潛孔錘-旋挖組合鉆進技術(shù)在硬巖樁基工程中的應(yīng)用

何正勇，李應(yīng)平

（貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽 550004）

1 概述

在樁基礎(chǔ)施工中，旋挖鉆機鉆孔成樁具有施工效率高、機械化智能化程度高、工程質(zhì)量好、環(huán)保等優(yōu)點［1-3］，近幾年來逐漸成為樁基施工的首選。旋挖鉆機使用不同鉆具，可在粘土、粉土、砂土、砂卵礫石層以及基巖地層中進行成孔作業(yè)［4］，對地層的適應(yīng)性較廣，成孔直徑最大可達1.5～4 m，成孔深度可達60～90 m，有些機型施工深度可達130 m，基本上滿足了目前常規(guī)樁基施工的需求［5-6］。采用旋挖鉆機在基巖地層中施工時，旋挖鉆機鉆頭對巖體進行切削或磨碎，巖屑（巖心）通過鉆頭攜帶并提出孔口卸棄，鉆進、出渣等施工多次循環(huán)，最終形成樁孔。旋挖鉆機成孔使用的鉆頭常見的有短螺旋鉆頭、筒式取心鉆頭和撈砂斗等，這些鉆頭在硬巖中施工時會出現(xiàn)截齒磨損嚴(yán)重、進尺緩慢、震動大、施工經(jīng)濟性較差等問題［2］。實踐表明，若巖石抗壓強度達到80 MPa以上時，旋挖成孔進尺非常緩慢，若巖石抗壓強度＞150 MPa時，旋挖鉆機鉆頭切削破碎巖石極為困難［7-8］，幾乎形成不了進尺，鉆齒嚴(yán)重磨損而失效，如果強行鉆進，還會造成一些機械和孔內(nèi)事故。

從巖石破碎學(xué)原理可知，當(dāng)堅硬巖石受到?jīng)_擊時，首先形成微裂紋，在外力的作用下，微裂紋連通形成體積破壞，巖石抵抗外界的破壞力大大降低，即巖石在受到?jīng)_擊時更容易破碎。潛孔錘作為機械沖擊破巖的重要工具之一，其具有鉆頭壽命長、能量利用率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在小口徑鉆探如鑿巖爆破孔、礦山通風(fēng)孔及地質(zhì)鉆探中［9］，其被視為鉆進硬巖地層最高效的工具［10］。但目前較為成熟的單體的潛孔錘的最大直徑≯28 in（771.2 mm），最大僅能施工43 in（1092 mm）的樁孔，無法直接用于大口徑樁基工程的施工，且其價格過高，不利于在市場中推廣應(yīng)用。

為解決在硬巖地層中大口徑樁孔鉆進困難這一難題，可將潛孔錘與旋挖鉆機配合使用，以提高鉆鑿效率［11-12］。目前應(yīng)用較多的施工方法為采用旋挖鉆機配套集束式潛孔錘［13］，集束式潛孔錘配氣機構(gòu)復(fù)雜，共振嚴(yán)重，排渣困難，需要配備的空壓機功率大、能耗高，旋挖鉆機改裝費用高。采用旋挖鉆機配套集束式潛孔錘這一特殊鉆井工具鉆鑿破巖雖然可以大幅度提高鉆進效率，但對鉆具改裝耗資巨大，施工工藝復(fù)雜，施工成本高。本文提出的潛孔錘-旋挖組合鉆進技術(shù)其基本原理是，先用小直徑的單體潛孔錘，在大直徑樁孔施工面內(nèi)進行科學(xué)布孔鉆進，形成蜂窩狀，對巖石結(jié)構(gòu)預(yù)破壞，然后再用旋挖鉆機鉆進成樁，既簡化了施工工藝，降低了施工成本，又提高了硬巖成孔施工效率。

以上工法優(yōu)缺點對比見表1。

表1 樁基施工工法對比Table 1 Comparison of the pile foundation construction methods

從以上分析對比中可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的的旋挖工法和單體潛孔錘均不適用于超硬巖層的大直徑樁基施工。

集束式潛孔錘雖然可以用于大直徑硬巖樁基的施工，但其施工工藝復(fù)雜、施工成本高。采用傳統(tǒng)的潛孔錘和旋挖工法組合完成大直徑硬巖樁基工程，可降低施工成本，潛孔錘鉆進小孔對巖石預(yù)破壞，提高了旋挖鉆機的鉆進效率，兩種施工工序可分別在不同樁孔同時進行，提高了施工效率。所以，潛孔錘-旋挖組合鉆進技術(shù)是大直徑硬巖樁基施工的一種經(jīng)濟實用的工法。該工法在貴州省地礦局114地質(zhì)大隊官井基地滑坡治理工程中得到了有效應(yīng)用。

2 工程施工難點分析

貴州省地礦局114地質(zhì)大隊官井基地滑坡治理工程，局部地段垂直切坡，采用“抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索”支護（見圖1）。由于該邊坡以巖質(zhì)邊坡為主，且?guī)r石多為堅硬巖，因此本項目的施工難點在于抗滑樁的樁孔施工。由于巖石堅硬，其中石英砂巖天然抗壓強度達130 MPa以上，起初采用常規(guī)的旋挖成孔工藝，但鉆進速度很慢，鉆機超負(fù)荷工作，鉆頭鉆齒磨損嚴(yán)重（見圖2），旋挖鉆頭鉆齒的磨損形態(tài)呈平面，截齒無法切入巖石進而產(chǎn)生體積破碎，巖石的強度和硬度高，研磨性強，巖石破碎以平面接觸的摩擦為主，大大降低了碎巖效率，致使施工速度緩慢。鉆齒更換頻繁，綜合施工成本高。后采用人工挖孔樁施工，需要7天才能進尺1 m，設(shè)計樁徑2500 mm，樁長25 m，需4個月才能成樁。由于邊坡存在安全隱患，且雨季來臨，為確保邊坡的安全，需要盡快完成抗滑樁的成樁，因此，設(shè)計一套成本低、施工效率高、穩(wěn)定可靠性強的適用于硬巖鉆進成孔的施工工藝十分必要。

圖1 官井基地滑坡治理工程施工現(xiàn)場Fig.1 Construction site of the Guanjing Base landslide control project

圖2 旋挖鉆頭磨損情況Fig.2 Wear of the rotary drilling bit

3 潛孔錘-旋挖組合鉆進施工方案及碎巖機理分析

3.1 潛孔錘-旋挖組合鉆進施工方案

潛孔錘-旋挖組合鉆進，先用潛孔錘對完整堅硬的巖石進行預(yù)處理，在其中形成小孔，破壞巖石整體結(jié)構(gòu)，釋放地層應(yīng)力，為旋挖鉆機鉆擴孔增加自由面條件，使后期破碎巖石更加容易；然后采用旋挖鉆機進行鉆進，堅硬巖石沿已有自由面破碎，成孔效率得到較大提高。潛孔錘-旋挖組合鉆進成孔方法所用的均是常規(guī)設(shè)備，不用改裝鉆具，節(jié)約成本，且因潛孔錘鉆孔尺寸小，要求空壓機功率低。具體施工方案如下：

（1）用潛孔錘鉆?219 mm的小孔，在樁中心鉆孔1個，在直徑為1500 mm的圓周上鉆孔10個，在直徑為2400 mm的圓周上鉆孔18個，共計29個，如圖3所示。潛孔錘鉆進所用鉆機為MD200A型，潛孔錘為75A型，空壓機為VHP750型，工作風(fēng)壓1.38 MPa，風(fēng)量為21.2 m3/min，潛孔錘鉆進效率為0.15 m/min。

圖3 潛孔錘鉆孔布置Fig.3 Layout of the drill holes for the DTH hammer

（2）潛孔錘成孔結(jié)束以后，用旋挖鉆機分3級進行鉆擴孔，用?1500 mm的鉆頭鉆孔一次，?2000 mm和?2500 mm分別在前序鉆孔的基礎(chǔ)上擴孔一次。旋挖鉆機采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速的原則鉆進［14］，預(yù)防造成鉆齒折斷［9］。每一級直徑的施工順序均為先用巖石取心筒式鉆頭，然后再下同徑的截齒撈砂斗。本項目中，樁長25 m，根據(jù)旋挖鉆機實時監(jiān)測的孔斜數(shù)據(jù)，必要時進行糾偏。

（3）?2500 mm的樁潛孔錘鉆孔29個需要2天。采用旋挖鉆機成孔時，第一級?1500 mm的成孔需要2天，第二級?2000 mm的成孔需要2天，第三級?2500 mm的成孔需要1天。每個樁孔施工時間為7天，相比采用人工挖孔樁節(jié)約了110天的時間。

采用潛孔錘鉆進時，合理地選擇轉(zhuǎn)速對鉆頭壽命和鉆進效率至關(guān)重要。潛孔錘鉆進特點是大沖擊功、低沖擊頻率，如果轉(zhuǎn)速過快，鉆頭鉆齒沒有足夠時間壓入巖石，對巖石形成破壞，鉆齒一直在未形成體積破碎的巖石表面快速滑動磨損，鉆齒磨損快，碎巖效果差。如轉(zhuǎn)速太慢，鉆齒后續(xù)沖擊落點易與前序沖擊凹坑重合，產(chǎn)生重復(fù)破碎，導(dǎo)致鉆速下降。選擇潛孔錘轉(zhuǎn)速的考慮因素有沖擊頻率、潛孔錘直徑、巖石強度等，一般來說，巖石愈硬，所用轉(zhuǎn)速愈低［15-16］。本項目中，潛孔錘所用轉(zhuǎn)速約為20 r/min。

3.2 潛孔錘-旋挖組合鉆進成孔機理分析

首先選用合理直徑的潛孔錘（本工程采用潛孔錘直徑為219 mm），以一定的分布規(guī)律進行鉆進，鉆進后樁截面留下了有很多自由面的巖層體（見圖4），潛孔錘在硬巖地層的碎巖機理及施工工藝很多的文獻中都有過論述，這里不再重復(fù)。

圖4 潛孔錘施工后留存的巖墻Fig.4 Remaining rock wall after DTH hammer drilling

旋挖鉆機施工時會用到兩種鉆頭：巖石取心筒式鉆頭和截齒撈砂斗，巖石取心筒式鉆頭布置截齒［17］的間距為200～240 mm（見圖5），截齒撈砂斗的截齒間距為100～130 mm（見圖6），從圖4中可以算出在?1500 mm和?2400 mm圓周上，潛孔錘成孔后，周向巖墻的厚度約為252 mm（見圖7），在用筒式鉆頭鉆進時，保證每個巖墻上都有一個截齒分布，當(dāng)在鉆壓的作用下，形成裂紋與潛孔錘已成的孔連通，在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下對巖墻剪切破壞，鉆齒所掃過的面積的巖石與母巖分離形成鉆渣。在使用截齒撈砂斗鉆進時，主要是為了解決徑向巖墻，?1500 mm和?2400 mm徑 向 巖 墻 的 厚 度 為：（2400-1500）/2-219=231 mm（見圖8），在徑向巖墻之間保證有兩個截齒分布，由于徑向巖石切削量較大，所以面齒密度比周向大1倍，在鉆壓的作用下，截齒先壓入巖石，因為?1500 mm和?2400 mm直徑上的巖石已被切空，在扭矩的作用下，巖墻巖石被破壞形成巖渣向兩個巖溝掉落，然后進入撈砂斗內(nèi)提出孔外。

圖5 巖石取心筒式鉆頭及布齒Fig.5 Rock coring barrel bit and the teeth arrangement

圖6 截齒撈砂斗及布齒Fig.6 Pick bailing bucket and the teeth arrangement

圖7 筒鉆破除周向巖墻示意Fig.7 Breaking the radial rock wall with the drilling barrel

圖8 撈砂斗破除徑向巖墻示意Fig.8 Removing the circumferential rock wall with the bailing bucket

4 施工效果

采用潛孔錘-旋挖組合鉆進施工，鉆進效率明顯提高。采用沖擊鉆鉆進時，平均施工效率為4 m3/d，采用潛孔錘-旋挖組合鉆進時，平均效率為20 m3/d。潛孔錘-旋挖組合鉆進可以解決超硬巖石施工中成孔效率低的問題，極大地提高了施工速度，大幅度縮短了工期，進一步節(jié)約生產(chǎn)運營成本。本項目工期提前了6個月。

采用潛孔錘-旋挖組合鉆進施工樹立了良好的企業(yè)形象，工期縮短，及時消除了周邊的安全隱患，減少了周邊的環(huán)境污染，社會效益顯著。

5 結(jié)論

采用潛孔錘-旋挖組合鉆進成孔工藝，較好地完成了本項目的抗滑樁鉆孔施工，大大提高了旋挖鉆機的鉆進效率，成功地解決了硬巖鉆進難題。本項目的實施，進一步證明該潛孔錘-旋挖組合鉆進技術(shù)具有成孔質(zhì)量好、速度快、操作方便等特點。采用潛孔錘-旋挖組合鉆進施工，既提高了鉆進效率，降低了生產(chǎn)成本，又因為縮短工期及時消除了周邊的安全隱患，項目的經(jīng)濟效益和社會效益顯著。根據(jù)實際地質(zhì)情況確定合理的鉆進方式，對于提高旋挖鉆機的工效，降低鉆具損耗，以及指導(dǎo)同類工程的施工有著重要指導(dǎo)和借鑒意義。