旋挖鉆機配套集束式潛孔錘硬巖施工方法研究

牛慶磊，呂永亮，賈 煒，王三牛，史兵言

(1．中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北 廊坊065000;2．吉林大學應用技術學院，吉林 長春130021)

0 引言

旋挖鉆機是現(xiàn)代樁基施工中最常用的設備之一，主要適合于沙土、粘性土、粉質(zhì)土等土層施工，在鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、基礎加固等多種基礎施工中得到了廣泛應用。旋挖鉆機功率一般為125～450 kW，動力頭扭矩為120～520 kN·m，成孔直徑一般為0.8～2 m，最大成孔直徑達到4 m，最大孔深在60～90 m之間，其主要特點是鉆進能力強、效率高、環(huán)保、自動化程度高。

但隨著現(xiàn)代樁基礎的加深，嵌巖樁及其他入巖鉆孔樁的需求增多，旋挖鉆機的應用受到越來越多的局限，特別是卵礫石、致密灰?guī)r以及花崗巖地層，旋挖鉆機施工起來十分困難。通常在嵌巖樁最后幾米入巖時采用的方法是牙輪筒鉆套取法或螺旋破巖法，表現(xiàn)的主要問題是切削齒或牙輪損耗巨大、機器振動大、進尺效率低、耗時長、鉆進成本高。若遇到山上打樁開孔入巖或嵌巖樁工程量加大時，從經(jīng)濟上考慮旋挖鉆就顯得不適合。

近些年，隨著旋挖鉆機的不斷普及，常規(guī)土層挖孔價格一路走低，入巖樁的價格還處在較高水平，提高旋挖鉆機入巖能力，降低入巖樁施工成本，還是會有較高的利潤。在小口徑鉆探如鑿巖爆破孔、水井基巖孔、礦山通風孔及地質(zhì)鉆探中，潛孔錘一直是應對硬巖地層快速鉆進最有效的解決辦法，單體的潛孔錘最大直徑28 in(771.2 mm)，最大能打43 in(1092 mm)的孔，這對于大口徑樁基工程的樁徑來說是遠遠不夠的，且價格過高，不利于市場推廣。

集束式潛孔錘是近些年發(fā)展起來的新型鉆具，它是將若干個小直徑潛孔錘組合在一起回轉(zhuǎn)破巖的特殊鉆井工具，鉆孔口徑在600～3000 mm之間。中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所多年來一直致力于大口徑旋挖鉆具及集束式潛孔錘研制工作，經(jīng)過2年多的研究，開發(fā)出了JSQ－Z系列正循環(huán)及JSQF系列反循環(huán)集束式潛孔錘，并提出了旋挖鉆機硬巖鉆進3種配套解決方案。3種方案各有利弊，要結合具體工程條件來選擇。

1 JSQ－Z型正循環(huán)集束式潛孔錘

1．1 JSQ－Z型正循環(huán)集束式潛孔錘主要技術參數(shù)

JSQ－Z系列正循環(huán)集束式潛孔錘是專門為旋挖鉆機配套設計，口徑系列包括800、1000、1200、1500、1800 mm等，滿足市場大部分鉆孔灌注樁工程需求，主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 JSQ－Z系列集束式潛孔錘技術參數(shù)

1．2 JSQ－Z型正循環(huán)集束式潛孔錘結構原理

該系列集束式潛孔錘主要特點是結構較為簡單，采用國產(chǎn)高風壓無閥式潛孔錘，工作風壓1.0～2.1 MPa，沖擊功1150 J，沖擊頻率950～1650次/min，潛孔錘采用特殊設計的上下接頭，實現(xiàn)軸向固定和防自轉(zhuǎn)。筒體采用箱式結構焊接加工而成，結構緊湊、強度高。

JSQ－Z系列集束式潛孔錘結構如圖1所示。通氣接頭上部為母方頭，鉆機通過伸縮鉆桿與通氣接頭相連驅(qū)動集束式潛孔錘回轉(zhuǎn)?？諌簷C產(chǎn)生的高壓空氣通過膠管進入通氣接頭中心，通氣接頭連通氣室，氣室連通著各個潛孔錘，高壓氣體通過配氣接頭進入單體潛孔錘內(nèi)部，驅(qū)動潛孔錘工作。潛孔錘產(chǎn)生的尾氣攜帶巖渣通過返渣通道上返至鉆桿處，由于鉆桿與孔壁環(huán)空間隙增大，空氣流速降低巖渣下落，落入渣筒內(nèi)。渣筒裝滿后提鉆，通過副卷揚提拉渣筒，渣筒與集束式潛孔錘脫開倒出巖渣，再次下鉆繼續(xù)進行下一回次鉆進。筒體采用焊接式結構，整體性強、安全可靠，潛孔錘拆卸簡單，易于維修及更換錘頭。

2 JSQ－F型反循環(huán)集束式潛孔錘

圖1 JSQ－Z系列正循環(huán)集束式潛孔錘結構示意

反循環(huán)集束式潛孔錘主要特點是鉆桿及鉆頭采用雙通道結構，雙壁鉆桿環(huán)空間隙走氣，中心通道返渣。之所以采用這種復雜的結構，因為當進行大口徑施工時，鉆孔直徑和鉆桿直徑差比較大，鉆進所產(chǎn)生的巖屑經(jīng)過鉆桿與孔壁環(huán)空間隙返至地表，這需要有足夠的風量才能保證較高的上返流速?；蛘卟捎们懊嫣岬降恼h(huán)潛孔錘上部放置盛渣筒的結構，在上返流速不夠的情況下，巖屑落入盛渣筒。當鉆進一段時間盛渣筒裝滿時，需要提鉆倒出巖屑，這就需要很長的輔助作業(yè)時間，不能實現(xiàn)連續(xù)鉆進，不適合于較深孔鉆進。反循環(huán)鉆進工藝很好地解決了這一問題，潛孔錘尾氣攜帶巖渣進入相對狹窄的內(nèi)管通道，使上返流速達到20 m/s以上較理想的速度，使用的空壓機數(shù)量少，且不受孔徑大小限制，孔底清潔效果好，節(jié)約鉆進成本。

JSQ－F型反循環(huán)集束式潛孔錘結構如圖2所示，上部采用六方接頭與上部雙壁鉆桿相連，氣體從雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)空間隙進入交叉氣室中，交叉氣室與下氣室通過法蘭連接，氣體在下氣室平均分配給各個潛孔錘，驅(qū)動其工作，潛孔錘尾氣攜帶巖渣進入吸渣管上返，通過交叉氣室進入六方接頭內(nèi)管，巖渣沿內(nèi)通道返至地表。JSQ－F型反循環(huán)集束潛孔錘采用的潛孔錘與JSQ－Z型采用的都是8 in(203 mm)正循環(huán)潛孔錘，具有互換性。單體潛孔錘也可采用反循環(huán)貫通式，這樣集束式潛孔錘結構上就省略了下部吸渣管，巖屑直接從潛孔錘中心通道返至雙壁內(nèi)通道，具體結構如同吉林大學研制的行星排列反循環(huán)集束式潛孔錘(如圖3所示)。

圖2 JSQ－F系列反循環(huán)集束式潛孔錘結構示意

圖3 行星式反循環(huán)組合式潛孔錘結構示意

圖4 旋挖配套集束式潛孔錘方案一

3 旋挖鉆機配套集束式潛孔錘鉆進工藝

3．1 第一種方案

該方案舍棄旋挖鉆機伸縮鉆桿，采用特殊設計的摩阻式主動鉆桿及單壁鉆桿，連接方式采用六方連接，一方面保證鉆桿外平，同時保證鉆桿加接快捷性，不需要另外購置鉆桿擰卸設備，潛孔錘采用JSQ－Z系列正循環(huán)集束式潛孔錘。整套設備工作原理如圖4所示，高壓空氣通過鉆桿內(nèi)通道進入潛孔錘，驅(qū)動潛孔錘做功，集束式潛孔錘進行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進。潛孔錘尾氣攜帶巖渣通過集束式潛孔錘返渣通道上返落入渣筒，形成正循環(huán)鉆進。為了避免渣筒裝滿后提鉆拆卸鉆桿的麻煩，在整套設備中增加了砂石泵，砂石泵將孔內(nèi)巖渣抽到地表，通過泥沙處理裝置進入沉渣池，最終泥漿又回流至孔內(nèi)。這種工法類似于泵吸反循環(huán)鉆井工藝，受到內(nèi)摩阻力、砂石泵與沖洗液面高差等因素影響，其反循環(huán)的孔深受到一定限制，一般泵吸反循環(huán)合理深度在70 m以內(nèi)。應用這種工藝孔內(nèi)必然有泥漿循環(huán)，空氣潛孔錘背壓較高，需要增大風量才能保證潛孔錘正常工作，能耗增加顯得不夠經(jīng)濟，這種工法主要適合于嵌巖樁較多的工程中。

3．2 第二種方案

該方案依然采用旋挖鉆機伸縮式鉆桿，未對旋挖鉆機進行任何改動，旋挖鉆機僅需卸掉原有撈砂斗，與JSQ－Z正循環(huán)集束式潛孔錘相連即可，鉆具配套非常簡單。整套設備工作原理如圖5所示，旋挖鉆機采用撈砂斗清除上部土層，提鉆卸去撈砂斗，接上集束式潛孔錘，同時接上高壓通氣膠管。鉆機啟動高壓空氣通過高壓膠管送至孔底，驅(qū)動潛孔錘工作，尾氣攜帶巖渣落入盛渣通。盛渣筒裝滿后，旋挖鉆機提鉆，主機轉(zhuǎn)向，副卷揚提拉盛渣筒卸掉巖渣，接著進行下一回次鉆進。圖1中通氣接頭與膠管接頭剛性連接，接頭回轉(zhuǎn)膠管也跟著一起轉(zhuǎn)，為防止高壓膠管纏繞鉆桿，旋挖鉆機只能做正負360°的回轉(zhuǎn)。還有一種辦法就是在集束式潛孔錘通氣接頭上增加反扭裝置如圖3中所示，實現(xiàn)氣管相對孔壁不動，中心軸驅(qū)動集束潛孔錘回轉(zhuǎn)。第二種方案孔內(nèi)不需要沖洗液，可進行干孔鉆進，潛孔錘背壓小，可采用較少的空壓機實現(xiàn)沖擊鉆進，能耗低、配套鉆具少、施工簡便快捷，適合于嵌巖樁最后幾米入巖鉆進。

圖5 旋挖配套集束式潛孔錘方案二

3．3 第三種方案

該方案采用JSQ－F系列反循環(huán)集束式潛孔錘，因此需要配套雙通道的鉆具，如圖6所示。旋挖鉆機配套氣水龍頭及雙壁主動鉆桿，雙壁主動鉆桿采用摩阻桿，這樣潛孔錘的振動不會作用至動力頭，對動力頭產(chǎn)生沖擊破壞。主動鉆桿與下部雙壁鉆桿采用六方連接，鉆桿下部連接集束式潛孔錘。另外還需配套空壓機組、集氣罐、高壓膠管、排渣膠管、孔口板及除塵氣渣分離裝置等。高壓氣體通過雙壁鉆桿內(nèi)外環(huán)狀間隙輸送至孔底，驅(qū)動潛孔錘做功，尾氣攜帶巖渣沿內(nèi)管通道上返至地表。這種方案的主要特點的是集束式潛孔錘可進行連續(xù)鉆進，鉆桿采用六方接頭連接加接速度快，氣密性好，鉆井不受限制;采用反循環(huán)鉆進工藝，孔底清潔效果好，巖屑上返所需的風量較少，在滿足潛孔錘正常工作的前提下，風量足夠滿足巖屑上返需求。相比較前兩種方案來說，配套雙壁鉆桿及反循環(huán)集束式潛孔錘等成本較高，因此該種方案適合于深孔硬巖鉆井工程，且鉆孔工程量較大，才能降低綜合使用成本。

圖6 旋挖配套集束式潛孔錘方案三

4 JSQ－F型反循環(huán)集束式潛孔錘試制及鉆具配套

2015年6月天津某基礎工程有限公司在云南承包了一個大型水電樁基工程，該工程設計將山體上部覆蓋層去除，在基巖上打198個1.3 m樁孔，孔深110 m，基巖單軸抗壓強度達到120 MPa以上，采用旋挖鉆機施工難度極大。我們與該公司經(jīng)過細致研究后，決定采用第三種配套方案，即采用JSQF型反循環(huán)集束式潛孔錘，配套氣水龍頭、雙壁主動鉆桿、377 mm雙壁鉆桿、孔口板、集氣罐、高壓膠管及排渣膠管等(如圖7所示)。目前，設備已全部試制成功，集束式潛孔錘完成了室內(nèi)試驗，潛孔錘工作正常、性能良好，鉆桿鉆具完成氣密性試驗，達到了出廠要求。

5 結語

圖7 1300 mm反循環(huán)集束潛孔錘、氣水龍頭、377 mm雙壁鉆桿

集束式潛孔錘發(fā)展至今已有30多年，隨著氣動潛孔錘設計及制造水平的發(fā)展，集束式潛孔錘的性能及壽命也不斷提高，應用范圍不僅可應用于旋挖基礎施工，還可廣泛應用于礦山通風、送料、瓦斯抽采、救援孔工程中，可采用正循環(huán)或反循環(huán)鉆進工藝，是一種快速、高效、安全的施工方法。旋挖配套集束式潛孔錘，發(fā)揮了旋挖鉆機施工大口徑速度快的優(yōu)勢，提升了旋挖施工中硬以上基巖地層的能力，值得進一步推廣應用。

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