影響沖擊鉆“鉆進效率”的幾點因素分析

【摘 要】本文介紹了影響沖擊鉆鉆進效率的幾點因素，并結合工程實例對這些因素進行了分析。

【關鍵詞】 沖擊鉆；鉆進效率；施工工藝

1. 引言

目前國內樁基礎工程施工領域常見的沖擊鉆類型有，機械式沖擊鉆和全液壓式沖擊鉆，按施工工藝的不同又可劃分為正循環鉆進施工和反循環鉆進施工兩種工藝。沖擊鉆以其施工工藝簡單，施工速度快，能耗低、成孔質量好，在基礎施工領域特別是在鉆孔灌注樁施工中占有相當大的市場份額。

通過對廣東順德高贊大橋和廣州珠江黃埔大橋基樁施工過程（采用沖擊鉆成孔）的跟蹤、對比、分析、統計得出影響沖擊鉆鉆進效率的主要因素有以下幾個方面：

1. 施工區域地質地層方面的原因

筆者參與了廣東順德高贊大橋和廣州珠江黃埔大橋的樁基施工，高贊大橋長1727.8m。引橋下部采用大懸臂薄壁墩配鉆孔灌注樁基礎；基礎為4根（每幅各2根）鉆孔灌注樁，樁徑分別為150cm和180cm。主橋長580m，主墩基礎采用14根250cm鉆孔灌注樁基礎，輔墩基礎采用8根180cm鉆孔灌注樁基礎。根據鉆孔揭露地層情況，橋位地層可分為上部覆蓋層及下部基巖。上部覆蓋層主要分布有濱海相的軟土，粉細砂及河流沖積相的中粗砂，粉細砂，卵石層，厚度20~40米，下部基巖為加里東期有淺變質花崗片麻巖、混合花崗巖。其中21#墩，22#墩為該橋主墩，“表1”對比了GF-300型鉆機與YCJF-250型鉆機在22#主墩不同地層的鉆進工效，“表2”對比了單繩沖擊鉆與YCJF-250型鉆機在21#主墩不同地層的鉆進工效。在輔墩和引橋的樁基施工中，針對此種地層沖擊反循環鉆機也顯現出較強的適應性，成孔周期要比其他類型鉆機提前3~5天。

珠江黃埔大橋位于廣東省廣州市東南部，是交通部規劃的“五縱七橫”國道主干線繞廣州公路東環段，S09標合同段為黃埔大橋的南汊橋。其中北塔為門式結構，基礎采用2×162.2 m鉆孔灌注樁，樁基礎弱風花巖不少于5.0m，中引橋為6×62.5 m連續鋼構，基礎采用1.8m鉆孔灌注樁。廣州珠江黃埔大橋S09標的基樁施工全部采用YCJF-250型沖擊反循環鉆機，這一決策是基于對該工程地質勘察報告和樁基設計要求的分析，該工程地層自上而下依次為第四系沖擊層、第四系海陸交互相沖擊層，第四系殘積層，下古生界混合巖。其中42#主墩樁基設計要求樁徑2.2米，入弱風化巖層不小于8米，入微風化混和巖巖層的深度不小于5米，孔深在40~55米之間。在施工過程中單孔的成孔周期控制在8~10天，而對岸41#主墩采用回轉鉆機成孔，地質情況類似，成孔周期大都在20天以上，有的甚至超過了30天，實踐表明選用YCJF-250全液壓沖擊反循環鉆機是正確的決定。由此可見設備選型對施工進度的影響是致關重要的。

2. 施工工藝方面的原因

沖擊鉆的鉆進施工分為正循環鉆進施工和反循環鉆進施工兩種施工工藝。目前普遍采用的施工工藝是泵吸反循環施工工藝，泵吸反循環是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內腔形成負壓，在孔內液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環狀空間的沖洗液流向孔底，將鉆頭沖擊破碎下來的鉆渣帶進鉆桿內腔，在經過砂石泵排至地面沉淀池內；沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內，形成反循環。

相對于正循環施工，反循環鉆進施工能及時有效的把鉆頭沖擊破碎下來的巖土屑隨沖洗液上返到地面，減少了二次破壞，提高了鉆進效率同時降低了鉆頭的磨損。特別對于鉆孔樁施工的土層多為松散、顆粒差異又較大的地層，鉆進速度的高低主要取決于排渣的速度。在高贊大橋施工過程中，地層情況為，上部覆蓋層主要為淤泥，砂層，入微風化花崗巖層不小于兩倍的樁徑，孔深40~45米，沖擊反循環鉆機的平均成孔周期為7天，而單繩正循環鉆機的成孔周期為20天，成孔效率竟相差如此之多。此外，反循環鉆機成孔的泥漿性能優越，大大縮短了終孔后清孔和調節泥漿指標的時間，從而也使得工效大大提高。

3. 鉆頭結構形式方面的原因

鉆頭形式分為單繩沖擊鉆頭，和雙繩沖擊鉆頭，單繩沖擊鉆頭常見的有三翼、四翼、五翼等幾種，結構形式大體相同，鋼絲繩通過旋轉銷與鉆頭連接，提拉鉆頭到一定高度下放，靠鉆頭的沖擊動能破碎巖土體，在提拉過程中，鋼絲繩受力產生一個旋轉力使鉆頭轉動一定的角度，從而保證了成孔的圓整度。不過單繩沖擊鉆頭中間沒有芯管，通過正循環進行排渣，破碎的鉆渣得不到及時的上返造成重復破碎，這也是單繩沖擊鉆頭施工工效偏低的一個重要原因。雙繩沖擊鉆頭鉆頭的破碎巖土層的機理和單繩相同，雙繩沖擊鉆頭的結構形式（見上圖中照片）包含兩方面內容，其一，鉆頭翼板、護圈及內圈的布置形式，釬塊的布置形式；其二，鉆頭各組成部分的聯接方式。鉆頭的結構布置對鉆頭的進尺效率，耐用性有很大影響，雙繩沖擊鉆頭頂部呈傘頂狀布置，翼板呈放射狀均勻排列，這一布置形式有利于鉆進過程中鉆頭保持直立，有利于形成較多的破碎面，降低巖層的強度。鉆頭中間是芯管，鉆桿能夠通過芯管進到鉆頭頂部，這樣鉆渣就可以通過泵吸通過鉆桿上返到地面，避免了重復破碎，提高了工效。實踐表明雙繩沖擊鉆頭是經濟適用型的鉆頭。鉆頭各部分的連接方式也影響到鉆頭的使用壽命，特別是在強度較高的巖層中鉆進的時候，鉆頭的各部分的連接處是最容易發生破壞的地方，經過長期的實踐，我們在鉆頭加工制作方面總結出了一些經驗性的東西（比如利用鉆頭結構本身對鉆頭組成各部分進行限位），在施工中運用很有效。

4. 鉆機操作人員操作水平的原因

鉆機操作人員的經驗，操作水平也是影響施工效率的重要因素，鉆機操作人員應該對鉆機的性能充分了解，對施工區域的地層情況也應該做到心中有數，這樣在施工中才能根據不同的情況對鉆進參數進行調整，以保證獲得較高的鉆進效率。

鉆機操作人員的操作水平還包括對事故的預防和處理。沖擊鉆比較常見的孔內事故有：卡鉆，掉鉆等。實踐表明，這些事故是可以事先預防的。比如預防卡鉆，我們在實踐中就總結出了一些切實可行的辦法：（1）在進入巖層前即對磨損的鉆頭進行修復，一方面保證鉆孔直徑，另一方面盡量避免進入巖層后對鉆頭外圈進行大規模的修復，如果入巖后再對鉆頭進行修補，一方面要注意修補的量，一般外圈都采用點焊的方式，另一方面要注意修補的范圍，一般是先對1/3至1/2外圈進行修補，鉆進一段時間后在對剩余部分進行修補。（2）在鉆頭修復完重新進行鉆進時，要先采用小沖程的工藝參數鉆進，防止卡鉆。（3）在易卡鉆地層可以通過回填塊石的方法來預防卡鉆，塊石直徑一般在5cm~10 cm，回填厚度一般控制在20~50cm。（4）在鉆頭加工的工程中對鉆頭護圈的圓整度進行控制，實踐表明，有相當一部分卡鉆是由于鉆頭護圈的圓度得不到保證引起的。此外在鉆機沖程的控制方面，根據不同地層也應作出相應調整。根據實際情況這些方法可以綜合使用，經驗豐富的操作人員可以最大限度的預防卡鉆。

正因為地層的復雜性，導致了鉆機在鉆進過程中，工藝參數要不斷調整，因為有些數據無法量化，就需要經驗來指導施工。

綜上所述，影響沖擊鉆鉆機效率的因素多，且有些因素不宜量化，造成了分析的困難。上述四點，是筆者實踐中的一些見解，希望對沖擊鉆的施工有指導意義。

參考文獻

［1］ 《公路橋涵施工技術規范》JTJ041-2000

［2］ 《鐵路橋涵施工規范》TB10203-2002

［3］ 《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008

［文章編號］1619-2737（2008）12-16-068

［作者簡介］楊占強（1978.10-）男，畢業于長春工程學院巖土與基礎工程專業，助工，研究方向：巖土工程。