灌注桩锥形潜孔锤硬岩钻进施工技术

李洪勋，尚增弟，雷 斌，许国兵，高子建

(深圳市工勘岩土集团有限公司，广东 深圳 518063)

0 引言

在灌注桩硬岩钻进施工中，大直径潜孔锤由于破岩效率高、钻进速度快，越来越多地应用于灌注桩硬岩钻进项目中。潜孔锤钻进成孔一般使用单体平底潜孔锤锤头和集束潜孔锤，潜孔锤钻进依靠高风压驱动，钻头高速冲击凿岩，多用于直径600～1 000mm 灌注桩施工。而对于硬岩强度>60MPa或岩石软硬不均或硬岩厚度较大的灌注桩成孔，常用的单体平底潜孔锤锤头和集束潜孔锤钻进时会出现较大磨损，有的发生锤齿折断、锤头断裂(见图1)，甚至出现坏锤而无法使用，导致钻进效率低、施工成本高。

图1 潜孔锤锤头断裂

为解决硬岩成孔技术难题，利用多功能钻机，采用土层全护筒跟管、硬岩锥形潜孔锤破岩组合钻进施工工艺，经过一系列现场试验、现场总结、工艺优化，有效提升了潜孔锤破岩效率，提高了灌注桩硬岩钻进效率，取得了显著效果。

1 工艺原理

1.1 锥形潜孔锤构造

1.1.1锤头

锥形潜孔锤锤头为一种改进型的潜孔锤钻头，底部为圆锥形，相应结构特征及参数如下。

1)锤头底部锥形面与水平夹角为20°～25°。

2)锥形面上按一定间距镶嵌合金颗粒，沿锤面全覆盖布设。

3)锥形潜孔锤底部设置4个主排渣槽，宽度为10cm，直径为4cm的高压气体通气孔设置在主排渣槽中，在锤头侧壁四周均布4个副排渣槽辅助排渣(见图2)。

图2 锥形潜孔锤结构

4)锥形锤头中心(最底处)为圆锥形结构。

1.1.2锤身

1)潜孔锤锤身(即冲击器)为圆形刚性结构，直径较锥形锤头略小，一般情况下两者差值为50～100mm，可根据岩层施工垂直度控制难度进行选择。锥形潜孔锤构造如图3所示。

图3 锥形潜孔锤构造

2)锤头与钻杆采用六方接头连接，通过2根插销固定。

3)高压空气进气管设置在钻机钻杆接头内，在钻杆与潜孔锤连接时，同时也完成了高压空气输送通道的对接。

1.2 锥形潜孔锤破岩机理

锥形潜孔锤锤头在高风压、超高频率振动下凿岩钻进，锥形锤头潜孔锤相比传统平底潜孔锤，在相同高钻压作用下能与岩层形成较大的冲击压力，处在其中心下方的岩石在冲击作用下首先形成V形楔，使岩体上出现应力中心，随着后续的不断冲击，楔形区岩石逐渐破碎，在冲击楔形区旁的岩石首先产生层状脱落，破碎区逐渐由应力中心向冲击边缘扩散，最终形成全断面破碎，进而实现锥形潜孔锤在岩体上的挤压贯入式刺入破碎，使被冲击岩体产生体积破碎，施工效率高。在锥形潜孔锤底面留设排渣通气孔和主、副排渣槽，高压气体经过排渣通气孔对孔底岩渣进行冲刷清理，破碎的岩渣随高风压气体经主、副排渣槽被携带出孔，孔底残渣及时排出能避免重复破碎，使岩石破碎钻进效率更高。破岩机理如图4所示。

图4 锥形潜孔锤挤压贯入破岩机理

2 锥形潜孔锤硬岩钻进施工技术

为提高综合施工效率，采用组合式施工工艺，即土层采用全护筒跟管、长螺旋钻进，硬岩采用锥形潜孔锤破岩，既提高了钻进施工效率，又确保了潜孔锤高风压下的孔壁稳定，保证了成桩工程质量。总体施工工艺流程为：桩孔测量定位→钻机就位→土层段长螺旋钻进→跟管钻进至岩面→锥形潜孔锤破岩钻进至终孔→安装钢筋笼及灌注导管→灌注桩身混凝土→拔出钢护筒。

2.1 桩孔测量定位

1)采用全站仪对施工桩位中心点进行放样，从桩位中心点引出4个方向上的4个点，便于后续工序对桩位的复核。

2)施工过程中对控制点进行保护。

2.2 钻机就位

1)采用SWSD2512型多功能钻机，桩架立柱直径920mm，高度为21～36m，履带式行走，配备双动力头驱动。

2) 桩机移动前，平整施工场地和行走道路，防止桩机履带下陷而发生高桩架倾覆。

3)桩机移动时指派专人指挥，慢速行走。

4)桩机就位后，将桩机前后4个支撑柱液压控制支顶，确保桩机施工过程中的稳固和安全。

2.3 土层段长螺旋钻进

1)所采用的SWSD2512型多功能钻机，配置内外双动力头，其中内动力头驱动长螺旋钻杆钻进。

2)采用螺旋钻杆直径为900mm，杆体直径500mm，螺距为600mm，叶片厚度为25mm，钻杆整体刚度强、钻削力大、成孔精度高、施工速度快。

3)长螺旋钻杆底部配置硬质合金刀头，可钻进至强风化岩面。

2.4 护筒跟管钻进至岩面

1)在桩机外侧动力头处安装接驳器，在钢护筒顶部设置与接驳器相对应的连接螺栓孔位，以便实现扭矩传递；在钢护筒底部设置管靴，钢护筒可根据钻深需要进行连接(见图5)。

图5 套管连接

2)为控制好锥形潜孔锤在进行凿岩钻进时的垂直度，护筒内径选择较成孔直径略小。如灌注桩设计直径1 000mm，钢护筒外径1 020mm、内径988mm、壁厚16mm。

3)桩机配置的内侧动力头驱动内侧螺旋钻杆(见图6)，螺旋钻杆回转取土，在土层段钻进时能快速将渣土排出，在钻进过程中，长螺旋钻杆和孔壁构成1个螺旋输送通道，为外侧护筒完成超前钻进。

图6 跟管钻进

4)桩机配置的外侧动力头则提供外侧跟进护筒的动力输出，并使护筒保持持续跟进；通过内侧钻杆持续排土和外侧护筒跟进回转护壁，直至钻进至岩面。

5)在上部土层跟管钻进时，内侧螺旋钻杆需超前钻进一定距离，外护筒再进行跟管，根据土层情况，超前钻进50～80cm。

6)采用内侧长螺旋钻杆与外侧护筒同轴逆向旋转方式钻削，长螺旋钻杆与外侧护筒产生的钻削转矩方向相反、相互抵消、自行平衡，使钻孔过程稳定、无噪声振动。

2.5 锥形潜孔锤破岩钻进至终孔

1)长螺旋钻进至岩面后，从孔内提出长螺旋钻杆，并拆除螺旋钻头，便于后续安装锥形潜孔锤。

2)采用起重机将锥形潜孔锤移至钻机旁便于安装处，提升螺旋钻杆，使其下方的六方接头与潜孔锤上方的六方接头对准，再下放螺旋钻杆，插入2根固定插销以实现钻杆扭矩传递。

3)锥形潜孔锤腰带处直径设计为975mm，与钢护筒间距为6.5mm，较小的间距有利于潜孔锤钻进过程中受到钢护筒的约束，以保证钻进时钻孔垂直度满足设计要求。

4)潜孔锤钻进的供气装置由空压机组、储气罐及相应高压气体输送管道组成。配备5台LUY300-22 GⅢ空压机，空压机组连接1台F160559型储气罐组成高压气体输出装置，如图7所示。

图7 空压机组

5)由于潜孔锤锤头较大，仅比护筒内径小13mm，在下放安装完成的锥形潜孔锤时，需安排施工人员在孔口进行指挥，避免磕碰已安装完成的钢护筒造成错位。

6)锥形潜孔锤开始钻进时，先将钻具提离孔底20～30cm，开动空压机及钻具上方的回转电机，待护筒口出风时，再将钻具轻放至孔底，方可开始锥形潜孔锤破岩钻进。

7)锥形潜孔锤钻进过程中，高风压携带钻渣通过螺旋钻杆与钢护筒间的空隙上返，直至排出孔外。

3 工艺特点

1)硬岩钻进效率高 锥形潜孔锤独特的锥形锤头结构设计，使其破岩机理相比普通集束或平底潜孔锤更为有效，破岩效率显著提升。

2)成孔质量好 上部土层孔段采用护筒跟管钻进，有效避免了成孔过程中孔壁坍塌；同时，潜孔锤高风压能有效将孔底岩渣携带至地面，确保孔底沉渣满足要求，成孔质量更有保证。

3)施工安全性高 选用的SWSD2512型多功能钻机配备了大直径高强度桩架、铰接的三脚支撑和长螺旋钻杆，可保证在大功率施工时钻机整体的稳定性；钻进过程中，采用双动力头驱动，内侧钻杆与外侧钻套同轴逆向旋转方式钻削，钻杆与外钻套产生的钻削转矩方向相反、相互抵消、自行平衡，使钻孔过程稳定、无噪声振动。

4)施工成本较低 采用全护筒跟管、长螺旋钻进+锥形潜孔锤破岩组合钻进工艺，相比回转钻进、旋挖钻进、单一的潜孔锤钻进等，长螺旋土层钻进速度快，潜孔锤破岩效率高，长螺旋形成的出渣通道更为快捷，使组合钻进更为优化、有效，钻进速度快、成桩质量好，总体施工成本低。

4 实际应用

本施工技术在珠三角城际广佛环线GFHD-2标4工区21号工作井围护工程中得到了应用，采用锥形潜孔锤对该工程的110根支护桩进行施工，总入岩为1 250m3。该项工程拟建工期为90d，本项施工技术投入生产后，提前30d完成施工。另外，本项施工技术因在低耗材和设备低损耗等方面具有优越性，使项目成本节约了约85万元，提高入岩施工经济效益约15%。

5 结语

在当前大力开发地下空间的形势下，越来越多的灌注桩需在硬岩中成孔，而锥形潜孔锤在施工实际施工过程中体现了良好的施工效率，在施工成本控制方面突显成本低的优越性，解决了常规施工工法在灌注桩硬岩成孔施工过程中施工效率低、成本高的难题，提供了一种创新的灌注桩硬岩成孔施工技术，大大加快了项目施工进度。