席宏平

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730030）

潛孔鉆在工程中的應用主要涉及鉆孔灌注樁巖性地層成孔，斜巖地質(zhì)情況下的輔助成孔等，在鋼板樁圍堰引孔作業(yè)中應用較少，但都是應用了該設備沖破巖質(zhì)地層的能力[1]。針對工期緊，任務重的鋼板樁圍堰工程，在巖性地層中采用潛孔鉆設備預先引孔，相對于其他引孔方案，能有效節(jié)約工期，再加上護管內(nèi)換填粘性土技術(shù)的應用，拔除護管后避免塌孔，保證了后續(xù)鋼板樁的順利插打。通過查閱相關(guān)文獻[2]，對潛孔鉆設備的組成、保養(yǎng)、及沖巖施工論述較多，本文針對潛孔鉆在鋼板樁圍堰引孔作業(yè)中的應用進行論述，對類似工程的引孔作業(yè)有一定的指導意義。

1 常見的地下金屬采礦技術(shù)分析

我國的金屬采礦技術(shù)應用過程中，地下金屬采礦對技術(shù)應用有非常明確的要求。具體來說，包括空場采礦技術(shù)、VCR 采礦技術(shù)以及地下區(qū)域的連續(xù)采礦技術(shù)等。多種不同類型的技術(shù)在實踐應用中的側(cè)重點和具體組織實施方法可能存在一些客觀差異，下文將對技術(shù)特征和應用方法等進行詳細闡述。

1.1 空場采礦技術(shù)分析

此種技術(shù)在應用廣泛性和普遍性上是相對較高的，主要是通過對礦藏基礎圍巖強度進行控制和把握，借助人工支柱結(jié)構(gòu)為采空環(huán)節(jié)提供支撐，達到采礦作業(yè)的目標。技術(shù)應用中的主要優(yōu)勢集中在整體施工作業(yè)的效率相對較高，需要花費的總體成本較低。另外，技術(shù)應用在實踐中容易受到客觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。要求地質(zhì)結(jié)構(gòu)強度要達到一定的水平，方可為技術(shù)應用提供保障，因此，技術(shù)應用中可能會受到多方面因素的限制。與此同時，工程項目的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)在規(guī)劃后具有復雜性較高的特征。需要在結(jié)構(gòu)、程序等多個方面加強控制力度。在實踐應用中，此種采礦技術(shù)的應用也要以采空區(qū)的安全狀態(tài)保障為主要目標。具體來說，可通過在一定程度上保留礦柱結(jié)構(gòu)，達到預期的效果。此外，開采施工中的基層工作人員素質(zhì)水平也是影響實際工作開展效果的重要因素。相關(guān)工作人員需要從整個采礦過程的規(guī)劃環(huán)節(jié)和計量環(huán)節(jié)入手進行全方位的合理把控。

1.2 VCR采礦技術(shù)分析

此種采礦技術(shù)在實踐應用中適合于地下區(qū)域的金屬礦物質(zhì)采礦應用。實踐應用中，還需要借助專業(yè)的潛孔鉆機設備輔助開采。另外，爆破環(huán)節(jié)則主要應用球星炸藥包進行爆破操作，實現(xiàn)落礦形式的有效控制。關(guān)于這一技術(shù)應用中的要點，主要包括以下兩個方面。①結(jié)合技術(shù)實施順序進行采礦技術(shù)的控制，例如，對深度較淺的地下金礦礦產(chǎn)，在應用這種技術(shù)進行開采的過程中，就非常重視礦體荷載因素的影響，同時，安全管理問題也是實踐中需要考慮的關(guān)鍵性問題。②針對可能出現(xiàn)的影響因素進行針對性地分析研究，提升相關(guān)技術(shù)應用的可靠性和有效性。

1.3 地下連續(xù)采礦技術(shù)

此種采礦技術(shù)的應用主要集中在勘察環(huán)節(jié)。主要針對體量相對較大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強的礦產(chǎn)資源進行開采。在地下金屬礦產(chǎn)開采過程中發(fā)揮作用，開采作業(yè)落實執(zhí)行的環(huán)節(jié)有了地下連續(xù)采礦技術(shù)的支持，能夠獲得更高程度的安全保障且階段性的采礦工作開展，整體效率也相對較高，但開采建筑回收工作在效率上相對較為滯后，回收時也存在一定的困難。開采過程中也存在部分需要重復作業(yè)的開采施工區(qū)域。因此，此種技術(shù)的應用還需要通過設備應用狀態(tài)的改良，優(yōu)化以及力學支撐理論的不斷完善，支撐此種開采技術(shù)在實踐應用中取得更好的保障。

1.4 崩落采礦技術(shù)分析

此種技術(shù)在實踐應用中主要通過外力作用的干預促使圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，對采空區(qū)進行自動填充，隨后可結(jié)合爆破技術(shù)和切割技術(shù)的應用，使得效果和區(qū)域得到一定程度的定位。這種技術(shù)應用的過程中，需要持續(xù)進行施工作業(yè)。另外，先進性更強的技術(shù)的實踐應用也需要借助先進的輔助設備達到相應的效果具體設備為高風壓潛孔鉆機設備。

2 潛孔鉆機應用的發(fā)展趨勢探索

從宏觀上來講，設備是支持開采工作執(zhí)行落實的重要條件。潛孔鉆機設備的應用，在應用范圍和應用技術(shù)針對性上，都是相對較強的。實踐中的技術(shù)應用，也需要結(jié)合這種設備的應用現(xiàn)狀以及應用過程中的實踐需求對其進行一定程度的改良優(yōu)化，逐步推動潛孔鉆機向多功能智能化自動化的方向發(fā)展，現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢主要有以下幾方面內(nèi)容。

2.1 多功能化發(fā)展趨勢

在金屬礦產(chǎn)資源分布的整體結(jié)構(gòu)和區(qū)域特征方面來講，由于我國的宏觀面積較大，金屬礦產(chǎn)資源的分布廣泛性也相對較強。因此，需要結(jié)合實際從適用性和實用性的角度，對金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用進行分析，多功能化正是這種背景下金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)應用的主要發(fā)展趨勢。多功能的目標達成需要通過針對性地實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化完善以及開采探測技術(shù)的不斷豐富，達到相應的目標。開采工作的效率和準確性，也能因此得到保障。

2.2 智能化發(fā)展趨勢

智能化發(fā)展趨勢主要是指，在金屬礦產(chǎn)資源開采的過程中，需要通過物探技術(shù)的應用完成地質(zhì)勘察作業(yè)。并且制定具有合理性和可行性的勘察工作計劃，選取適當?shù)拈_采工藝技術(shù)進行應用。具體的操作環(huán)節(jié)也需要對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)振動過程中的實際情況進行精準的把握。除此之外，潛孔鉆機的運行性能、調(diào)控能力也需要在實踐中進行不斷的優(yōu)化。以便適應現(xiàn)階段金屬礦產(chǎn)資源開采的要求達到提升工作效率，保障開采工作安全狀態(tài)的積極作用。開采技術(shù)本身也需要在實踐中不斷升級完善?，F(xiàn)階段PLC 系統(tǒng)技術(shù)是與開采環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動的核心技術(shù)。

2.3 自動化發(fā)展趨勢

自動化發(fā)展趨勢主要是指在采礦過程中的設備控制向自動化的方向發(fā)展，現(xiàn)階段此技術(shù)的應用與機械設備本身的功能性和先進性緊密相關(guān)，要想達到更好的自動化發(fā)展狀態(tài)需合理應用網(wǎng)絡控制技術(shù)，計算機平臺運行技術(shù)以及在線監(jiān)控與信息傳感技術(shù)。通過自動化的運行控制技術(shù)的協(xié)同應用達到提升控制是有效性優(yōu)化控制效果的目標。另外，自動化程度的提高也意味著機械裝置和系統(tǒng)的安全保障效果能夠達到更高的水平層次，設備應用的整體效能都會因此得到優(yōu)化。

3 依托工程的基本情況

3.1 工程名稱

本文依托的工程為某高速公路黃河大橋水中主墩左幅7#（右幅8#）鋼板樁圍堰。

3.2 鋼板樁圍堰設計情況

鋼板樁圍堰設計尺寸為26.2×16.2 m，鋼板樁選型為24 m長的NSP-Ⅳw型拉森鋼板樁，單根鋼板樁寬度60 cm。鋼板樁入水8.6～9.6 m，入普通土0.5～0.9 m，入卵石層4.5～5 m，入泥巖約6 m，單個圍堰共設置拉森鋼板樁140根。拉森鋼板樁圍堰立面圖如圖1所示。

圖1 拉森鋼板樁圍堰立面圖

3.3 地質(zhì)情況

圍堰區(qū)地層按土層分類，上覆為第四系全新統(tǒng)人工成因填筑土，沖洪積成因卵石、礫砂、粉土，下伏基巖為新近系臨夏組砂質(zhì)泥巖。各地層特征描述如下：

（1）填筑土：雜色，稍密，稍濕，以粉土為主，次為粘性土，內(nèi)含礫砂、卵石，局部含少量植物根系，巖芯呈散狀，可見最大粒徑50 mm[3]。

（2）卵石：雜色，中密，主要成分以50～1900 mm卵石為主，占全重的80%，500 mm 以上孤石漂石占比約50%，其余為500 mm以下砂礫、粉黏粒等，骨架顆粒巖性成分以石英、長石為主，可見最大粒徑1900 mm，磨圓度呈亞圓狀，鉆進困難，巖芯呈散狀。

（3）強風化砂質(zhì)泥巖：紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物，次為石英、長石，原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造大部分被風化破壞，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎程度高，錘擊聲啞，手可掰斷，巖芯呈短柱狀[4]。

鋼板樁圍堰地質(zhì)柱狀圖如圖2 所示，河床裸露卵石層如圖3所示。

圖2 鋼板樁圍堰地質(zhì)柱狀圖

圖3 河床裸露卵石層

4 主要施工工藝

4.1 引孔施工工藝流程

測量放樁—潛孔鉆機就位—調(diào)整鉆機—啟動空壓機—送風—啟動鉆機—鉆到設計深度同時護管跟進—提鉆—填筑黏土—拔出護管移至下一樁位。

4.2 主要施工原理

潛孔鉆引孔對巖石直接破碎，沖擊頻率高，沖程低，破巖后巖渣在氣流的帶動下，沿鉆桿內(nèi)壁直接排到孔外。

潛孔鉆的作用機理是將壓縮空氣當做動力，壓縮空氣依托空氣壓縮機供給，經(jīng)過風管、鉆機和鉆桿進到潛孔鉆沖擊器內(nèi)，促使?jié)摽族N運行，依托潛孔錘對鉆頭的強大沖擊功能實現(xiàn)將巖石擊破的目標，巖石擊碎之后產(chǎn)生的碎屑伴隨潛孔錘鉆桿中升高的氣流依托風管落到地表。

其優(yōu)勢是巖石碎屑直徑小，容易壓縮空氣帶走，孔底干凈，總體作業(yè)效率理想。依托潛孔錘沖擊器在巖石穿透方面的性能與裝設護管過程中對鉆孔的保護，依托極大的風壓將巖層擊碎，使用科學的作業(yè)技術(shù)，實現(xiàn)對鉆孔過程中的鉆進護壁，鉆孔完成后先回填粘土再拔出護管，進一步防止塌孔，同時又能順利插打完成鋼板樁，進而高效安全完成鋼板樁圍堰施工[5]。

引孔所需內(nèi)護管采用壁厚10 mm，長度24 m 的A560 mm 鋼管，潛孔鉆引孔插入若干根（10 根左右）鋼管以后[6]，退出施工區(qū)域，挖掘機配合向管內(nèi)回填粘土，最后打拔機將鋼管樁振動拔出，管內(nèi)回填的粘土隨著振動滑入孔內(nèi)，每當拔出一根鋼管樁后，及時插打鋼板樁，這最大限度的減少了原地層對現(xiàn)有孔洞的擠壓，從而減小了鋼板樁入巖時的阻力。

潛孔鉆在鉆進過程中所產(chǎn)生的鉆渣及泥漿都是先由空壓機向孔內(nèi)送風，再經(jīng)過鉆桿內(nèi)壁將所有的鉆渣泥漿由振動錘上連接的風管排出至泥漿箱，最后再由泥漿罐車進行二次清運至棄土場[7]。

潛孔鉆引孔在卵石地層的綜合進尺工效一般為6 m∕h，相比于其他引孔方案，工效提升顯著。潛孔鉆引孔作業(yè)如圖4所示。

5 結(jié)論

針對卵礫石地層的鋼板樁圍堰施工，拉森鋼板樁插打困難，傳統(tǒng)的施工方法主要有沖擊鉆引孔、長螺旋鉆機引孔、靜壓植樁機鉆孔并同步插打等。

沖擊鉆先引孔：可實施，但施工效率很低，平均每天進尺1 m 左右；長螺旋鉆機引孔：如遇孤石，無法穿透，成孔困難；靜壓植樁機：通過利用自身已插入地層的鋼板樁提供“反力”，邊鉆進邊將要插打的鋼板樁直接壓入地層中，可實施，但施工效率低，如遇孤石漂石，每天進尺不足1 m；而采用潛孔鉆引孔，地層中的孤石漂石基本不影響成孔速度，工效穩(wěn)定。

潛孔鉆在鋼板樁圍堰中的成功應用，為同類工程的實施有重要的借鑒意義。因為潛孔鉆為大型的沖擊成孔設備，故障率相對較高，在后續(xù)的研究及實施過程中，還應重點解決設備故障率問題。