旋挖潛孔錘技術在鐵路橋梁工程施工中的應用研究

吳仲斌

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

與傳統樁工機械相比，旋挖鉆機在各類巖土層施工中都具有顯著優勢。但是，當巖石強度超過60MPa以后，旋挖鉆機將面臨施工工效低、鉆具磨損快、鉆桿易損壞、主機壽命縮短等問題，因此，急需一種適合硬巖鉆進的旋挖施工工藝。鐵路工程橋梁施工過程中，旋挖潛孔錘技術具有較強的應用優勢，其是將大直徑潛孔錘與旋挖鉆機相結合的一種樁基礎施工工藝，主要目的就是解決旋挖鉆機在極硬層鉆進緩慢的問題。旋挖潛孔錘技術以旋挖鉆機為主機，懸掛潛孔錘鉆具；以大功率空氣壓縮機為動力源，提供高壓空氣；以氣動潛孔錘為鉆具，沖擊鉆進；以高壓空氣作為循環介質，提供動力、冷卻鉆頭、清孔排渣：能夠大幅度提升鐵路橋梁工程施工的質量和效率。

1 工程概況

第一，該橋起訖里程為DK96+500.198～DK96+847.596，橋全長為347.398m，孔跨布置為1×24+2×32+1×24+6×32+1×24m。第二，該橋3墩采用明挖基礎，其他墩采用樁基礎。除0臺、1墩樁基按照摩擦樁設計外，其余均為柱樁，柱樁除樁底標高滿足設計要求外，還應保證最小嵌入二長花崗巖弱風化層不小于1.0m。第三，墩身為雙線圓端形實體墩，墩高為3.5～12.5m，橋臺為矩形空心橋臺。第四，該橋5、10墩需要進行補勘。應提前規劃，優先進行此墩的征拆工作，早日進行補勘。

橋梁主要工程內容和數量如表1所示。

表1 主要工程內容和數量

2 旋挖潛孔錘技術在鐵路橋梁工程施工中的應用

2.1 施工技術選取

潛孔錘主要依靠沖擊荷載破碎巖石，應力較為集中，且接觸瞬間就達到很高的值，容易產生裂紋，破碎巖層結構，最終形成有效的體積破碎，適合鉆進硬脆性的巖石；旋挖截齒鉆具則是依靠較大的加壓力和扭矩，擠壓切入地層而實現剪切破碎，隨著巖石硬度的增大，截齒的切入能力迅速降低。根據施工現場的地質條件結合兩種技術的破碎機理比較發現，潛孔錘鉆進工藝更適合鉆進堅硬的巖石地層。

2.2 旋挖潛孔錘技術工藝流程及配套設備

旋挖潛孔錘技術工藝打破常規旋挖施工鉆進無法在硬巖地層、復雜地層施工的局限，可廣泛應用于各類高層建筑、高鐵路橋、港口碼頭、地鐵建設等嵌巖樁孔的施工。具有靈活性好，主機自行走、上車360 度回轉；鉆進速度快；成孔質量好；適合中等直徑的嵌巖樁孔施工；工藝適應性強，工作穩定性好；綠色施工，環境污染小等方面的優勢。

2.2.1 旋挖潛孔錘技術工藝流程

旋挖潛孔錘技術工藝流程如圖1所示。

圖1 旋挖潛孔錘技術工藝流程

2.2.2 旋挖潛孔錘技術配套設備

（1）主機

采用XR180DIV 旋挖鉆機，主機功率為194kW，動力頭行程為15m，最大扭矩為180kN·m，動力頭轉速7～15r/min，卷揚機提升力520kN。

（2）潛孔錘鉆具

潛孔錘由沖擊器和鉆頭兩部分組成。沖擊器在高壓氣體的驅動下往復運動，產生的沖擊力通過鉆頭直接作用于巖石，產生沖擊破碎力。沖擊器可以將壓縮空氣的能量轉化為沖擊能量，該能量轉換的過程主要依靠活塞運動。以壓縮空氣推動活塞，以配氣機構不斷改變空氣方向，從而實現活塞在氣缸內的往復運動，帶動鉆頭沖擊破碎巖石。潛孔錘鉆頭由高質量的合金鋼和優質的碳化鎢原子制成。鉆桿為特制分段鉆桿（Φ600，外徑尺寸為18″），采用六方結構連接、銷軸固定，接頭具有一定的密封性能，可以有效地傳遞扭矩、壓力并保證氣密性，鉆桿外部帶桿衣，有效減少了鉆桿與孔壁的環形空間面積，從而提高空氣的上返速度，有利于施工過程中的鉆孔清渣。

（3）空壓機供氣系統

以空壓機風量為單臺29.8m/min，工作壓力為25bar（柴油移動式螺桿式）提供充足的高壓空氣，是保證潛孔錘有效工作的前提；大直徑潛孔錘工作耗氣量大，需要通過儲氣罐（容積為6m，工作壓力為25bar）連接多臺空壓機集中供氣，并且有穩定的空氣壓力的作用；潛孔錘工作時，活塞在缸體內快速往復運動，為使其得到充分的潤滑，需要在高壓供氣管路上連接油霧器，輸送潤滑油。

2.2.3 設備對比

潛孔錘、旋挖鉆、沖擊鉆三種設備的對比詳情如表2所示。

表2 設備對比

2.3 旋挖潛孔錘技術具體施工過程

2.3.1 施工方案設計

第一，在進行施工準備工作之前首先要充分了解工程信息，根據工程地質情況制定合理的成孔工藝。若地層整體穩定性好，且無地下水，則可以直接使用潛孔錘鉆進，一次性成孔，無需其他輔助措施；若巖石地層上部存在不穩定地層，則可以使用長護筒護壁或全套管施工。

第二，根據樁孔設計參數，選擇相應的設備規格。例如根據不同的孔徑選擇不同潛孔錘規格、確定合理的空壓機規格數量及施工參數。

第三，鉆機安裝就位、組裝。測量放點、平整場地滿足鉆機安裝就位需求，按照空壓機、儲氣罐、油霧器、高壓風管、旋挖鉆主機、鉆桿系統依次組裝。

第四，由專業人員進行吊裝，吊裝時保證平穩，采用液壓系統調平，保證裝機水平，測量方式采用水平尺校正，將潛孔錘對準樁機，保持中心位置一致，裝機完成后進行現場驗收，運行前需要進行調試。

2.3.2 鉆進成孔

旋挖潛孔錘鉆進時，鉆桿接長下放，單節鉆桿為12m。首先將吊裝鉆桿與孔口鉆桿連接，然后將鉆桿與動力頭連接（見圖2）。

圖2 鉆機組裝示意圖

2.3.3 下放鋼筋籠

鉆進到要求深度后，采用吊車拆卸鉆桿；鉆桿拆卸完后，下工字鋼，在工字鋼兩側注漿，邊注漿邊拆卸護筒。根據樁基礎功能不同，下放的加筋材料可分為工字鋼、鋼筋籠或者其他材料，但下放作業基本相同，都需要先加工制作，再分段下放。

2.3.4 灌注混凝土

灌樁方法與常規灌注樁施工方法一致。

2.3.5 配合施工

該工藝設備可配合全套管施工，氣動潛孔錘配合全套管施工時，套管可跟隨潛孔錘鉆進時一同下放，配套擴孔鉆頭，無需其他設備，套管與鉆桿同步下放。待套管跟進到穩定巖層后，可更換使用常規鉆頭進行鉆進。

2.3.6 設備投入

設備投入詳情如表3所示。

表3 設備投入明細

3 旋挖潛孔錘技術在鐵路橋梁工程施工中的應用要點

3.1 鉆進的注意事項

旋挖潛孔錘鉆孔灌注樁在鉆進過程中的注意事項如下。

第一，不管施工場地地質水文情況如何，都要埋設護筒。護筒頂的高度至少高出周圍地面30cm。

第二，護筒埋設到預定深度以前，均需使用鉆頭的鉸刀。

第三，為了避免鉆斗提升時，鉆斗內的泥砂掉落到孔內，而使泥漿性能指標改變不符合要求或沉到孔底，鉆斗的活動底門在提鉆過程中應保持閉合的狀態。

第四，必須始終保持潛孔錘鉆斗在樁基孔內升降速度合理。因為較高速度移動鉆斗，泥漿會被迫快速地從鉆斗外側和孔壁之間的孔隙中流出，導致泥漿對孔壁產生沖刷，快速提升鉆斗還會在下方產生負壓而導致孔壁不穩定，甚至導致坍塌，所以必須依照孔徑的大小及土質的具體情況來確定鉆斗的升降速度。

3.2 施工中的質量控制

3.2.1 鉆桿垂直度

測放樁位要做到準確無誤（允許誤差在5cm 以內），放線定位應從測量基準點測量放點，并用基站法放點，不宜用后方交會放點，放點之后要做好標記并注意做好保護樁位的措施。如果發現有較大誤差，應查明原因，重新放點，并采用其他方法復測。如若在放點之后很久才開始鉆進，則必須復測樁位。孔深以孔口護筒頂的高程作為高程控制點，并以專用的測繩加測錘進行測量，測錘重約1kg，上系測繩，徐徐放到孔底，可以憑感覺測定孔深，確定孔底高程。

3.2.2 地基處理

施工場地應平整，機械下的地基不得有沉陷現象。機械在開鉆之前，應檢查機械的質量，并調整好運行參數。在鉆進施工的過程當中，應根據地質條件控制鉆進的速度；如果發現樁基孔傾斜，應立即停止鉆進，在采取有效措施之后，才可以繼續鉆進施工。

3.2.3 泥漿制備與處理

泥漿護壁成孔過程中，泥漿所起的作用最大，它不僅能起到保護孔壁的作用，還能起到冷卻設備、潤滑及攜渣的作用。由于泥漿本身有一定的密度，如果地下水位之上存在孔內泥漿液面高出現象，就會產生靜水壓，起到液體支撐作用，進而很好地保護孔壁，防止孔壁坍塌。因此，在鉆孔過程中，各土層孔隙容易引發孔壁剝落問題，泥漿可對孔隙進行密實填充，形成一層致密泥皮，而泥皮透水性較差，可防止水滲透，保證了成孔內水壓穩定性，從而維持了孔壁的穩定性。除此之外，鉆孔產生的泥渣懸浮于泥漿之上，并隨泥漿一同排出，不僅進一步達到良好的護壁效果，還方便了孔內渣土的排除。基于泥漿如此多的重要作用，因此一定要嚴格控制泥漿配比，如果在鉆進過程中出現泥漿密度降低現象，可適當添加膨潤土，保障其密度滿足工藝要求。需要注意的是，在施工過程中一定要結合環保要求對泥漿、泥渣進行環保處理。

3.3 施工之后的質量控制

完工后需要做好施工現場的排水管理，設置好排水設施，做好施工現場材料和設備的防水措施。施工所產生的廢棄物垃圾等應及時清理，并盡量減少對施工現場環境造成的污染和破壞。

4 結語

綜上所述，在鐵路橋梁工程施工中應用旋挖潛孔錘技術具有一定的優勢。在鉆進、施工中及施工后全過程中要注意做好護筒埋設、鉆斗提升、鉆斗升降速度、鉆桿垂直度、地基處理、泥漿制備、排水設施及環保措施的質量控制，以提升旋挖潛孔錘技術的應用效果。