冲击钻在84m深孔桩应用

谢韬,张天伟,何奎

（1中交二航局第二工程有限公司 重庆 4000142重庆市建筑科学研究院监理公司 重庆 400015）

1 前言

桥梁设计经过几十年的发展,跨径越来越大,桥面设计越来越宽,桩基也越来越长。在以往的施工中,嵌岩桩基都较短,所以冲击钻成为首选成孔设备,另外,费用较低也是冲击钻成为首选成孔设备的原因之一。随着桥梁建设的进步与发展,冲击钻也在与时俱进,钻机和清空设备也在不断改进。

2 工程实例

某桥梁工程主桥为独塔单索面斜拉桥,主桥长272m,桥面宽42.9m。桩基础采用16根Ф2.2m桩基,桩基为嵌岩桩,嵌入微风化花岗岩4.4m。桩底高程为-74.5m,钢平台高程为+9.2m,护筒顶高程为+9.5 m,孔深84m。根据有关施工手册介绍,冲击钻适用于孔深小于50m的桩,孔深超过50m的宜选用反循环回旋钻。但是地勘资料显示微风化花岗岩抗压强度高达100MPa,用回旋钻机将十分困难。通过比较分析后,最终决定采用冲击钻成孔。

3 钻机比较

反循环回旋钻：适用于粘性土、砂土、卵石粒径小于钻杆内径2/3、含量少于20%的碎石土和软岩。缺点：要造浆护壁,易成斜孔,岩石地质钻进速度慢,成孔造价是冲击钻的两倍多,钢平台要求承载力高（本工程拟投入液压反循环钻机约100t）。优点：在非岩石层成孔速度快,掉锤和卡锤几率小。

冲击钻：适用于各类土层。缺点:有噪音,钢绳易断,易卡锤、掉锤和埋锤,深孔循环清渣慢。优点：孔直,护壁好,钢平台承载力要求低（钻机不超过30T）,钻机配件少，易维修,成孔造价低。

通过以上两种钻机比较,虽然两种钻机各有优缺点,但冲击钻的优势更为明显,因冲击钻适合各类土层,成为常规桩基施工的首选设备,而且成孔护壁好不易塌孔,不但钢平台可少用钢材,钻机用电比较少,设备调迁费也比反循环回旋钻便宜（回旋钻因组件多、大,调迁需装三车,冲击钻调迁仅装一车）。经分析,只要采取措施解决了卡锤、断钢绳和深孔清渣三大难题后,采用冲击钻成孔不但成孔质量好,而且成孔造价较低。

4 深孔采用冲击钻成孔难的原因

4.1 冲击钻成孔过程中断钢绳

冲击钻的工作原理是通过卷扬机将冲击锤提到一定高度后松开自由落下击打孔底,孔底受到冲击锤反复无数次的锤击,被击碎的岩土颗粒在重锤扰动和泥浆泵的冲动下悬浮上升到孔口。每提锤一次钢绳都承受一次张力,钢绳长时间无数次的受力会疲劳断丝,由于钢绳被一层润滑油包裹断丝不易发现,如果断丝到一定数量后继续作业,钢绳就会断,特别是深孔在成孔中时有发生。

4.2 粘锤

钻机成孔中进尺到塑性粘土层,特别是冲击锤拉起的高度又较大时,下落的冲击锤就特别容易被土层粘牢,就像一个拳头打进糯米团中,造成粘锤。粘锤后如处理方法不当,易断钢绳、掉锤。

4.3 梅花孔

在成孔过程中,如果泥浆太浓,由于种种原因孔底沉渣太多、太厚,冲击锤拉起的高度又较小时,冲击锤在拉高时钢绳不旋转,如果发现不及时,冲锤的“五条腿”在同一个位置反复冲击,形成的冲孔不是圆孔而是梅花形孔。梅花孔多在夜间由于检查不及时造成,由于梅花孔的冲锤阻力大,如果处理不及时易断钢绳、粘锤、掉锤甚至埋锤。

4.4 卡锤

冲击钻在成孔过程中对锤牙的磨损是很大的,特别是冲击卵石层和坚固的微风化岩石层。锤牙磨损后需及时加边处理或更换锤牙,如若不然,锤体磨损成孔孔径不满足要求,所以冲锤必须修理。深桩成孔需更换一次或两次锤牙和多次加边。冲锤修理方法有更换锤牙、加边或更换冲锤。在进入岩层后无论采用那一种方式,如处理不当,修理后的冲锤仅比孔径大1cm也会卡锤。

另外,还有两种卡锤情况,一是桩位经过较厚的粘土层或强风化层地质（土层中有软塑土）,如果冲锤穿过太快又没有及时修孔壁,孔缩径后卡钻。二是冲锤落锤太猛,使钻头倾斜卡在孔壁上。

4.5 清孔

冲击钻清孔传统施工方法是换浆清孔,具体方法是成孔后提高冲锤或将冲锤提出孔,清理干净循环池内的沉渣和砂,将泥浆管沉入距孔底10cm循环。把孔内流出的泥浆过滤,沉渣和砂清理出池,留下泥浆循环使用,在留下的泥浆中加入清水稀释,再将稀释后的泥浆泵入孔内,如此反复数十次,目的是将孔内的悬浮钻渣和砂换出,达到清孔后泥浆指标。

由于孔较深,如果加水太快,压入孔内的泥浆相对密度太小,悬浮钻渣就不易浮不起,沉淀到孔底；如果加水太少,清孔时间太久,长时间清孔可能会缩径甚至塌孔,导致成孔不能满足要求。

5 深孔采用冲击钻成孔的保障措施

5.1 冲击钻在成孔过程中钢绳防断措施

由于钢绳被一层润滑油包裹断丝不易发现,如果断丝到一定数量后还继续作业钢绳将断,特别是在深孔中时有发生。

防止断绳措施一：购买钢绳须选用正规厂生产的合格产品,因为旧钢绳表面是褐色润滑油,断丝情况不易发现,而新钢绳表面为透明润滑油。

防止断绳措施二：成一个孔使用三根钢绳,成孔约40m后换一条钢绳,成孔约60m后再换一条钢绳,能够有效的减少钢绳损伤。

防止断绳措施三：钻机常用规格Ф30mm钢绳,为了确保安全,改用Ф32mm的钢绳。

防止断绳措施四：勤检查,要求至少6个小时提锤检查一次,提锤时用清水洗净钢绳仔细检查,发现断丝立即更换。特别要仔细检查锤销处绳卡和钢绳,防止锤销处钢绳断。另外,钻机的天轮和地轮勤涂润滑油,减少摩擦力,能很好地保护钢绳。

5.2 防粘锤措施

钻机冲锤进尺到较厚的粘土层（或较厚的强风化层）易粘锤,防止措施一：根据地勘资料,进入粘锤层时及时抛填少量片石,防止粘锤措施效果明显。操作方法是在孔旁准备1～2m3的片石,冲锤进入粘土层前20cm开始抛填少量片石 （片石粒径15～40不等,每次约0.2m3,如果抛填太多会影响进度）。进入粘土层后,拉锤负荷明显加大,再次抛少量片石,如此反复进行直至穿过粘土层。防止措施二：减少冲锤提起高度,冲锤高度控制在1～1.5m,适当降低泥浆相对密度,泥浆相对密度调至1.1～1.15。

5.3 防梅花孔措施

梅花孔形成的原因是冲锤在冲孔过程中不旋转,由于种种原因（例如：泥浆泵未开起、换浆不及时、循环池泥浆沉淀太多等等）,泥浆相对密度太大导致泥浆糊冲锤,防止措施就是多观察,勤检查,发现问题及时整改。观察冲锤是否被泥浆糊裹,最佳方法是观察冲锤提离孔底约30～50cm时钢绳是否旋转,如果不旋转估计就糊锤了。如果旋转很慢,要立即降低泥浆相对密度和循环池清渣,观察泥浆泵是否正常泵浆；观察振动筛电机是否正常工作或筛网是否破损；检查循环池沉淀是否太厚；检查泥浆相对密度是否超出规范要求需要换浆。

5.4 防卡锤措施

防卡锤措施一:坚持每个台班两次提锤检查,既能及时发现缩孔,又能检查锤牙、锤销及钢绳。如发现提锤中阻力很大（是冲孔缩径）,须立即加圈修孔（可用粗钢筋或钢板加工成圆弧型,焊接锤腿中间锤牙上10cm左右）,如果在缩径的孔中冲孔断绳、卡锤、埋锤等都有可能发生。修孔时将泥浆适当调浓,提锤高度宜控制在1m左右,拉锤动作不宜太猛（防止打空锤）。

防卡锤措施二:冲锤进入中微风化岩后,每次提锤须检查锤径,如果磨损严重须及时加边,确保孔径满足设计要求。如果加边不及时,冲锤进入到弱风化或微风化后再加边就会卡锤。加边的原则是及早少量的加边,加边块厚约1cm,锤腿加边宜分三次。

防卡锤措施三:部分工程基岩强度高（本工程基岩花岗岩达100～120MPa）,冲锤锤牙磨损快,成孔一根桩需更换1～2次锤牙或更换冲锤。焊锤牙时须确保锤径不变大,还要防止锤牙焊接成一个椭圆,否则就会卡锤。如果是换锤,冲锤直径须比原来的冲锤小1～2cm,否则也会卡锤。

5.5 清孔

因桩孔太深,循环池捞沙加清水的方法不可行,所以采用沙石分离机和空压机配合的反循环清孔。选用设备是75kW的沙石分离机,泥浆导管选用Ф168无缝钢管,空压机规格宜选用排气量13m3/min、排气压力0.7MPa。以上设备规格不能小,特别是泥浆管只能大不能小,否则清孔时间将大大延长。要求钻机操作员不能使用小泥浆管（直径64mm）循环,即使采用沙石分离机和空压机,因泥浆管小也会导致施工进尺慢、成孔难和清孔慢。风管进口安装在泥浆管底口上15～18m。

第一次清孔：开始清孔时送风量不宜过大,送风量约为6m3/min较适宜,当看见沙石分离机出水两分钟后逐渐加大送风量,如果刚开始就送风太猛易堵管。开始清孔时,泥浆管埋入沉淀的深度30～40cm比较适宜,如果泥浆管埋入沉淀2～3m空气吸泥是吸不了,泥浆管底口应随着沉淀减少而降低。第一次清孔泥浆的含沙量宜降到0.5～1%。泥浆相对密度宜1.14～1.16（孔太深,下放钢筋笼时间较长,如果一清满足规范要求易塌孔）,其余各清孔指标均需满足规范要求。一清用时约6～8h。

第二次清孔：钢筋笼安装完成后进行。为了保证孔底沉淀厚度满足规范,除了加清水降低泥浆相对密度外,泥浆管悬空高度宜5～10cm,用吊钩吊起泥浆管先吸孔中心,再沿钢筋笼内侧清理一周,确保将钢筋笼外侧无沉淀。二清用时约4h。

6 其它

孔径Ф2.2m的钻机宜使用8t卷扬机和原装锤。因为使用6t卷扬机易粘锤,使用10t卷扬机冲锤提升太慢,成孔时间较长。选用原装锤不但能减少焊锤时间,而且冲击较硬的岩石更有保障。

如果桩底嵌入岩石强度110MPa以上,不宜选用冲击钻,如果强行施工,后果是由于岩石硬度大,锤牙磨损大,2～3天就磨损完,而且几乎没有进尺,甚至锤体会击破开裂。

如果钢绳突然断开冲锤掉入孔内,处理要快,换绳要及时,须在2小时内完成,并采用50t或65t吊车配合起吊。

每天须检查钻机定位情况,成孔中如果钻机位移,冲锤未出护筒易漏浆,冲锤在岩层中落锤极易卡锤。钻机位移桩孔就不直,钢筋笼下放易卡在孔中,成孔就不满足规范要求。防止措施是固定钻机行走系统,勤观察孔口钢绳是否居中,发现钻机移位及时整改。

7 结束语

冲击钻机应用在80m以上的深孔桩极少,但只要采取了相应的防范措施,冲击钻机在大直径超深度桩基施工中是可以完成成孔的。该工程运用的措施和方法如下：

(1)采用优质Ф32mm的钢绳,并备用两条,坚持每班检查两次钢绳、绳卡和锤销,并保持天轮和地轮的润滑,能有效地防止钢绳断开。

(2)冲锤穿过粘土层或强风化层时,向孔内抛填少量片石、降低提锤高度和适当降低泥浆相对密度等方法能有效地防止粘锤。

(3)观察泥浆泵、振动筛是否正常工作,筛网是否破损,检查循环池沉淀是否太厚、泥浆相对密度是否超标等措施能有效地防止成梅花孔。

(4)控制提落锤速度、及时修孔、及时多次进行加边焊锤、换锤严格控制锤径等措施能有效地防止卡锤。

(5)清孔采用沙石分离机配合排气量13m3/min的空压机进行,孔底干净清孔效率高。

实践证明,通过上述针对性成孔措施,只要在施工中加强管理,提高防范意识,对施工中的方案、设备、人员和绳具进行严格的控制,能够保证桩基质量,成功地应用冲击钻在84m深孔桩施工。

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