气动潜孔锤跟管钻进技术在钻孔桩施工中的应用

气动潜孔锤跟管钻进技术在钻孔桩施工中的应用

摘要：以澳门地区实际工程为例，浅析气动潜孔锤跟管钻进技术原理及在钻孔桩施工中的应用。

关键词：跟管钻进技术气动潜孔锤钻孔桩

The Application of Pneumatic DTH Hammer Drilling with Casing Technology in the Construction of Bored Piles

Yao suixi

(China Civil Engineering Construction Corporation, Beijing 100038, China)

AbstractExamples of actual construction projects in the Macau region, simple analysis of the application of pneumatic DTH hammer drilling with casing principle and technology in the construction of bored piles.

KeywordsDrilling with Casing Technology , Pneumatic DTH hammer，Bored Piles

1 引言

气动潜孔锤跟管钻进成孔技术是多工艺空气钻进方法之一，广泛应用于地质勘探、水文钻井、滑坡防治、隧道及桥梁等工程领域。近年来在城市建筑施工中亦多有应用，尤其适用于第四系冲击层地质的钻孔作业，具有钻进速度快、成孔率高、成孔深度大等优点。

2 气动潜孔锤跟管钻进成孔原理

气动潜孔锤跟管钻具系统一般主要由潜孔冲击器、导向钻头、环状钻头、扩孔钻头、套管靴及套管组成。

跟管钻具由钻机提供回转扭矩及推进动力，空压机提供高压空气通过钻杆进入潜孔冲击器使其工作。冲击器冲击跟管钻具的导正器并将冲击波及钻压传给中心钻头及环状钻头破碎孔底岩石。同时钻机带动钻杆回转，钻杆将回转扭矩传递给冲击器带动导正器转动使偏心钻头张开，使扩孔钻头及中心钻头跟随导正器旋转，钻出大于套管外径的孔，使套管在自重作用下随钻头跟进。当自重小于套筒

外壁的摩擦阻力时，内层跟管钻具继续向前破碎岩石，直至导正器上的凸肩与套管靴的凸肩接触，导正器将部分钻压和冲击波传递给套管靴，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进。导正器及导向钻头中心开有吹岩屑的气孔，周边开有排除岩屑的气槽。压缩空气经冲击器做功后经导正器及中心钻头到达孔底，冲刷岩屑、冷却钻头并携带岩屑经中心钻头及导正器的气槽进入冲击器、钻杆与套筒之间的环状空间排除孔外。待钻至地层预定深度或基岩时，钻具慢速反向旋转，使扩孔钻头收回从而将钻具提出孔外，而套管则留在地层中保护孔壁。

3 工程概况

台山公屋项目位于澳门青州大马路附近，设计建筑面积约49,481.51平方米，由一幢32层塔楼、3层裙楼及3层地下室组成。基础桩为Φ610mm预钻孔工字钢水泥浆灌注桩，设计桩数262根，设计钻孔桩需入基岩3.5m/5.5m。

根据现场地质勘探报告，该工程场地为第四系冲积层地质，地质情况如表1所示。

表1：地图分布表(平均值)

鉴于该项目地质为第四系冲积层，土层松软、松散、水位高、成孔深度大，普通钻孔方法难以满足施工需要，拟采用工艺成熟且适合第四系地质条件的潜孔锤跟管钻进技术进行成孔。

4 设备选型，

4.1根据本项目设计桩径、桩长及地质情况等条件，选用英国宝乐公司生产的Hyper N180型潜孔冲击器并配备宝乐CDS-560R型跟管钻头(钻具收敛时直径为560mm，扩孔钻具张开时直径为640mm见图1)进行跟管成孔作业，使用Φ610x10mm钢套管护壁；入岩时更换宝乐BBF180型凿岩钻头进行岩层钻进。

图1：CDS-560R跟管钻头

按照跟管钻具正常工作时对扭矩、转数、风量、风压及钻压等参数的要求，钻机采用日车Model No. DH70型钻机；空压机采用阿特拉斯Atlas Copco XAHS 456静音型，三台一组为潜孔锤提供空气动力，以适应不同土层及深度的钻孔动力要求。

根据桩基施工工期及钻孔灌注桩施工工艺要求，主要施工机械设备配备数量如表2所示：

表2：主要施工机械设备清单

4.2合理选择钻进技术参数，在钻孔过程中，钻进技术参数的选择是一个关键问题，参数的合理与否直接影响钻进效率及经济效益。钻进参数主要包括风压、风量、钻压及转数等，应根据以下原则进行确定。

风量：根据钻杆与套管内壁之间的环状间隙面积及排渣最低上返风速确定。

风压：潜孔锤的冲击频率与冲击功与风压密切相关，一般情况下钻速与风压成正比。除考虑正常工作所需的风压外，还需考虑孔内沿程压降及克服地下水的水柱压力的风压损失。

钻压：从潜孔锤的工作原理来看，其主要是通过冲击及切削作用进行钻进，钻压应根据所选潜孔锤的设计参数进行选定。

转数：按照潜孔锤的冲击频率及岩石的性质来确定，以使切削钻具在最优冲击间隔的条件下工作。

5 施工流程

测量定位—桩基就位—吊装套管—钻孔—清空—钻机移位/吊装工字钢—吊装导管—水下灌注水泥浆—起拔套筒

6 施工方法

6.1钻孔施工前的准备工作

6.1.1首先清除桩位位置地表上下方的障碍物，同时对地表进行处理，必要时以碎石回填并压实。

6.1.2.由测量人员使用全站仪等测量设备根据施工图纸定出桩位，放置套管定位装置并对桩位进行复测确保定位准确。

6.1.3.桩机就位并安置在坚固的地面或铁板上，以保证钻孔过程中桩机的稳定。

6.2钻孔施工

首先吊装套管并放入定位装置中，并用钻机上的夹具固定，套管底端离地面约30厘米，以便钻孔时跟管钻具的扩孔钻头能够张开进行钻孔。然后将跟管钻具系统吊入套管内，调整桩机使驱动马达中心对准桩孔中心位置，并用水平尺等仪器检查套管的垂直度使其符合规范要求。

钻孔时，先开动钻机动力头，潜孔锤随钻机钻杆同步旋转使扩孔钻头张开，然后开动空压机进行冲击钻孔。开孔时要采取慢速冲击防止偏孔。

在钻进过程中要根据地质情况随时调整机械及设备的各项参数，以确保钻孔时能够经济有效的进行。并每钻进三米就检查一次套管的垂直度，确保不超出规范要求。

钻进过程中通过不断向孔内注入清水以稳定孔内压力并作为冲刷及排出岩屑的介质；同时对钻头进行冷却，并避免石粉飘扬污染空气。孔内的废水由空压机提供的高压空气通过钻杆与套管之间的环状空隙排除孔外，经集水井排至沉淀池待净化后循环使用。

随时注意观察从孔内排出的岩屑，根据岩屑判断是否已经钻进至基岩。当已钻至基岩面时应继续向下钻进，使套管底端嵌入基岩约0.5米，以避免清孔时高压空气冲刷土层及岩层交界面上的土块致使其塌落进入孔内，使清孔工作难以彻底完成。然后反向旋转钻头使扩孔钻头收回，将整个冲击器及跟管钻具提出，然后更换普通凿岩钻头进行岩层钻孔，与跟管钻具相比，凿岩钻头的钻进速度是跟管钻具的四倍左右。

待钻进至设计要求的嵌岩深度后，收集岩石样本留存。随后利用压缩空气进行清孔并同步将清水注入套管内，维持筒内水位高于地下水位约1米以稳定桩孔内外压力，防止套管上浮。清孔时间应不少于15分钟，完成后将钻孔设备提出孔外，钻机移位进行下一个桩孔的施工。同时切割套管并使其顶端至少高出地面约0.5米，防止地面上的废渣及污水进入孔内。