潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)技術(shù)在錨桿施工中的應(yīng)用

現(xiàn)今隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)蒸蒸日上，新型地基與基礎(chǔ)工程類(lèi)別層出不窮，深基坑支護(hù)工程中的預(yù)應(yīng)力錨桿（索）及地下室抗浮設(shè)計(jì)中的抗浮錨桿已經(jīng)逐步成為基礎(chǔ)工程中重要的分支。如何能夠在復(fù)雜回填土層及風(fēng)化強(qiáng)烈的破碎巖層中成功施工各類(lèi)錨桿也成為了錨桿工程中的重點(diǎn)。

一、 潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展背景

在眾多的復(fù)雜地層錨桿鉆進(jìn)施工中，塌孔、埋鉆是施工人員經(jīng)常碰到且又十分頭疼的問(wèn)題。采用常規(guī)的鉆進(jìn)工藝方法很難保證鉆孔的質(zhì)量和施工效率。潛孔沖擊跟管鉆進(jìn)技術(shù)充分利用了風(fēng)動(dòng)潛孔錘高效沖擊破碎巖石的優(yōu)勢(shì)，在高效碎巖鉆進(jìn)的同時(shí)，同時(shí)跟入套管保護(hù)鉆孔孔壁，利用套管的剛性導(dǎo)向作用，可以抑制鉆孔彎曲，保證鉆孔的垂直度。

潛孔沖擊跟管鉆進(jìn)按其結(jié)構(gòu)型式主要分為兩種類(lèi)型：偏心式跟管鉆具及同心式跟管鉆具。同心跟管鉆具因其外鉆頭的壁厚較厚，同樣孔徑施工，沖擊功傳遞效果不如偏心鉆具，只有在鉆孔直徑較大，選擇高風(fēng)壓沖擊器時(shí)，效果才比較好，但制造費(fèi)用比偏心鉆具高的多。偏心式跟管鉆具不僅成孔直徑大，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，使用方便，因此得到了更廣泛的應(yīng)用。

二、 潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)系統(tǒng)及工作原理

2.1 潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)的系統(tǒng)組成

潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)系統(tǒng)主要由潛孔沖擊器、偏心跟管鉆具（單偏心擴(kuò)孔式（見(jiàn)圖1）或雙偏心、三偏心擴(kuò)孔式）、管靴、套管等構(gòu)成。

在潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)系統(tǒng)中，無(wú)論是哪種偏心跟管鉆具都是通過(guò)偏心跟管鉆具鉆進(jìn)時(shí)鉆出大于套管外徑的孔，并當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)定地層，可將跟管鉆具收斂，使跟管鉆具的最大外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，從而取出跟管鉆具， 套管則留在地層內(nèi)保護(hù)孔壁。

鉆進(jìn)系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。

圖1 單偏心擴(kuò)孔式跟管鉆具外觀圖

2.2 潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)的工作原理

單偏心三件套潛孔錘偏心跟管鉆具工作時(shí)由鉆機(jī)提供回轉(zhuǎn)扭矩及推進(jìn)動(dòng)力。正常鉆進(jìn)時(shí)，由空氣壓縮機(jī)提供的壓氣，經(jīng)鉆機(jī)、鉆桿進(jìn)入潛孔沖擊器使其工作，沖擊器的活塞沖擊跟管鉆具的導(dǎo)正器，導(dǎo)正器將沖擊波和鉆壓傳遞給偏心鉆頭和中心鉆頭，破碎孔底巖石。同時(shí)鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，鉆桿將回轉(zhuǎn)扭矩傳遞給沖擊器并由沖擊器通過(guò)花鍵帶動(dòng)跟管鉆具的導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)正器上有

圖2 單偏心三件套跟管鉆進(jìn)系統(tǒng)示意圖

偏心軸，導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)偏心鉆頭張開(kāi)，并在開(kāi)啟到設(shè)計(jì)位置后被限位，使中心鉆頭、偏心鉆頭同時(shí)隨導(dǎo)正器旋轉(zhuǎn)。偏心鉆頭鉆出的孔徑大于套管的最大外徑，使套管不受孔底巖石的阻礙而跟進(jìn)。套管的重力大于地層對(duì)套管外壁的摩擦阻力時(shí)，套管以自重跟進(jìn)；當(dāng)套管外壁的摩擦阻力超過(guò)套管的重力時(shí)，內(nèi)層跟管鉆具繼續(xù)向前破碎巖石，直到導(dǎo)正器上的凸肩與套管靴上的凸肩接觸，此時(shí)，導(dǎo)正器將鉆壓和沖擊波部分傳給套管靴，迫使套管靴帶動(dòng)套管與鉆具同步跟進(jìn)，保護(hù)已鉆孔段的孔壁。導(dǎo)正器表面開(kāi)有吹巖屑的氣孔，也有使孔底巖屑能夠排出的氣槽。大部分壓縮空氣經(jīng)沖擊器作功后通過(guò)導(dǎo)正器中心孔、偏心鉆頭和中心鉆頭達(dá)到孔底，沖刷已被破碎或松散的孔底巖石、冷卻鉆頭，并攜帶巖粉經(jīng)中心鉆頭、導(dǎo)正器的排粉槽進(jìn)入套管與沖擊器、鉆桿的環(huán)狀空間被高速上返的氣流或泡沫排出孔外。

提鉆吹孔時(shí)，只要導(dǎo)正器表面的孔露出套管靴，解除封閉狀態(tài)，大量空氣將通過(guò)此二孔進(jìn)入套管，對(duì)套管內(nèi)巖屑進(jìn)行強(qiáng)吹。當(dāng)鉆進(jìn)工作告一段落，將鉆具提出時(shí)，可慢速反轉(zhuǎn)鉆具，偏心鉆頭又依靠慣性力和摩擦力收回，整套鉆具的外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，即可將鉆具提出到配接鉆桿和套管的位置或?qū)@具提出孔外，套管留在孔內(nèi)護(hù)壁。

三、 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

某工程位于青島市李滄區(qū)畢家上流社區(qū)，南臨天水路，擬建建筑物共分為A、B、C、D及E五個(gè)相互連接的主題單元，因工程抗浮需要，在地下室區(qū)域設(shè)置抗浮錨桿。錨桿設(shè)計(jì)孔徑為Φ180mm，錨桿設(shè)計(jì)持力層為入強(qiáng)風(fēng)化巖不小于4.0m或入中風(fēng)化巖不小于3.0m，錨桿上部錨入底板總長(zhǎng)度為900mm，錨筋為3Φ28mm（III級(jí)螺紋鋼筋）。

3.2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基底開(kāi)挖情況，施工地層主要為風(fēng)化砂回填層及強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層。風(fēng)化砂回填厚度由0.6m～9.0m不等，局部地段經(jīng)過(guò)整平、碾壓，上部混凝土墊層施工完畢。

3.3 施工工藝流程

具體施工工藝流程如下。

測(cè)定孔位—>腳手架加固—>鉆機(jī)安裝就位—>安裝鉆具—>鉆孔—>成孔吹掃排渣—>拆除鉆具鉆桿—>錨桿注漿—>拔套管—>安放錨桿—>驗(yàn)收—>移機(jī)。

3.4 工程施工要點(diǎn)與質(zhì)量控制

3.4.1 設(shè)備選用

根據(jù)沖擊器的碎巖特點(diǎn)，鉆機(jī)設(shè)備應(yīng)滿足低速大扭矩的需要，一般選擇動(dòng)力頭式錨固鉆機(jī)較好；空壓機(jī)性能首先要滿足潛孔沖擊器所需的風(fēng)壓和風(fēng)量的需要，并且根據(jù)地層的漏失程度及含水情況，在條件允許的情況下，盡量選擇風(fēng)量較大的空壓機(jī)；潛孔沖擊器應(yīng)具備優(yōu)良的沖擊功和沖擊頻率輸出性能，并且要與跟管鉆具、套管材料的強(qiáng)度相匹配。

3.4.2 偏心跟管鉆進(jìn)操作要點(diǎn)

在進(jìn)行跟管鉆進(jìn)施工時(shí)，選擇的鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)以低轉(zhuǎn)速、低給進(jìn)壓力、高上返風(fēng)速為原則，施工操作過(guò)程中應(yīng)根據(jù)所鉆進(jìn)地層中巖石的硬度、松散程度、含水量等因素控制鉆進(jìn)速度，當(dāng)鉆遇到特別松散或較大裂隙的地層時(shí)，尤其要降低給進(jìn)速度和給進(jìn)壓力，反復(fù)進(jìn)行排渣清孔。在具體的施工操作中還應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）鉆機(jī)腳手架要滿足安全操作要求，要能承受鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)沖擊等荷載。

（2）鉆具下孔前應(yīng)檢查潛孔沖擊器、跟管鉆具、套管及套管靴連接是否牢固，偏心鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，通風(fēng)是否順暢。

（3）鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)注意觀察套管的跟進(jìn)情況及孔內(nèi)排粉情況，通過(guò)復(fù)雜地段輕壓、慢鉆、反復(fù)吹掃，緩慢通過(guò)，每鉆進(jìn)0.3～0.4m應(yīng)吹孔排粉，以保持孔內(nèi)清潔。吹孔時(shí)，中心鉆具向上提動(dòng)距離應(yīng)嚴(yán)加控制以能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力吹孔排粉為限。

（4）穿過(guò)回填風(fēng)化砂層到達(dá)完整原狀巖層位可跟換普通潛孔錘頭進(jìn)行施工，就不必再繼續(xù)跟管，鉆進(jìn)結(jié)束或需要更換中心鉆具時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行清孔，將孔底殘?jiān)当M，然后停止回轉(zhuǎn)，把中心鉆具緩緩向上提動(dòng)，提升力的大小以剛好能提動(dòng)中心鉆具為合適，提升高度以偏心鉆頭后背與套管鞋前端接觸為止；然后低速反轉(zhuǎn)鉆具，同時(shí)緩慢向上試提中心鉆具。當(dāng)觀察到中心鉆具可以順利提升時(shí)，按照常規(guī)方法提升中心鉆具，直到全部提出中心鉆具。

（5）有時(shí)會(huì)因孔底殘留巖渣過(guò)多，偏心鉆頭回轉(zhuǎn)部分被巖渣卡死而影響偏心鉆頭的收攏。當(dāng)試提幾次仍不能奏效時(shí)，應(yīng)輸送壓氣，重新對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗，并使?jié)摽族N作短時(shí)間工作，然后重新進(jìn)行中心鉆具提升作業(yè)。

（6）起拔套管時(shí)，采用拔管器逐節(jié)拔出，液壓千斤頂頂升時(shí)要慢，用力均勻。

3.5 錨桿施工效果評(píng)估

抗浮錨桿采用跟管鉆進(jìn)成孔，解決了常規(guī)成孔法施工中的種種困擾，成孔效果滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)錨桿檢測(cè)部門(mén)的隨機(jī)抽檢，通過(guò)錨桿拉拔力試驗(yàn)，采用本工法施工的抗浮錨桿抗拔承載力完全滿足設(shè)計(jì)要求，較好的完成了施工任務(wù)。

結(jié)語(yǔ)

潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn)技術(shù)是工程施工中用于克服復(fù)雜地層鉆孔難的一種有效方法手段，偏心跟管鉆具因其特有的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的工作性能為復(fù)雜地層的鉆孔施工提供了可靠的技術(shù)保障，現(xiàn)已在錨桿施工中被廣泛使用，應(yīng)用于工程施工的跟管鉆具的規(guī)格系列也已日益完善，并且由小孔徑向大孔徑發(fā)展。