雙動力多功能鉆機在富水巖溶地層降水井施工中的應用

李業波 （徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇 徐州 221000）

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

銅山路站場地位于銅山路與三環東路交叉口東側，車站橫跨徐海路南北向布置，為地下兩層端頭廳島式站臺,本站基坑設降水井為72口，井徑800mm，井深為基坑深加8m，平均約28m；濾管：管外徑為400mm，壁厚4mm的鋼管；濾料：直徑為5～10mm的礫砂或礫石。

1.2 工程、水文地質條件

①上部土層為人工雜填土，回填時間及厚度不均勻，結構比較松散，工程性質不佳。普通鉆孔施工工藝容易造成塌孔埋鉆的隱患。

②下部為強、中風化的寒武系灰巖，巖石強度高，個別部位巖石達到47.71MPa，溶裂隙等不良地質較為發育，沖擊鉆、旋挖鉆等鉆進效率低，泥漿流失風險高，卡鉆、埋鉆的風險大。

③地下水豐富，泥漿質量受影響大，制約成孔質量。

2 雙動力多功能鉆機簡介

本工程采用的SWSD2512多功能鉆機無需泥漿護壁，成樁質量好，能較好的解決以上問題。該鉆機由全液壓雙動力頭和高穩定行性全液壓式履帶式框架構成，可配備螺旋鉆桿+外側套管或外側套管+潛孔錘兩個組合系統，前者適用于土層，外設套管護壁，鉆桿可持續排土，鉆進切削強、成孔精度和施工速度佳；后者可用于各種復雜硬質地層，也是本工程所采用的組合，即外側套管+潛孔錘，同時配置供氣系統，潛空錘在堅硬巖層中實現大直徑全斷面、快速高效入巖，同時雙動力頭驅動螺旋鉆桿可輔助排渣，外套管旋轉跟進進行護壁，形成近乎封閉的出渣通道，氣量泄露少，排渣順暢、孔型規則，鉆進效率高。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

本工法利用的主要機械設備為配置氣動潛孔錘的雙動力頭鉆機，輔助設備為空壓機。通過使用氣動潛孔錘，保證鉆機在硬巖地層高效鉆井，提高整體效率，降低綜合成本。土層中利用鉆機外側動力頭驅動鑲嵌銑刀的護筒直接旋入，保證散土地層部分不塌孔。巖層中更換潛孔錘鉆頭進行鉆進，此時關閉外側動力頭，開啟內側動力頭進行堅硬巖層中的鉆進。遇巖溶或破碎帶，提出螺旋鉆桿，更換撈渣鉆頭進行撈渣處理，處理完后，更換潛孔錘繼續鉆進，直至穿越巖溶或者破碎帶。鉆至預設井底后，依次進行清孔，下濾管，回填濾料和洗井后，完成整個降水井的施工.

3.2 操作要點

3.2.1 測放井位

根據降水井平面布置圖，放線并用紅漆標出降水井井位點；基坑內降水井通過結構軸線和井間距施放，布置坑內井位時，應提前避開工程樁、結構梁等。定位放線后應經過監理確認后方可進行降水井下步施工。

3.2.2 多功能鉆機就位

本工法采用的多功能鉆機采用高穩定性結構設計，克服了借用起重機底盤存在的穩定性差特點，從結構上提高了整機移動和作業時的穩定性，且無論是側身還是正面都可以施工。故按照鉆機操作規程能快速進行鉆機的就位對中，鉆機就位后復測校正，鉆頭對準孔心，同時使鉆機底座水平。

3.2.3 護筒施工

為保證井位的準確性，啟動內、外側動力頭，先低檔位慢速鉆進，通過利用鑲嵌在護筒上的銑刀將護筒旋入，護筒高出地面長度符合規范要求。

3.2.4 巖層鉆進，出渣

開啟潛空錘，進入巖層鉆進。同時雙動力頭驅動螺旋鉆桿輔助排渣，外套管護壁并形成近乎封閉的排渣通道，氣量泄露少，排渣均勻順暢。

3.2.5 巖溶、破碎帶處理

巖層鉆進過程中，若遇到巖溶、破碎帶，緩慢提升鉆桿，利用汽車吊配撈渣桶進行撈渣，然后下入鉆桿繼續鉆進，重復以上操作，直至穿越巖溶破碎帶。

3.2.6 清孔、下濾管

完成鉆孔進行清孔，滿足相關要求后，下濾管；濾管上安裝有居中限位楔塊，保證濾管平穩豎直地下入降水管井中。下管前要檢查井管的質量和數量，下管時要慢慢上下提升，嚴禁強行下管。在下管過程中隨時檢查井管能否自由轉動、有無阻力，發現有阻力要及時查明原因并進行處理。井管下到設計深度后要將井管固定在孔的中間，不能偏斜，以保證填料厚度均勻。井管口高出地面0.3～0.5m，井口應裝有保護蓋。

3.2.7 填濾料、洗井、下泵

選擇符合設計要求的粒徑5～10mm水洗圓礫向井內填充，成井后及時采用反循環進行洗井，洗井需要從靜水位起由上而下分段清洗直到井底，達到水清砂凈為止。下泵前測量實際井深并記錄，按照設計要求下泵，泵底部距實際井深不得少于1.00m。水泵到達預定深度后，用足夠抗拉強度的繩索吊住或用夾板固定在孔口上，提泵時不得使電纜受力，并將電纜固定在出水管或吊索上，為確保安全，電纜不得接觸或摩擦孔壁。

4 雙動力多功能鉆機在本工程中的應用分析

針對本站所處區域地層條件，技術攻關小組人員提出利用雙動力頭多功能鉆機進行降水井施工的方案，首次將潛孔錘施工工藝用于具有上部為松散土層（散粒狀），下部為堅硬巖石（整體塊狀）的地層成孔施工，解決了不同地層鉆孔進尺對機械設備的要求不同的難題。創造性地提出將用于工程樁施工的潛孔錘施工工藝應用到降水井施工并進行試驗。

4.1 松散土層降水井成孔施工技術

松散土層降水井成孔采用內、外側動力頭同時施工。護筒下面安裝有銑刀，外側動力頭帶動護筒進行土層切削，內側動力頭通過鉆桿帶動雙頭單螺直螺旋鉆頭將護筒切削的土通過鉆桿提出地面。

普通氣動潛孔錘施工工藝在上部松散土層鉆進過程中，高壓氣流能夠將孔壁沖垮，造成孔壁塌孔，因此為保證成孔質量，防止卡鉆埋鉆事故需要下放護筒。

不同孔位土層厚度不同，同一場地的土層厚度差別較大，部分能夠達到2～3m，個別工地差別達到10m，不同土層厚度采用的護筒長度不同，對機械設備的護筒進行改進，配備1、2、3和5m類型的護筒，每種型號的護筒可根據現場實際進行合理的組合，以適用不同厚度的土層，保證在上部松散土層中不塌孔，進而引發的埋鉆事故，同時降低施工成本。

4.2 堅硬巖層降水井成孔施工技術

完成上部松散土層成孔施工的過程后，提鉆取土，提鉆取土前安裝清土器，將螺旋鉆桿上的土進行清理到地面，防止高空墜落安全隱患。取土完成后更換潛孔錘鉆頭，進行巖石地層內鉆進準備。關閉外側動力頭，開啟內側動力頭進行堅硬巖層中的鉆進。

4.3 大直徑高強度巖層快速入巖技術

大直徑高強度巖層快速入巖技術主要包括以下處理和改進措施：①使用高風壓氣動淺孔錘技術進行入巖，將提高堅硬巖石的鉆進效率；②空壓機產生的高壓風流能夠快速清理孔底的巖屑，保證鉆頭始終切削磨損新鮮巖面，防止二次磨損；③在施工過程中，通過合理地調整進尺和鉆速，控制巖石顆粒的大小；④通過采用組合錘技術可實現1.2～1.5m大直徑降水井施工。

4.4 巖溶區域處理

降水井施工過程中遇到溶洞、破碎帶，出現卡鉆、埋鉆事故。技術攻關人員提出復雜地層溶洞穿越施工技術和巖溶、破碎帶卡鉆埋鉆處理技術。主要創新成果如下。

4.4.1 溶洞頂板穿越技術、破碎充填物處理技術

在距溶洞頂板以上0.5～1.0m范圍內采取減壓，將自動模式換成手動放繩模式，為防止空錘對鉆桿造成損壞，最后2～3cm停止放繩，利用高壓空氣破壞剩余的2～3cm。溶洞頂板穿越后，提鉆換成撈渣筒進行清渣處理。

4.4.2 溶洞底板開孔技術

清渣完成后，更換雙頭單螺直螺旋鉆頭，進行傾斜巖面切削，該過程采用低進尺高鉆速，將傾斜巖面切削程形成錘擊平臺。

錘擊平臺形成后，提出鉆桿更換潛孔錘鉆頭繼續鉆進。

①溶洞頂板穿越在溶洞頂板以上0.5～1.0m范圍內采取減壓，換成手動放繩防止空錘最后2～3cm停止放繩利用高壓空氣破壞剩余2～3cm的頂板，防止錘頭急劇下沉；

②底板開孔；提鉆換成雙頭單螺直螺旋鉆頭進行傾斜巖面切削，形成錘擊平臺，防止錘頭受力偏心，折斷鉆桿錘擊平臺形成后更換錘頭；

③低于2m的高度導向足夠直接穿越套管螺旋桿保徑條錘頭與孔壁之間可進行導向，能夠保證2m范圍內的；

④大于2m，利用自身配帶的撈渣筒進行撈渣處理。

4.5 環保控制技術

施工過程中，部分降水井施工出現了嚴重的粉塵污染問題，對設備結構進行優化，提出螺旋上升型的保徑條形式，有效降低粉塵的污染；同時提出了破碎巖石顆粒粒徑控制技術、混合氣體加水技術及孔口加水技術，保證周邊居民的生活空氣質量，滿足國家綠色施工要求：

4.5.1 錘套結構優化技術

原始錘頭上焊接的保徑條方向平行于軸線對稱均勻分布，在高壓氣流的作用下，石粉沿著保徑條和孔壁之間的“通道”直接沖出孔口帶來嚴重的粉塵污染。為了降低粉塵污染的程度，首次提出螺旋上升形的保徑條，改變粉塵上升的路徑，避免粉塵直接沖到孔口，沿著螺旋形的保徑條飄落在螺旋鉆桿的葉片上。

4.5.2 總結形成破碎巖石顆粒粒徑控制技術

堅硬巖層鉆進過程中，通過調整轉速和進尺的關系，防止巖石顆粒二次破碎，將顆粒直徑控制在1～5mm范圍內，從源頭上控制粉塵污染的產生。

4.5.3 提出混合氣體加水技術和孔口加水技術

一般空壓機將壓縮空氣直接通過鉆桿輸送到孔底，底部磨碎的巖粉在高壓空氣的帶動下沖出孔口，為了將粉末狀的巖粉在孔底變成軟塑狀的“巖土”，在地面上接高壓水管，和高壓氣混合通過鉆桿輸送到孔底，濕潤巖粉，將巖粉由粉末狀變為軟塑狀，控制巖粉沖出孔口，造成粉塵污染。

為了將粉塵污染降到最低程度，在孔口設置2個水炮，將飛出的剩余巖粉變為粉土降落在鉆桿周邊的地面上。

5 效益分析

5.1 經濟效益分析

①按以往類似工程經驗推算，本站北側降水井（21口，平均深27.5m）進行分析，場地內可配備3臺沖擊鉆，每臺每天進尺2.5m，工期為77d；利用多功能鉆機施工，每小時平均7m，工期縮短至10d，施工時間可減少2月，并考慮因噪音擾民而節省的時間約3～4d；同理，本站南側估計節約工期90d，共可節約工期5個月。

②如利用沖擊鉆施工，約需460個臺班，吊車150個臺班，人工費每臺班400元，沖擊鉆用電500元，鉆機消耗12元，汽車吊每臺班350元，折合成孔成本每米約823元。采用雙動力頭多功能鉆機需10個臺班，空壓機30個臺班，人工費每臺班600元，油耗22400元，吊車350元，多功能鉆機設備消耗5000元，錘頭消耗11200元，空壓機租賃費每臺班1667元，折合成孔成本約768元。相比沖擊鉆施工，每米可節約費用55元。

5.2 環境效益分析

①雙動力頭多功能鉆機鉆進效率高，可以盡量減少夜間施工的概率，將對周邊居民的影響降至最低。

②雙動力頭多功能鉆機用于降水井施工過程中不需泥漿護壁，成孔產生的固態渣土很容易清理和處理，降低了對場地環境的污染。

6 結論

在富水巖溶地區散土-硬巖等復雜地層施工降水井，利用雙動力頭配置氣動潛孔錘鉆機，解決了大直徑樁高效率入巖的技術難題，能在堅硬巖層中順利成孔入巖，成樁質量較好，因不需要泥漿護壁，故杜絕了泥漿制作與排放對環境的污染，文明施工較好，同時如遇到巖溶破碎帶，配合撈渣筒也可處理巖溶破碎帶地層的鉆進問題，提高效率、縮短工期、降低綜合成本，除此以外雙動力多功能鉆機有多種組合系統，可實現一機多能，具有單機多功能、多用途，多樣化施工特點，在建筑樁基施工中有更大的市場前景。