擊作業(yè)Fig.5 DTH Hammer Impact Operation

3 成孔速度與鉆巖成本的比較

以鉆進(jìn)場地微風(fēng)化花崗巖孤石及巖層速度作為對比。本工程場地微風(fēng)化花崗巖屬堅硬巖，巖石質(zhì)量等級為Ⅱ類，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為93.3 MPa。實際鉆巖速度如圖6?所示。

由圖6?可知牙輪筒鉆鉆進(jìn)施工速度較慢，用氣動潛孔錘引孔后雖鉆進(jìn)速度有所提升，但提升并不明顯，而采用集束式潛孔錘工藝鉆巖速度可成倍提升。鉆進(jìn)巖石成本的對比如圖6?所示。

圖6 鉆巖速度及成本Fig.6 Drilling Speed and Cost

比較3 種工藝的成孔速度與鉆巖成本，牙輪筒鉆速度較慢但鉆巖成本最低，氣動潛孔錘引孔后實際的鉆進(jìn)速度提高1.25 倍但成本增加1.50 倍，而采用集束式潛孔錘鉆巖速度顯著提升4.75倍，但由于需集束錘及多臺空壓機(jī)配合成孔成本提高3.00倍。

試驗比較后，集束式潛孔錘雖然成本較高但對比小直徑潛孔錘引孔鉆進(jìn)具有明顯的速度優(yōu)勢，而牙輪筒鉆具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，因此考慮到本工程孤石大量分布且?guī)r面標(biāo)高變化大的特點在成孔工藝的運用上，采用了單獨牙輪筒鉆成孔與牙輪筒鉆配合集束式潛孔錘成孔2種方法同時運用。在巖面埋藏較深的區(qū)域采用單獨牙輪筒鉆成孔，以體現(xiàn)牙輪筒鉆鉆進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性；在巖面埋藏較淺的區(qū)域采用牙輪筒鉆配合集束式潛孔錘成孔，以充分發(fā)揮集束式潛孔錘成孔速度快的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

由于廣州地區(qū)花崗巖風(fēng)化殼風(fēng)化程度有較大差異，巖面標(biāo)高起伏較大且孤石分布無規(guī)律，這樣復(fù)雜的地質(zhì)條件，往往給工程工期帶來不確定因素，而保證工程工期的關(guān)鍵在于鉆進(jìn)硬巖的速度，因此選擇合理的鉆進(jìn)巖石工藝尤為重要。本文結(jié)合廣州某具體此類型地層工程，介紹了3種巖石成孔方法，牙輪筒鉆配合集束式潛孔錘成孔鉆進(jìn)在鉆進(jìn)速度上有著巨大的優(yōu)勢，在巖層較厚或者孤石分布較多的場地適宜應(yīng)用，同時考慮經(jīng)濟(jì)性可根據(jù)場地超前鉆進(jìn)報告，在巖層較薄、沒有孤石處采用常規(guī)牙輪筒鉆鉆進(jìn)，本工程采用2種施工工藝相結(jié)合，工期縮短了一半以上，同時合理地控制了施工成本，取得了最大的綜合效益，可為此類區(qū)域樁基施工提供參考。