沖擊型鉆機(jī)在特高壓基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

周哲泰，季 超，溫德康

(1. 上海送變電工程公司，上海 200235；2. 國(guó)網(wǎng)上海檢修公司，上海 200063)

沖擊型鉆機(jī)在特高壓基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

周哲泰1，季 超2，溫德康2

(1. 上海送變電工程公司，上海 200235；2. 國(guó)網(wǎng)上海檢修公司，上海 200063)

介紹CZ-60型沖擊型鉆機(jī)在榆橫～濰坊特高壓工程線路工程24標(biāo)灌注樁基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用情況和施工方法。通過理論計(jì)算和工程中實(shí)際的應(yīng)用，證明灌注樁基礎(chǔ)施工中，在應(yīng)對(duì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)無法鉆進(jìn)的堅(jiān)硬巖土層時(shí)，可以使用沖擊型鉆機(jī)。

特高壓；灌注樁；沖擊型鉆機(jī)

鉆孔灌注樁是近幾年樁基礎(chǔ)施工中最常見的一種基礎(chǔ)形式，其承載力大、抗震性能好、造價(jià)低、沉降變形小、適用于各種土質(zhì)和各種尺寸的樁基，在電建、鐵路、公路、房建等工程建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。常見的鉆孔灌注樁施工鉆機(jī)有回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)和沖擊型鉆機(jī)。

1 工程概況

榆橫-濰坊1 000 kV特高壓交流輸變電工程線路工程(24標(biāo))由12S071(位于山東省濟(jì)南章丘市)塔處起，止于12S136(位于山東省淄博市周村區(qū))。標(biāo)段全線為雙回路，線路長(zhǎng)度36.103 km，全線線路亙長(zhǎng)合計(jì)2×36.103 km。本標(biāo)段65基基礎(chǔ)分別位于山東省濱州市鄒平縣、濟(jì)南市章丘市、淄博市周村區(qū)。鐵塔基礎(chǔ)共計(jì)65基，其中耐張塔16基，直線塔49基。本標(biāo)段包含挖孔基礎(chǔ)38基、灌注樁基礎(chǔ)27基。

2 常見鉆機(jī)介紹

(1)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是由動(dòng)力裝置帶動(dòng)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)有鉆頭的鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，由鉆頭切削土壤。回轉(zhuǎn)鉆機(jī)用于泥漿護(hù)壁成孔的灌注樁，成孔方式為旋轉(zhuǎn)成孔。根據(jù)泥漿循環(huán)方式不同，分為正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。一般適用于地質(zhì)比較好的地方，成孔速度較快，易塌孔的土質(zhì)也適用。缺點(diǎn)是不適用于堅(jiān)硬巖層。

(2)旋挖鉆機(jī)是利用鉆桿和鉆斗的旋轉(zhuǎn)，以鉆斗自重并加液壓作為鉆進(jìn)壓力，使土屑裝滿鉆斗后提升鉆斗出土，其自動(dòng)化程度高、成孔速度非?？?、質(zhì)量高，一般適用于粘土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地層。同樣不適用于堅(jiān)硬巖層且設(shè)備租用成本較高。

(3)沖擊型鉆機(jī)是利用鋼絲繩帶動(dòng)沖擊鉆頭上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，借助鉆頭自由下落的沖擊力將巖層破碎，鉆渣隨泥漿排出而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的鉆孔設(shè)備，設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便，所成孔壁堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，不受施工場(chǎng)地限制，特別適用于堅(jiān)硬土層，巖石層。缺點(diǎn)是成孔效率低。

3 選定適合的鉆機(jī)

榆橫～濰坊特高壓工程線路工程24標(biāo)12S088灌注樁基礎(chǔ)地下巖層堅(jiān)硬，故選用沖擊型鉆機(jī)。本工程使用的沖擊型鉆機(jī)為保定東方紅機(jī)械制造有限公司所生產(chǎn)的CZ-60型沖擊型鉆機(jī)，具體參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)參數(shù)指標(biāo)

4 沖擊運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)與沖擊能量

(1)沖擊運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。沖擊機(jī)構(gòu)主要由沖擊齒輪、壓輪、曲柄、連桿、沖擊梁、導(dǎo)向輪、主動(dòng)輪等組成。沖擊齒輪被驅(qū)動(dòng)后，帶動(dòng)固定在軸上的兩根曲柄回轉(zhuǎn)。兩根連桿分別與下端的曲柄和上端的沖擊梁連接。曲柄回轉(zhuǎn)時(shí)，通過連桿帶動(dòng)沖擊梁上下擺動(dòng)，沖擊梁向下擺動(dòng)時(shí)，壓輪下壓鋼絲繩，將沖擊鉆提升起一定高度，沖擊梁向上擺動(dòng)時(shí)，壓輪松開鋼絲繩，沖擊鉆在重力作用下下落沖擊地面，如此循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)沖擊鉆孔。巖石在動(dòng)載作用下的破碎強(qiáng)度遠(yuǎn)小于靜載作用下的破碎強(qiáng)度，沖擊的能量主要由鉆具的重量和下落的高度決定。

(2)沖擊的能量。鉆具的下落運(yùn)動(dòng)過程近似為自由落體運(yùn)動(dòng)，因此計(jì)算公式為

(1)

式中h——沖擊高度；a——沖擊加速度(一般取5-6.5 m/s2)；v——沖擊速度；m——鉆具重量；w——沖擊做的功。

由此可知沖擊功取決于鉆具的重量和沖擊高度。把鉆機(jī)的參數(shù)代入公式中計(jì)算得出最大沖擊功為32 500 J。破碎比功如表2所示。

表2 破碎比功

上表所示不同巖石的破碎比功，由此可見此種鉆機(jī)的缺點(diǎn)也很明顯，鉆進(jìn)的效率較為低下。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐，在12S088基礎(chǔ)使用該鉆機(jī)鉆孔成形一根樁大約需要15～20 h。

5 鉆進(jìn)成孔工藝和方法

12S088基礎(chǔ)樁徑為1.3 m、樁長(zhǎng)21 m，經(jīng)過設(shè)計(jì)勘探結(jié)果下層碎石土，故采用沖擊型鉆機(jī)。

沖擊成孔灌注樁工藝程序：場(chǎng)地平整——樁位放線、開挖——護(hù)筒埋設(shè)——鉆機(jī)就位、孔位校核——沖擊成孔、清除廢渣——清孔換漿——終孔驗(yàn)收——下鋼筋籠和導(dǎo)管——灌注混凝土——成孔養(yǎng)護(hù)。

表3 泥漿技術(shù)指標(biāo)

(1)護(hù)筒埋設(shè)。護(hù)筒一般采用鋼板卷制，應(yīng)有足夠剛度。護(hù)筒的位置應(yīng)正確、垂直、穩(wěn)定。護(hù)筒周圍應(yīng)用粘土分層回填夯實(shí)，防止漏水。護(hù)筒內(nèi)徑不宜大于設(shè)計(jì)樁徑300 mm，壁厚為5～8 mm，長(zhǎng)度為2 m，埋設(shè)深度要滿足鋼護(hù)筒頂高出標(biāo)高地面300 mm以上的要求，護(hù)筒中心和樁位中心偏差不得大于50 mm。鋼護(hù)筒埋設(shè)好后，測(cè)量頂部標(biāo)高，作為控制樁深的依據(jù)。

(2)泥漿配置。由于鉆孔周圍的土體在水平土壓力的作用下，有一種要向孔內(nèi)塌孔的趨勢(shì)，假如不進(jìn)行泥漿護(hù)壁，那么鉆孔周圍的土體就會(huì)塌孔掉入鉆孔內(nèi)，從而堵塞鉆孔，造成無法鉆孔的后果，因此在鉆孔時(shí)需要制作泥漿護(hù)壁，也就是鉆孔內(nèi)介于鉆孔周圍土體與鉆孔內(nèi)泥漿之間的那一部分松軟、可流動(dòng)的黏土泥皮。

泥漿護(hù)壁的原理：對(duì)泥皮進(jìn)行受力分析可知，在水平的方向上，泥皮受兩個(gè)力，鉆孔周圍的土體對(duì)泥皮施加一個(gè)向鉆孔內(nèi)部的土壓力，鉆孔內(nèi)的泥漿對(duì)泥皮施加一個(gè)向鉆孔外部的力，當(dāng)兩股力相等時(shí)，泥皮才會(huì)穩(wěn)定，泥漿護(hù)壁才能成功。

圖1為成孔受力分析圖示。

圖1 成孔受力分析

泥漿用黏土制成，開鉆前先向護(hù)筒內(nèi)加入一定數(shù)量的黏土和清水，鉆機(jī)采用小沖程、高頻率的方式鉆進(jìn)，將黏土和水造成泥漿，成孔中沒兩小時(shí)測(cè)一次泥漿密度。

(3)沖擊鉆進(jìn)。沖擊鉆孔是利用沖擊頭做活塞式運(yùn)動(dòng)，向下反復(fù)沖擊將孔內(nèi)的土石劈裂搗碎或擠入孔壁中或被泥漿懸浮，以次循環(huán)成孔。開始鉆進(jìn)時(shí)使用小沖程，大約400～600 mm，并及時(shí)投放泥漿使孔壁擠壓密實(shí)；當(dāng)孔深到達(dá)護(hù)筒以下3～4 m時(shí)，方可使用大沖程。

(4)清孔。當(dāng)孔深達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，對(duì)孔深和孔徑進(jìn)行驗(yàn)收，合格后即可清孔。清孔采用排渣筒反復(fù)掏渣將孔底淤泥和沉渣清理干凈，清孔時(shí)間不宜過長(zhǎng)，否則泥漿沉淀會(huì)使清渣困難，甚至還有可能塌孔，清孔完成后應(yīng)立即下鋼筋籠并澆筑混凝土。

6 結(jié)語

實(shí)踐證明，雖然在堅(jiān)硬巖土層中采用沖擊型鉆機(jī)是可行的，但是此種沖擊型鉆機(jī)也存在鉆進(jìn)效率低下的缺點(diǎn)，想要提高效率可以考慮更換質(zhì)量更大的鉆具或者提高沖擊高度(沖程)的方法。不過結(jié)合成孔質(zhì)量、成孔效率、施工成本、安全和成熟度等多方面因素考慮的話，使用沖擊型鉆機(jī)在堅(jiān)硬的巖土層作業(yè)還是尚佳的方案。

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XIAO Yunhui. Constructure of drilling on the earth surface of sandy stone and bored concrete pile base[J].Journal of Nanping Teachers College,2003,22(2):62-66.

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(本文編輯：楊林青)

Application of Percussion Drill in UHV Foundation Construction

ZHOU Zhetai1, JI Chao2，WEN Dekang2

(1. Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Company, Shanghai 200235,China;2. Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 200063, China)

This paper introduces the application and construction methods of CZ-60 percussion drill in the 24 standard pile foundation construction of Yuheng-Weifang UHV AC transmission line project. Through theoretical calculation and practical application in engineering, it is proved that in the construction of bored pile foundation, the percussion drill can be applied to deal with the hard rock stratum which can not be drilled by the rotary drilling rig.

ultra-high voltage; filling pile; percussion drill

10.11973/dlyny201703036

周哲泰(1989—)，男，助理工程師，從事輸電線路施工管理工作。

TM75

B

2095-1256(2017)03-0368-03

2016-03-20