穿過(guò)地下障礙物的鉆機(jī)成孔

摘要：鉆孔樁施工遇到漂石、塊石及大粒徑卵石、碎石等地下障礙物時(shí)，成樁工期可能會(huì)數(shù)倍地延長(zhǎng)。可見(jiàn)，提高成樁效率，關(guān)鍵要順利掘進(jìn)障礙物；不僅要充分挖掘鉆具的破碎能力，還應(yīng)利用鉆頭撞擊及障礙物間的撞擊或碾磨破碎障礙物，以及擴(kuò)大可從孔底提升至地面的破碎物粒徑。
關(guān)鍵詞：鉆孔樁鉆機(jī)成孔地下障礙物成孔速度

鉆機(jī)成孔鉆進(jìn)，是鉆孔灌注樁的主要工序之一。成樁效率很大程度上取決于成孔施工，尤其是穿過(guò)漂石、塊石、碎石等地下障礙物時(shí)的成孔施工。因此，提高成樁速度，關(guān)鍵是順利掘進(jìn)障礙物，有效地切割、撞擊破碎障礙物及清除破碎物。

1地下障礙物與成孔速度

鉆孔樁施工中，由于施工條件及措施不同，成孔速度區(qū)別很大。穿過(guò)流砂、粘土類(lèi)地層時(shí)，成孔速度可達(dá)1～2m/h或以上。在均質(zhì)巖層中鉆進(jìn)，成孔速度雖然較慢，但相對(duì)穩(wěn)定，一般為3～8cm/h。樁孔穿過(guò)地下障礙物時(shí)，不僅成孔速度的波動(dòng)幅度很大，有時(shí)幾乎無(wú)進(jìn)尺，而且鉆機(jī)的顫動(dòng)以及對(duì)鉆機(jī)的損傷或鉆具的消耗都較大。

常見(jiàn)的地下障礙 物有漂石、塊石、大粒徑卵石與碎石，以及建筑物或構(gòu)造物的基礎(chǔ)等。漂石呈多邊棱狀體居多。塊石近似長(zhǎng)方體，最大尺寸方向的長(zhǎng)度一般在30cm以上，有時(shí)在50cm以上。碎石，尤其卵石基本上都分布在砂層或砂礫層內(nèi)，有時(shí)夾于粘土層之間，卵石層埋深大多接近均質(zhì)的巖層。卵、碎石的含量與層厚差別很大：含量多數(shù)為30%～60%，有時(shí)高于80%；層厚一般為1～3m，有時(shí)達(dá)15～20m。粒徑10cm以上、含量50%以上的卵碎石對(duì)鉆機(jī)成孔影響較大。建筑物及構(gòu)造物基礎(chǔ)有一定的結(jié)構(gòu)形狀，一般始于地表面或埋于地表以下5m以?xún)?nèi)，多為漿砌磚、條石或混凝土結(jié)構(gòu)。1994年在曹娥江江灘上施工橋墩鉆孔樁時(shí)，成孔遇到了早期引水渠，埋深4～5m，渠兩側(cè)由兩層漿砌條石構(gòu)成，一側(cè)穿過(guò)φ1.2m樁孔的半圓內(nèi)，條石為1.5m×0.4m×0.3m，成孔時(shí)間竟達(dá)正?？椎?倍。

穿過(guò)上述障礙物，有時(shí)成孔時(shí)間近于成樁時(shí)間。因此，區(qū)別不同的障礙物，采取有效措施以提高成孔速度，是保證成樁效率的前提。

2鉆機(jī)成孔

鉆機(jī)成孔遇到上述障礙物時(shí)，不管障礙物屬于哪一類(lèi)，都面臨著兩個(gè)問(wèn)題：一是如何有效地破碎障礙物；二是如何有效地將孔底破碎的障礙物清除到地面。

2.1鉆進(jìn)破碎障礙物

鉆機(jī)破碎障礙物的能力，取決于鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)扭矩和鉆具的破碎能力。每臺(tái)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩是既定的，每個(gè)施工點(diǎn)配備的鉆機(jī)能力也是一定的，是從整體考慮選擇鉆機(jī)型號(hào)的，不可能為局部遇到某些地下障礙物而選擇能力過(guò)大的鉆機(jī)。然而成孔施工工序則是可以調(diào)整的。為成孔施工遇到障礙物，鉆機(jī)跳動(dòng)嚴(yán)重或明顯感到扭矩不足時(shí)，可采用分級(jí)鉆進(jìn)，一方面化解鉆機(jī)能力不足，另一方面有利于二級(jí)鉆進(jìn)中障礙物的位移及互相撞擊。在障礙物埋深接近樁尖的摩擦樁成孔施工時(shí)，采用分級(jí)鉆進(jìn)更能明顯地提高成孔速度。1999年，在山東施工φ1.5m橋墩樁孔中，分0.8m,φ1.5m的兩級(jí)鉆進(jìn)，成孔速度比一次全斷面鉆進(jìn)提高30%以上。

鉆具破碎石塊等障礙物的能力，與鉆頭結(jié)構(gòu)及鉆頭體上的合金頭或刀具有關(guān)。破碎這類(lèi)障礙物，若像巖層鉆進(jìn)那樣選用牙輪鉆頭，不僅成本較高，還常會(huì)出現(xiàn)蹩鉆現(xiàn)象或發(fā)生掉牙輪事故。實(shí)際上，破碎石塊障礙物時(shí)，并不要求將石塊全部粉碎，理想的情況是將其大塊破碎成能隨泥漿上返至地面的小塊。簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)表明，錘擊或撞擊石塊產(chǎn)生破碎要比金屬切割或碾磨更經(jīng)濟(jì)、更容易。因此，在破碎障礙物時(shí)，不能單靠破巖刀具的切割，還應(yīng)利用鉆頭旋轉(zhuǎn)對(duì)石塊的撞擊以及石塊對(duì)石塊的撞擊或碾磨。如對(duì)分布在鉆孔周邊的石塊，鉆進(jìn)過(guò)程中可出現(xiàn)3種形式：①將孔內(nèi)的部分切割或碾磨破碎掉；②隨鉆頭體旋轉(zhuǎn)將孔內(nèi)部分?jǐn)D至孔外；③將孔外部分移至孔內(nèi)后再破碎掉。然而，不管屬于哪一種形式，不管采用哪一種鉆頭，由于鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)僅是某一部位受力，并且有可能受阻很大，因而常出現(xiàn)蹩鉆、跳鉆甚至無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)等現(xiàn)象。破碎這類(lèi)石塊更需利用石塊間的撞擊或碾磨。1998年，在杭州中河路成孔施工中遇到這類(lèi)石塊，鉆機(jī)跳動(dòng)嚴(yán)重，多日無(wú)進(jìn)尺，后來(lái)采取投石鉆進(jìn)，即向孔內(nèi)投入一定數(shù)量的石塊，通過(guò)鉆頭體旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)投入的石塊碾磨撞擊孔內(nèi)原有的石塊，順利地穿過(guò)了這一障礙層，并且減少了合金消耗。

2.2沖洗工作面

有效地沖洗工作面，將破碎的障礙物等鉆進(jìn)破碎物及時(shí)從工作面清除至地面，是快速成孔的重要保證。能清除的破碎物越大，清除破碎物越徹底，破碎障礙物越省力，成孔速度越快；關(guān)鍵取決于泥漿的提升循環(huán)方式及懸浮力。

泥漿的懸浮能力越強(qiáng)，孔內(nèi)上返泥漿中懸浮的破碎物的下落阻力越大，意味著破碎物能懸浮上返至地面的可能性越大，允許上返的粒徑也越大。泥漿的懸浮能力體現(xiàn)在泥漿的粘度和切力上，取決于泥漿中可造漿粘土的性質(zhì)、含量及可能添加的化學(xué)材料。成孔穿過(guò)障礙物層時(shí)，要視破碎物的含量及粒徑等選擇泥漿粘度，一般宜在25s以上。要提高泥漿的粘度和切力，可增加粘土的含量，但要控制泥漿密度的上升，必要時(shí)可添加鈉基膨潤(rùn)土以及高粘度CMC等。

沖洗與懸浮工作面上破碎物的泥漿，有兩種循環(huán)方式，即正循環(huán)與反循環(huán)。反循環(huán)又分氣舉(壓氣)反循環(huán)與泵吸反循環(huán)。不同類(lèi)型的鉆機(jī)，配套選用不同的泥漿循環(huán)方式。目前，φ2.0m以?xún)?nèi)包括配有泵吸反循環(huán)的工程鉆機(jī)，由于鉆桿、水龍頭及泵的限制，實(shí)際成孔施工中基本上僅能采用正循環(huán)。煤炭行業(yè)自產(chǎn)的φ1.5m以上的鉆機(jī)，基本上配套氣舉反循環(huán)。采用正循環(huán)沖洗工作面，僅能將一些細(xì)粒破碎物攜帶至地面，即使粒徑為φ1.0cm左右的破碎物，當(dāng)含量較高時(shí)也難以及時(shí)排至地面，有的破碎物僅能在孔內(nèi)某一部位處于上返與下落的平衡狀態(tài)，較大粒徑的破碎物根本不能隨泥漿上返，僅在孔底隨鉆頭體旋轉(zhuǎn)；有的在清孔時(shí)孔底沉渣僅在5cm以?xún)?nèi)，而停止清孔后孔底沉渣將會(huì)迅速上升至1～2m甚至更多?？梢?jiàn)，穿過(guò)障礙物層時(shí)，采用正循環(huán)系統(tǒng)是不理想的。反循環(huán)系統(tǒng)中，一般情況下，泵吸反循環(huán)能將φ6～7cm的石塊順利地從孔底排至地面；氣舉反循環(huán)在鉆桿、水龍頭允許時(shí)，能排除孔底20cm以?xún)?nèi)的松動(dòng)石塊。因此，樁孔穿過(guò)障礙物層成孔時(shí)，最宜采用氣舉反循環(huán)洗孔；對(duì)于成孔鉆機(jī)不具有反循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，可采用導(dǎo)管組配氣舉反循環(huán)配合處理。

3鉆抓成孔

樁孔施工遇到漂石、塊石等體積大、含量多且比較堅(jiān)硬的障礙物時(shí)，完全依靠鉆機(jī)鉆進(jìn)破碎障礙物，能量消耗較大，成本較高。有時(shí)，即使配套采用氣舉反循環(huán)洗孔等措施，成孔效率仍不理想。

若直接采用抓斗沖抓成孔，由于障礙物分布不均，交錯(cuò)重疊，抓斗有效掘裝率不高。同時(shí)抓斗沖抓障礙物時(shí)，在孔內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)全方位抓掘。有時(shí)由于抓掘的沖擊作用以及沖抓周邊障礙物，常出現(xiàn)塌孔、垮幫以及擴(kuò)徑等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致水下混凝土大量超灌。

對(duì)于這類(lèi)障礙物，可采取鉆抓成孔，即以沖抓為主、鉆為輔的鉆抓聯(lián)合成孔。此時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，不是為了破碎障礙物，主要是利用鉆頭體的旋轉(zhuǎn)使孔內(nèi)障礙物發(fā)生位移并松動(dòng)，尤其使孔內(nèi)鄰近孔幫的障礙物向孔心移動(dòng)，以便抓斗在孔心位置抓掘障礙物，提高抓斗的掘裝率，并避免沖抓破壞孔幫或避免抓幫。樁孔施工中，先采用抓斗從孔心位置盡可能地向下抓掘障礙物，然后改用鉆機(jī)鉆進(jìn)，鉆、抓交替作業(yè)，直至穿過(guò)障礙物層。所用鉆頭要有足夠強(qiáng)度?？梢匀砉蔚躲@頭為母體，減小錐體錐角；三翼筋板厚度大于5cm，寬度大于50cm，底部為梯形齒結(jié)構(gòu)，齒高及齒頂寬均應(yīng)大于5cm