沖擊鉆在84m深孔樁應(yīng)用

謝韜,張?zhí)靷?何奎

（1中交二航局第二工程有限公司 重慶 4000142重慶市建筑科學(xué)研究院監(jiān)理公司 重慶 400015）

1 前言

橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,跨徑越來(lái)越大,橋面設(shè)計(jì)越來(lái)越寬,樁基也越來(lái)越長(zhǎng)。在以往的施工中,嵌巖樁基都較短,所以沖擊鉆成為首選成孔設(shè)備,另外,費(fèi)用較低也是沖擊鉆成為首選成孔設(shè)備的原因之一。隨著橋梁建設(shè)的進(jìn)步與發(fā)展,沖擊鉆也在與時(shí)俱進(jìn),鉆機(jī)和清空設(shè)備也在不斷改進(jìn)。

2 工程實(shí)例

某橋梁工程主橋?yàn)楠?dú)塔單索面斜拉橋,主橋長(zhǎng)272m,橋面寬42.9m。樁基礎(chǔ)采用16根Ф2.2m樁基,樁基為嵌巖樁,嵌入微風(fēng)化花崗巖4.4m。樁底高程為-74.5m,鋼平臺(tái)高程為+9.2m,護(hù)筒頂高程為+9.5 m,孔深84m。根據(jù)有關(guān)施工手冊(cè)介紹,沖擊鉆適用于孔深小于50m的樁,孔深超過(guò)50m的宜選用反循環(huán)回旋鉆。但是地勘資料顯示微風(fēng)化花崗巖抗壓強(qiáng)度高達(dá)100MPa,用回旋鉆機(jī)將十分困難。通過(guò)比較分析后,最終決定采用沖擊鉆成孔。

3 鉆機(jī)比較

反循環(huán)回旋鉆：適用于粘性土、砂土、卵石粒徑小于鉆桿內(nèi)徑2/3、含量少于20%的碎石土和軟巖。缺點(diǎn)：要造漿護(hù)壁,易成斜孔,巖石地質(zhì)鉆進(jìn)速度慢,成孔造價(jià)是沖擊鉆的兩倍多,鋼平臺(tái)要求承載力高（本工程擬投入液壓反循環(huán)鉆機(jī)約100t）。優(yōu)點(diǎn)：在非巖石層成孔速度快,掉錘和卡錘幾率小。

沖擊鉆：適用于各類土層。缺點(diǎn):有噪音,鋼繩易斷,易卡錘、掉錘和埋錘,深孔循環(huán)清渣慢。優(yōu)點(diǎn)：孔直,護(hù)壁好,鋼平臺(tái)承載力要求低（鉆機(jī)不超過(guò)30T）,鉆機(jī)配件少，易維修,成孔造價(jià)低。

通過(guò)以上兩種鉆機(jī)比較,雖然兩種鉆機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn),但沖擊鉆的優(yōu)勢(shì)更為明顯,因沖擊鉆適合各類土層,成為常規(guī)樁基施工的首選設(shè)備,而且成孔護(hù)壁好不易塌孔,不但鋼平臺(tái)可少用鋼材,鉆機(jī)用電比較少,設(shè)備調(diào)遷費(fèi)也比反循環(huán)回旋鉆便宜（回旋鉆因組件多、大,調(diào)遷需裝三車,沖擊鉆調(diào)遷僅裝一車）。經(jīng)分析,只要采取措施解決了卡錘、斷鋼繩和深孔清渣三大難題后,采用沖擊鉆成孔不但成孔質(zhì)量好,而且成孔造價(jià)較低。

4 深孔采用沖擊鉆成孔難的原因

4.1 沖擊鉆成孔過(guò)程中斷鋼繩

沖擊鉆的工作原理是通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)將沖擊錘提到一定高度后松開(kāi)自由落下?lián)舸蚩椎?孔底受到?jīng)_擊錘反復(fù)無(wú)數(shù)次的錘擊,被擊碎的巖土顆粒在重錘擾動(dòng)和泥漿泵的沖動(dòng)下懸浮上升到孔口。每提錘一次鋼繩都承受一次張力,鋼繩長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)次的受力會(huì)疲勞斷絲,由于鋼繩被一層潤(rùn)滑油包裹斷絲不易發(fā)現(xiàn),如果斷絲到一定數(shù)量后繼續(xù)作業(yè),鋼繩就會(huì)斷,特別是深孔在成孔中時(shí)有發(fā)生。

4.2 粘錘

鉆機(jī)成孔中進(jìn)尺到塑性粘土層,特別是沖擊錘拉起的高度又較大時(shí),下落的沖擊錘就特別容易被土層粘牢,就像一個(gè)拳頭打進(jìn)糯米團(tuán)中,造成粘錘。粘錘后如處理方法不當(dāng),易斷鋼繩、掉錘。

4.3 梅花孔

在成孔過(guò)程中,如果泥漿太濃,由于種種原因孔底沉渣太多、太厚,沖擊錘拉起的高度又較小時(shí),沖擊錘在拉高時(shí)鋼繩不旋轉(zhuǎn),如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí),沖錘的“五條腿”在同一個(gè)位置反復(fù)沖擊,形成的沖孔不是圓孔而是梅花形孔。梅花孔多在夜間由于檢查不及時(shí)造成,由于梅花孔的沖錘阻力大,如果處理不及時(shí)易斷鋼繩、粘錘、掉錘甚至埋錘。

4.4 卡錘

沖擊鉆在成孔過(guò)程中對(duì)錘牙的磨損是很大的,特別是沖擊卵石層和堅(jiān)固的微風(fēng)化巖石層。錘牙磨損后需及時(shí)加邊處理或更換錘牙,如若不然,錘體磨損成孔孔徑不滿足要求,所以沖錘必須修理。深樁成孔需更換一次或兩次錘牙和多次加邊。沖錘修理方法有更換錘牙、加邊或更換沖錘。在進(jìn)入巖層后無(wú)論采用那一種方式,如處理不當(dāng),修理后的沖錘僅比孔徑大1cm也會(huì)卡錘。

另外,還有兩種卡錘情況,一是樁位經(jīng)過(guò)較厚的粘土層或強(qiáng)風(fēng)化層地質(zhì)（土層中有軟塑土）,如果沖錘穿過(guò)太快又沒(méi)有及時(shí)修孔壁,孔縮徑后卡鉆。二是沖錘落錘太猛,使鉆頭傾斜卡在孔壁上。

4.5 清孔

沖擊鉆清孔傳統(tǒng)施工方法是換漿清孔,具體方法是成孔后提高沖錘或?qū)_錘提出孔,清理干凈循環(huán)池內(nèi)的沉渣和砂,將泥漿管沉入距孔底10cm循環(huán)。把孔內(nèi)流出的泥漿過(guò)濾,沉渣和砂清理出池,留下泥漿循環(huán)使用,在留下的泥漿中加入清水稀釋,再將稀釋后的泥漿泵入孔內(nèi),如此反復(fù)數(shù)十次,目的是將孔內(nèi)的懸浮鉆渣和砂換出,達(dá)到清孔后泥漿指標(biāo)。

由于孔較深,如果加水太快,壓入孔內(nèi)的泥漿相對(duì)密度太小,懸浮鉆渣就不易浮不起,沉淀到孔底；如果加水太少,清孔時(shí)間太久,長(zhǎng)時(shí)間清孔可能會(huì)縮徑甚至塌孔,導(dǎo)致成孔不能滿足要求。

5 深孔采用沖擊鉆成孔的保障措施

5.1 沖擊鉆在成孔過(guò)程中鋼繩防斷措施

由于鋼繩被一層潤(rùn)滑油包裹斷絲不易發(fā)現(xiàn),如果斷絲到一定數(shù)量后還繼續(xù)作業(yè)鋼繩將斷,特別是在深孔中時(shí)有發(fā)生。

防止斷繩措施一：購(gòu)買鋼繩須選用正規(guī)廠生產(chǎn)的合格產(chǎn)品,因?yàn)榕f鋼繩表面是褐色潤(rùn)滑油,斷絲情況不易發(fā)現(xiàn),而新鋼繩表面為透明潤(rùn)滑油。

防止斷繩措施二：成一個(gè)孔使用三根鋼繩,成孔約40m后換一條鋼繩,成孔約60m后再換一條鋼繩,能夠有效的減少鋼繩損傷。

防止斷繩措施三：鉆機(jī)常用規(guī)格Ф30mm鋼繩,為了確保安全,改用Ф32mm的鋼繩。

防止斷繩措施四：勤檢查,要求至少6個(gè)小時(shí)提錘檢查一次,提錘時(shí)用清水洗凈鋼繩仔細(xì)檢查,發(fā)現(xiàn)斷絲立即更換。特別要仔細(xì)檢查錘銷處繩卡和鋼繩,防止錘銷處鋼繩斷。另外,鉆機(jī)的天輪和地輪勤涂潤(rùn)滑油,減少摩擦力,能很好地保護(hù)鋼繩。

5.2 防粘錘措施

鉆機(jī)沖錘進(jìn)尺到較厚的粘土層（或較厚的強(qiáng)風(fēng)化層）易粘錘,防止措施一：根據(jù)地勘資料,進(jìn)入粘錘層時(shí)及時(shí)拋填少量片石,防止粘錘措施效果明顯。操作方法是在孔旁準(zhǔn)備1～2m3的片石,沖錘進(jìn)入粘土層前20cm開(kāi)始拋填少量片石 （片石粒徑15～40不等,每次約0.2m3,如果拋填太多會(huì)影響進(jìn)度）。進(jìn)入粘土層后,拉錘負(fù)荷明顯加大,再次拋少量片石,如此反復(fù)進(jìn)行直至穿過(guò)粘土層。防止措施二：減少?zèng)_錘提起高度,沖錘高度控制在1～1.5m,適當(dāng)降低泥漿相對(duì)密度,泥漿相對(duì)密度調(diào)至1.1～1.15。

5.3 防梅花孔措施

梅花孔形成的原因是沖錘在沖孔過(guò)程中不旋轉(zhuǎn),由于種種原因（例如：泥漿泵未開(kāi)起、換漿不及時(shí)、循環(huán)池泥漿沉淀太多等等）,泥漿相對(duì)密度太大導(dǎo)致泥漿糊沖錘,防止措施就是多觀察,勤檢查,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改。觀察沖錘是否被泥漿糊裹,最佳方法是觀察沖錘提離孔底約30～50cm時(shí)鋼繩是否旋轉(zhuǎn),如果不旋轉(zhuǎn)估計(jì)就糊錘了。如果旋轉(zhuǎn)很慢,要立即降低泥漿相對(duì)密度和循環(huán)池清渣,觀察泥漿泵是否正常泵漿；觀察振動(dòng)篩電機(jī)是否正常工作或篩網(wǎng)是否破損；檢查循環(huán)池沉淀是否太厚；檢查泥漿相對(duì)密度是否超出規(guī)范要求需要換漿。

5.4 防卡錘措施

防卡錘措施一:堅(jiān)持每個(gè)臺(tái)班兩次提錘檢查,既能及時(shí)發(fā)現(xiàn)縮孔,又能檢查錘牙、錘銷及鋼繩。如發(fā)現(xiàn)提錘中阻力很大（是沖孔縮徑）,須立即加圈修孔（可用粗鋼筋或鋼板加工成圓弧型,焊接錘腿中間錘牙上10cm左右）,如果在縮徑的孔中沖孔斷繩、卡錘、埋錘等都有可能發(fā)生。修孔時(shí)將泥漿適當(dāng)調(diào)濃,提錘高度宜控制在1m左右,拉錘動(dòng)作不宜太猛（防止打空錘）。

防卡錘措施二:沖錘進(jìn)入中微風(fēng)化巖后,每次提錘須檢查錘徑,如果磨損嚴(yán)重須及時(shí)加邊,確?？讖綕M足設(shè)計(jì)要求。如果加邊不及時(shí),沖錘進(jìn)入到弱風(fēng)化或微風(fēng)化后再加邊就會(huì)卡錘。加邊的原則是及早少量的加邊,加邊塊厚約1cm,錘腿加邊宜分三次。

防卡錘措施三:部分工程基巖強(qiáng)度高（本工程基巖花崗巖達(dá)100～120MPa）,沖錘錘牙磨損快,成孔一根樁需更換1～2次錘牙或更換沖錘。焊錘牙時(shí)須確保錘徑不變大,還要防止錘牙焊接成一個(gè)橢圓,否則就會(huì)卡錘。如果是換錘,沖錘直徑須比原來(lái)的沖錘小1～2cm,否則也會(huì)卡錘。

5.5 清孔

因樁孔太深,循環(huán)池?fù)粕臣忧逅姆椒ú豢尚?所以采用沙石分離機(jī)和空壓機(jī)配合的反循環(huán)清孔。選用設(shè)備是75kW的沙石分離機(jī),泥漿導(dǎo)管選用Ф168無(wú)縫鋼管,空壓機(jī)規(guī)格宜選用排氣量13m3/min、排氣壓力0.7MPa。以上設(shè)備規(guī)格不能小,特別是泥漿管只能大不能小,否則清孔時(shí)間將大大延長(zhǎng)。要求鉆機(jī)操作員不能使用小泥漿管（直徑64mm）循環(huán),即使采用沙石分離機(jī)和空壓機(jī),因泥漿管小也會(huì)導(dǎo)致施工進(jìn)尺慢、成孔難和清孔慢。風(fēng)管進(jìn)口安裝在泥漿管底口上15～18m。

第一次清孔：開(kāi)始清孔時(shí)送風(fēng)量不宜過(guò)大,送風(fēng)量約為6m3/min較適宜,當(dāng)看見(jiàn)沙石分離機(jī)出水兩分鐘后逐漸加大送風(fēng)量,如果剛開(kāi)始就送風(fēng)太猛易堵管。開(kāi)始清孔時(shí),泥漿管埋入沉淀的深度30～40cm比較適宜,如果泥漿管埋入沉淀2～3m空氣吸泥是吸不了,泥漿管底口應(yīng)隨著沉淀減少而降低。第一次清孔泥漿的含沙量宜降到0.5～1%。泥漿相對(duì)密度宜1.14～1.16（孔太深,下放鋼筋籠時(shí)間較長(zhǎng),如果一清滿足規(guī)范要求易塌孔）,其余各清孔指標(biāo)均需滿足規(guī)范要求。一清用時(shí)約6～8h。

第二次清孔：鋼筋籠安裝完成后進(jìn)行。為了保證孔底沉淀厚度滿足規(guī)范,除了加清水降低泥漿相對(duì)密度外,泥漿管懸空高度宜5～10cm,用吊鉤吊起泥漿管先吸孔中心,再沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)清理一周,確保將鋼筋籠外側(cè)無(wú)沉淀。二清用時(shí)約4h。

6 其它

孔徑Ф2.2m的鉆機(jī)宜使用8t卷?yè)P(yáng)機(jī)和原裝錘。因?yàn)槭褂?t卷?yè)P(yáng)機(jī)易粘錘,使用10t卷?yè)P(yáng)機(jī)沖錘提升太慢,成孔時(shí)間較長(zhǎng)。選用原裝錘不但能減少焊錘時(shí)間,而且沖擊較硬的巖石更有保障。

如果樁底嵌入巖石強(qiáng)度110MPa以上,不宜選用沖擊鉆,如果強(qiáng)行施工,后果是由于巖石硬度大,錘牙磨損大,2～3天就磨損完,而且?guī)缀鯖](méi)有進(jìn)尺,甚至錘體會(huì)擊破開(kāi)裂。

如果鋼繩突然斷開(kāi)沖錘掉入孔內(nèi),處理要快,換繩要及時(shí),須在2小時(shí)內(nèi)完成,并采用50t或65t吊車配合起吊。

每天須檢查鉆機(jī)定位情況,成孔中如果鉆機(jī)位移,沖錘未出護(hù)筒易漏漿,沖錘在巖層中落錘極易卡錘。鉆機(jī)位移樁孔就不直,鋼筋籠下放易卡在孔中,成孔就不滿足規(guī)范要求。防止措施是固定鉆機(jī)行走系統(tǒng),勤觀察孔口鋼繩是否居中,發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)移位及時(shí)整改。

7 結(jié)束語(yǔ)

沖擊鉆機(jī)應(yīng)用在80m以上的深孔樁極少,但只要采取了相應(yīng)的防范措施,沖擊鉆機(jī)在大直徑超深度樁基施工中是可以完成成孔的。該工程運(yùn)用的措施和方法如下：

(1)采用優(yōu)質(zhì)Ф32mm的鋼繩,并備用兩條,堅(jiān)持每班檢查兩次鋼繩、繩卡和錘銷,并保持天輪和地輪的潤(rùn)滑,能有效地防止鋼繩斷開(kāi)。

(2)沖錘穿過(guò)粘土層或強(qiáng)風(fēng)化層時(shí),向孔內(nèi)拋填少量片石、降低提錘高度和適當(dāng)降低泥漿相對(duì)密度等方法能有效地防止粘錘。

(3)觀察泥漿泵、振動(dòng)篩是否正常工作,篩網(wǎng)是否破損,檢查循環(huán)池沉淀是否太厚、泥漿相對(duì)密度是否超標(biāo)等措施能有效地防止成梅花孔。

(4)控制提落錘速度、及時(shí)修孔、及時(shí)多次進(jìn)行加邊焊錘、換錘嚴(yán)格控制錘徑等措施能有效地防止卡錘。

(5)清孔采用沙石分離機(jī)配合排氣量13m3/min的空壓機(jī)進(jìn)行,孔底干凈清孔效率高。

實(shí)踐證明,通過(guò)上述針對(duì)性成孔措施,只要在施工中加強(qiáng)管理,提高防范意識(shí),對(duì)施工中的方案、設(shè)備、人員和繩具進(jìn)行嚴(yán)格的控制,能夠保證樁基質(zhì)量,成功地應(yīng)用沖擊鉆在84m深孔樁施工。

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