沖擊鉆在84m深孔樁應用

謝韜,張天偉,何奎

（1中交二航局第二工程有限公司 重慶 4000142重慶市建筑科學研究院監理公司 重慶 400015）

1 前言

橋梁設計經過幾十年的發展,跨徑越來越大,橋面設計越來越寬,樁基也越來越長。在以往的施工中,嵌巖樁基都較短,所以沖擊鉆成為首選成孔設備,另外,費用較低也是沖擊鉆成為首選成孔設備的原因之一。隨著橋梁建設的進步與發展,沖擊鉆也在與時俱進,鉆機和清空設備也在不斷改進。

2 工程實例

某橋梁工程主橋為獨塔單索面斜拉橋,主橋長272m,橋面寬42.9m。樁基礎采用16根Ф2.2m樁基,樁基為嵌巖樁,嵌入微風化花崗巖4.4m。樁底高程為-74.5m,鋼平臺高程為+9.2m,護筒頂高程為+9.5 m,孔深84m。根據有關施工手冊介紹,沖擊鉆適用于孔深小于50m的樁,孔深超過50m的宜選用反循環回旋鉆。但是地勘資料顯示微風化花崗巖抗壓強度高達100MPa,用回旋鉆機將十分困難。通過比較分析后,最終決定采用沖擊鉆成孔。

3 鉆機比較

反循環回旋鉆：適用于粘性土、砂土、卵石粒徑小于鉆桿內徑2/3、含量少于20%的碎石土和軟巖。缺點：要造漿護壁,易成斜孔,巖石地質鉆進速度慢,成孔造價是沖擊鉆的兩倍多,鋼平臺要求承載力高（本工程擬投入液壓反循環鉆機約100t）。優點：在非巖石層成孔速度快,掉錘和卡錘幾率小。

沖擊鉆：適用于各類土層。缺點:有噪音,鋼繩易斷,易卡錘、掉錘和埋錘,深孔循環清渣慢。優點：孔直,護壁好,鋼平臺承載力要求低（鉆機不超過30T）,鉆機配件少，易維修,成孔造價低。

通過以上兩種鉆機比較,雖然兩種鉆機各有優缺點,但沖擊鉆的優勢更為明顯,因沖擊鉆適合各類土層,成為常規樁基施工的首選設備,而且成孔護壁好不易塌孔,不但鋼平臺可少用鋼材,鉆機用電比較少,設備調遷費也比反循環回旋鉆便宜（回旋鉆因組件多、大,調遷需裝三車,沖擊鉆調遷僅裝一車）。經分析,只要采取措施解決了卡錘、斷鋼繩和深孔清渣三大難題后,采用沖擊鉆成孔不但成孔質量好,而且成孔造價較低。

4 深孔采用沖擊鉆成孔難的原因

4.1 沖擊鉆成孔過程中斷鋼繩

沖擊鉆的工作原理是通過卷揚機將沖擊錘提到一定高度后松開自由落下擊打孔底,孔底受到沖擊錘反復無數次的錘擊,被擊碎的巖土顆粒在重錘擾動和泥漿泵的沖動下懸浮上升到孔口。每提錘一次鋼繩都承受一次張力,鋼繩長時間無數次的受力會疲勞斷絲,由于鋼繩被一層潤滑油包裹斷絲不易發現,如果斷絲到一定數量后繼續作業,鋼繩就會斷,特別是深孔在成孔中時有發生。

4.2 粘錘

鉆機成孔中進尺到塑性粘土層,特別是沖擊錘拉起的高度又較大時,下落的沖擊錘就特別容易被土層粘牢,就像一個拳頭打進糯米團中,造成粘錘。粘錘后如處理方法不當,易斷鋼繩、掉錘。

4.3 梅花孔

在成孔過程中,如果泥漿太濃,由于種種原因孔底沉渣太多、太厚,沖擊錘拉起的高度又較小時,沖擊錘在拉高時鋼繩不旋轉,如果發現不及時,沖錘的“五條腿”在同一個位置反復沖擊,形成的沖孔不是圓孔而是梅花形孔。梅花孔多在夜間由于檢查不及時造成,由于梅花孔的沖錘阻力大,如果處理不及時易斷鋼繩、粘錘、掉錘甚至埋錘。

4.4 卡錘

沖擊鉆在成孔過程中對錘牙的磨損是很大的,特別是沖擊卵石層和堅固的微風化巖石層。錘牙磨損后需及時加邊處理或更換錘牙,如若不然,錘體磨損成孔孔徑不滿足要求,所以沖錘必須修理。深樁成孔需更換一次或兩次錘牙和多次加邊。沖錘修理方法有更換錘牙、加邊或更換沖錘。在進入巖層后無論采用那一種方式,如處理不當,修理后的沖錘僅比孔徑大1cm也會卡錘。

另外,還有兩種卡錘情況,一是樁位經過較厚的粘土層或強風化層地質（土層中有軟塑土）,如果沖錘穿過太快又沒有及時修孔壁,孔縮徑后卡鉆。二是沖錘落錘太猛,使鉆頭傾斜卡在孔壁上。

4.5 清孔

沖擊鉆清孔傳統施工方法是換漿清孔,具體方法是成孔后提高沖錘或將沖錘提出孔,清理干凈循環池內的沉渣和砂,將泥漿管沉入距孔底10cm循環。把孔內流出的泥漿過濾,沉渣和砂清理出池,留下泥漿循環使用,在留下的泥漿中加入清水稀釋,再將稀釋后的泥漿泵入孔內,如此反復數十次,目的是將孔內的懸浮鉆渣和砂換出,達到清孔后泥漿指標。

由于孔較深,如果加水太快,壓入孔內的泥漿相對密度太小,懸浮鉆渣就不易浮不起,沉淀到孔底；如果加水太少,清孔時間太久,長時間清孔可能會縮徑甚至塌孔,導致成孔不能滿足要求。

5 深孔采用沖擊鉆成孔的保障措施

5.1 沖擊鉆在成孔過程中鋼繩防斷措施

由于鋼繩被一層潤滑油包裹斷絲不易發現,如果斷絲到一定數量后還繼續作業鋼繩將斷,特別是在深孔中時有發生。

防止斷繩措施一：購買鋼繩須選用正規廠生產的合格產品,因為舊鋼繩表面是褐色潤滑油,斷絲情況不易發現,而新鋼繩表面為透明潤滑油。

防止斷繩措施二：成一個孔使用三根鋼繩,成孔約40m后換一條鋼繩,成孔約60m后再換一條鋼繩,能夠有效的減少鋼繩損傷。

防止斷繩措施三：鉆機常用規格Ф30mm鋼繩,為了確保安全,改用Ф32mm的鋼繩。

防止斷繩措施四：勤檢查,要求至少6個小時提錘檢查一次,提錘時用清水洗凈鋼繩仔細檢查,發現斷絲立即更換。特別要仔細檢查錘銷處繩卡和鋼繩,防止錘銷處鋼繩斷。另外,鉆機的天輪和地輪勤涂潤滑油,減少摩擦力,能很好地保護鋼繩。

5.2 防粘錘措施

鉆機沖錘進尺到較厚的粘土層（或較厚的強風化層）易粘錘,防止措施一：根據地勘資料,進入粘錘層時及時拋填少量片石,防止粘錘措施效果明顯。操作方法是在孔旁準備1～2m3的片石,沖錘進入粘土層前20cm開始拋填少量片石 （片石粒徑15～40不等,每次約0.2m3,如果拋填太多會影響進度）。進入粘土層后,拉錘負荷明顯加大,再次拋少量片石,如此反復進行直至穿過粘土層。防止措施二：減少沖錘提起高度,沖錘高度控制在1～1.5m,適當降低泥漿相對密度,泥漿相對密度調至1.1～1.15。

5.3 防梅花孔措施

梅花孔形成的原因是沖錘在沖孔過程中不旋轉,由于種種原因（例如：泥漿泵未開起、換漿不及時、循環池泥漿沉淀太多等等）,泥漿相對密度太大導致泥漿糊沖錘,防止措施就是多觀察,勤檢查,發現問題及時整改。觀察沖錘是否被泥漿糊裹,最佳方法是觀察沖錘提離孔底約30～50cm時鋼繩是否旋轉,如果不旋轉估計就糊錘了。如果旋轉很慢,要立即降低泥漿相對密度和循環池清渣,觀察泥漿泵是否正常泵漿；觀察振動篩電機是否正常工作或篩網是否破損；檢查循環池沉淀是否太厚；檢查泥漿相對密度是否超出規范要求需要換漿。

5.4 防卡錘措施

防卡錘措施一:堅持每個臺班兩次提錘檢查,既能及時發現縮孔,又能檢查錘牙、錘銷及鋼繩。如發現提錘中阻力很大（是沖孔縮徑）,須立即加圈修孔（可用粗鋼筋或鋼板加工成圓弧型,焊接錘腿中間錘牙上10cm左右）,如果在縮徑的孔中沖孔斷繩、卡錘、埋錘等都有可能發生。修孔時將泥漿適當調濃,提錘高度宜控制在1m左右,拉錘動作不宜太猛（防止打空錘）。

防卡錘措施二:沖錘進入中微風化巖后,每次提錘須檢查錘徑,如果磨損嚴重須及時加邊,確?？讖綕M足設計要求。如果加邊不及時,沖錘進入到弱風化或微風化后再加邊就會卡錘。加邊的原則是及早少量的加邊,加邊塊厚約1cm,錘腿加邊宜分三次。

防卡錘措施三:部分工程基巖強度高（本工程基巖花崗巖達100～120MPa）,沖錘錘牙磨損快,成孔一根樁需更換1～2次錘牙或更換沖錘。焊錘牙時須確保錘徑不變大,還要防止錘牙焊接成一個橢圓,否則就會卡錘。如果是換錘,沖錘直徑須比原來的沖錘小1～2cm,否則也會卡錘。

5.5 清孔

因樁孔太深,循環池撈沙加清水的方法不可行,所以采用沙石分離機和空壓機配合的反循環清孔。選用設備是75kW的沙石分離機,泥漿導管選用Ф168無縫鋼管,空壓機規格宜選用排氣量13m3/min、排氣壓力0.7MPa。以上設備規格不能小,特別是泥漿管只能大不能小,否則清孔時間將大大延長。要求鉆機操作員不能使用小泥漿管（直徑64mm）循環,即使采用沙石分離機和空壓機,因泥漿管小也會導致施工進尺慢、成孔難和清孔慢。風管進口安裝在泥漿管底口上15～18m。

第一次清孔：開始清孔時送風量不宜過大,送風量約為6m3/min較適宜,當看見沙石分離機出水兩分鐘后逐漸加大送風量,如果剛開始就送風太猛易堵管。開始清孔時,泥漿管埋入沉淀的深度30～40cm比較適宜,如果泥漿管埋入沉淀2～3m空氣吸泥是吸不了,泥漿管底口應隨著沉淀減少而降低。第一次清孔泥漿的含沙量宜降到0.5～1%。泥漿相對密度宜1.14～1.16（孔太深,下放鋼筋籠時間較長,如果一清滿足規范要求易塌孔）,其余各清孔指標均需滿足規范要求。一清用時約6～8h。

第二次清孔：鋼筋籠安裝完成后進行。為了保證孔底沉淀厚度滿足規范,除了加清水降低泥漿相對密度外,泥漿管懸空高度宜5～10cm,用吊鉤吊起泥漿管先吸孔中心,再沿鋼筋籠內側清理一周,確保將鋼筋籠外側無沉淀。二清用時約4h。

6 其它

孔徑Ф2.2m的鉆機宜使用8t卷揚機和原裝錘。因為使用6t卷揚機易粘錘,使用10t卷揚機沖錘提升太慢,成孔時間較長。選用原裝錘不但能減少焊錘時間,而且沖擊較硬的巖石更有保障。

如果樁底嵌入巖石強度110MPa以上,不宜選用沖擊鉆,如果強行施工,后果是由于巖石硬度大,錘牙磨損大,2～3天就磨損完,而且幾乎沒有進尺,甚至錘體會擊破開裂。

如果鋼繩突然斷開沖錘掉入孔內,處理要快,換繩要及時,須在2小時內完成,并采用50t或65t吊車配合起吊。

每天須檢查鉆機定位情況,成孔中如果鉆機位移,沖錘未出護筒易漏漿,沖錘在巖層中落錘極易卡錘。鉆機位移樁孔就不直,鋼筋籠下放易卡在孔中,成孔就不滿足規范要求。防止措施是固定鉆機行走系統,勤觀察孔口鋼繩是否居中,發現鉆機移位及時整改。

7 結束語

沖擊鉆機應用在80m以上的深孔樁極少,但只要采取了相應的防范措施,沖擊鉆機在大直徑超深度樁基施工中是可以完成成孔的。該工程運用的措施和方法如下：

(1)采用優質Ф32mm的鋼繩,并備用兩條,堅持每班檢查兩次鋼繩、繩卡和錘銷,并保持天輪和地輪的潤滑,能有效地防止鋼繩斷開。

(2)沖錘穿過粘土層或強風化層時,向孔內拋填少量片石、降低提錘高度和適當降低泥漿相對密度等方法能有效地防止粘錘。

(3)觀察泥漿泵、振動篩是否正常工作,篩網是否破損,檢查循環池沉淀是否太厚、泥漿相對密度是否超標等措施能有效地防止成梅花孔。

(4)控制提落錘速度、及時修孔、及時多次進行加邊焊錘、換錘嚴格控制錘徑等措施能有效地防止卡錘。

(5)清孔采用沙石分離機配合排氣量13m3/min的空壓機進行,孔底干凈清孔效率高。

實踐證明,通過上述針對性成孔措施,只要在施工中加強管理,提高防范意識,對施工中的方案、設備、人員和繩具進行嚴格的控制,能夠保證樁基質量,成功地應用沖擊鉆在84m深孔樁施工。

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