沖擊反循環鉆機在大直徑鉆孔樁施工中的應用分析

潘劍峰

（中鐵大橋局集團第二工程有限公司，湖北 武漢 430050）

GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環鉆機是國內最新的大口徑液壓沖擊氣舉反循環鉆機，主要應用于深基礎工程大口徑鉆孔灌注樁施工。該機可適用于各種地層，特別是在卵礫石層和巖石中較其他類鉆機有更高的鉆進效率和成孔質量。

1 工作原理

GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環鉆機工作原理是通過鉆機上同步卷筒出來的兩根受力相等的正反轉鋼絲繩，經鉆塔上安裝的第一定滑輪導向，將一定質量的沖擊鉆頭提升一定高度，讓其對巖石進行較高頻率并具有周期性的沖擊，造成巖石的脆性破碎出現崩離體，然后利用在兩根主鋼絲繩間放置的由副卷揚機提引的反循環排渣管，在第一時間將鉆渣排出孔外，從而獲得進尺。

2 鉆機結構及技術參數

2.1 鉆機結構

鉆機由機架、卷揚機、可轉動的凸輪、可上下活動的張力輪、緩沖機構、操作臺、排渣管、鋼絲繩以及鉆頭等部件組成。

2.2 鉆機參數

GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環鉆機主要性能參數如表1 所示。由表1 可知該鉆機液壓及機械傳動有如下優點：操作簡單、傳動平穩、噪音低、性能穩定、功率消耗小、維修便利、安全標準化通用程度高。

表1 GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環鉆機主要性能參數

3 氣舉反循環鉆機施工的優點及優勢

烏龍江特大橋巖層主要為凝灰巖，全風化凝灰巖設計承載力為220kPa，強風化凝灰巖設計承載力為450kPa，弱風化凝灰巖設計承載力為800kPa，花崗巖及輝綠巖的設計承載力為1000kPa，樁基設計直徑2.5m，設計樁長38m。為了更加形象地展示鉆進效率的差別，總結對比現場施工中兩種鉆機鉆孔所需時間如表2、表3 所示。這兩根樁基總結對于相應鉆機鉆進均具有代表性，非偶然或特殊選擇。

表2 反循環鉆機各工序時間

表3 沖擊鉆機各工序時間

在烏龍江特大橋實際現場施工中，將該GDHJCJF-6000 型鉆機與同時使用的沖擊鉆機進行性能對比，總結出以下幾個優點。

3.1 鉆進效率高

烏龍江特大橋現場沖擊鉆機采用10t 沖擊鉆頭，沖擊反循環鉆機采用18t 沖擊鉆頭，其攜帶鉆頭重量為傳統沖擊鉆機的1.8 倍，再加上其獨特的反循環排渣工藝能讓沖擊鉆頭更充分、持續地擊打到新鮮巖石面。同時該鉆機沖擊鉆頭耐磨牙數量多、材質堅硬、分布位置合理，鉆頭加焊次數少、工序與工序之間的轉換時間減少。鉆機機架上安裝有第一定滑輪，在鉆進時鋼絲繩位于張力輪和鉆頭之間的部分繞過第一定滑輪的上方。該設計巧妙地把拉力變為滾動力，進而大大提高了鉆孔灌注樁施工所需的強大沖擊力。并且該鉆機每分鐘可沖擊巖石32 次，而傳統沖擊鉆機正常沖擊頻率為13 ～15 次，其沖擊頻率為傳統沖擊鉆機的兩倍以上。

根據表2、表3 可發現：沖擊反循環鉆機鉆進時間為194h；沖擊鉆機鉆進時間為722h。沖擊反循環鉆機的鉆進速度為普通沖擊鉆機的3.7 倍。

3.2 成樁質量高

相比于傳統鉆機的鉆頭用一根鋼絲繩固定，其改良為兩根鋼絲繩固定，極大地提高了成孔的垂直度、減少了沖孔擴孔率，有效地杜絕了偏孔、斜孔、梅花樁等成樁問題。

其持續的反循環抽渣工藝使得終孔時孔底成渣、泥漿比重、含砂率更易達到封孔標準，成樁質量更高，二次清孔速度更快，進而減少清孔時塌孔的概率，使成樁過程更安全。

獨特的鉆頭設計在巖層對樁間土有一定的擠密作用，降低塌孔率，減少擴孔率，并且能夠一定程度提升樁的承載力，從最底層加強了橋梁的穩定性和質量安全，如圖1 所示。

圖1 沖擊反循環成孔樁基成孔檢測儀檢測孔型

3.3 移位、運輸方便，操作簡單

鉆機配有液壓步履，液壓步履和鉆機可一體運輸，在施工現場方便移位及過程定位調整。鉆塔同樣采用液壓的方式起落，平穩、安全、安裝方便。

鉆機可實現自動沖擊，開啟自動沖擊時，操作人員即可離開操作室，巡視鉆機情況。并且在自動沖擊的過程中，卷揚機會根據鉆頭的進尺情況適當調整放繩，避免打“空錘”的現象，合理地利用鉆進時間，有效地提升了鉆進效率。也可選擇手動控制，根據實際情況靈活控制鉆機工作。自動沖擊和手動沖擊可任意選擇，沖程、沖次可以有級調整，能適應各種施工要求。

3.4 故障率更低

鉆機鉆進過程平穩，鋼絲繩、彈簧等主要工作部件磨損，損耗較少；鉆機實現了機、液、電一體化，采用了6 片高速離合控制進行制動并配置過載保護，全方位的保護機械運行，降低故障發生概率。

從表2、表3 中可發現沖擊反循環鉆鉆機修理時間為43h，占比為15.26%；普通沖擊鉆機修理時間為242h，占比為20.9%，明顯沖擊反循環鉆機故障率更低。

3.5 分級跟進，破巖能力強

鉆機鉆頭采用層級式鉆頭進行分級跟進，鉆頭形式如圖2 所示。鉆頭采用四級分層，從鉆頭底部往上直徑逐級增加，分別為0.5m、1m、1.7m、2.5m（為現場施工數據，層數、直徑均可調整）。傳統的分級跟進為先用小直徑鉆頭鉆進，再將鉆頭換成直徑較大的鉆頭鉆進，進而逐步增加鉆頭直徑，直至設計樁徑為止。傳統方法耗時長、工序繁雜，極不利于現場施工。但是該鉆機一個鉆頭既可形成多個層次的破碎面，除去了繁雜的工序轉換，將分級跟進落到實處，充分地利用到巖石抗剪強度小于抗壓強度的特點，極大地增強了破巖能力。

圖2 GDHJ-CJF-6000 型沖擊反循環鉆機分級式鉆頭外形圖

4 施工中的效果及評價

由于新建福廈鐵路烏龍江特大橋水中主墩地質巖石過于堅硬，之前使用的傳統沖擊鉆機不能很好地滿足鉆進需求，嚴重影響了工程的進展，不采取解決辦法工期將嚴重滯后。該單位應業主對于工期風險管理的要求，引進了三臺氣舉式沖擊反循環鉆機。在之后的施工使用中發現，其對樁基硬巖的破碎效果明顯優于傳統沖擊鉆機，鉆進效率比傳統鉆機更高，有效地緩解了工期滯后的危機；其設計工藝技術性能和技術參數基本趨于正常，未出現機械設計問題而引發的鉆機維修。但該鉆機對鉆機操作人員的技術要求更高，對場地的穩定性要求比沖擊鉆機大。

由于其沖擊效率比沖擊鉆機高，可鉆進巖石強度比沖擊鉆機大，對于場地要求比旋挖鉆、回旋鉆更低，故其比其他鉆機更適合于巖石堅硬并且為水上平臺或者施工面積較小的環境。