李洪勛,尚增弟,雷 斌,許國(guó)兵,高子建
(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518063)
在灌注樁硬巖鉆進(jìn)施工中,大直徑潛孔錘由于破巖效率高、鉆進(jìn)速度快,越來(lái)越多地應(yīng)用于灌注樁硬巖鉆進(jìn)項(xiàng)目中。潛孔錘鉆進(jìn)成孔一般使用單體平底潛孔錘錘頭和集束潛孔錘,潛孔錘鉆進(jìn)依靠高風(fēng)壓驅(qū)動(dòng),鉆頭高速?zèng)_擊鑿巖,多用于直徑600~1 000mm 灌注樁施工。而對(duì)于硬巖強(qiáng)度>60MPa或巖石軟硬不均或硬巖厚度較大的灌注樁成孔,常用的單體平底潛孔錘錘頭和集束潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大磨損,有的發(fā)生錘齒折斷、錘頭斷裂(見(jiàn)圖1),甚至出現(xiàn)壞錘而無(wú)法使用,導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低、施工成本高。
圖1 潛孔錘錘頭斷裂
為解決硬巖成孔技術(shù)難題,利用多功能鉆機(jī),采用土層全護(hù)筒跟管、硬巖錐形潛孔錘破巖組合鉆進(jìn)施工工藝,經(jīng)過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)、工藝優(yōu)化,有效提升了潛孔錘破巖效率,提高了灌注樁硬巖鉆進(jìn)效率,取得了顯著效果。
1.1.1錘頭
錐形潛孔錘錘頭為一種改進(jìn)型的潛孔錘鉆頭,底部為圓錐形,相應(yīng)結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)如下。
1)錘頭底部錐形面與水平夾角為20°~25°。
2)錐形面上按一定間距鑲嵌合金顆粒,沿錘面全覆蓋布設(shè)。
3)錐形潛孔錘底部設(shè)置4個(gè)主排渣槽,寬度為10cm,直徑為4cm的高壓氣體通氣孔設(shè)置在主排渣槽中,在錘頭側(cè)壁四周均布4個(gè)副排渣槽輔助排渣(見(jiàn)圖2)。
圖2 錐形潛孔錘結(jié)構(gòu)
4)錐形錘頭中心(最底處)為圓錐形結(jié)構(gòu)。
1.1.2錘身
1)潛孔錘錘身(即沖擊器)為圓形剛性結(jié)構(gòu),直徑較錐形錘頭略小,一般情況下兩者差值為50~100mm,可根據(jù)巖層施工垂直度控制難度進(jìn)行選擇。錐形潛孔錘構(gòu)造如圖3所示。
圖3 錐形潛孔錘構(gòu)造
2)錘頭與鉆桿采用六方接頭連接,通過(guò)2根插銷固定。
3)高壓空氣進(jìn)氣管設(shè)置在鉆機(jī)鉆桿接頭內(nèi),在鉆桿與潛孔錘連接時(shí),同時(shí)也完成了高壓空氣輸送通道的對(duì)接。
錐形潛孔錘錘頭在高風(fēng)壓、超高頻率振動(dòng)下鑿巖鉆進(jìn),錐形錘頭潛孔錘相比傳統(tǒng)平底潛孔錘,在相同高鉆壓作用下能與巖層形成較大的沖擊壓力,處在其中心下方的巖石在沖擊作用下首先形成V形楔,使巖體上出現(xiàn)應(yīng)力中心,隨著后續(xù)的不斷沖擊,楔形區(qū)巖石逐漸破碎,在沖擊楔形區(qū)旁的巖石首先產(chǎn)生層狀脫落,破碎區(qū)逐漸由應(yīng)力中心向沖擊邊緣擴(kuò)散,最終形成全斷面破碎,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)錐形潛孔錘在巖體上的擠壓貫入式刺入破碎,使被沖擊巖體產(chǎn)生體積破碎,施工效率高。在錐形潛孔錘底面留設(shè)排渣通氣孔和主、副排渣槽,高壓氣體經(jīng)過(guò)排渣通氣孔對(duì)孔底巖渣進(jìn)行沖刷清理,破碎的巖渣隨高風(fēng)壓氣體經(jīng)主、副排渣槽被攜帶出孔,孔底殘?jiān)皶r(shí)排出能避免重復(fù)破碎,使巖石破碎鉆進(jìn)效率更高。破巖機(jī)理如圖4所示。
圖4 錐形潛孔錘擠壓貫入破巖機(jī)理
為提高綜合施工效率,采用組合式施工工藝,即土層采用全護(hù)筒跟管、長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn),硬巖采用錐形潛孔錘破巖,既提高了鉆進(jìn)施工效率,又確保了潛孔錘高風(fēng)壓下的孔壁穩(wěn)定,保證了成樁工程質(zhì)量??傮w施工工藝流程為:樁孔測(cè)量定位→鉆機(jī)就位→土層段長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)→跟管鉆進(jìn)至巖面→錐形潛孔錘破巖鉆進(jìn)至終孔→安裝鋼筋籠及灌注導(dǎo)管→灌注樁身混凝土→拔出鋼護(hù)筒。
1)采用全站儀對(duì)施工樁位中心點(diǎn)進(jìn)行放樣,從樁位中心點(diǎn)引出4個(gè)方向上的4個(gè)點(diǎn),便于后續(xù)工序?qū)段坏膹?fù)核。
2)施工過(guò)程中對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。
1)采用SWSD2512型多功能鉆機(jī),樁架立柱直徑920mm,高度為21~36m,履帶式行走,配備雙動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)。
2) 樁機(jī)移動(dòng)前,平整施工場(chǎng)地和行走道路,防止樁機(jī)履帶下陷而發(fā)生高樁架傾覆。
3)樁機(jī)移動(dòng)時(shí)指派專人指揮,慢速行走。
4)樁機(jī)就位后,將樁機(jī)前后4個(gè)支撐柱液壓控制支頂,確保樁機(jī)施工過(guò)程中的穩(wěn)固和安全。
1)所采用的SWSD2512型多功能鉆機(jī),配置內(nèi)外雙動(dòng)力頭,其中內(nèi)動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)螺旋鉆桿鉆進(jìn)。
2)采用螺旋鉆桿直徑為900mm,桿體直徑500mm,螺距為600mm,葉片厚度為25mm,鉆桿整體剛度強(qiáng)、鉆削力大、成孔精度高、施工速度快。
3)長(zhǎng)螺旋鉆桿底部配置硬質(zhì)合金刀頭,可鉆進(jìn)至強(qiáng)風(fēng)化巖面。
1)在樁機(jī)外側(cè)動(dòng)力頭處安裝接駁器,在鋼護(hù)筒頂部設(shè)置與接駁器相對(duì)應(yīng)的連接螺栓孔位,以便實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞;在鋼護(hù)筒底部設(shè)置管靴,鋼護(hù)筒可根據(jù)鉆深需要進(jìn)行連接(見(jiàn)圖5)。
圖5 套管連接
2)為控制好錐形潛孔錘在進(jìn)行鑿巖鉆進(jìn)時(shí)的垂直度,護(hù)筒內(nèi)徑選擇較成孔直徑略小。如灌注樁設(shè)計(jì)直徑1 000mm,鋼護(hù)筒外徑1 020mm、內(nèi)徑988mm、壁厚16mm。
3)樁機(jī)配置的內(nèi)側(cè)動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)內(nèi)側(cè)螺旋鉆桿(見(jiàn)圖6),螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)取土,在土層段鉆進(jìn)時(shí)能快速將渣土排出,在鉆進(jìn)過(guò)程中,長(zhǎng)螺旋鉆桿和孔壁構(gòu)成1個(gè)螺旋輸送通道,為外側(cè)護(hù)筒完成超前鉆進(jìn)。
圖6 跟管鉆進(jìn)
4)樁機(jī)配置的外側(cè)動(dòng)力頭則提供外側(cè)跟進(jìn)護(hù)筒的動(dòng)力輸出,并使護(hù)筒保持持續(xù)跟進(jìn);通過(guò)內(nèi)側(cè)鉆桿持續(xù)排土和外側(cè)護(hù)筒跟進(jìn)回轉(zhuǎn)護(hù)壁,直至鉆進(jìn)至巖面。
5)在上部土層跟管鉆進(jìn)時(shí),內(nèi)側(cè)螺旋鉆桿需超前鉆進(jìn)一定距離,外護(hù)筒再進(jìn)行跟管,根據(jù)土層情況,超前鉆進(jìn)50~80cm。
6)采用內(nèi)側(cè)長(zhǎng)螺旋鉆桿與外側(cè)護(hù)筒同軸逆向旋轉(zhuǎn)方式鉆削,長(zhǎng)螺旋鉆桿與外側(cè)護(hù)筒產(chǎn)生的鉆削轉(zhuǎn)矩方向相反、相互抵消、自行平衡,使鉆孔過(guò)程穩(wěn)定、無(wú)噪聲振動(dòng)。
1)長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)至巖面后,從孔內(nèi)提出長(zhǎng)螺旋鉆桿,并拆除螺旋鉆頭,便于后續(xù)安裝錐形潛孔錘。
2)采用起重機(jī)將錐形潛孔錘移至鉆機(jī)旁便于安裝處,提升螺旋鉆桿,使其下方的六方接頭與潛孔錘上方的六方接頭對(duì)準(zhǔn),再下放螺旋鉆桿,插入2根固定插銷以實(shí)現(xiàn)鉆桿扭矩傳遞。
3)錐形潛孔錘腰帶處直徑設(shè)計(jì)為975mm,與鋼護(hù)筒間距為6.5mm,較小的間距有利于潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程中受到鋼護(hù)筒的約束,以保證鉆進(jìn)時(shí)鉆孔垂直度滿足設(shè)計(jì)要求。
4)潛孔錘鉆進(jìn)的供氣裝置由空壓機(jī)組、儲(chǔ)氣罐及相應(yīng)高壓氣體輸送管道組成。配備5臺(tái)LUY300-22 GⅢ空壓機(jī),空壓機(jī)組連接1臺(tái)F160559型儲(chǔ)氣罐組成高壓氣體輸出裝置,如圖7所示。
圖7 空壓機(jī)組
5)由于潛孔錘錘頭較大,僅比護(hù)筒內(nèi)徑小13mm,在下放安裝完成的錐形潛孔錘時(shí),需安排施工人員在孔口進(jìn)行指揮,避免磕碰已安裝完成的鋼護(hù)筒造成錯(cuò)位。
6)錐形潛孔錘開始鉆進(jìn)時(shí),先將鉆具提離孔底20~30cm,開動(dòng)空壓機(jī)及鉆具上方的回轉(zhuǎn)電機(jī),待護(hù)筒口出風(fēng)時(shí),再將鉆具輕放至孔底,方可開始錐形潛孔錘破巖鉆進(jìn)。
7)錐形潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程中,高風(fēng)壓攜帶鉆渣通過(guò)螺旋鉆桿與鋼護(hù)筒間的空隙上返,直至排出孔外。
1)硬巖鉆進(jìn)效率高 錐形潛孔錘獨(dú)特的錐形錘頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使其破巖機(jī)理相比普通集束或平底潛孔錘更為有效,破巖效率顯著提升。
2)成孔質(zhì)量好 上部土層孔段采用護(hù)筒跟管鉆進(jìn),有效避免了成孔過(guò)程中孔壁坍塌;同時(shí),潛孔錘高風(fēng)壓能有效將孔底巖渣攜帶至地面,確??椎壮猎鼭M足要求,成孔質(zhì)量更有保證。
3)施工安全性高 選用的SWSD2512型多功能鉆機(jī)配備了大直徑高強(qiáng)度樁架、鉸接的三腳支撐和長(zhǎng)螺旋鉆桿,可保證在大功率施工時(shí)鉆機(jī)整體的穩(wěn)定性;鉆進(jìn)過(guò)程中,采用雙動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng),內(nèi)側(cè)鉆桿與外側(cè)鉆套同軸逆向旋轉(zhuǎn)方式鉆削,鉆桿與外鉆套產(chǎn)生的鉆削轉(zhuǎn)矩方向相反、相互抵消、自行平衡,使鉆孔過(guò)程穩(wěn)定、無(wú)噪聲振動(dòng)。
4)施工成本較低 采用全護(hù)筒跟管、長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)+錐形潛孔錘破巖組合鉆進(jìn)工藝,相比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、旋挖鉆進(jìn)、單一的潛孔錘鉆進(jìn)等,長(zhǎng)螺旋土層鉆進(jìn)速度快,潛孔錘破巖效率高,長(zhǎng)螺旋形成的出渣通道更為快捷,使組合鉆進(jìn)更為優(yōu)化、有效,鉆進(jìn)速度快、成樁質(zhì)量好,總體施工成本低。
本施工技術(shù)在珠三角城際廣佛環(huán)線GFHD-2標(biāo)4工區(qū)21號(hào)工作井圍護(hù)工程中得到了應(yīng)用,采用錐形潛孔錘對(duì)該工程的110根支護(hù)樁進(jìn)行施工,總?cè)霂r為1 250m3。該項(xiàng)工程擬建工期為90d,本項(xiàng)施工技術(shù)投入生產(chǎn)后,提前30d完成施工。另外,本項(xiàng)施工技術(shù)因在低耗材和設(shè)備低損耗等方面具有優(yōu)越性,使項(xiàng)目成本節(jié)約了約85萬(wàn)元,提高入巖施工經(jīng)濟(jì)效益約15%。
在當(dāng)前大力開發(fā)地下空間的形勢(shì)下,越來(lái)越多的灌注樁需在硬巖中成孔,而錐形潛孔錘在施工實(shí)際施工過(guò)程中體現(xiàn)了良好的施工效率,在施工成本控制方面突顯成本低的優(yōu)越性,解決了常規(guī)施工工法在灌注樁硬巖成孔施工過(guò)程中施工效率低、成本高的難題,提供了一種創(chuàng)新的灌注樁硬巖成孔施工技術(shù),大大加快了項(xiàng)目施工進(jìn)度。