大直徑貫通式風(fēng)動潛孔錘在破碎復(fù)雜地層中的應(yīng)用研究

何龍飛

（中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063）

破碎復(fù)雜地層大直徑鉆孔技術(shù)是國內(nèi)外鉆孔工程界極為關(guān)注和竭力研究的難題之一。卵礫石地層為外力地質(zhì)作用行成的復(fù)雜破碎地層，沉積層一般都含有粘土、流沙、卵石、礫石、漂石，由于此類地層具有碎塊狀巖石的大小不均、膠結(jié)性差、結(jié)構(gòu)松散、換層頻繁、軟硬懸殊、顆粒級配懸殊等特點(diǎn)，所以在鉆進(jìn)中碎塊不能穩(wěn)定受力，容易發(fā)生滾動，產(chǎn)生多個切削面，使得破碎效率降低，鉆具磨損嚴(yán)重，容易出現(xiàn)塌孔、掉塊和卡鉆等事故。SH25H液壓風(fēng)動沖擊鉆機(jī)是國內(nèi)最新研制的針對中硬以上巖層為主的，多工藝新型樁基礎(chǔ)施工設(shè)備，在卵礫石地層大口徑樁成孔工程中，本工程采用貫通式氣動潛孔錘與泥漿濕式護(hù)壁，泥漿正循環(huán)排渣組合鉆進(jìn)工藝，取得了顯著的成果。

1 工程概況

本試驗(yàn)依托項(xiàng)目為安康線二線灞河鐵路橋承臺樁孔工程，施工地為西安市灞橋鎮(zhèn)灞河河道內(nèi)。河道內(nèi)均勻分布11個承臺，每個承臺5個樁孔。鉆孔技術(shù)參數(shù)為：樁徑1200mm，設(shè)計(jì)樁長為30.5～40m不等，混凝土強(qiáng)度等級為C35，共計(jì)55根。施工技術(shù)要求為：鉆孔垂直偏差＜1%；樁徑允許偏差±20mm；樁位偏差±50mm；孔深偏差+300mm。

2 工程地質(zhì)情況

2.1 自然條件

試驗(yàn)場地位于西安市灞橋區(qū)灞橋鎮(zhèn)灞河橋附近隴海線鐵路橋附近，交通發(fā)達(dá)，地形基本平坦，地面標(biāo)高約43m，施工期間灞河干涸無地表水。地下水位約12m。

2.2 地層情況

根據(jù)搜集該地區(qū)地勘報告，該區(qū)域地層分布如下：第①層（0～2m）：雜填土；

第②層（2～4m）：鋼筋混凝土層，厚度不均；

第③層（4～45m）：砂卵礫石地層，卵石含量約60%，粒徑多為50～100mm，個別為150～400mm，局部有孤石（勘察發(fā)現(xiàn)最大直徑為500mm），砂含量10%～20%，局部有架空層，礫卵石成分為花崗巖，全層厚約41m。

3 施工方案

在西安工地采用的施工工藝為泥漿正循環(huán)（如圖1）。泥漿從鉆桿內(nèi)置泥漿管到達(dá)鉆頭底部并攜帶巖粉從潛孔錘與鉆孔孔壁環(huán)狀間隙上返，實(shí)現(xiàn)泥漿正循環(huán)。采用BW850型泥漿泵供給泥漿，通過鉆桿內(nèi)部的通道，在經(jīng)過短接桿后到潛孔錘中心通道到鉆頭底部，通過鉆頭底部6個開口流出，從而沖刷破碎巖石以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)及排渣。采用內(nèi)通膠管式四層鉆桿。長度12m，外層鉆桿外徑為Φ406mm。

圖1 鉆探施工方案Fig.1 The drilling construction scheme

4 主要設(shè)備組成

鉆機(jī)：SH25H液壓風(fēng)動沖擊鉆機(jī)；鉆桿：內(nèi)置膠管可伸縮摩阻式鉆桿；短接桿：內(nèi)置交錯式短接桿；空壓機(jī)：兩臺外接Airman空壓機(jī)容積流量為20m3/min，公稱排氣壓力為1.25MPa；泥漿泵：三臺BW850型泥漿泵：理論流量850L/min；Φ1200mm硬質(zhì)合金球齒鉆頭；FC15型沖擊器：Φ705mm×1963mm，沖擊功3000～12000J，沖擊頻率250～450次/min，耗風(fēng)量20～60m3/min，工作風(fēng)壓0.5～0.8MPa。如圖2。

圖2 鉆探主要設(shè)備Fig.2 The drilling main equipments

5 試驗(yàn)過程

5.1 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

（1）鉆壓及最有轉(zhuǎn)速

鉆壓靠鉆具自重施加。硬合金潛孔錘回轉(zhuǎn)僅是為改變切削刃破巖的位置，若轉(zhuǎn)速過慢，切削刃將打入先前的坑穴中使鉆頭回轉(zhuǎn)受阻。若轉(zhuǎn)速過快，會導(dǎo)致切削刃過早磨損。所以，轉(zhuǎn)速是否合理將直接影響鉆速和鉆頭壽命。合理轉(zhuǎn)速主要據(jù)最優(yōu)沖擊間隔來確定。

以“合理沖擊間隔”確定最優(yōu)轉(zhuǎn)速[1：]，式中δ－破碎穴的直徑大?。ㄅc沖擊功、巖石性質(zhì)、柱齒直徑等相關(guān)），此公式還可轉(zhuǎn)換為： 單位（r/min），其中k－破碎穴直徑與合金柱齒直徑之比，d－合金柱齒直徑，D－鉆頭直徑（1200mm），f－沖擊頻率，取450次/min。

（2）風(fēng)壓

孔沖擊器的沖擊頻率和沖擊功都與空氣壓力有關(guān)，空氣壓力是決定沖擊功的重要因素，因而也是影響機(jī)械鉆速的主要參數(shù)，從國內(nèi)外大量資料證料，機(jī)械鉆速的提高和空氣壓力的提高是成正比關(guān)系。本次采用泥漿正循環(huán)工藝，兩臺外接空壓機(jī)并聯(lián)提供潛孔錘正常工作壓力，一臺車載式空壓機(jī)提供內(nèi)置保壓裝置風(fēng)壓。排氣不經(jīng)過孔底，驅(qū)動潛孔錘工作后，通過短接頭上返排出。

總耗風(fēng)量維持在20～60m3/min，工作風(fēng)壓0.5～0.8MPa。

（3）排渣方式及泥漿泵量計(jì)算

采用泥漿正循環(huán)排渣方式。泥漿通過一臺BW850型泥漿泵將泥漿通過泥漿管、鉆桿內(nèi)泥漿管、短接頭送入潛孔錘中通道后從鉆頭底部六個通道排出，冷卻鉆頭，攜帶巖屑通過環(huán)狀間隙上返排出孔外。泥漿泵量可根據(jù)以下公式[2]進(jìn)行計(jì)算：

其中Vmin：鉆孔內(nèi)液流上升最小速度m/s；

df：巖屑直徑（球狀m），取破碎后卵石巖屑直徑約6mm；

γf：巖屑密度，取2.3；

γ1：泥漿密度：取1.2。

計(jì)算得出Vmin=0.42m/s。因?yàn)殂@桿與鉆孔壁環(huán)狀間隙面積約為1m2，固所需流量Q=0.42m3/s=2520L/min。固需要三臺850L/min泥漿泵并聯(lián)使用能滿足泥漿量要求。

5.2 鉆進(jìn)成孔

本次試驗(yàn)采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)成孔工藝，鉆進(jìn)時壓縮空氣驅(qū)動潛孔錘工作，對巖石實(shí)施沖擊回轉(zhuǎn)碎巖鉆進(jìn)[3]。大直徑潛孔錘產(chǎn)生的巨大沖擊能量使巖石破碎充分，鉆頭每顆球齒下的巖石產(chǎn)生體積破碎[4]，尾氣通過回氣管通過短接頭上返排出，泥漿通過泥漿管、潛孔錘中心通道、鉆頭水口到達(dá)鉆頭底部，攜帶巖屑沿著鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返，部分細(xì)小的巖屑由泥漿直接帶出孔外,顆粒較大的巖屑則重新沉到孔底進(jìn)行多次破碎，最終形成細(xì)小巖屑上返。

為防止泥漿沿鉆頭與潛孔錘聯(lián)接處內(nèi)外花鍵間隙滲入沖擊器內(nèi)部，采用內(nèi)保壓裝置（如圖3所示），保壓裝置由車載空壓機(jī)供氣。

5.3 試驗(yàn)效果

施工過程中主要是先把上層（2～4m深度）厚度2～4m的鋼筋混泥土層打穿。該段的鉆進(jìn)效率約1.2m/h。在這層混泥土層下是砂卵石層，通過對開始30個樁孔成孔鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)，鉆進(jìn)效率達(dá)到1.5m/h，但考慮到進(jìn)尺太快，巖屑來不及排出可能形成埋鉆事故，故在后期施工時，鉆進(jìn)效率控制在1m/h左右。

圖3 內(nèi)保壓裝置Fig.3 Internal pressure maintaining device

通過對泥漿上返攜帶出孔口巖屑觀察，鉆進(jìn)砂卵礫石層排出巖屑從形態(tài)特征及分布規(guī)律上符合Gandin-Schuhmann分布和Rosin-Rammler分布，其中巖屑顆粒更貼近于G-S分布[5]。從粒度角度來看，大于5mm的顆粒占總質(zhì)量的80%，呈“瓜子片”狀（如圖4所示）。表明潛孔錘球齒破碎巖石以體積破碎為主，重復(fù)破碎較少。

圖4 砂卵礫石地層巖屑(a)與鋼筋混凝土層巖屑(b)Fig.4 Sand gravel formation cuttings (a) and reinforced concrete layer cuttings (b)

5.4 主要存在問題

本工程在成功將大直徑貫通式氣動潛孔錘結(jié)合泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝應(yīng)用到砂卵礫石地層鉆進(jìn)中，實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量成孔的同時，也存在著幾個主要問題：

（1）鉆進(jìn)在使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)在全開高壓狀態(tài)下，潛孔錘停跳，同時與鉆桿連接段進(jìn)氣管表面起泡（如圖5所示）。對拆下來的膠管進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，膠管破壞處內(nèi)外層分離，并且內(nèi)層扭在一起堵塞膠管通道。后針對膠管工況主要承受拉力及扭轉(zhuǎn)剪切力。膠管廠家對膠管進(jìn)行改進(jìn)，通過加強(qiáng)及改進(jìn)膠管內(nèi)部鏈接形式，成功解決了該問題。

（2）泥漿泵使用中出現(xiàn)活塞環(huán)（皮碗）磨損嚴(yán)重，分析原因?yàn)槟酀{中的含沙量較大，沒有經(jīng)過過濾環(huán)節(jié)，直接吸入泥漿泵導(dǎo)致密封皮碗磨損。

（3）本工程由于使用新的潛孔錘，施工前期，經(jīng)常出現(xiàn)潛孔錘無法跳動的情況，后再加大供氣量并且在進(jìn)氣管處加入潤滑油，加強(qiáng)內(nèi)部活塞的潤滑。經(jīng)過幾天磨合后潛孔錘工作正常。

（4）當(dāng)鉆進(jìn)至40m以下深度時，普遍出現(xiàn)返漿效率下降現(xiàn)象。由于泥漿泵泵量限制，排渣效果隨鉆進(jìn)深度增加明顯降低，觀察孔口返渣，顆粒較淺孔時變細(xì)，重復(fù)破碎加劇，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)埋鉆現(xiàn)象。

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)證明：

（1）應(yīng)用SH25H型液壓風(fēng)動沖擊鉆機(jī)、采用FC15F型大直徑貫通式潛孔錘組合泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，同時采用水下自平衡防滲系統(tǒng)。在破碎復(fù)雜地層（砂卵礫石）地層大口徑嵌巖灌注樁成孔施工中實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)，效率可達(dá)1.00m/h，較傳統(tǒng)CK1500型沖擊鉆機(jī)及普通旋挖鉆機(jī)大大提升了成樁效率及質(zhì)量。

（2）由于采用泥漿護(hù)壁,避免了沖洗液對孔壁的沖蝕，減少了塌孔事故。

（3）由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝的“小壓力、慢轉(zhuǎn)速”和泥漿正循環(huán)的護(hù)壁作用,使鉆孔的垂直度提高,鉆孔垂直偏差≤1%。

（4）鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙過大，降低了巖屑上返流速，加重孔底重復(fù)破碎。

（6）本工程遇到最大的技術(shù)難題是孔內(nèi)巖渣屑難以排除，因泥漿泵提供泵量在孔深較深時難以維持巖屑較高的上返速度，造成巖渣屑滯留孔底，重復(fù)破碎，加劇鉆頭磨損，影響鉆進(jìn)效率。更為嚴(yán)重的是，潛孔錘鉆速高，產(chǎn)生的巖渣屑粒徑大，孔內(nèi)堆積厚度大，極易發(fā)生埋鉆、卡鉆事故。強(qiáng)力回轉(zhuǎn)、起拔鉆具又易造成鉆具折斷。為避免孔內(nèi)巖渣屑堆積，建議在潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)中增加撈渣工序，即鉆進(jìn)幾米后，采用撈渣工具撈取孔內(nèi)巖渣屑。

本論文為大直徑鉆孔破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)提供了一種新的高效高質(zhì)量的新方法，對提高我國大直徑鉆孔水平具有重要意義,必將有廣闊的市場前景。