旋挖樁孔內(nèi)掉鉆螺桿機械手打撈施工技術(shù)

劉崢志,雷 斌,王懷營,李忠成

(1.深圳市工勘建設(shè)集團(tuán)有限公司 總工辦,廣東 深圳 518063;2.深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心,廣東 深圳 518063;3.江門寶銳機械工程有限公司,廣東 江門,529075)

旋挖鉆機工作原理多采用連接鉆桿的鉆頭在孔內(nèi)循環(huán)取土、卸土,直至鉆至符合設(shè)計深度。旋挖鉆頭與鉆桿的連接多采用鉆頭頂部的方套與鉆桿下部方頭連接,將鉆桿的方頭插入鉆頭的方套內(nèi),再插上兩根連接銷軸及保險銷便可完成鉆頭安裝。

在旋挖樁成孔過程中,由于持續(xù)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆桿承受較大的扭矩,容易造成連接銷軸疲勞,固定連接銷軸的保險銷斷開,或由于鉆頭入孔前銷軸固定操作不規(guī)范而導(dǎo)致松動脫落問題,使得鉆桿方頭與鉆頭方套脫落,造成鉆頭孔內(nèi)掉落事故[1]。

旋挖鉆頭孔內(nèi)掉落的事故時有發(fā)生,由于掉落的鉆頭處于孔底最深達(dá)數(shù)十米的泥漿中,打撈難度大。目前,最常用的處理方式有以下3種：一是派潛水員潛入孔內(nèi)打撈,利用鋼絲繩將鉆頭固定后吊起[1-6]。此種打撈方法危險性較大,尤其當(dāng)鉆孔深度超過50 m時,潛水員在孔內(nèi)承受超限水壓力,難以實施下潛打撈。二是借助鋼絲繩下打撈鉤沉入孔底,進(jìn)行盲式打撈。這種打撈方式由于鋼絲繩和打撈鉤之間是軟連接,而且鉆頭位于幾十米深的泥漿中,難以鉤住掉落的鉆頭,耗費時間長,打撈成功率低。三是在各種打撈辦法無效時,對掉落鉆頭的孔樁進(jìn)行設(shè)計變更,對原樁孔報廢回填,并在樁位附近重新進(jìn)行補樁(用2根樁代替),加大施工承臺[2]。該方法大大增加了施工成本,拖延工期,經(jīng)濟(jì)損失大。

針對目前旋挖鉆頭打撈方式的主要弊端,通過研究旋挖鉆頭的結(jié)構(gòu)特性,特制可直接與旋挖鉆機鉆桿連接的打撈機械手。將機械手下放至孔底鉆頭脫落位置,通過旋挖鉆機旋轉(zhuǎn)操控機械手的開合,使其牢固抓住鉆頭頂部的方套凸出部位,從而使機械手與掉落的鉆頭建立新的連接,再通過旋挖鉆機提升鉆桿將掉落的鉆頭打撈出孔。通過數(shù)個項目的打撈應(yīng)用,達(dá)到了快捷、準(zhǔn)確、安全、經(jīng)濟(jì)的效果。

打撈機械手能夠快速與旋挖機連接,繼而下放到孔底,快捷打撈掉落鉆頭或其他掉落物,具有較強的實用性,以及以下創(chuàng)新性：①帶有與旋挖鉆頭相似的連接方套,可與旋挖鉆機鉆桿實現(xiàn)快速安裝運行,與旋挖機配合可獨立完成打撈工作;②采用螺桿原理通過旋挖機旋轉(zhuǎn)螺桿控制機械手的開合,機械手采用仿生設(shè)計,可精準(zhǔn)打撈掉落鉆頭,成功率高。

1 應(yīng)用實例

1.1 某世紀(jì)大廈樁基礎(chǔ)工程

某世紀(jì)大廈樁基礎(chǔ)工程位于深圳市羅湖區(qū),用地面積9 321 m2,總建筑面積88 000 m2,場地擬建2棟高層建筑、4層地下室。工程樁采用旋挖鉆孔灌注樁,持力層為微風(fēng)化花崗巖。樁基礎(chǔ)樁徑為1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m。

ZH2-452#旋挖樁,設(shè)計樁徑2.0 m,采用旋挖鉆孔工藝成孔。鉆進(jìn)過程中,出現(xiàn)掉鉆事故,通過現(xiàn)場測量探明,鉆具底部位于地下深度56.5 m位置處。在采用打撈鉤方法打撈,經(jīng)多次努力后未果。經(jīng)建設(shè)、監(jiān)理及項目部共同探討,采用自主研發(fā)的螺桿原理打撈鉆頭施工技術(shù),項目部利用該機械手高效便捷地完成了事故處理,順利將脫落鉆頭打撈出孔,花費成本共1.3萬元,打撈用時0.5 d,得到各方參建單位的一致好評。

1.2 某銀行大廈樁基礎(chǔ)工程

某銀行大廈樁基礎(chǔ)工程位于深圳市前海片區(qū),項目規(guī)劃擬建2棟超高層建筑物(27層),建筑高度為144 m,裙樓4層,設(shè)置4層地下室。樁基礎(chǔ)采用旋挖鉆孔灌注樁,持力層為微風(fēng)化花崗巖。微風(fēng)化巖層埋藏深度介于43.30～73.20 m,該層層厚5.00～11.10 m。樁徑分別為1.4、2.0、2.2、2.8、3.0 m。

D2#旋挖樁,設(shè)計樁徑2.2 m,采用旋挖鉆機施工。鉆進(jìn)過程中,電機出現(xiàn)故障,現(xiàn)場由于更換新的電機功率超出額定值,造成鉆機鉆速太快,鉆頭鉆進(jìn)過程中超負(fù)荷運轉(zhuǎn),在鉆進(jìn)至深度60.4 m位置處發(fā)生鉆頭掉落。采用自主研發(fā)的螺桿原理打撈鉆頭施工工法進(jìn)行處理。采用氣舉反循環(huán)進(jìn)行清孔,將覆蓋在掉落鉆頭的沉渣清除干凈。將原孔內(nèi)泥漿置換為含砂率低、比重較小的泥漿,以減輕提升鉆頭的壓力。清孔完成后,第一時間開始打撈鉆頭,防止沉渣再次沉淀堆積在鉆頭上。

利用機械手高效便捷地完成了事故處理,機械手重復(fù)利用,未花費費用,影響工期0.5 d,取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 旋挖樁孔內(nèi)掉鉆螺桿機械手打撈施工工藝

2.1 適用范圍

1)適用于打撈各種掉落孔內(nèi)的旋挖鉆頭、旋挖鉆頭底門板及其他物件。

2) 適用于打撈直徑不大于2 500 mm、鉆頭重量小于10 t的旋挖鉆頭。

3) 適用于抓取部位尺寸大于260 mm、小于800 mm的掉落物。

2.2 打撈機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

打撈機械手由連接方套、螺桿、組合螺母、連接桿、定位法蘭、打撈鉤等組成,其模型圖、結(jié)構(gòu)示意圖、實物圖如圖1所示。

圖1 機械手

2.2.1 連接方套、螺桿

打撈機械手頂部設(shè)計一個連接方套,與旋挖鉆頭方套相同,用于與旋挖鉆機鉆桿安裝相連,使打撈機械手可以借助鉆機的鉆桿下放至樁孔內(nèi)部進(jìn)行打撈作業(yè)。連接方套外緣尺寸為420 mm×420 mm。

螺桿外徑為200 mm,通過焊接與連接方套形成一個整體。主要功能為連接打撈鉤,使組合螺母、定位法蘭可沿其順、逆時針方向旋轉(zhuǎn)。螺桿末端定位法蘭位置處僅設(shè)置卡槽,不設(shè)絲扣,使得定位法蘭可旋轉(zhuǎn),但不能上下運動。連接方套及螺桿實物圖如圖2所示。

圖2 連接方套與螺桿實物圖

2.2.2 組合螺母、連接桿、定位法蘭

組合螺母與螺桿采用螺紋連接,外側(cè)設(shè)有連接耳與連接桿通過螺栓連接,可在螺桿中通過順、逆時針方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行上下活動。組合螺母的上下活動作用于連接桿,從而實現(xiàn)打撈鉤的開合。

連接桿的兩頭分別通過螺栓連接組合螺母的連接耳以及打撈鉤中部。組合螺母在上下運動的過程中通過連接桿作用于打撈鉤,使得打撈鉤可以內(nèi)外開合,實現(xiàn)抓取鉆頭。

定位法蘭固定于螺桿最底部,螺桿外僅設(shè)卡槽,不設(shè)絲扣,所以定位法蘭可沿螺桿軸心旋轉(zhuǎn),但不能上下運動。定位法蘭外側(cè)設(shè)連接耳與打撈鉤通過螺栓連接,使得打撈鉤可以在定位法蘭處合攏或張開。定位法蘭、組織螺母、連接桿實物圖如圖3所示。

圖3 定位法蘭、組合螺母、連接桿實物圖

2.2.3 打撈鉤

通過打撈鉤的合攏與張開來實現(xiàn)抓取、松開掉落鉆頭。考慮到連接方套為正四邊形,因此對稱設(shè)計共4個打撈鉤套。打撈鉤張開最大尺寸為1 000 mm,合攏最小尺寸為260 mm,因此可以牢靠夾取尺寸為360～420 mm的鉆頭方套或其他尺寸適合的物件。打撈鉤實物圖如圖4所示。

圖4 打撈鉤實物圖

2.3 機械手打撈原理

在打撈鉤張開至最大的狀態(tài)下,將打撈機械手安裝到旋挖鉆機的鉆桿上。利用旋挖鉆機鉆桿的伸縮功能把機械手緩慢下放至孔內(nèi)掉鉆位置。下放過程中,不旋轉(zhuǎn)鉆桿。當(dāng)機械手觸碰到掉落鉆頭時,鉆桿停止下放,開始控制鉆桿沿逆時針方向轉(zhuǎn)動;鉆桿轉(zhuǎn)動帶動連接方套和螺桿同時轉(zhuǎn)動,打撈鉤也隨之轉(zhuǎn)動。當(dāng)打撈鉤旋轉(zhuǎn)碰到掉落鉆頭方套固定板時,轉(zhuǎn)動受阻,停止轉(zhuǎn)動。此時連接方套和螺桿仍然繼續(xù)轉(zhuǎn)動,使得組合螺母沿著螺桿向下運動,而定位法蘭只沿螺桿旋轉(zhuǎn)不能上下活動,所以組合螺母與定位法蘭之間的距離被壓縮,通過連接桿作用于打撈鉤,使得打撈鉤向內(nèi)收縮,完成打撈鉤的合攏;當(dāng)鉆桿逆時針旋轉(zhuǎn)受阻,則顯示機械手與鉆頭方頭完全夾緊,打撈鉤緊緊捕捉住掉落鉆頭。此時,通過提升鉆桿將掉落鉆頭打撈出孔。

機械手工作原理如圖5所示,機械手在打撈掉落鉆頭實例如圖6所示。

圖5 機械手工作原理示意圖

圖6 機械手打撈鉆頭實例

2.4 工藝流程

基坑支護(hù)全護(hù)筒咬合樁鋼筋籠定位施工工藝流程如圖7所示。

圖7 施工工藝流程

2.5 操作要點

1)打撈前準(zhǔn)備工作。①掌握孔內(nèi)掉落鉆頭的詳細(xì)情況,包括事故經(jīng)過、鉆頭型號、大小、掉落位置等;②測量孔內(nèi)實際深度,與掉落鉆頭的位置進(jìn)行比對,摸清孔內(nèi)沉渣厚度;③檢查機械手完好情況,備好泥漿等輔助打撈工具。

2)掉落鉆頭沉渣清孔。①調(diào)配好清孔泥漿,采用空壓機形成氣舉反循環(huán)清孔,將孔內(nèi)覆蓋掉落鉆頭的渣土清除干凈,防止沉渣過厚覆蓋掉落鉆頭方套以及加重鉆頭重量;②清孔至掉落鉆頭全部露出為宜,并盡可能往下清理孔內(nèi)沉渣,為掉落鉆頭提升出孔減少阻力。

3)旋挖鉆機安裝打撈機械手。①按照旋挖鉆頭安裝方式進(jìn)行安裝機械手,并確保連接銷軸安插到位,以及保險銷固定牢靠;②安裝完成后,檢查、確認(rèn)機械手安裝牢固。旋挖鉆機打撈機械手安裝具體如圖8所示。

圖8 機械手安裝完成

4)機械手下放至孔底。①將旋挖鉆機就位,并對準(zhǔn)樁位;②下放機械手時緩慢放入,當(dāng)下放受阻時則停止,并核對鉆桿下放深度與掉落鉆頭方頭套內(nèi)位置是否一致。機械手孔內(nèi)下放具體如圖9所示。

圖9 機械手孔內(nèi)下放模擬圖

5)逆時針旋轉(zhuǎn)合攏機械手抓取掉落鉆頭。①當(dāng)確認(rèn)入孔的機械手下放觸碰到掉落鉆頭時,停止下放鉆桿,此時開始逆時針方向緩慢旋轉(zhuǎn)鉆桿,當(dāng)機械手的打撈鉤觸碰掉落鉆頭方套固定板后則停止轉(zhuǎn)動;②此時持續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆桿,使得組合螺母沿螺桿向下運動,通過連接桿作用于打撈鉤,打撈鉤收縮合攏;當(dāng)鉆桿無法旋轉(zhuǎn)時,則表明打撈鉤收縮至最小狀態(tài),顯示打撈鉤已牢固捕捉住掉落鉆頭方套;③當(dāng)打撈鉤捕抓住掉落鉆頭方套后,緩慢提升鉆桿,直至打撈鉤鉤住方套凸出部位。具體如圖10所示。

圖10 機械手抓取掉落鉆頭示意圖

6) 提升機械手出孔。①確認(rèn)機械手已經(jīng)牢靠抓住掉落鉆頭后,開始緩慢提升鉆桿,提升鉆頭(圖11);②提升時避免掉落鉆頭再次掉落,緩慢、勻速提升鉆桿,直至掉落鉆頭打撈出孔,并放至平地;③提升機械手出孔前,及時向孔內(nèi)注入泥漿,維持孔內(nèi)液面高度,防止鉆頭打撈出孔后造成液面下降而引發(fā)塌孔。

圖11 提升掉落鉆頭至孔口

7)順時針旋轉(zhuǎn)張開機械手完成打撈。①掉落鉆頭平穩(wěn)落地,對掉落鉆頭進(jìn)行支撐固定后,開始順時針旋轉(zhuǎn)鉆桿,此時機械手張開,移開機械手,完成打撈工作;②清洗機械手,檢查機械手是否有損壞,如有及時修復(fù)。

2.6 施工工藝特點

1)打撈精準(zhǔn)、快捷。打撈機械手與旋挖鉆機鉆頭連接方式相同,實現(xiàn)快速安裝,采用旋挖鉆機打撈無須另外使用其他機械進(jìn)行輔助施工;采用螺桿原理通過旋轉(zhuǎn)螺桿控制機械手的開合,機械手采用仿生設(shè)計,可精準(zhǔn)打撈掉落鉆頭,成功率高。

2)安全可靠。僅利用旋挖鉆機自身的鉆桿以及特制打撈機械手便可實施打撈工作,無須潛水員潛入泥漿打撈鉆頭,機械手采用機械聯(lián)動組合設(shè)計,捕抓掉落物能力強,提升能力大,打撈過程安全可靠。

3)經(jīng)濟(jì)效益顯著。使用機械手快速將掉落的旋挖鉆頭打撈出孔,其制作成本費約1.3萬元,而且能夠循環(huán)使用,免除了潛水員入孔打撈的高額費用和安全風(fēng)險,更是節(jié)省了報廢該樁孔的巨額費用和重新補樁的時間成本,整體經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)語

旋挖鉆頭孔內(nèi)掉落的事故時有發(fā)生,研發(fā)了一種安裝在旋挖機鉆桿上的打撈機械手,通過旋轉(zhuǎn)鉆桿,操控機械手的開合,從而抓取掉落鉆頭,并打撈出孔。經(jīng)過多個成功打撈的工程案例證明,相對于現(xiàn)階段打撈鉆頭的主要方式,本技術(shù)具有快捷、準(zhǔn)確、安全、經(jīng)濟(jì)等特點,是一種創(chuàng)新、實用的工藝技術(shù),大大減少了事故處理時間,易于技術(shù)推廣。