左文榮，雷斌，王晶
（深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司，深圳，518063）
摘要：傳統(tǒng)的樁基成孔技術(shù)在深厚硬巖層時，要么施工效率低，要么根本無法鉆進(jìn)，即出現(xiàn)了“入巖難”的問題。為了解決該問題，提出了大直徑潛孔錘成孔施工技術(shù)。選取合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，采取長護(hù)筒護(hù)壁，利用大直徑單體潛孔錘穿透硬巖的能力，在深厚硬巖地層條件下該工藝是合理可行的。并對其工作原理、工藝流程、工法的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。實(shí)踐表明，本工藝具有施工速度快、安全環(huán)保、性能可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)。它可適用于深厚硬巖樁基施工，能節(jié)省工程建設(shè)資金，降低施工成本，加快施工效率，其研究成果講具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：大直徑樁; 氣動潛孔錘; 潛孔錘成孔; 深厚硬巖地層; 成孔技術(shù)
[中圖分類號]TU [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A
0 引言
為了充分利用地下空間，近年來，深圳地區(qū)基坑開挖深度超過20m的建筑項(xiàng)目越來越多，基坑支護(hù)灌注樁和工程樁入巖成為越來越普遍的現(xiàn)象。在穿越較厚硬巖層時，通常采用沖孔樁、旋挖樁機(jī)成孔，其在成孔過程中存在容易出現(xiàn)偏孔、硬巖鉆進(jìn)難度大，綜合成本高等問題。工程界幾種常用的入巖成孔工藝效率都非常低，這成為了目前推動工程進(jìn)展的一大瓶頸[1]。大直徑樁在深厚硬巖條件下的成孔工藝一直是工程施工界公認(rèn)的難題，研究大直徑支護(hù)樁深厚硬巖成孔技術(shù)在巖土工程中亟待突破[2]。
與此同時，沖孔樁、旋挖樁在成孔中采用泥漿護(hù)壁，成孔過程中會產(chǎn)生大量的泥漿，造成施工現(xiàn)場文明施工環(huán)境差。
為了解決基坑支護(hù)樁在深厚硬巖層入巖效率低、工程造價高，減少支護(hù)樁施工時的泥漿排放，迫切需要研發(fā)出一種新型的在深厚硬巖中的樁基成孔技術(shù)。
同時，為了使建設(shè)資金充分發(fā)揮作用，建設(shè)單位往往需要嚴(yán)格要求施工工期，而城市中往往場地有限，不可能過多的增加成孔設(shè)備，這就要求鉆進(jìn)方法必須實(shí)現(xiàn)高速度。在入巖灌注樁施工中，樁孔鉆進(jìn)時間的80~90%以上往往都是在硬巖中成孔，因此提高深厚硬巖的鉆進(jìn)效率是當(dāng)前大直徑支護(hù)樁施工技術(shù)攻克的主要問題。
1 深厚硬巖成孔技術(shù)現(xiàn)狀
1.1 大直徑嵌巖鉆進(jìn)技術(shù)[3]
1)沖擊鉆進(jìn)成孔
沖擊成孔破巖是常見的施工方法，但對于深厚硬巖成孔困難極大。
采用沖擊鉆進(jìn)硬巖時，施工效率極低，且容易發(fā)生孔內(nèi)卡鉆、鋼絲繩斷裂、掉錘等；成孔遇斜巖面時，必須反復(fù)回填塊石糾偏，且糾偏難度大、效果差；成孔使用泥漿護(hù)壁，產(chǎn)生大量的廢漿廢渣，現(xiàn)場文明施工條件差，漿渣處理費(fèi)用高。
2)旋挖入巖鉆進(jìn)成孔
當(dāng)前大直徑硬巖鉆進(jìn)中最常用的工藝方法是牙輪/滾刀鉆進(jìn)法。在樁孔直徑不太大、中風(fēng)化巖石時鉆進(jìn)效率較高；但實(shí)際在大直徑硬巖鉆進(jìn)中效率較低。
對于深厚硬巖，旋挖成孔多采用硬巖分級擴(kuò)孔鉆進(jìn)。旋挖機(jī)鉆頭入巖對鉆具損耗大，且入巖時間相對較長，綜合效率低，成本高。
3）小直徑潛孔錘引孔＋旋挖鉆進(jìn)綜合技術(shù)[4]
市面上常見的潛孔錘直徑是φ500、φ600mm。為滿足大直徑樁徑要求，一般采用小直徑潛孔錘引孔+大直徑旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)的分級鉆進(jìn)施工方案，利用氣動潛孔錘鉆出小孔徑的樁孔，預(yù)先形成自由面，通過促使裂紋節(jié)理的發(fā)育擴(kuò)展，為鉆挖鉆機(jī)的二次鉆進(jìn)創(chuàng)造有利條件。由于潛孔錘直徑較小，孔位周邊的殘余硬巖齒邊仍難鉆進(jìn)，旋挖機(jī)鉆具損耗較大，入巖時間也較長。
1.2 大直徑潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)
1)集束式潛孔錘成孔[5]
國外早期在硬巖中進(jìn)行大直徑鉆進(jìn)多采用潛孔錘，特別是組合式（集束式、捆綁式）潛孔錘。
美國英格索蘭公司生產(chǎn)的單體潛孔錘直徑180~609mm，捆綁式潛孔錘直徑可達(dá)1918mm。瑞典Atlas Copco公司研制的CD系列集束式潛孔錘直徑為915~1778mm[6]。
2)旋挖＋集束式潛孔錘大直徑嵌巖樁技術(shù)[7]
2014年，美國CRI公司的技術(shù)專家開展了旋挖鉆機(jī)連接集束式潛孔錘大直徑嵌巖樁首次實(shí)鉆應(yīng)用施工，創(chuàng)新使用RCD（旋挖鉆機(jī)配置集束式潛孔錘）工法。潛孔錘如圖1所示。
樁徑φ1000mm的嵌巖樁持力層為微風(fēng)化巖層，入巖深度達(dá)4m，入巖成孔在1個小時內(nèi)完成，其入巖效率在傳統(tǒng)工法上提升達(dá)數(shù)十倍。
3）集束潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)存在的問題
集束式潛孔錘是由若干相同或不同直徑的小孔徑潛孔錘剛性集束組成的鉆具，每一個小孔徑潛孔錘由相應(yīng)的配氣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自身的進(jìn)、排氣的方式，其關(guān)鍵技術(shù)在于合理分配氣量，并實(shí)現(xiàn)同步鉆進(jìn)。
圖1 φ1000mm集束潛孔錘
對于非均質(zhì)硬巖或傾斜巖面，由于每一個小孔徑潛孔錘所受的阻力不同，相應(yīng)的配孔機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)合理調(diào)節(jié)，往往造成氣量損失，大大影響鉆進(jìn)效率。另外，傾斜巖面產(chǎn)生受力不均和小孔徑潛孔錘高速空轉(zhuǎn)，容易引起小孔徑潛孔錘故障。如圖2示集束潛孔錘施工故障檢修。
圖2 集束潛孔錘故障檢修
4)大直徑潛孔錘入巖技術(shù)發(fā)展趨勢
大直徑潛孔錘硬巖鉆進(jìn)對大直徑潛孔單體錘、鉆桿、風(fēng)壓風(fēng)量以及排屑方式的要求比較高，而目前上述幾方面仍存在一些問題和不足，必須在原有基礎(chǔ)上不斷加以完善和有針對性的解決，以便達(dá)到加深對潛孔錘鉆進(jìn)工藝的合理運(yùn)用。
綜上所述，潛孔錘技術(shù)是提高深厚硬巖鉆進(jìn)效率的最佳方法，但要能夠很好的解決上述幾種問題。
2 大直徑潛孔錘深厚硬巖地層成孔技術(shù)可行性分析
2.1 大直徑單體潛孔錘[8][9]
單體大直徑潛孔錘是實(shí)現(xiàn)全面鉆進(jìn)的主要鉆具，直接影響鉆進(jìn)效率，從發(fā)展趨勢看是向高風(fēng)壓和大孔徑發(fā)展。
目前，國內(nèi)潛孔錘最大單體潛孔錘直徑可以達(dá)到φ1.2m。大直徑潛孔錘的沖擊器是在高壓空氣帶動下對巖石進(jìn)行直接沖擊破碎，其沖擊特點(diǎn)是沖擊頻率高、沖程低，沖擊器在破巖時，可以將鉆頭所遇的物體，特別是硬物體進(jìn)行粉碎，破巖效率高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速成孔。
2.2 鉆機(jī)和鉆桿
鉆機(jī)作為配合潛孔錘鉆進(jìn)的主要設(shè)備，它是驅(qū)動潛孔錘鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)的動力。選用性能和潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)要求相適應(yīng)的鉆機(jī)，是保證潛孔錘正常進(jìn)行的又一重要條件。機(jī)械化程度、穩(wěn)定性、行走靈活性，以及鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速是其考慮的幾個因素。
氣動潛孔錘鉆進(jìn)使用的鉆桿與其他回轉(zhuǎn)鉆機(jī)相比，不需要承受大的扭矩和高轉(zhuǎn)速，鉆具相對較輕，但鉆桿的長度需要能保證深厚硬巖的要求。鉆桿的外徑、壁厚與接長方式同樣需要通過實(shí)際鉆進(jìn)的效果不斷的優(yōu)化和改進(jìn)。
2.3 排屑方式
潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)在大直徑潛孔錘鉆進(jìn)中應(yīng)用的較多。但反循環(huán)鉆進(jìn)對于鉆桿的設(shè)計(jì)要求比較高，制作復(fù)雜；同時在實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)泵吸反循環(huán)排渣方式對整個吸渣系統(tǒng)的密封性特別高，由于加工和裝配以及現(xiàn)場的惡劣工作條件，保證排渣通道始終密封良好是難以做到的，這就嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率。
潛孔錘傳統(tǒng)工藝方法為正循環(huán)鉆進(jìn)，潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)時，一方面由于高速氣流沖刷孔壁，不利于孔壁穩(wěn)定；另一方面，當(dāng)鉆孔直徑增大時，用于驅(qū)動潛孔錘做功的供氣量小于排渣所需空氣量，孔內(nèi)排屑成為難題。正是由于以上兩點(diǎn)的影響，限制了正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在多領(lǐng)域、大面積的推廣，很多潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)了選擇反循環(huán)的排屑方式。
潛孔錘跟管鉆進(jìn)是指在破碎松散地層等不穩(wěn)定地層中采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)成孔，同時套管跟隨鉆頭進(jìn)入孔內(nèi)。跟進(jìn)的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護(hù)孔口的作用，而且鉆進(jìn)、排渣、護(hù)壁同時進(jìn)行，可以很好的解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)中護(hù)壁難的問題。在鉆孔完成后潛孔錘從套管中提出，套管留在孔內(nèi)，待混凝土澆筑完成后套管再從孔內(nèi)拔出。
綜上所述，如果能解決大直徑潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)中兩個難題，即風(fēng)量和護(hù)壁的問題能得到有效的解決，正循環(huán)鉆進(jìn)應(yīng)該是第一選擇。這是由于正循環(huán)鉆進(jìn)對鉆具的要求比較低，加工和制作較簡單，鉆具可靠性高，易于投入工程使用。另一方面正循環(huán)鉆進(jìn)排渣的可靠性有保證，不會對鉆進(jìn)效率產(chǎn)生影響。
2.4 風(fēng)壓風(fēng)量
風(fēng)量和風(fēng)壓是潛孔錘鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。
1）風(fēng)壓
壓縮空氣的壓力高，則潛孔錘鉆進(jìn)的效率也高，而且鉆頭的適用壽命也長。根據(jù)較多的現(xiàn)場試驗(yàn)，風(fēng)壓一般在1.0～2.5 Mpa之間。
2）風(fēng)量
供風(fēng)量是保證大直徑潛孔錘工作的基本條件，也是保證鉆孔是否能正常排出孔底巖屑的重要因素。大直徑樁孔隨著孔徑的增加，孔底巖屑量也大幅度增加，這就對供風(fēng)量提出了更高的要求。φ1.2樁采用潛孔錘成孔時風(fēng)量需要達(dá)到140m3/min左右。
隨著大風(fēng)量和高風(fēng)壓設(shè)備的廣泛使用，使得大孔徑鉆進(jìn)需要的風(fēng)壓和風(fēng)量具備了條件。
2.5 長護(hù)筒孔壁保護(hù)
鑒于在潛孔錘鉆進(jìn)中，正循環(huán)排出巖屑工效更高，可靠性更有保障，因此首先考慮采用正循環(huán)鉆進(jìn)。
正循環(huán)鉆進(jìn)必須考慮如何保護(hù)孔壁不受高速氣流的沖刷影響。采用長護(hù)筒護(hù)壁的措施可以保證潛孔錘鉆進(jìn)時上部土層孔壁穩(wěn)定。
2.6 環(huán)保措施
對于采用正循環(huán)鉆進(jìn)方法，在城市內(nèi)施工還有一個需要解決的問題就是氣流排出孔口造成的粉塵污染。在地下水豐富的區(qū)域由于排出的巖屑不會形成揚(yáng)塵，可以不需要考慮。但在地下水埋深較深的區(qū)域就需要采取有效措施加以解決。
2.7 可行性分析
通過鉆頭、鉆桿、沖擊器等設(shè)備的合理組合，利用大直徑單體潛孔錘穿透硬巖的能力，采取長護(hù)筒護(hù)壁、超大風(fēng)壓破巖及清孔，通過選取合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，進(jìn)而高速、安全地在復(fù)雜、深厚填石、硬巖地層情況下完成灌注樁的成樁作業(yè)。
3 工藝原理
潛孔錘以壓縮空氣作為動力，壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)提供，經(jīng)鉆機(jī)、鉆桿進(jìn)入潛孔沖擊器，推動潛孔錘工作，在空氣潛孔錘和鉆機(jī)扭矩作用下進(jìn)行回轉(zhuǎn)、沖擊、鉆進(jìn)。利用潛孔錘對鉆頭的往復(fù)沖擊作用，來達(dá)到破巖的目的，被破碎的巖屑被隨鉆桿與孔壁之間的空隙排放的廢氣攜帶至地表。
空氣既作為動力又作為排渣介質(zhì)。由于沖擊頻率高(可達(dá)到50Hz)、低沖程，破碎的巖屑顆粒小，便于壓縮空氣攜帶，孔底清潔，巖屑在鉆桿與套管間的間隙中上升過程中不容易形成堵塞，整體工作效率高。
4 工藝流程
4.1 預(yù)埋鋼護(hù)筒護(hù)壁
潛孔錘破巖需采用超大風(fēng)壓，為避免超大風(fēng)壓對孔壁穩(wěn)定的影響，在潛孔錘作業(yè)前埋入深長鋼護(hù)筒，這是本工藝可靠應(yīng)用的前提。
下入護(hù)筒時，采用旋挖鉆機(jī)從地面開始開孔鉆進(jìn)，開孔至3～4m深后，采用振動錘吊放下入鋼護(hù)筒并沉入到巖層頂面。
4.2 大直徑潛孔錘硬巖鉆進(jìn)[10][11]
選用與樁孔直徑相匹配的大直徑潛孔錘一徑到底，一次性完成成孔。大直徑潛孔錘沖擊器在高壓空氣帶動下對巖石進(jìn)行直接沖擊破碎，在工作時遇到的巖層越硬，產(chǎn)生的反力越大，致使?jié)摽族N鉆頭振動頻率越高。沖擊器在破巖時，將硬巖進(jìn)行粉碎，破巖效率高；破碎的巖渣在超高壓氣流的作用下，沿潛孔錘鉆桿與護(hù)筒間的空隙被直接吹送至地面，為保證巖屑上返地面的順利，在鉆桿四周側(cè)壁沿通道方向上設(shè)置風(fēng)道條，人為地制造返風(fēng)道，使巖屑不會在鉆桿與護(hù)筒的環(huán)狀空隙中堆積，有利于降低地面空壓機(jī)的動力損耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速成孔。
5 工藝特點(diǎn)
深厚硬巖大直徑潛孔錘成孔施工技術(shù)，在解決樁基穿越深厚硬巖層方面的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下幾方面：
5.1 施工速度快，成樁效率高
潛孔錘破巖效率高是業(yè)內(nèi)的共識，大直徑潛孔錘全斷面能一次鉆進(jìn)到位；超大風(fēng)壓使得破碎的巖渣，一次性直接吹出孔外，減少了孔內(nèi)巖渣的重復(fù)破碎，加快了成孔速度。
根據(jù)施工實(shí)例，24m長的基坑支護(hù)灌注樁，入巖13m，沖擊鉆在正常情況下，15～20天成樁1根；回轉(zhuǎn)或旋挖鉆機(jī)，成孔效率極低甚至無法成孔；大直徑潛孔錘成樁成孔工藝可實(shí)現(xiàn)1天成樁2～3根的效率。
成樁速度是沖擊鉆或其它常規(guī)手段的40倍及以上。
5.2 施工質(zhì)量容易控制，成樁質(zhì)量好
1、成孔孔型規(guī)則，避免了沖擊成孔過程中的鉆孔孔徑隨地層的變化產(chǎn)生的或擴(kuò)徑或縮徑情況。
2、樁芯混凝土密實(shí)度較高；
3、不需要泥漿護(hù)壁，避免了混凝土的澆筑過程中的夾泥通??；
4、由于成孔規(guī)則，鋼筋籠可順利地下入到孔底，不會出現(xiàn)鋼筋籠下放困難的狀況，鋼筋籠的保護(hù)層更容易得到保證，樁的耐久性得到保證。
5、采用潛孔錘成孔工藝后，鉆硬巖或完整巖石不再是問題，樁端入巖情況可憑返回孔口的巖屑精準(zhǔn)判斷，樁的承載力和持力層得到很好的保證。
5.3 無循環(huán)泥漿，現(xiàn)場文明施工環(huán)境好
潛孔錘鉆進(jìn)不使用泥漿，場地更清潔，現(xiàn)場文明施工環(huán)境得到極大的改善。
5.4 綜合成本低，社會經(jīng)濟(jì)效益好
相比較于沖擊、回轉(zhuǎn)等其它方式成孔，采用大直徑氣動潛孔錘施工優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：
1)施工速度快，單機(jī)綜合效率高；
2)事故成本低，事故一般表現(xiàn)為地表的機(jī)械故障和組織協(xié)調(diào)問題，孔內(nèi)事故極少；
3)潛孔錘鉆進(jìn)時憑借超大風(fēng)壓直接吹出巖渣，巖渣在孔口護(hù)筒附近堆積，呈顆粒狀，可直接裝車外運(yùn)，避免了沖擊成孔大量泥漿制作、處理等費(fèi)用。
4)充盈系數(shù)小。沖擊成孔在這樣的地層中的充盈系數(shù)平均為1.1～1.2之間，而潛孔錘成孔的充盈系數(shù)平均一般在1.05左右。
6 結(jié)語
大直徑潛孔錘成孔關(guān)鍵技術(shù)為大直徑單體潛孔錘深厚硬巖條件下成孔工藝。該工藝采用振動潛孔錘下入深長護(hù)筒，再采用大直徑潛孔錘一徑破巖到底。
1）通過大直徑潛孔錘沖擊器、鉆具設(shè)備和鉆桿等設(shè)備的合理組合，選取合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，利用大直徑單體潛孔錘穿透硬巖的能力，采取長護(hù)筒護(hù)壁、超大風(fēng)壓破巖及清孔，進(jìn)而高速、安全地在深厚硬巖地層條件下成孔作業(yè)是可行的。
2）本工藝是深厚硬巖條件下一種安全、高效的樁基成樁施工工藝，具有施工速度快、安全環(huán)保、性能可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)。它可適用于深厚硬巖樁基施工，能節(jié)省工程建設(shè)資金，降低施工成本，加快施工效率，其研究成果講具有廣泛的使用價值和指導(dǎo)意義。
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