潛孔錘孔內(nèi)掉鉆活動式卡銷打撈施工技術(shù)

尚增弟，雷 斌，童 心

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518063)

0 引言

灌注樁采用潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，以空氣壓縮機(jī)提供的高風(fēng)壓作為動力，高風(fēng)壓經(jīng)風(fēng)管、鉆桿內(nèi)腔進(jìn)入潛孔錘沖擊器，驅(qū)動潛孔錘鉆頭高速往復(fù)沖擊作業(yè)，破碎的渣土、巖屑隨潛孔錘鉆桿與孔壁之間的空隙由高風(fēng)壓攜帶排出至地面。

潛孔錘沖擊器與鉆桿通過六方接頭連接，六方接頭由六方方頭和六方方孔及其上連接的2根插銷組成。六方方頭的上、下2個(gè)銷孔位于正六面體的1組對稱面上，插銷通過六方方孔的孔洞插入固定于六方方頭的銷孔內(nèi)，如圖1所示。在潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，尤其在深厚硬巖地層中，由于沖擊鉆進(jìn)時(shí)間長，鉆鑿伴隨著劇烈的高頻振動，易發(fā)生固定插銷疲勞折斷的情況，或由于插銷固定操作不規(guī)范導(dǎo)致松動脫落問題，使六方方頭與六方方孔連接失效，造成鉆具孔內(nèi)掉落事故，如圖2所示。

圖2 潛孔錘鉆具孔內(nèi)掉落示意

近年來，我司相繼承接完成了數(shù)個(gè)采用潛孔錘施工的地基基礎(chǔ)工程，針對打撈掉落潛孔錘鉆具的難題，結(jié)合項(xiàng)目地層條件、樁基設(shè)計(jì)要求和施工情況，通過現(xiàn)場摸索探究實(shí)踐，研究發(fā)明了一種以活動式卡銷代替固定插銷送入孔內(nèi)將潛孔錘鉆具卡緊實(shí)現(xiàn)打撈的施工方法，經(jīng)過一系列現(xiàn)場試驗(yàn)、工藝完善及研究總結(jié)、參數(shù)優(yōu)化，最終形成了系統(tǒng)的潛孔錘鉆具活動式卡銷打撈裝置和對應(yīng)的施工技術(shù)，制定了標(biāo)準(zhǔn)的工藝流程、操作要點(diǎn)和系統(tǒng)的質(zhì)量、安全、環(huán)保措施，取得了顯著的應(yīng)用成效，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)快速、安全可靠、降低事故處理成本的目標(biāo)，達(dá)到預(yù)期效果。

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

某項(xiàng)目位于廣東省珠海市高欄港經(jīng)濟(jì)開放區(qū)，占地面積約144萬m2，工程樁基設(shè)計(jì)為鉆(沖)孔灌注樁，樁身直徑550mm，樁端持力層為入中風(fēng)化花崗巖或微風(fēng)化花崗巖≥1 500mm，平均樁長約26.5m，最大樁長達(dá)45m。單樁豎向承載力特征值預(yù)估為4 200kN，單樁水平承載力特征值預(yù)估為100kN。樁基采用全護(hù)筒跟管鉆進(jìn)工藝，開動2臺潛孔錘樁機(jī)引孔施工。

1.2 現(xiàn)場施工情況

某工程樁潛孔錘引孔施工時(shí)出現(xiàn)掉鉆事故，通過現(xiàn)場測量探明，潛孔錘鉆具底部位于地下深度26.4m，施工項(xiàng)目部提出采用自主研發(fā)的潛孔錘孔內(nèi)掉鉆活動式卡銷打撈施工技術(shù)進(jìn)行處理，得到了建設(shè)、監(jiān)理單位的同意，本技術(shù)高效便捷地完成了事故處理，花費(fèi)成本共計(jì)5萬元，延后工期2天，未對項(xiàng)目施工進(jìn)展造成較大影響，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 潛孔錘孔內(nèi)掉鉆活動式卡銷打撈施工工藝

2.1 適用范圍

該工藝適用于采用潛孔錘施工時(shí)鉆具掉落孔內(nèi)的打撈處理情況。

2.2 工藝原理

2.2.1打撈器設(shè)計(jì)技術(shù)路線

1)以活動式卡銷代替固定插銷

由于潛孔錘鉆具掉落是固定插銷失效引起，設(shè)想重新將插銷歸位即可把孔內(nèi)鉆具打撈出孔，基于此，設(shè)置一種新型卡銷，其作用與原來的2根插銷作用一致，區(qū)別僅在于插銷是潛孔錘入孔前由人工插入，而卡銷則需通過一定路徑導(dǎo)入銷孔實(shí)現(xiàn)歸位。

設(shè)計(jì)將安裝有卡銷的六方方孔下放入孔，嘗試與掉鉆的六方方頭進(jìn)行對接，如圖3a所示；當(dāng)卡銷進(jìn)入到六方方頭原固定插銷的卡槽內(nèi)時(shí)，六方方孔對六方方頭實(shí)現(xiàn)捕捉，如圖3b所示；2根卡銷歸位后的模擬如圖4所示。

圖3 使用卡銷代替插銷設(shè)想示意

圖4 使用卡銷代替插銷設(shè)想模擬

經(jīng)上述分析，得出結(jié)論：利用活動式卡銷代替原固定插銷，歸位后將掉落的潛孔錘鉆具卡緊從而實(shí)現(xiàn)打撈出孔。

2)卡銷歸位行程路徑分析

從上述分析可知，打撈器與掉落鉆具的六方方頭的對接，關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)卡銷歸位緊固。因此，卡銷的對接歸位設(shè)計(jì)成為打撈器研發(fā)的重點(diǎn)。

在卡銷位于銷孔正上方的理想情況下，由于卡銷相對于六方方頭凸出半徑長度，當(dāng)卡銷下落觸碰到方頭時(shí)需開啟相對于方頭外擴(kuò)的運(yùn)動方可繼續(xù)沿著方頭外壁向下運(yùn)動，直至行于銷孔位置時(shí)，卡銷須自動落入銷槽內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)卡銷歸位?；诖耍鄬τ谠诳變?nèi)固定不動的掉落潛孔錘鉆具而言，卡銷的歸位行程從底部表現(xiàn)由小至大的運(yùn)行軌跡，如圖5所示。

圖5 卡銷相對于掉落鉆具的運(yùn)行軌跡(尺寸比例經(jīng)過變形處理)

經(jīng)上述分析，得出結(jié)論：下入孔內(nèi)的打撈卡銷是可移動的，其行程從底部表現(xiàn)由小至大的運(yùn)行軌跡。

3)卡銷精準(zhǔn)捕捉

實(shí)際潛孔錘鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，只要保持有1根固定插銷有效連接便能將鉆具提起，如圖6所示?；诖?，只需成功將1根卡銷置入銷孔即可。

圖6 1根插銷有效連接即可提起鉆具

在理想狀態(tài)下的卡銷對接和歸位過程中，擬置入的2根卡銷均能抵達(dá)掉落鉆具的銷孔內(nèi)，如圖7a所示；也可能出現(xiàn)其中一根卡銷就位、另一根卡銷未能抵達(dá)銷孔的情況，如圖7b所示。以上兩種情況均可滿足鉆具打撈出孔的條件。

圖7 兩種情況下卡銷與銷孔對接示意

上述設(shè)想為僅當(dāng)卡銷與其中1個(gè)銷孔正對時(shí)方可實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際掉落的鉆具無法肉眼可見，難以像在地面上將卡銷直接對準(zhǔn)置入銷孔，因此需進(jìn)一步解決卡銷精準(zhǔn)捕捉的問題。

由于六方方頭的兩個(gè)對稱面上設(shè)置有上、下各1個(gè)銷孔，且在任意銷孔捕捉到1根卡銷即可提起鉆具的技術(shù)思路下，對應(yīng)六方方頭的六邊形間隔各設(shè)置1根卡銷，形成“三卡銷”組合，將此組合與六方方孔相結(jié)合下入到孔內(nèi)與掉鉆的六方方頭進(jìn)行對接，則只要六方方孔能恰好套住六方方頭，即可實(shí)現(xiàn)六方方頭的6個(gè)邊與六方方孔的6個(gè)邊一一對應(yīng)，再緩慢下放六方方孔，必然使有且只有1根卡銷置入銷孔內(nèi)，這樣就解決了卡銷精準(zhǔn)捕捉的問題，如圖8,9所示。

圖8 沿六方方孔隔邊布置卡銷示意

經(jīng)上述分析，得出結(jié)論：“三卡銷”組合與六方方孔相結(jié)合入孔打撈并完成與六方方頭的順利對接，即可實(shí)現(xiàn)1根卡銷落入銷孔將掉落潛孔錘鉆具卡緊，從而打撈出孔。

圖9 “三卡銷”組合歸位示意

4)卡銷精確固定

由于掉落鉆具上方連接的六方方頭呈正六邊形，所設(shè)想的3根卡銷應(yīng)準(zhǔn)確分布在正六邊形的3條邊上，保證3根卡銷與銷孔能恰好對接插入，則卡銷位置應(yīng)與銷孔位置平齊對正。因此，還需設(shè)計(jì)一種裝置將卡銷固定，使卡銷精準(zhǔn)地固定在其原有位置上，不因與六方方頭對接接觸而產(chǎn)生偏差，保證卡銷與銷孔的位置和方向完全一致。

綜合前述分析，得出結(jié)論：設(shè)置的3根卡銷分別位于與掉落鉆具六方方頭一致的六方方孔的3條邊上，置于1個(gè)可移動的受控裝置中，其行程從底部表現(xiàn)由小至大的運(yùn)行軌跡。

5)打撈完成后卡銷的解除

掉落的鉆頭是通過卡銷將其固定從而實(shí)現(xiàn)打撈出孔，如果試圖松脫，則需要解除卡銷與銷孔脫離?；诖耍O(shè)計(jì)通過打撈器筒身上的圓孔插入撬桿，將卡銷向遠(yuǎn)離六方方頭的方向壓縮，使其脫離銷孔，因此卡銷的位置移動需要具有一定的彈性，擬設(shè)計(jì)1個(gè)內(nèi)置彈簧的導(dǎo)向裝置，則卡銷受彈簧控制，可輕易地使六方方頭與六方方孔連接失效，從而完成掉落鉆具與打撈器的分離。

綜合前述分析，得出結(jié)論：設(shè)置的3根卡銷應(yīng)置于1個(gè)可移動的、內(nèi)置導(dǎo)向彈簧的裝置中，在彈簧彈力的作用下，卡銷行程從底部表現(xiàn)由小至大的運(yùn)行軌跡，同時(shí)在完成打撈后可方便快速地實(shí)現(xiàn)解除分離。

2.2.2打撈器結(jié)構(gòu)

基于上述技術(shù)路線的設(shè)想和綜合分析，設(shè)計(jì)出一種以活動式卡銷代替固定插銷的潛孔錘鉆具打撈器，并形成相應(yīng)的打撈施工技術(shù)。打撈器結(jié)構(gòu)由鉆桿連接頭、筒身、捕獲器3個(gè)部分組成，如圖10所示。

圖10 打撈器實(shí)物

1)連接頭

打撈器頂部是1個(gè)六方連接頭，起到連接打撈器和鉆機(jī)鉆桿的作用，使打撈器可以借助鉆機(jī)下入至樁孔內(nèi)部進(jìn)行打撈作業(yè)，如圖11所示。

圖11 打撈器頂部連接頭

2)筒身

作為中介連接頂部連接頭與底部捕獲器，整體與掉落的鉆具對接；對打撈器內(nèi)部設(shè)置的卡銷進(jìn)行約束和定位；打撈出掉落鉆具后，通過筒身上的解鎖孔將卡銷從銷孔中脫出，以此卸除打撈出的鉆具。

筒身為圓柱狀，是打撈器的連接部分，如圖12所示；筒身直徑比掉落鉆具直徑保持一致或略小100mm；在筒身處卡銷的正上方離筒底約100mm位置處，開設(shè)3個(gè)φ100mm圓形解鎖孔，打撈完成后通過解鎖孔解除打撈器與鉆具間的連接；筒身的最小長度以能容納插入掉鉆具上部六方方頭的高度為準(zhǔn)，常規(guī)打撈器筒身高度約1m。

圖12 打撈器筒身實(shí)物

3)捕獲器

捕獲器設(shè)置在筒身底部，其總體結(jié)構(gòu)由卡銷、導(dǎo)向裝置、六方方孔底盤3個(gè)打撈構(gòu)件組成；捕獲器通過焊接的方式與筒身相連，如圖13所示。

圖13 底盤、卡銷、導(dǎo)向裝置

卡銷呈長條狀，由高強(qiáng)度合金制成，以保證有足夠的強(qiáng)度、剛度能順利將掉落的鉆具卡緊吊起；卡銷沿六方孔孔邊居中布置，其兩邊伸入六方方孔內(nèi)一定長度(L=20mm)，使其在落入銷孔卡緊提起鉆具時(shí)在方孔內(nèi)有足夠的嵌固長度；理論上卡銷直徑與銷孔直徑一致，卡銷長度需根據(jù)掉落鉆具上連接的六方方頭的規(guī)格確定，六方接頭技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 六方接頭技術(shù)參數(shù) mm

卡銷的導(dǎo)向裝置由彈簧和彈簧匣兩部分構(gòu)成，其內(nèi)部構(gòu)造如圖14所示。導(dǎo)向裝置的設(shè)置是為了使卡銷響應(yīng)技術(shù)路線中的行程設(shè)計(jì)要求，賦予卡銷移動時(shí)的導(dǎo)向和自動歸位功能；其中，導(dǎo)向功能由彈簧匣內(nèi)的斜向凹槽提供，當(dāng)卡銷向下移動至六方方頭的擴(kuò)大位置時(shí)，在向上推力的作用下，卡銷朝彈簧壓縮方向“內(nèi)縮”即可繼續(xù)向下移動；自動歸位功能則由彈簧提供，卡銷在彈簧恢復(fù)自然狀態(tài)下的彈力作用下，一旦抵達(dá)銷孔位置便能迅速歸位，如圖15所示。具體尺寸如圖16所示，彈簧匣外殼由厚鋼板加工焊接而成，高100mm、寬85mm、厚25mm；匣子上部包裹彈簧尾部的鋼片由寬60mm、高25mm的薄鋼板加工成凸?fàn)畎雸A形，其主要作用是限制并固定彈簧在匣槽中不走位。

圖14 卡銷導(dǎo)向裝置實(shí)物

圖15 六方方頭與卡銷接觸后運(yùn)行示意

圖16 彈簧匣規(guī)格尺寸

六方方孔底盤厚度100mm，外徑稍小于掉落鉆具的直徑，以確保底盤便于移動而與鉆具上部六方方頭完成捕捉對接，此外，底盤還起固定作用，將卡銷、彈簧和彈簧匣子集成于一體。捕獲器制作時(shí)，先將3根卡銷置于六方方孔底盤上的凹槽內(nèi)，然后將彈簧匣焊接于六方方孔之上，最后把彈簧壓縮置入彈簧匣凹槽內(nèi)，使其一頭固定于匣子上部凸?fàn)畎雸A形薄片鋼板中，一頭與卡銷相連，完成捕獲器的制作再將其與筒身焊接為一體，形成完整的打撈器裝置。

2.3 工藝流程

潛孔錘孔內(nèi)掉鉆活動式卡銷打撈施工工藝流程：清除孔內(nèi)掉鉆覆蓋沉渣(清孔)→制作并安裝打撈器→打撈器入孔捕獲提出掉落鉆具→潛孔錘鉆具與打撈器解鎖分離。

2.4 操作要點(diǎn)

1)清除孔內(nèi)掉鉆覆蓋沉渣(清孔) ①測量孔內(nèi)實(shí)際深度，與掉落鉆具的位置進(jìn)行比對，摸清孔內(nèi)沉渣厚度；②調(diào)配好清孔泥漿，采用3PN泥漿泵正循環(huán)清孔，或采用空氣壓縮機(jī)形成氣舉反循環(huán)清孔，將孔內(nèi)覆蓋鉆具的渣土清除干凈；③清孔至掉落鉆具頂部的六方方頭全部露出為止。

2)制作并安裝打撈器 ①對掉落樁孔的潛孔錘鉆具情況進(jìn)行現(xiàn)場勘查，詳細(xì)了解鉆具相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)；②根據(jù)樁孔直徑、潛孔錘鉆具及其上六方方頭直徑的大小，按照上述技術(shù)路線與裝置結(jié)構(gòu)制作相應(yīng)規(guī)格的打撈器；③將打撈器頂部的六方方頭與鉆機(jī)鉆桿的六方方孔通過插銷進(jìn)行對接。

3)打撈器入孔捕獲提出掉落鉆具 ①鉆機(jī)就位調(diào)平后，鉆桿與原樁孔中心對齊，將打撈器緩慢下放入孔；②在打撈器觸碰到孔內(nèi)掉鉆上部的六方方頭時(shí)，緩慢旋轉(zhuǎn)鉆桿帶動打撈器轉(zhuǎn)動，調(diào)試相互間的接觸位置和方向，使鉆具上部的六方方頭與打撈器底部的六方方孔順利套入對接；③繼續(xù)下放鉆桿，直至卡銷置入銷孔；④卡銷歸位置入銷孔后，掉落鉆具被卡緊，此時(shí)突然上提鉆桿將會使鉆桿承受較大壓力，應(yīng)緩速操作，慢慢將掉落的鉆具提離孔底；⑤打撈過程中應(yīng)加強(qiáng)孔內(nèi)水頭高度控制，保持孔內(nèi)泥漿良好性能，防止掉落的潛孔錘鉆具在脫離孔底地層時(shí)出現(xiàn)塌孔情況，以確?？妆诜€(wěn)定。研發(fā)廠房內(nèi)模擬樁孔內(nèi)掉落潛孔錘鉆具的打撈過程。

4)潛孔錘鉆具與打撈器解鎖分離 ①完成打撈出孔后，將潛孔錘鉆具提至地面，此時(shí)卡銷處于待解鎖狀態(tài)，如圖17所示；②使用頭部扁平的撬桿通過預(yù)先設(shè)置的解鎖孔插入筒身并抵撬卡銷，卡銷受力后脫出銷孔，此時(shí)卡銷與六方方頭的卡緊作用失效，鉆具與打撈器脫離，打撈任務(wù)順利完成。

圖17 卡銷解鎖位示意

2.5 施工工藝特點(diǎn)

1)事故處理準(zhǔn)確率高

本技術(shù)采用卡銷代替原固定插銷，巧妙的打撈器設(shè)計(jì)使得打撈鉆具事故處理精準(zhǔn)快捷，確保了項(xiàng)目的正常施工。

2)打撈鉆具成本低

打撈器以鉆機(jī)鉆桿和鉆具連接頭作為輔助構(gòu)件，通過設(shè)置卡銷歸位將掉落的鉆具捕獲打撈，其制作成本低、簡單易造，與吊鉤起吊、潛水員入孔系繩起吊等傳統(tǒng)事故處理方法相比，大大縮短了處理耗時(shí)，現(xiàn)場打撈成本低。

3)避免了后期事故處理費(fèi)用

常用的潛孔錘鉆具掉落打撈方法復(fù)雜、處理難度大、耗時(shí)長，甚至有時(shí)不得不將鉆具遺棄，或把已施工的樁廢除，并采取在樁位附近重新補(bǔ)樁和加大施工承臺等方法進(jìn)行補(bǔ)救，本技術(shù)既保住了原有價(jià)格昂貴的潛孔錘鉆具，又避免了后期樁孔設(shè)計(jì)變更帶來的施工成本風(fēng)險(xiǎn)。

4)安全高效

使用活動式卡銷打撈器，無需潛水員下入孔內(nèi)打撈，避免了事故處理的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，操作時(shí)無需投入額外的機(jī)械設(shè)備，操作便捷、可靠、安全。

3 結(jié)語

針對復(fù)雜地層下潛孔錘鉆進(jìn)成孔易造成鉆具孔內(nèi)掉落事故的問題，研究采用潛孔錘孔內(nèi)掉鉆活動式卡銷打撈施工技術(shù)，創(chuàng)新地以活動式卡銷代替固定插銷送入孔內(nèi)將掉落鉆具卡緊，實(shí)現(xiàn)高效便捷的打撈處理，在裝置制作、現(xiàn)場操作、事故處理成本控制等方面都突顯出了其獨(dú)特的優(yōu)越性，縮短了事故處理時(shí)間，降低事故處理安全隱患，為潛孔錘掉鉆事故的處理提供了一種創(chuàng)新、實(shí)用的工藝技術(shù)，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。