沖擊反循環(huán)鉆機(jī)在大直徑鉆孔樁施工中的應(yīng)用分析

潘劍峰

（中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司，湖北 武漢 430050）

GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)是國(guó)內(nèi)最新的大口徑液壓沖擊氣舉反循環(huán)鉆機(jī)，主要應(yīng)用于深基礎(chǔ)工程大口徑鉆孔灌注樁施工。該機(jī)可適用于各種地層，特別是在卵礫石層和巖石中較其他類(lèi)鉆機(jī)有更高的鉆進(jìn)效率和成孔質(zhì)量。

1 工作原理

GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)工作原理是通過(guò)鉆機(jī)上同步卷筒出來(lái)的兩根受力相等的正反轉(zhuǎn)鋼絲繩，經(jīng)鉆塔上安裝的第一定滑輪導(dǎo)向，將一定質(zhì)量的沖擊鉆頭提升一定高度，讓其對(duì)巖石進(jìn)行較高頻率并具有周期性的沖擊，造成巖石的脆性破碎出現(xiàn)崩離體，然后利用在兩根主鋼絲繩間放置的由副卷?yè)P(yáng)機(jī)提引的反循環(huán)排渣管，在第一時(shí)間將鉆渣排出孔外，從而獲得進(jìn)尺。

2 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

2.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)由機(jī)架、卷?yè)P(yáng)機(jī)、可轉(zhuǎn)動(dòng)的凸輪、可上下活動(dòng)的張力輪、緩沖機(jī)構(gòu)、操作臺(tái)、排渣管、鋼絲繩以及鉆頭等部件組成。

2.2 鉆機(jī)參數(shù)

GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)主要性能參數(shù)如表1 所示。由表1 可知該鉆機(jī)液壓及機(jī)械傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、性能穩(wěn)定、功率消耗小、維修便利、安全標(biāo)準(zhǔn)化通用程度高。

表1 GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)主要性能參數(shù)

3 氣舉反循環(huán)鉆機(jī)施工的優(yōu)點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

烏龍江特大橋巖層主要為凝灰?guī)r，全風(fēng)化凝灰?guī)r設(shè)計(jì)承載力為220kPa，強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r設(shè)計(jì)承載力為450kPa，弱風(fēng)化凝灰?guī)r設(shè)計(jì)承載力為800kPa，花崗巖及輝綠巖的設(shè)計(jì)承載力為1000kPa，樁基設(shè)計(jì)直徑2.5m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)38m。為了更加形象地展示鉆進(jìn)效率的差別，總結(jié)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)施工中兩種鉆機(jī)鉆孔所需時(shí)間如表2、表3 所示。這兩根樁基總結(jié)對(duì)于相應(yīng)鉆機(jī)鉆進(jìn)均具有代表性，非偶然或特殊選擇。

表2 反循環(huán)鉆機(jī)各工序時(shí)間

表3 沖擊鉆機(jī)各工序時(shí)間

在烏龍江特大橋?qū)嶋H現(xiàn)場(chǎng)施工中，將該GDHJCJF-6000 型鉆機(jī)與同時(shí)使用的沖擊鉆機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比，總結(jié)出以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

3.1 鉆進(jìn)效率高

烏龍江特大橋現(xiàn)場(chǎng)沖擊鉆機(jī)采用10t 沖擊鉆頭，沖擊反循環(huán)鉆機(jī)采用18t 沖擊鉆頭，其攜帶鉆頭重量為傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)的1.8 倍，再加上其獨(dú)特的反循環(huán)排渣工藝能讓沖擊鉆頭更充分、持續(xù)地?fù)舸虻叫迈r巖石面。同時(shí)該鉆機(jī)沖擊鉆頭耐磨牙數(shù)量多、材質(zhì)堅(jiān)硬、分布位置合理，鉆頭加焊次數(shù)少、工序與工序之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間減少。鉆機(jī)機(jī)架上安裝有第一定滑輪，在鉆進(jìn)時(shí)鋼絲繩位于張力輪和鉆頭之間的部分繞過(guò)第一定滑輪的上方。該設(shè)計(jì)巧妙地把拉力變?yōu)闈L動(dòng)力，進(jìn)而大大提高了鉆孔灌注樁施工所需的強(qiáng)大沖擊力。并且該鉆機(jī)每分鐘可沖擊巖石32 次，而傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)正常沖擊頻率為13 ～15 次，其沖擊頻率為傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)的兩倍以上。

根據(jù)表2、表3 可發(fā)現(xiàn)：沖擊反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)間為194h；沖擊鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)間為722h。沖擊反循環(huán)鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度為普通沖擊鉆機(jī)的3.7 倍。

3.2 成樁質(zhì)量高

相比于傳統(tǒng)鉆機(jī)的鉆頭用一根鋼絲繩固定，其改良為兩根鋼絲繩固定，極大地提高了成孔的垂直度、減少了沖孔擴(kuò)孔率，有效地杜絕了偏孔、斜孔、梅花樁等成樁問(wèn)題。

其持續(xù)的反循環(huán)抽渣工藝使得終孔時(shí)孔底成渣、泥漿比重、含砂率更易達(dá)到封孔標(biāo)準(zhǔn)，成樁質(zhì)量更高，二次清孔速度更快，進(jìn)而減少清孔時(shí)塌孔的概率，使成樁過(guò)程更安全。

獨(dú)特的鉆頭設(shè)計(jì)在巖層對(duì)樁間土有一定的擠密作用，降低塌孔率，減少擴(kuò)孔率，并且能夠一定程度提升樁的承載力，從最底層加強(qiáng)了橋梁的穩(wěn)定性和質(zhì)量安全，如圖1 所示。

圖1 沖擊反循環(huán)成孔樁基成孔檢測(cè)儀檢測(cè)孔型

3.3 移位、運(yùn)輸方便，操作簡(jiǎn)單

鉆機(jī)配有液壓步履，液壓步履和鉆機(jī)可一體運(yùn)輸，在施工現(xiàn)場(chǎng)方便移位及過(guò)程定位調(diào)整。鉆塔同樣采用液壓的方式起落，平穩(wěn)、安全、安裝方便。

鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖擊，開(kāi)啟自動(dòng)沖擊時(shí)，操作人員即可離開(kāi)操作室，巡視鉆機(jī)情況。并且在自動(dòng)沖擊的過(guò)程中，卷?yè)P(yáng)機(jī)會(huì)根據(jù)鉆頭的進(jìn)尺情況適當(dāng)調(diào)整放繩，避免打“空錘”的現(xiàn)象，合理地利用鉆進(jìn)時(shí)間，有效地提升了鉆進(jìn)效率。也可選擇手動(dòng)控制，根據(jù)實(shí)際情況靈活控制鉆機(jī)工作。自動(dòng)沖擊和手動(dòng)沖擊可任意選擇，沖程、沖次可以有級(jí)調(diào)整，能適應(yīng)各種施工要求。

3.4 故障率更低

鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)，鋼絲繩、彈簧等主要工作部件磨損，損耗較少；鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)、液、電一體化，采用了6 片高速離合控制進(jìn)行制動(dòng)并配置過(guò)載保護(hù)，全方位的保護(hù)機(jī)械運(yùn)行，降低故障發(fā)生概率。

從表2、表3 中可發(fā)現(xiàn)沖擊反循環(huán)鉆鉆機(jī)修理時(shí)間為43h，占比為15.26%；普通沖擊鉆機(jī)修理時(shí)間為242h，占比為20.9%，明顯沖擊反循環(huán)鉆機(jī)故障率更低。

3.5 分級(jí)跟進(jìn)，破巖能力強(qiáng)

鉆機(jī)鉆頭采用層級(jí)式鉆頭進(jìn)行分級(jí)跟進(jìn)，鉆頭形式如圖2 所示。鉆頭采用四級(jí)分層，從鉆頭底部往上直徑逐級(jí)增加，分別為0.5m、1m、1.7m、2.5m（為現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)，層數(shù)、直徑均可調(diào)整）。傳統(tǒng)的分級(jí)跟進(jìn)為先用小直徑鉆頭鉆進(jìn)，再將鉆頭換成直徑較大的鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)而逐步增加鉆頭直徑，直至設(shè)計(jì)樁徑為止。傳統(tǒng)方法耗時(shí)長(zhǎng)、工序繁雜，極不利于現(xiàn)場(chǎng)施工。但是該鉆機(jī)一個(gè)鉆頭既可形成多個(gè)層次的破碎面，除去了繁雜的工序轉(zhuǎn)換，將分級(jí)跟進(jìn)落到實(shí)處，充分地利用到巖石抗剪強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)，極大地增強(qiáng)了破巖能力。

圖2 GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)分級(jí)式鉆頭外形圖

4 施工中的效果及評(píng)價(jià)

由于新建福廈鐵路烏龍江特大橋水中主墩地質(zhì)巖石過(guò)于堅(jiān)硬，之前使用的傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)不能很好地滿(mǎn)足鉆進(jìn)需求，嚴(yán)重影響了工程的進(jìn)展，不采取解決辦法工期將嚴(yán)重滯后。該單位應(yīng)業(yè)主對(duì)于工期風(fēng)險(xiǎn)管理的要求，引進(jìn)了三臺(tái)氣舉式?jīng)_擊反循環(huán)鉆機(jī)。在之后的施工使用中發(fā)現(xiàn)，其對(duì)樁基硬巖的破碎效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)，鉆進(jìn)效率比傳統(tǒng)鉆機(jī)更高，有效地緩解了工期滯后的危機(jī)；其設(shè)計(jì)工藝技術(shù)性能和技術(shù)參數(shù)基本趨于正常，未出現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題而引發(fā)的鉆機(jī)維修。但該鉆機(jī)對(duì)鉆機(jī)操作人員的技術(shù)要求更高，對(duì)場(chǎng)地的穩(wěn)定性要求比沖擊鉆機(jī)大。

由于其沖擊效率比沖擊鉆機(jī)高，可鉆進(jìn)巖石強(qiáng)度比沖擊鉆機(jī)大，對(duì)于場(chǎng)地要求比旋挖鉆、回旋鉆更低，故其比其他鉆機(jī)更適合于巖石堅(jiān)硬并且為水上平臺(tái)或者施工面積較小的環(huán)境。