大直徑氣動(dòng)潛孔錘在硬巖地層樁基施工中的應(yīng)用

摘 要：氣動(dòng)潛孔錘是以壓縮空氣作為動(dòng)力的一種風(fēng)動(dòng)工具，其將提供沖擊作用的氣動(dòng)裝置與破碎巖石的鉆頭相結(jié)合，潛入樁孔孔底進(jìn)行鉆進(jìn)，并充分利用潛孔錘排出的高壓空氣，對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻和排渣?；诖?，對(duì)大直徑氣動(dòng)潛孔錘在硬質(zhì)巖層樁基施工中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)分析，闡述大直徑氣動(dòng)潛孔錘在硬巖地層樁基施工中的施工工藝流程、技術(shù)參數(shù)、操作要點(diǎn)等內(nèi)容，并對(duì)施工中易發(fā)生的典型事故進(jìn)行原因分析，總結(jié)相應(yīng)的處理措施和經(jīng)驗(yàn)，形成一套基本成熟的硬巖鉆進(jìn)施工工藝。

關(guān)鍵詞：潛孔錘；鉆孔；硬巖鉆進(jìn)；樁基施工；應(yīng)用

0 引言

在巖土工程樁基施工中，常采用旋挖鉆進(jìn)行成孔作業(yè)，其具有輸出功率大、扭矩高、機(jī)動(dòng)靈活、施工效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。在配以適宜的鉆頭后，其可在多種地層中進(jìn)行樁基成孔作業(yè)，但對(duì)于較完整以及裂隙發(fā)育不明顯的中、硬質(zhì)巖層，旋挖鉆機(jī)效率較低。巖層越硬，鉆齒磨損越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致鉆頭更換頻繁、進(jìn)尺緩慢，需要提供極大的鉆壓和扭矩才能鉆進(jìn)，對(duì)鉆機(jī)鉆頭的磨損較大、成本較高，從而導(dǎo)致旋挖鉆的施工經(jīng)濟(jì)性較差。沖擊鉆雖可用于硬度較高的巖層進(jìn)行鉆孔作業(yè)并且經(jīng)濟(jì)性較好，但是鉆孔需泥漿護(hù)壁，嚴(yán)重污染環(huán)境，不環(huán)保，還需要占用較大的施工場(chǎng)地制備泥漿。且沖擊鉆成孔速度慢、鉆孔精度低，易出現(xiàn)樁孔孔壁傾斜、孔壁坍塌等問(wèn)題，擴(kuò)孔率普遍較高。

氣動(dòng)潛孔錘是以高壓空氣作為動(dòng)力的一種風(fēng)動(dòng)鉆孔工具，其將沖擊作用的氣動(dòng)裝置與破碎巖石的鉆頭相結(jié)合潛入樁孔孔底進(jìn)行鉆進(jìn)，并充分利用潛孔錘排出的壓縮空氣，對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻和排渣，具有能量利用率高、鉆頭磨損慢、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

氣動(dòng)潛孔錘常見(jiàn)的外徑尺寸為φ100～900 mm，適用于φ150～1 200 mm的入巖鉆孔作業(yè)，小直徑潛孔錘在鉆鑿爆破孔、地質(zhì)鉆探孔中被廣泛應(yīng)用，是硬巖地層中高效的鉆進(jìn)工具。大直徑風(fēng)動(dòng)潛孔錘能充分發(fā)揮潛孔錘破巖的優(yōu)越性，成孔速度快，成孔直徑與灌注樁樁徑相匹配時(shí)，能一次性快速完成成孔，為硬巖地層樁基施工成孔作業(yè)提供了良好途徑。該工法在陵江東路片區(qū)棚戶區(qū)改造項(xiàng)目二期樁基施工中得到了有效應(yīng)用，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)大直徑氣動(dòng)潛孔錘在硬巖地層樁基施工中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 工程概況

陵江東路片區(qū)棚戶區(qū)改造項(xiàng)目二期位于海南省陵水黎族自治縣椰林鎮(zhèn)陵河南片區(qū)，總投資約為13億元，總用地面積為56 865 m2（85.29畝），總建筑面積約為226 761.74 m2。主要建設(shè)14棟15層住宅、沿街配套商鋪及1棟幼兒園，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度43.8 m，住宅總戶數(shù)為1 495戶。

項(xiàng)目所在區(qū)域地層硬質(zhì)巖層埋深較淺，依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層自上而下依次為雜填土、素填土、中粗砂、砂質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖等，地下穩(wěn)定水位埋深0.60～5.80 m，硬質(zhì)巖層頂埋深5.0～11.0 m?；娱_(kāi)挖深度在5.3 m左右，基坑底局部區(qū)域有巖層出露，取巖石樣品進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)80 MPa以上。

基坑支護(hù)采用高壓旋噴樁與鉆孔灌注樁相結(jié)合的形式，其中鉆孔灌注樁樁徑800 mm，設(shè)計(jì)要求樁長(zhǎng)12 m（或者滿足入巖深度1.5 m），實(shí)際施工中多數(shù)支護(hù)樁進(jìn)入硬質(zhì)巖層深度在1～3 m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工程樁有效樁長(zhǎng)不得小于6 m且滿足入巖深度在1.5 m以上，因此工程樁進(jìn)入巖層深度至少在1.5 m以上。對(duì)于基坑底部存在巖層出露的區(qū)域，則整個(gè)樁長(zhǎng)6 m范圍均入巖，工程樁平均入巖深度在2 m以上。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果可知，采用旋挖鉆施工進(jìn)入硬質(zhì)巖層后，每鉆進(jìn)1m需耗時(shí)1.5～3.0 h，而采用大直徑氣動(dòng)潛孔錘僅需30～50 min，大大節(jié)約了樁基在硬質(zhì)巖中的鉆孔時(shí)間，提高了樁基施工效率。旋挖鉆鉆齒在硬質(zhì)巖中磨損嚴(yán)重，鉆頭更換頻繁，因此采用大直徑氣動(dòng)潛孔錘也節(jié)約了更換鉆頭的資金。

2 氣動(dòng)潛孔錘施工基巖樁機(jī)理

大直徑潛孔錘鉆具常與履帶式樁機(jī)組合，移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)均依靠履帶式打樁機(jī)。氣動(dòng)潛孔錘與打樁機(jī)通過(guò)特制的鉆桿相連，鉆桿內(nèi)部中空，分別與空壓機(jī)風(fēng)管和氣動(dòng)潛孔錘的進(jìn)風(fēng)口相連。壓縮空氣通過(guò)管道進(jìn)入潛孔錘，依靠空壓機(jī)提供的高壓空氣，大直徑氣動(dòng)潛孔錘以此為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)其對(duì)堅(jiān)硬的巖石進(jìn)行高頻率沖擊，直至巖石被破碎。

由于錘頭不斷旋轉(zhuǎn)變換位置，使得錘頭底部的合金突起與不同位置的巖石接觸碰撞，大大提高了對(duì)巖石的沖擊破碎效率。同采用旋挖鉆機(jī)的鉆進(jìn)相比，潛孔錘應(yīng)用鉆頭不斷變換位置沖擊破碎巖石來(lái)代替巖石研磨切割，利用動(dòng)態(tài)沖擊代替靜態(tài)研磨，巖石沖擊破碎代替研磨剪切破碎[1]。在潛孔錘進(jìn)行作業(yè)時(shí)，經(jīng)做功后排出的高壓廢氣，通過(guò)鉆頭的排氣孔排出，既降低了巖石被重復(fù)破碎的機(jī)會(huì)，提高了破碎巖石效率，又冷卻了鉆頭，避免鉆頭高溫?fù)p壞。

3 氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)施工工藝流程、技術(shù)參數(shù)、操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下：平整場(chǎng)地→樁位測(cè)量定位→潛孔錘鉆機(jī)安裝、調(diào)試、就位→鉆孔→孔口巖屑清理→穿透硬巖層至設(shè)計(jì)標(biāo)高→潛孔錘鉆機(jī)移位。

3.2 氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

3.2.1 風(fēng)壓和風(fēng)量

充足的風(fēng)量是潛孔錘鉆進(jìn)成功的關(guān)鍵，它用于將孔底巖屑運(yùn)轉(zhuǎn)出孔口，若風(fēng)量不足，孔底的巖屑不能及時(shí)返出孔口，巖屑堆積孔內(nèi)，會(huì)形成堵塞。為保證巖屑的正常排出，氣動(dòng)潛孔錘耗氣量一般較大，施工中應(yīng)保證高壓空氣的穩(wěn)定供應(yīng)，以滿足巖屑正常排出。

以本工程為例，潛孔錘施工直徑800 mm的樁，采用的高壓空氣壓力為0.8～1.0 MPa，供風(fēng)量為80～120 m?/min。

3.2.2 鉆壓確定

潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低主要由沖擊功的大小及頻率決定，但前提是鉆壓應(yīng)保持在合適范圍內(nèi)，否則會(huì)影響鉆進(jìn)效率。

3.2.3 轉(zhuǎn)速的確定

潛孔錘采用鉆頭不斷變換位置沖擊破碎巖石來(lái)代替巖石研磨切割，因此需保證轉(zhuǎn)速在適宜區(qū)間。在施工過(guò)程中，轉(zhuǎn)速要根據(jù)巖層情況進(jìn)行調(diào)整。

3.2.4 軸推力

鉆壓的大小一般由軸推力決定，在不同的地層，應(yīng)采用不同的軸推力來(lái)保證鉆壓處于合適范圍。軸推力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致潛孔錘劇烈震動(dòng)同時(shí)加速錘頭硬質(zhì)合金的磨損，縮短錘頭使用壽命。軸推力過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致錘頭與巖石接觸不緊密，沖擊動(dòng)能傳遞效率低、損耗大，影響正常工作。實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度確定軸推力大小。

3.3 操作要點(diǎn)

3.3.1 場(chǎng)地準(zhǔn)備

在施工之前，應(yīng)對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)地平整，保證鉆機(jī)能順暢通行。施工場(chǎng)地應(yīng)密實(shí)平穩(wěn)，局部軟弱土層采用換填處理，保證在施工過(guò)程中鉆機(jī)機(jī)身穩(wěn)固，不發(fā)生偏斜移位。

3.3.2 樁位確定

由測(cè)量人員依據(jù)圖紙確定控制點(diǎn)、基準(zhǔn)線、坐標(biāo)點(diǎn)等信息，經(jīng)技術(shù)人員復(fù)核，無(wú)誤后報(bào)監(jiān)理工程師確認(rèn)。放線之前，做好測(cè)量?jī)x器設(shè)備校準(zhǔn)、測(cè)量方案編制報(bào)審等準(zhǔn)備工作。正式施工前，應(yīng)對(duì)樁位進(jìn)行最終復(fù)核，無(wú)誤后方可施工。

3.3.3 潛孔錘安裝、調(diào)試與運(yùn)行

鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)后由專業(yè)人員架設(shè)并安裝潛孔錘，安裝完成后現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)并進(jìn)行試運(yùn)行，設(shè)備正常方可開(kāi)展作業(yè)。鉆機(jī)必須由專人操縱，作業(yè)范圍設(shè)置警戒區(qū)域，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。鉆機(jī)就位后，通過(guò)液壓裝置進(jìn)行調(diào)平，保證鉆桿垂直，然后將潛孔錘鉆頭移至樁位正上方，使錘頭中心和樁位中心相互重合。開(kāi)啟空壓機(jī)，緩慢下放潛孔錘，初鉆孔時(shí)保持低速鉆進(jìn)，隨時(shí)檢測(cè)鉆桿垂直度，適時(shí)調(diào)節(jié)。

在作業(yè)過(guò)程中，隨時(shí)關(guān)注錘頭的下降速度及鉆桿的垂直度，確保錘頭不發(fā)生突然下沉以及鉆桿無(wú)傾斜。一旦發(fā)生異常現(xiàn)象，立即停止作業(yè)，及時(shí)查找原因采取對(duì)應(yīng)措施。作業(yè)過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)樁號(hào)、樁長(zhǎng)、樁徑、入巖深度、樁底巖層狀況、鉆孔時(shí)長(zhǎng)等信息進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3.3.4 清孔

潛孔錘鉆孔以錘頭排出的高壓空氣為清洗介質(zhì)，利用高壓氣體將錘頭破碎的巖屑帶出樁孔。在作業(yè)過(guò)程中，注意觀察孔口巖屑的排出狀況，錘頭入巖后根據(jù)設(shè)計(jì)入巖深度及樁長(zhǎng)確定鉆孔深度。鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，保持空壓機(jī)正常作業(yè)，緩慢提升鉆桿，確保巖屑順利排出孔內(nèi)，盡量避免鉆桿抖動(dòng)導(dǎo)致錘頭被卡。

4 典型事故原因分析與處理方法

4.1 樁孔彎曲

4.1.1 原因分析

潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)錘頭及鉆桿未按預(yù)定角度行進(jìn)，導(dǎo)致樁孔傾斜彎曲等異?，F(xiàn)象，在特殊地質(zhì)條件下尤其容易發(fā)生，特別是鉆進(jìn)時(shí)遇到巖溶裂隙發(fā)育、巖石產(chǎn)狀不均、存在軟弱構(gòu)造層等。在軸推力作用下，錘頭處鉆壓較高，錘頭容易沿軟弱面傾斜，導(dǎo)致樁孔出現(xiàn)彎曲。樁機(jī)傾斜、進(jìn)尺過(guò)快、鉆具配置不合理、錘頭尺寸與樁孔尺寸偏差大、操作不當(dāng)?shù)仍蛞矔?huì)導(dǎo)致樁孔彎曲。

4.1.2 處理方法

根據(jù)鉆進(jìn)遇到的地層地質(zhì)情況隨時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，遇到溶蝕裂縫帶、巖石軟硬不均勻等特殊地層，適當(dāng)降低軸推力減小鉆壓，降低鉆進(jìn)速度，采用低壓緩慢鉆進(jìn)。調(diào)整鉆具規(guī)格，確保錘頭與樁徑必須相匹配。

4.2 錘齒崩斷

4.2.1 原因分析

氣動(dòng)潛孔錘的錘齒一般由硬質(zhì)合金材料制作，在正常鉆進(jìn)時(shí)，對(duì)錘齒的損傷較小，主要的損傷則是由于異常崩斷，特別是最外緣的錘齒最容易崩斷損壞，在發(fā)生此種狀況時(shí)鉆孔效率明顯下降[2]。

導(dǎo)致錘齒崩斷的主要原因有3個(gè)：一是地層原因。鉆進(jìn)至溶蝕裂縫發(fā)育、斷裂破碎帶、軟硬不均等地層時(shí)，局部錘齒瞬間受剪切力過(guò)大引起錘齒崩斷。二是鉆進(jìn)參數(shù)選擇有誤。一般為鉆壓和轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)，只有合適的鉆壓才能使錘齒和孔底巖層既緊密接觸，又不至于壓力過(guò)高損壞錘齒。當(dāng)錘頭進(jìn)入裂隙發(fā)育和軟硬不均巖層時(shí)，錘齒吃入巖層不同，旋轉(zhuǎn)阻力不均，錘齒所受扭矩和剪切力頻繁變化而引起崩齒。三是駕駛員操作不當(dāng)。下鉆過(guò)快過(guò)猛，錘頭突然觸底崩斷錘齒，或者作業(yè)過(guò)程中加壓過(guò)猛，遇到不良地質(zhì)時(shí)未及時(shí)降低鉆壓、減慢鉆進(jìn)速度，錘頭工作不平穩(wěn)，均會(huì)導(dǎo)致錘齒崩斷。

4.2.2 處理方法

施工前，根據(jù)地勘報(bào)告提前對(duì)作業(yè)區(qū)地層地質(zhì)情況進(jìn)行了解，提前做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備，遇到特殊地層時(shí)，采用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。作業(yè)過(guò)程中密切關(guān)注鉆機(jī)狀態(tài)，機(jī)身出現(xiàn)異響及異常抖動(dòng)應(yīng)立即停鉆進(jìn)行檢查，查看地質(zhì)情況是否有突變，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。操作人員必須嚴(yán)格按照潛孔錘鉆進(jìn)操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，開(kāi)鉆前先試鉆，緩慢加壓、平穩(wěn)提速、均勻進(jìn)尺，作業(yè)時(shí)精神要高度集中，發(fā)現(xiàn)異常立即停鉆檢查。

4.3 錘頭斷裂

4.3.1 原因分析

錘頭斷裂是潛孔錘鉆孔中的較嚴(yán)重事故，打撈錘頭及后續(xù)維修均耗費(fèi)不少時(shí)間，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)正常施工。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，錘頭斷裂處多出現(xiàn)在錘頸部，即錘頭上端變徑部位，此處剛好是鉆桿與錘頭的連接處，受力最復(fù)雜最集中。錘頭本身質(zhì)量有缺陷、超過(guò)使用壽命、錘頸部材料耐疲勞耐沖擊性能差等是導(dǎo)致錘頭斷裂的主要原因。

4.3.2 處理方法

每次施工前對(duì)錘頭進(jìn)行外觀檢查，對(duì)錘頸部可定期采用探傷儀檢測(cè)，出現(xiàn)細(xì)微裂紋及時(shí)處理，使用頻繁時(shí)應(yīng)加大檢測(cè)頻次。進(jìn)入不良地質(zhì)地層時(shí)，及時(shí)對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)采用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。錘頭遇到軟質(zhì)巖層時(shí)，適當(dāng)降低鉆壓，避免錘齒吃入巖石過(guò)深，使得錘頭所受扭剪力突增超過(guò)材料強(qiáng)度限值。

4.4 潛孔錘堵塞

4.4.1 原因分析

潛孔錘堵塞將造成其無(wú)法正常工作，這在施工中比較常見(jiàn)，一般是由于異物進(jìn)入錘頭引起。潛孔錘堵塞后常引起進(jìn)氣不暢，高壓空氣供應(yīng)量不足，提供的動(dòng)能不夠，影響施工效率，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備將無(wú)法正常工作。

巖屑排出不及時(shí)發(fā)生倒吸，導(dǎo)致潛孔錘堵塞是最常見(jiàn)的。當(dāng)樁孔內(nèi)巖屑較多并且地下水位較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致巖屑、泥土混合成粘稠的糊狀。在下鉆時(shí)，若潛孔錘逆止閥密封不良或空壓機(jī)未提前開(kāi)啟導(dǎo)致外部壓力過(guò)大，則樁孔底部的巖屑巖粉可能通過(guò)錘頭縫隙進(jìn)入，從而造成堵塞。高壓管道、中空鉆桿里面進(jìn)入異物，或者鉆桿內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重等原因，也有可能導(dǎo)致異物、鐵銹在高壓空氣作用下進(jìn)入錘頭堵塞風(fēng)道，導(dǎo)致進(jìn)氣不暢，引起設(shè)備故障[3]。

4.4.2 處理方法

在作業(yè)前，對(duì)設(shè)備仔細(xì)檢查，重點(diǎn)查看逆止閥是否完好，各活動(dòng)部件的間隙及密封情況是否良好，帶病零部件必須維修或者更換。要對(duì)高壓風(fēng)管、鉆桿內(nèi)部進(jìn)行全面清理，確保送風(fēng)管道內(nèi)部清潔無(wú)異物。

操作人員必須嚴(yán)格執(zhí)行潛孔錘作業(yè)操作規(guī)程，防止因操作失誤而導(dǎo)致潛孔錘阻塞。當(dāng)作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)送風(fēng)困難、潛孔錘動(dòng)力不足等情況，確定是發(fā)生潛孔錘堵塞時(shí)，應(yīng)迅速上下大幅度活動(dòng)鉆具或者將錘頭提出樁孔內(nèi)部，如若無(wú)效則應(yīng)暫停作業(yè)，并檢查故障原因。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用大直徑氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)成孔工藝，較好地解決了陵江東路片區(qū)棚戶區(qū)改造項(xiàng)目二期工程硬巖地層樁基成孔困難的難題，順利完成了項(xiàng)目的支護(hù)樁和工程樁施工任務(wù)。與旋挖鉆在硬巖地層中的鉆進(jìn)效果相比，應(yīng)用潛孔錘作業(yè)極大地提高了在硬巖地層中的成孔效率，節(jié)約了成本，也縮短了工期。這充分表明大直徑氣動(dòng)潛孔錘在硬巖地層樁基施工中具有較大的優(yōu)勢(shì)，是一種值得推廣的樁基成孔施工工藝。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-09-08

作者簡(jiǎn)介：董繼昌（1989—），男，河南洛陽(yáng)人，本科，工程師，從事軌道交通、市政工程、房屋建筑工程等管理工作。