深厚松散填石邊坡偏心潛孔錘及全套管跟管成錨綜合施工技術(shù)

李 凱，雷 斌

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518063)

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用[1-5]。在深厚松散填石高邊坡上進(jìn)行錨索鉆進(jìn)施工時(shí)，主要遇到履帶式錨索鉆機(jī)自重大，普通腳手架作業(yè)平臺難以滿足作業(yè)需求；同時(shí)，填石分布多、塊度大、硬度高，普通的錨索鉆機(jī)成孔破巖效率低、鉆進(jìn)速度慢、綜合成本高；另外，鉆進(jìn)時(shí)邊坡的松散填土易發(fā)生塌孔，造成成孔困難，極大地影響成孔和錨體質(zhì)量。

針對施工空間狹小、腳手架上作業(yè)的環(huán)境限制，以及填石鉆進(jìn)困難、填土易塌孔等地質(zhì)條件影響，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目組對深厚松散填石高邊坡錨索鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，通過現(xiàn)場工藝試驗(yàn)、優(yōu)化，形成了松散填石邊坡錨索偏心潛孔錘全套管跟管成錨綜合施工技術(shù)，此工藝選擇輕便型錨固鉆機(jī)以適應(yīng)狹小的工作平臺，采用偏心潛孔錘鉆進(jìn)破巖，利用跟管管靴專利技術(shù)實(shí)施全套管同步跟管護(hù)壁鉆進(jìn)，在注漿后使用專用拔管機(jī)拔除套管；該工藝充分發(fā)揮了風(fēng)動潛孔錘的破巖效率與排渣功能，并在深厚松散填石地層鉆進(jìn)時(shí)同步采用全套管跟進(jìn)護(hù)壁成孔，大大提高了成孔效率和錨體質(zhì)量，取得了滿意的施工效果。

近年來，對于數(shù)個(gè)填石邊坡支護(hù)工程，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔施工過程中，針對經(jīng)常出現(xiàn)的填石地層鉆進(jìn)困難、易塌孔等問題，結(jié)合設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場施工條件，通過實(shí)際工程的摸索、研究實(shí)踐，在傳統(tǒng)輕型鉆機(jī)不跟管施工的基礎(chǔ)上，采用偏心潛孔錘擴(kuò)孔鉆進(jìn)及跟管管靴實(shí)現(xiàn)全套管護(hù)壁施工，避免了鉆進(jìn)過程中塌孔，施工高效經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量可靠，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

鹽田區(qū)資源化利用環(huán)境園工程位于深圳市鹽田區(qū)鹽田坳，其北側(cè)為橫鹽公路，二者高差8～14m，涉及本項(xiàng)目邊坡長約96m，坡腳與在建環(huán)境園工程最小距離<4m。路堤邊坡下部采用漿砌石擋墻支擋，墻高6～8m。該路堤邊坡主要由開山填石、松散填土構(gòu)成，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在現(xiàn)狀擋土墻段采用錨索+格構(gòu)梁+擋板支護(hù)。錨索成孔直徑150mm，錨孔方向與水平面夾角為25°，最大設(shè)計(jì)孔深為28m。

1.2 現(xiàn)場施工情況

在進(jìn)行下部擋土墻預(yù)應(yīng)力錨索施工時(shí)，首先需破除外部砌石擋墻，然后再進(jìn)行鉆進(jìn)施工。由于本項(xiàng)目施工區(qū)域狹小，邊坡較高，需搭設(shè)腳手架施工，不適合履帶式錨索鉆機(jī)進(jìn)入，且一般的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)不適合填石邊坡鉆進(jìn)，而勘察鉆機(jī)鉆探孔徑、深度均不滿足施工要求，且面對松散填石邊坡不能進(jìn)行跟管鉆進(jìn)，難以保證成孔質(zhì)量和施工效率。項(xiàng)目部經(jīng)過綜合考慮，選擇CSMG40型錨固鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，并采用本工藝技術(shù)，有效解決了施工技術(shù)難題，保證了鉆進(jìn)效率和成孔質(zhì)量，形成了完備、可靠、成熟的施工方法。

2 深厚松散填石邊坡偏心潛孔錘及全套管跟管成錨綜合施工工藝

2.1 適用范圍

1)適用于施工場地狹小、在普通腳手架平臺上實(shí)施的高邊坡錨孔鉆進(jìn)施工。

2)適用于穿越砌石擋墻、松散填石或硬巖地層的錨孔鉆進(jìn)施工。

3)適用于鉆孔深度≤40m(跟管套管長度≤40m)、孔徑≤300mm的錨孔施工。

2.2 工藝原理

本技術(shù)針對松散填石邊坡錨索采用偏心潛孔錘全套管跟管成錨綜合施工技術(shù)，其施工關(guān)鍵技術(shù)主要包括3部分：①填石層潛孔錘破巖鉆進(jìn)技術(shù)；②松散填土層全套管跟管鉆進(jìn)技術(shù)；③跟管套管拔除技術(shù)。

2.2.1填石層潛孔錘破巖鉆進(jìn)技術(shù)

潛孔錘是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，利用潛孔錘對鉆頭的往復(fù)沖擊作用，以達(dá)到破巖目的；通過鉆機(jī)和鉆桿的回轉(zhuǎn)驅(qū)動，形成對巖石的連續(xù)破碎，被破碎的巖屑隨潛孔錘高風(fēng)壓攜帶出孔；潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，由于沖擊頻率高(可達(dá)60Hz)、沖程低，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隙中上升過程中不易形成堵塞，整體工作效率高，經(jīng)常用于硬巖地層鉆進(jìn)[6-7]。

本技術(shù)采用與錨孔直徑相匹配的普通潛孔錘鉆頭進(jìn)行擋墻破除，隨后換用偏心潛孔錘鉆頭(見圖1)進(jìn)行填石層全套管跟管鉆進(jìn)，發(fā)揮了潛孔錘在硬巖中鉆進(jìn)的優(yōu)勢，獲得了良好鉆進(jìn)效果。

圖1 普通潛孔錘鉆頭與偏心潛孔錘鉆頭

2.2.2松散填土層全套管跟管鉆進(jìn)技術(shù)

在采用普通潛孔錘破除擋墻后，為防止松散填土地層鉆進(jìn)過程中塌孔，保證錨索成孔和注漿效果，本技術(shù)采用偏心潛孔錘全套管跟管鉆進(jìn)成孔，通過錘體的偏心旋轉(zhuǎn)，在護(hù)壁套管前鉆出大于套管外徑的孔，為套管跟進(jìn)提供了空間。

套管跟管鉆進(jìn)通過專門設(shè)計(jì)的管靴凸出結(jié)構(gòu)，與偏心潛孔錘鉆頭的凸出結(jié)構(gòu)相配合來實(shí)現(xiàn)。跟管套管外徑與管靴一致，之間通過絲扣連接合為一體，偏心潛孔錘鉆進(jìn)過程中，通過鉆頭上的凸出結(jié)構(gòu)向管靴的凸出結(jié)構(gòu)傳遞沖擊力，使鉆頭在鉆進(jìn)過程中保持管靴同步，從而實(shí)現(xiàn)全套管與偏心潛孔錘同步跟管鉆進(jìn)。

管靴結(jié)構(gòu)如圖2所示，跟管原理如圖3所示。

圖2 管靴

圖3 全套管跟管原理示意

2.2.3跟管套管拔除技術(shù)

當(dāng)跟管鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，將偏心潛孔錘反轉(zhuǎn)收攏，使偏心潛孔錘的外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，從而取出偏心潛孔錘鉆頭，跟管套管則留在錨孔內(nèi)護(hù)壁；待安放錨索、一次注漿完成后，采用專用拔管機(jī)拔除跟管套管。

拔管采用專門的拔管機(jī)完成，拔管過程由液壓泵提供動力驅(qū)動拔管機(jī)實(shí)現(xiàn)。拔管機(jī)由拔管油缸、底座、卡座、卡瓦等部件組成，具體如圖4所示。

圖4 跟管套管拔管原理

拔管時(shí)用卡瓦將待拔套管夾持固定在拔管機(jī)卡座上，將底座支承于砌石擋墻或其他固定物上提供反力，利用液壓泵為拔管油缸提供動力，油缸通過活塞桿推動抱緊套管的卡座向外運(yùn)動，從而將套管拔出；拔出一段套管后，液壓泵提供反向壓力使活塞桿反向運(yùn)動(收縮)，卡瓦自動脫落，重復(fù)拔管過程，直至該錨孔的套管完全拔出。

2.3 工藝流程

松散填石邊坡錨索偏心潛孔錘全套管跟管成錨綜合施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程

2.4 操作要點(diǎn)

1)預(yù)應(yīng)力錨索孔定位 ①依照施工圖要求，測放出錨索孔位，做出明顯標(biāo)記；②遇坡面不平順或特殊困難場地時(shí)，經(jīng)設(shè)計(jì)監(jiān)理單位確認(rèn)，在確保坡體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全的前提下，適當(dāng)放寬定位精度或調(diào)整錨孔定位；③錨索孔測量定位后報(bào)監(jiān)理工程師復(fù)核。

2)搭設(shè)腳手架與工作平臺 ①根據(jù)工程現(xiàn)場條件及設(shè)計(jì)要求，沿坡面搭設(shè)配合高邊坡支護(hù)施工的腳手架操作平臺，如圖6所示；②采用的腳手架鋼管尺寸、腳手架間距(本項(xiàng)目中采用雙排落地式扣件φ48×3鋼管，立桿縱距2m、橫距2.2m、步距2m)滿足鉆機(jī)、拔管機(jī)和人員操作所需的強(qiáng)度與作業(yè)面空間要求；③工作平臺滿鋪模板，模板與腳手架用鐵絲綁扎牢固，具體如圖7所示；④腳手架外側(cè)搭設(shè)防護(hù)欄桿，采用密目式安全網(wǎng)做全封閉，不留空隙；⑤搭設(shè)施工人員上下的鋼管腳手架人行爬梯。

圖6 腳手架搭設(shè)

圖7 工作平臺搭設(shè)

3)潛孔錘鉆機(jī)就位 ①選用CSMG40型錨固鉆機(jī)，鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)為：鉆孔直徑90～160mm，碎擊方式為沖擊回轉(zhuǎn)式，最大鉆孔深度60m，鉆桿規(guī)格為φ1 500×76，φ1 500×89，動力頭最大輸出轉(zhuǎn)速為80r/min，動力頭最大行程1 800mm，電動機(jī)功率15kW，鉆機(jī)總重900kg，鉆機(jī)外形尺寸為2 800mm×800mm×1 400mm，液壓泵站外形尺寸為1 400mm×730mm×1 200mm。②為確保錨索的施工角度，安裝時(shí)鉆機(jī)底座固定于利用腳手架鋼管和扣件搭設(shè)的固定架上，固定架初始傾斜角度與錨孔設(shè)計(jì)傾角(本項(xiàng)目錨孔傾角為25°)相一致。③在工作平面上部腳手架尚未拆除時(shí)，鉆機(jī)通過懸掛在工作平臺上方的數(shù)個(gè)起吊能力為2t的手拉葫蘆和人工配合進(jìn)行起吊移位；若上部腳手架已拆除完畢，則利用塔式起重機(jī)吊裝及人工輔助的方式移位。起吊移位過程中保持鉆機(jī)平穩(wěn)，控制鉆機(jī)下放速度。④調(diào)整導(dǎo)桿或立軸與鉆桿傾角一致，使鉆桿對準(zhǔn)孔位，方位和傾角符合設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，將鉆機(jī)用緊固件固定在腳手架工作平臺上，安裝穩(wěn)固，連接牢靠。

4)擋墻潛孔錘破除 ①擋墻破除采用普通潛孔錘，錘頭外徑146mm，與錨孔設(shè)計(jì)直徑(150mm)相匹配；②將潛孔錘錘頭置于鉆機(jī)導(dǎo)向架內(nèi)，啟動空壓機(jī)開始鉆進(jìn)，巖屑、灰塵由孔口排出；③潛孔錘鉆進(jìn)高壓空氣由KSDY-15/17型空壓機(jī)提供。該型號空壓機(jī)排氣壓力為1.7MPa，排氣量為17m3/min。

5)填石地層偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn) ①擋土墻鉆穿后，將普通潛孔錘及鉆桿退出，然后進(jìn)行偏心潛孔錘跟管鉆具安裝。②本工程使用外徑146mm的套管進(jìn)行跟管鉆進(jìn)，管靴外徑與套管外徑一致，選擇的偏心鉆頭擴(kuò)孔直徑為163mm。③在第1節(jié)套管前端安裝管靴，管靴與套管端部通過絲扣連接，如圖8所示。④將首節(jié)前端裝有管靴的套管放入孔內(nèi)，然后將第1節(jié)裝有潛孔錘偏心鉆頭的鉆桿從尾部伸進(jìn)首節(jié)套管，確保鉆頭的凸出結(jié)構(gòu)與管靴的凸出結(jié)構(gòu)配合。⑤錨孔鉆進(jìn)采用機(jī)械干成孔，鉆進(jìn)過程中遵循“小鉆壓、低轉(zhuǎn)速、短回次、多排粉”原則，發(fā)現(xiàn)有突進(jìn)、卡鉆現(xiàn)象，查明原因，排除故障后繼續(xù)施工。⑥鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)鉆桿抖動、滯轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)，使鉆具稍微回撤，再緩慢向前鉆進(jìn)，以較低鉆壓通過該區(qū)；發(fā)現(xiàn)孔口不返氣、進(jìn)尺緩慢時(shí)，使鉆具往復(fù)移動碎巖和吹孔，保持孔內(nèi)順暢。⑦鉆進(jìn)過程中，如發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)氣壓急劇上升或下降，立即回鉆檢查，排除故障；停風(fēng)時(shí)緩慢關(guān)閉送風(fēng)閥，不可突然中斷供風(fēng)，防止?jié)摽族N倒吸巖粉造成通道堵塞。⑧鉆進(jìn)時(shí)邊回轉(zhuǎn)邊給壓向前鉆進(jìn)，當(dāng)鉆具接近孔底時(shí)，控制壓力、放慢鉆進(jìn)速度。⑨每完成1根鉆桿(套管與鉆桿等長)的鉆進(jìn)深度，則進(jìn)行加接鉆桿及套管；接長時(shí)，鉆桿及套管用扳手?jǐn)Q緊連接絲扣，防止在鉆進(jìn)或拔除過程中脫落。⑩鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)，先將孔底殘?jiān)当M，緩慢提升；當(dāng)偏心鉆頭被巖渣卡住無法收攏時(shí)，開動空壓機(jī)重新清孔，并使?jié)摽族N短時(shí)間工作后試提，反復(fù)嘗試直至鉆具提出。

圖8 套管前端安裝管靴

6)預(yù)應(yīng)力錨索制作與安放 ①單根錨索最大長度28m，鋼絞線按長度采用砂輪切割機(jī)下料。②錨索按要求放置支撐環(huán)，并用細(xì)鐵絲綁扎固定，注漿管與鋼絞線一起編入索體。③本工程為永久性邊坡支護(hù)，錨索安放前進(jìn)行防腐蝕處理，在錨索自由段鋼絞線除銹后涂防銹漆2遍，然后外套PVC軟管，軟管內(nèi)注油脂充填，外繞扎工程膠布。④安放錨索體前核對錨孔編號，確認(rèn)無誤后下放錨索。⑤由于腳手架空間有限、錨索較長，采用多人抬放錨索，緩慢均勻推入套管內(nèi)；錨索穿進(jìn)孔內(nèi)時(shí)，保持索體平順不扭絞，同時(shí)避免支撐環(huán)脫落；下放至設(shè)計(jì)孔深，孔口按要求預(yù)留一定的張拉長度。⑥錨索安裝完畢后，對外露鋼絞線進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)。

7)拌制水泥漿 ①注漿材料采用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥凈漿，水灰比為0.4～0.5，按規(guī)定配合比稱量材料，水泥采用袋裝標(biāo)準(zhǔn)稱量法，水采用體積換算質(zhì)量稱量法；②使用JW900型灰漿攪拌機(jī)，其攪拌量為900L，轉(zhuǎn)速為54r/min。按配合比先將計(jì)量好的水加入攪拌機(jī)，再將袋裝水泥倒入，攪拌均勻，攪拌時(shí)間≥3min。

8)套管內(nèi)一次常壓注漿 ①后臺水泥漿制備完成后，即在套管內(nèi)進(jìn)行一次注漿。②用膠管從注漿泵出漿口連接孔口注漿管，控制后臺與注漿孔位的距離≤50m。③注漿前，檢查制漿設(shè)備電源線路、注漿泵活塞、壓力表等是否正常，檢查送漿及注漿管路連接是否暢通；檢查合格后，開啟注漿泵，將水泥漿注入孔內(nèi)，一次注漿采用常壓注漿。④當(dāng)孔口溢出漿液濃度與注入漿液濃度一致時(shí)停止注漿。

9)拔除套管 ①一次注漿完成后，采用ZSB-80型專用拔管機(jī)拔除跟管套管，拔管機(jī)最大拔管直徑為168mm，最大拔管深度為60m，額定起拔力為800kN；②拔管機(jī)安裝時(shí)，先使孔口部位平整，使孔口巖面與套管軸線垂直，用手拉葫蘆輔助定位，拔管機(jī)通孔中心線與套管軸線重合，以防套管因受力不均而斷裂；③拔管前，使液壓油缸的活塞桿處于壓縮位置，通過卡瓦將套管夾持在卡座上，人工鐵錘敲擊使卡瓦將套管緊固在卡座上；④拔管機(jī)由專人操作控制臺作業(yè)，采用液壓千斤頂緩慢頂升，保持頂力均勻；拔出1節(jié)套管后，由油泵提供反向壓力，使活塞桿收縮，卡瓦自動松開，再將拔出的套管卸下；重復(fù)拔管過程，直至該段套管完全拔出。

10)二次高壓注漿 ①錨孔一次注漿完成、拔除套管，孔內(nèi)水泥漿養(yǎng)護(hù)4～6h后，對孔內(nèi)進(jìn)行二次高壓注漿。②二次注漿過程中，保持連續(xù)注漿；當(dāng)遇松散填石層快速漏漿時(shí)，則采用間歇停泵2h后再行注漿，反復(fù)循環(huán)直至壓力滿足設(shè)計(jì)要求。

11)張拉鎖定、封錨 ①待注漿體的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上或灌漿28d后，對錨索進(jìn)行張拉及鎖定；②錨索采取分步張拉，分5級按設(shè)計(jì)荷載的25%，50%，75%，100%，110%進(jìn)行施拉，每次持荷時(shí)間2～5min，最后一級持荷穩(wěn)定觀測10min后按設(shè)計(jì)要求鎖定；③鎖定后48h內(nèi)未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，即可進(jìn)行封錨。

2.5 施工工藝特點(diǎn)

1)破巖效率高 采用潛孔錘鉆進(jìn)，對填石進(jìn)行高頻往復(fù)沖擊，破巖效率高，并由高風(fēng)壓攜帶鉆渣出孔，避免重復(fù)破碎，鉆進(jìn)速度快，大大提高施工工效。

2)錨固質(zhì)量好 采用偏心潛孔錘全套管護(hù)壁鉆進(jìn)施工，在提升破巖效率的同時(shí)，有效防止了松散填土成孔過程中的塌孔，并在一次注漿后拔除護(hù)壁套管，確保了成孔和錨固體質(zhì)量。

3)操作簡便 采用輕型錨固鉆機(jī)施工，可在通常的腳手架平臺上作業(yè)，只需將鉆機(jī)在工作平臺上簡單固定，在傳統(tǒng)施工成孔工藝基礎(chǔ)上使用潛孔錘鉆進(jìn)，并在套管端部增加管靴，操作簡便；同時(shí)，采用專用的拔管機(jī)液壓操作，套管拔管速度快。

4) 綜合成本低 對施工平臺要求低，且鉆進(jìn)效率高，施工工期大大縮短，總體綜合施工成本低。

3 結(jié)語

松散填石邊坡錨索偏心潛孔錘全套管跟管成錨綜合施工技術(shù)在施工效率、成本控制上都突顯出優(yōu)越性，解決了狹小施工空間松散填石高邊坡鉆進(jìn)困難、易塌孔的關(guān)鍵技術(shù)難題，提供了一種錨索潛孔錘全套管跟管鉆進(jìn)技術(shù)，充分發(fā)揮了潛孔錘的破巖效率與排渣功能，大大提高了成孔效率與成孔質(zhì)量，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。