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大直径桩气动潜孔锤深厚硬岩地层成孔技术工艺研究

时间:2015/11/19 16:33:00  作者:未知  来源:基础工程网整理  
左文荣,雷斌,王晶
(深圳市工勘岩土集团有限公司,深圳,518063)
  摘要:传统的桩基成孔技术在深厚硬岩层时,要么施工效率低,要么根本无法钻进,即出现了“入岩难”的问题。为了解决该问题,提出了大直径潜孔锤成孔施工技术。选取合理的钻进工艺参数,采取长护筒护壁,利用大直径单体潜孔锤穿透硬岩的能力,在深厚硬岩地层条件下该工艺是合理可行的。并对其工作原理、工艺流程、工法的特点进行了介绍。实践表明,本工艺具有施工速度快、安全环保、性能可靠、效率高等优点。它可适用于深厚硬岩桩基施工,能节省工程建设资金,降低施工成本,加快施工效率,其研究成果讲具有广泛的应用前景。
  关键词:大直径桩; 气动潜孔锤; 潜孔锤成孔; 深厚硬岩地层; 成孔技术
  [中图分类号]TU [文献标识码]A
  0 引言
  为了充分利用地下空间,近年来,深圳地区基坑开挖深度超过20m的建筑项目越来越多,基坑支护灌注桩和工程桩入岩成为越来越普遍的现象。在穿越较厚硬岩层时,通常采用冲孔桩、旋挖桩机成孔,其在成孔过程中存在容易出现偏孔、硬岩钻进难度大,综合成本高等问题。工程界几种常用的入岩成孔工艺效率都非常低,这成为了目前推动工程进展的一大瓶颈[1]。大直径桩在深厚硬岩条件下的成孔工艺一直是工程施工界公认的难题,研究大直径支护桩深厚硬岩成孔技术在岩土工程中亟待突破[2]。
  与此同时,冲孔桩、旋挖桩在成孔中采用泥浆护壁,成孔过程中会产生大量的泥浆,造成施工现场文明施工环境差。
  为了解决基坑支护桩在深厚硬岩层入岩效率低、工程造价高,减少支护桩施工时的泥浆排放,迫切需要研发出一种新型的在深厚硬岩中的桩基成孔技术。
  同时,为了使建设资金充分发挥作用,建设单位往往需要严格要求施工工期,而城市中往往场地有限,不可能过多的增加成孔设备,这就要求钻进方法必须实现高速度。在入岩灌注桩施工中,桩孔钻进时间的80~90%以上往往都是在硬岩中成孔,因此提高深厚硬岩的钻进效率是当前大直径支护桩施工技术攻克的主要问题。
  1 深厚硬岩成孔技术现状
  1.1 大直径嵌岩钻进技术[3]
  1)冲击钻进成孔
  冲击成孔破岩是常见的施工方法,但对于深厚硬岩成孔困难极大。
  采用冲击钻进硬岩时,施工效率极低,且容易发生孔内卡钻、钢丝绳断裂、掉锤等;成孔遇斜岩面时,必须反复回填块石纠偏,且纠偏难度大、效果差;成孔使用泥浆护壁,产生大量的废浆废渣,现场文明施工条件差,浆渣处理费用高。
  2)旋挖入岩钻进成孔
  当前大直径硬岩钻进中最常用的工艺方法是牙轮/滚刀钻进法。在桩孔直径不太大、中风化岩石时钻进效率较高;但实际在大直径硬岩钻进中效率较低。
  对于深厚硬岩,旋挖成孔多采用硬岩分级扩孔钻进。旋挖机钻头入岩对钻具损耗大,且入岩时间相对较长,综合效率低,成本高。
  3)小直径潜孔锤引孔+旋挖钻进综合技术[4]
  市面上常见的潜孔锤直径是φ500、φ600mm。为满足大直径桩径要求,一般采用小直径潜孔锤引孔+大直径旋挖钻机钻进的分级钻进施工方案,利用气动潜孔锤钻出小孔径的桩孔,预先形成自由面,通过促使裂纹节理的发育扩展,为钻挖钻机的二次钻进创造有利条件。由于潜孔锤直径较小,孔位周边的残余硬岩齿边仍难钻进,旋挖机钻具损耗较大,入岩时间也较长。
  1.2 大直径潜孔锤钻进技术
  1)集束式潜孔锤成孔[5]
  国外早期在硬岩中进行大直径钻进多采用潜孔锤,特别是组合式(集束式、捆绑式)潜孔锤。
  美国英格索兰公司生产的单体潜孔锤直径180~609mm,捆绑式潜孔锤直径可达1918mm。瑞典Atlas Copco公司研制的CD系列集束式潜孔锤直径为915~1778mm[6]。
  2)旋挖+集束式潜孔锤大直径嵌岩桩技术[7]
  2014年,美国CRI公司的技术专家开展了旋挖钻机连接集束式潜孔锤大直径嵌岩桩首次实钻应用施工,创新使用RCD(旋挖钻机配置集束式潜孔锤)工法。潜孔锤如图1所示。
  桩径φ1000mm的嵌岩桩持力层为微风化岩层,入岩深度达4m,入岩成孔在1个小时内完成,其入岩效率在传统工法上提升达数十倍。
  3)集束潜孔锤钻进技术存在的问题
  集束式潜孔锤是由若干相同或不同直径的小孔径潜孔锤刚性集束组成的钻具,每一个小孔径潜孔锤由相应的配气机构实现自身的进、排气的方式,其关键技术在于合理分配气量,并实现同步钻进。
大直径桩气动潜孔锤深厚硬岩地层成孔技术工艺研究
图1 φ1000mm集束潜孔锤
  对于非均质硬岩或倾斜岩面,由于每一个小孔径潜孔锤所受的阻力不同,相应的配孔机构难以实现合理调节,往往造成气量损失,大大影响钻进效率。另外,倾斜岩面产生受力不均和小孔径潜孔锤高速空转,容易引起小孔径潜孔锤故障。如图2示集束潜孔锤施工故障检修。
大直径桩气动潜孔锤深厚硬岩地层成孔技术工艺研究
图2 集束潜孔锤故障检修
  4)大直径潜孔锤入岩技术发展趋势
  大直径潜孔锤硬岩钻进对大直径潜孔单体锤、钻杆、风压风量以及排屑方式的要求比较高,而目前上述几方面仍存在一些问题和不足,必须在原有基础上不断加以完善和有针对性的解决,以便达到加深对潜孔锤钻进工艺的合理运用。
  综上所述,潜孔锤技术是提高深厚硬岩钻进效率的最佳方法,但要能够很好的解决上述几种问题。
  2 大直径潜孔锤深厚硬岩地层成孔技术可行性分析
  2.1 大直径单体潜孔锤[8][9]
  单体大直径潜孔锤是实现全面钻进的主要钻具,直接影响钻进效率,从发展趋势看是向高风压和大孔径发展。
  目前,国内潜孔锤最大单体潜孔锤直径可以达到φ1.2m。大直径潜孔锤的冲击器是在高压空气带动下对岩石进行直接冲击破碎,其冲击特点是冲击频率高、冲程低,冲击器在破岩时,可以将钻头所遇的物体,特别是硬物体进行粉碎,破岩效率高,进而实现高速成孔。
  2.2 钻机和钻杆
  钻机作为配合潜孔锤钻进的主要设备,它是驱动潜孔锤钻进回转的动力。选用性能和潜孔锤钻进技术要求相适应的钻机,是保证潜孔锤正常进行的又一重要条件。机械化程度、稳定性、行走灵活性,以及钻机的转速是其考虑的几个因素。
  气动潜孔锤钻进使用的钻杆与其他回转钻机相比,不需要承受大的扭矩和高转速,钻具相对较轻,但钻杆的长度需要能保证深厚硬岩的要求。钻杆的外径、壁厚与接长方式同样需要通过实际钻进的效果不断的优化和改进。
  2.3 排屑方式
  潜孔锤反循环钻进在大直径潜孔锤钻进中应用的较多。但反循环钻进对于钻杆的设计要求比较高,制作复杂;同时在实际应用发现泵吸反循环排渣方式对整个吸渣系统的密封性特别高,由于加工和装配以及现场的恶劣工作条件,保证排渣通道始终密封良好是难以做到的,这就严重影响了钻进效率。
  潜孔锤传统工艺方法为正循环钻进,潜孔锤正循环钻进时,一方面由于高速气流冲刷孔壁,不利于孔壁稳定;另一方面,当钻孔直径增大时,用于驱动潜孔锤做功的供气量小于排渣所需空气量,孔内排屑成为难题。正是由于以上两点的影响,限制了正循环钻进技术在多领域、大面积的推广,很多潜孔锤钻进技术了选择反循环的排屑方式。
  潜孔锤跟管钻进是指在破碎松散地层等不稳定地层中采用气动潜孔锤钻进成孔,同时套管跟随钻头进入孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用,而且钻进、排渣、护壁同时进行,可以很好的解决复杂地层钻进中护壁难的问题。在钻孔完成后潜孔锤从套管中提出,套管留在孔内,待混凝土浇筑完成后套管再从孔内拔出。
  综上所述,如果能解决大直径潜孔锤正循环钻进中两个难题,即风量和护壁的问题能得到有效的解决,正循环钻进应该是第一选择。这是由于正循环钻进对钻具的要求比较低,加工和制作较简单,钻具可靠性高,易于投入工程使用。另一方面正循环钻进排渣的可靠性有保证,不会对钻进效率产生影响。
  2.4 风压风量
  风量和风压是潜孔锤钻进的关键技术参数。
  1)风压
  压缩空气的压力高,则潜孔锤钻进的效率也高,而且钻头的适用寿命也长。根据较多的现场试验,风压一般在1.0~2.5 Mpa之间。
  2)风量
  供风量是保证大直径潜孔锤工作的基本条件,也是保证钻孔是否能正常排出孔底岩屑的重要因素。大直径桩孔随着孔径的增加,孔底岩屑量也大幅度增加,这就对供风量提出了更高的要求。φ1.2桩采用潜孔锤成孔时风量需要达到140m3/min左右。
  随着大风量和高风压设备的广泛使用,使得大孔径钻进需要的风压和风量具备了条件。
  2.5 长护筒孔壁保护
  鉴于在潜孔锤钻进中,正循环排出岩屑工效更高,可靠性更有保障,因此首先考虑采用正循环钻进。
  正循环钻进必须考虑如何保护孔壁不受高速气流的冲刷影响。采用长护筒护壁的措施可以保证潜孔锤钻进时上部土层孔壁稳定。
  2.6 环保措施
  对于采用正循环钻进方法,在城市内施工还有一个需要解决的问题就是气流排出孔口造成的粉尘污染。在地下水丰富的区域由于排出的岩屑不会形成扬尘,可以不需要考虑。但在地下水埋深较深的区域就需要采取有效措施加以解决。
  2.7 可行性分析
  通过钻头、钻杆、冲击器等设备的合理组合,利用大直径单体潜孔锤穿透硬岩的能力,采取长护筒护壁、超大风压破岩及清孔,通过选取合理的钻进工艺参数,进而高速、安全地在复杂、深厚填石、硬岩地层情况下完成灌注桩的成桩作业。
  3 工艺原理
  潜孔锤以压缩空气作为动力,压缩空气由空气压缩机提供,经钻机、钻杆进入潜孔冲击器,推动潜孔锤工作,在空气潜孔锤和钻机扭矩作用下进行回转、冲击、钻进。利用潜孔锤对钻头的往复冲击作用,来达到破岩的目的,被破碎的岩屑被随钻杆与孔壁之间的空隙排放的废气携带至地表。
  空气既作为动力又作为排渣介质。由于冲击频率高(可达到50Hz)、低冲程,破碎的岩屑颗粒小,便于压缩空气携带,孔底清洁,岩屑在钻杆与套管间的间隙中上升过程中不容易形成堵塞,整体工作效率高。
  4 工艺流程
  4.1 预埋钢护筒护壁
  潜孔锤破岩需采用超大风压,为避免超大风压对孔壁稳定的影响,在潜孔锤作业前埋入深长钢护筒,这是本工艺可靠应用的前提。
  下入护筒时,采用旋挖钻机从地面开始开孔钻进,开孔至3~4m深后,采用振动锤吊放下入钢护筒并沉入到岩层顶面。
  4.2 大直径潜孔锤硬岩钻进[10][11]
  选用与桩孔直径相匹配的大直径潜孔锤一径到底,一次性完成成孔。大直径潜孔锤冲击器在高压空气带动下对岩石进行直接冲击破碎,在工作时遇到的岩层越硬,产生的反力越大,致使潜孔锤钻头振动频率越高。冲击器在破岩时,将硬岩进行粉碎,破岩效率高;破碎的岩渣在超高压气流的作用下,沿潜孔锤钻杆与护筒间的空隙被直接吹送至地面,为保证岩屑上返地面的顺利,在钻杆四周侧壁沿通道方向上设置风道条,人为地制造返风道,使岩屑不会在钻杆与护筒的环状空隙中堆积,有利于降低地面空压机的动力损耗,进而实现高速成孔。
  5 工艺特点
  深厚硬岩大直径潜孔锤成孔施工技术,在解决桩基穿越深厚硬岩层方面的先进性主要表现在以下几方面:
  5.1 施工速度快,成桩效率高
  潜孔锤破岩效率高是业内的共识,大直径潜孔锤全断面能一次钻进到位;超大风压使得破碎的岩渣,一次性直接吹出孔外,减少了孔内岩渣的重复破碎,加快了成孔速度。
  根据施工实例,24m长的基坑支护灌注桩,入岩13m,冲击钻在正常情况下,15~20天成桩1根;回转或旋挖钻机,成孔效率极低甚至无法成孔;大直径潜孔锤成桩成孔工艺可实现1天成桩2~3根的效率。
  成桩速度是冲击钻或其它常规手段的40倍及以上。
  5.2 施工质量容易控制,成桩质量好
  1、成孔孔型规则,避免了冲击成孔过程中的钻孔孔径随地层的变化产生的或扩径或缩径情况。
  2、桩芯混凝土密实度较高;
  3、不需要泥浆护壁,避免了混凝土的浇筑过程中的夹泥通病;
  4、由于成孔规则,钢筋笼可顺利地下入到孔底,不会出现钢筋笼下放困难的状况,钢筋笼的保护层更容易得到保证,桩的耐久性得到保证。
  5、采用潜孔锤成孔工艺后,钻硬岩或完整岩石不再是问题,桩端入岩情况可凭返回孔口的岩屑精准判断,桩的承载力和持力层得到很好的保证。
  5.3 无循环泥浆,现场文明施工环境好
  潜孔锤钻进不使用泥浆,场地更清洁,现场文明施工环境得到极大的改善。
  5.4 综合成本低,社会经济效益好
  相比较于冲击、回转等其它方式成孔,采用大直径气动潜孔锤施工优点表现在:
  1)施工速度快,单机综合效率高;
  2)事故成本低,事故一般表现为地表的机械故障和组织协调问题,孔内事故极少;
  3)潜孔锤钻进时凭借超大风压直接吹出岩渣,岩渣在孔口护筒附近堆积,呈颗粒状,可直接装车外运,避免了冲击成孔大量泥浆制作、处理等费用。
  4)充盈系数小。冲击成孔在这样的地层中的充盈系数平均为1.1~1.2之间,而潜孔锤成孔的充盈系数平均一般在1.05左右。
  6 结语
  大直径潜孔锤成孔关键技术为大直径单体潜孔锤深厚硬岩条件下成孔工艺。该工艺采用振动潜孔锤下入深长护筒,再采用大直径潜孔锤一径破岩到底。
  1)通过大直径潜孔锤冲击器、钻具设备和钻杆等设备的合理组合,选取合理的钻进工艺参数,利用大直径单体潜孔锤穿透硬岩的能力,采取长护筒护壁、超大风压破岩及清孔,进而高速、安全地在深厚硬岩地层条件下成孔作业是可行的。
  2)本工艺是深厚硬岩条件下一种安全、高效的桩基成桩施工工艺,具有施工速度快、安全环保、性能可靠、效率高等优点。它可适用于深厚硬岩桩基施工,能节省工程建设资金,降低施工成本,加快施工效率,其研究成果讲具有广泛的使用价值和指导意义。
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