旋挖潜孔锤技术在铁路桥梁工程施工中的应用研究

吴仲斌

（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

与传统桩工机械相比，旋挖钻机在各类岩土层施工中都具有显著优势。但是，当岩石强度超过60MPa以后，旋挖钻机将面临施工工效低、钻具磨损快、钻杆易损坏、主机寿命缩短等问题，因此，急需一种适合硬岩钻进的旋挖施工工艺。铁路工程桥梁施工过程中，旋挖潜孔锤技术具有较强的应用优势，其是将大直径潜孔锤与旋挖钻机相结合的一种桩基础施工工艺，主要目的就是解决旋挖钻机在极硬层钻进缓慢的问题。旋挖潜孔锤技术以旋挖钻机为主机，悬挂潜孔锤钻具；以大功率空气压缩机为动力源，提供高压空气；以气动潜孔锤为钻具，冲击钻进；以高压空气作为循环介质，提供动力、冷却钻头、清孔排渣：能够大幅度提升铁路桥梁工程施工的质量和效率。

1 工程概况

第一，该桥起讫里程为DK96+500.198～DK96+847.596，桥全长为347.398m，孔跨布置为1×24+2×32+1×24+6×32+1×24m。第二，该桥3墩采用明挖基础，其他墩采用桩基础。除0台、1墩桩基按照摩擦桩设计外，其余均为柱桩，柱桩除桩底标高满足设计要求外，还应保证最小嵌入二长花岗岩弱风化层不小于1.0m。第三，墩身为双线圆端形实体墩，墩高为3.5～12.5m，桥台为矩形空心桥台。第四，该桥5、10墩需要进行补勘。应提前规划，优先进行此墩的征拆工作，早日进行补勘。

桥梁主要工程内容和数量如表1所示。

表1 主要工程内容和数量

2 旋挖潜孔锤技术在铁路桥梁工程施工中的应用

2.1 施工技术选取

潜孔锤主要依靠冲击荷载破碎岩石，应力较为集中，且接触瞬间就达到很高的值，容易产生裂纹，破碎岩层结构，最终形成有效的体积破碎，适合钻进硬脆性的岩石；旋挖截齿钻具则是依靠较大的加压力和扭矩，挤压切入地层而实现剪切破碎，随着岩石硬度的增大，截齿的切入能力迅速降低。根据施工现场的地质条件结合两种技术的破碎机理比较发现，潜孔锤钻进工艺更适合钻进坚硬的岩石地层。

2.2 旋挖潜孔锤技术工艺流程及配套设备

旋挖潜孔锤技术工艺打破常规旋挖施工钻进无法在硬岩地层、复杂地层施工的局限，可广泛应用于各类高层建筑、高铁路桥、港口码头、地铁建设等嵌岩桩孔的施工。具有灵活性好，主机自行走、上车360 度回转；钻进速度快；成孔质量好；适合中等直径的嵌岩桩孔施工；工艺适应性强，工作稳定性好；绿色施工，环境污染小等方面的优势。

2.2.1 旋挖潜孔锤技术工艺流程

旋挖潜孔锤技术工艺流程如图1所示。

图1 旋挖潜孔锤技术工艺流程

2.2.2 旋挖潜孔锤技术配套设备

（1）主机

采用XR180DIV 旋挖钻机，主机功率为194kW，动力头行程为15m，最大扭矩为180kN·m，动力头转速7～15r/min，卷扬机提升力520kN。

（2）潜孔锤钻具

潜孔锤由冲击器和钻头两部分组成。冲击器在高压气体的驱动下往复运动，产生的冲击力通过钻头直接作用于岩石，产生冲击破碎力。冲击器可以将压缩空气的能量转化为冲击能量，该能量转换的过程主要依靠活塞运动。以压缩空气推动活塞，以配气机构不断改变空气方向，从而实现活塞在气缸内的往复运动，带动钻头冲击破碎岩石。潜孔锤钻头由高质量的合金钢和优质的碳化钨原子制成。钻杆为特制分段钻杆（Φ600，外径尺寸为18″），采用六方结构连接、销轴固定，接头具有一定的密封性能，可以有效地传递扭矩、压力并保证气密性，钻杆外部带杆衣，有效减少了钻杆与孔壁的环形空间面积，从而提高空气的上返速度，有利于施工过程中的钻孔清渣。

（3）空压机供气系统

以空压机风量为单台29.8m/min，工作压力为25bar（柴油移动式螺杆式）提供充足的高压空气，是保证潜孔锤有效工作的前提；大直径潜孔锤工作耗气量大，需要通过储气罐（容积为6m，工作压力为25bar）连接多台空压机集中供气，并且有稳定的空气压力的作用；潜孔锤工作时，活塞在缸体内快速往复运动，为使其得到充分的润滑，需要在高压供气管路上连接油雾器，输送润滑油。

2.2.3 设备对比

潜孔锤、旋挖钻、冲击钻三种设备的对比详情如表2所示。

表2 设备对比

2.3 旋挖潜孔锤技术具体施工过程

2.3.1 施工方案设计

第一，在进行施工准备工作之前首先要充分了解工程信息，根据工程地质情况制定合理的成孔工艺。若地层整体稳定性好，且无地下水，则可以直接使用潜孔锤钻进，一次性成孔，无需其他辅助措施；若岩石地层上部存在不稳定地层，则可以使用长护筒护壁或全套管施工。

第二，根据桩孔设计参数，选择相应的设备规格。例如根据不同的孔径选择不同潜孔锤规格、确定合理的空压机规格数量及施工参数。

第三，钻机安装就位、组装。测量放点、平整场地满足钻机安装就位需求，按照空压机、储气罐、油雾器、高压风管、旋挖钻主机、钻杆系统依次组装。

第四，由专业人员进行吊装，吊装时保证平稳，采用液压系统调平，保证装机水平，测量方式采用水平尺校正，将潜孔锤对准桩机，保持中心位置一致，装机完成后进行现场验收，运行前需要进行调试。

2.3.2 钻进成孔

旋挖潜孔锤钻进时，钻杆接长下放，单节钻杆为12m。首先将吊装钻杆与孔口钻杆连接，然后将钻杆与动力头连接（见图2）。

图2 钻机组装示意图

2.3.3 下放钢筋笼

钻进到要求深度后，采用吊车拆卸钻杆；钻杆拆卸完后，下工字钢，在工字钢两侧注浆，边注浆边拆卸护筒。根据桩基础功能不同，下放的加筋材料可分为工字钢、钢筋笼或者其他材料，但下放作业基本相同，都需要先加工制作，再分段下放。

2.3.4 灌注混凝土

灌桩方法与常规灌注桩施工方法一致。

2.3.5 配合施工

该工艺设备可配合全套管施工，气动潜孔锤配合全套管施工时，套管可跟随潜孔锤钻进时一同下放，配套扩孔钻头，无需其他设备，套管与钻杆同步下放。待套管跟进到稳定岩层后，可更换使用常规钻头进行钻进。

2.3.6 设备投入

设备投入详情如表3所示。

表3 设备投入明细

3 旋挖潜孔锤技术在铁路桥梁工程施工中的应用要点

3.1 钻进的注意事项

旋挖潜孔锤钻孔灌注桩在钻进过程中的注意事项如下。

第一，不管施工场地地质水文情况如何，都要埋设护筒。护筒顶的高度至少高出周围地面30cm。

第二，护筒埋设到预定深度以前，均需使用钻头的铰刀。

第三，为了避免钻斗提升时，钻斗内的泥砂掉落到孔内，而使泥浆性能指标改变不符合要求或沉到孔底，钻斗的活动底门在提钻过程中应保持闭合的状态。

第四，必须始终保持潜孔锤钻斗在桩基孔内升降速度合理。因为较高速度移动钻斗，泥浆会被迫快速地从钻斗外侧和孔壁之间的孔隙中流出，导致泥浆对孔壁产生冲刷，快速提升钻斗还会在下方产生负压而导致孔壁不稳定，甚至导致坍塌，所以必须依照孔径的大小及土质的具体情况来确定钻斗的升降速度。

3.2 施工中的质量控制

3.2.1 钻杆垂直度

测放桩位要做到准确无误（允许误差在5cm 以内），放线定位应从测量基准点测量放点，并用基站法放点，不宜用后方交会放点，放点之后要做好标记并注意做好保护桩位的措施。如果发现有较大误差，应查明原因，重新放点，并采用其他方法复测。如若在放点之后很久才开始钻进，则必须复测桩位。孔深以孔口护筒顶的高程作为高程控制点，并以专用的测绳加测锤进行测量，测锤重约1kg，上系测绳，徐徐放到孔底，可以凭感觉测定孔深，确定孔底高程。

3.2.2 地基处理

施工场地应平整，机械下的地基不得有沉陷现象。机械在开钻之前，应检查机械的质量，并调整好运行参数。在钻进施工的过程当中，应根据地质条件控制钻进的速度；如果发现桩基孔倾斜，应立即停止钻进，在采取有效措施之后，才可以继续钻进施工。

3.2.3 泥浆制备与处理

泥浆护壁成孔过程中，泥浆所起的作用最大，它不仅能起到保护孔壁的作用，还能起到冷却设备、润滑及携渣的作用。由于泥浆本身有一定的密度，如果地下水位之上存在孔内泥浆液面高出现象，就会产生静水压，起到液体支撑作用，进而很好地保护孔壁，防止孔壁坍塌。因此，在钻孔过程中，各土层孔隙容易引发孔壁剥落问题，泥浆可对孔隙进行密实填充，形成一层致密泥皮，而泥皮透水性较差，可防止水渗透，保证了成孔内水压稳定性，从而维持了孔壁的稳定性。除此之外，钻孔产生的泥渣悬浮于泥浆之上，并随泥浆一同排出，不仅进一步达到良好的护壁效果，还方便了孔内渣土的排除。基于泥浆如此多的重要作用，因此一定要严格控制泥浆配比，如果在钻进过程中出现泥浆密度降低现象，可适当添加膨润土，保障其密度满足工艺要求。需要注意的是，在施工过程中一定要结合环保要求对泥浆、泥渣进行环保处理。

3.3 施工之后的质量控制

完工后需要做好施工现场的排水管理，设置好排水设施，做好施工现场材料和设备的防水措施。施工所产生的废弃物垃圾等应及时清理，并尽量减少对施工现场环境造成的污染和破坏。

4 结语

综上所述，在铁路桥梁工程施工中应用旋挖潜孔锤技术具有一定的优势。在钻进、施工中及施工后全过程中要注意做好护筒埋设、钻斗提升、钻斗升降速度、钻杆垂直度、地基处理、泥浆制备、排水设施及环保措施的质量控制，以提升旋挖潜孔锤技术的应用效果。