潛孔鉆引孔施工技術(shù)研究探討

席宏平

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730030）

潛孔鉆在工程中的應(yīng)用主要涉及鉆孔灌注樁巖性地層成孔，斜巖地質(zhì)情況下的輔助成孔等，在鋼板樁圍堰引孔作業(yè)中應(yīng)用較少，但都是應(yīng)用了該設(shè)備沖破巖質(zhì)地層的能力[1]。針對工期緊，任務(wù)重的鋼板樁圍堰工程，在巖性地層中采用潛孔鉆設(shè)備預(yù)先引孔，相對于其他引孔方案，能有效節(jié)約工期，再加上護(hù)管內(nèi)換填粘性土技術(shù)的應(yīng)用，拔除護(hù)管后避免塌孔，保證了后續(xù)鋼板樁的順利插打。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[2]，對潛孔鉆設(shè)備的組成、保養(yǎng)、及沖巖施工論述較多，本文針對潛孔鉆在鋼板樁圍堰引孔作業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，對類似工程的引孔作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

1 常見的地下金屬采礦技術(shù)分析

我國的金屬采礦技術(shù)應(yīng)用過程中，地下金屬采礦對技術(shù)應(yīng)用有非常明確的要求。具體來說，包括空場采礦技術(shù)、VCR 采礦技術(shù)以及地下區(qū)域的連續(xù)采礦技術(shù)等。多種不同類型的技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中的側(cè)重點(diǎn)和具體組織實(shí)施方法可能存在一些客觀差異，下文將對技術(shù)特征和應(yīng)用方法等進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1 空場采礦技術(shù)分析

此種技術(shù)在應(yīng)用廣泛性和普遍性上是相對較高的，主要是通過對礦藏基礎(chǔ)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行控制和把握，借助人工支柱結(jié)構(gòu)為采空環(huán)節(jié)提供支撐，達(dá)到采礦作業(yè)的目標(biāo)。技術(shù)應(yīng)用中的主要優(yōu)勢集中在整體施工作業(yè)的效率相對較高，需要花費(fèi)的總體成本較低。另外，技術(shù)應(yīng)用在實(shí)踐中容易受到客觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。要求地質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要達(dá)到一定的水平，方可為技術(shù)應(yīng)用提供保障，因此，技術(shù)應(yīng)用中可能會受到多方面因素的限制。與此同時(shí)，工程項(xiàng)目的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)在規(guī)劃后具有復(fù)雜性較高的特征。需要在結(jié)構(gòu)、程序等多個(gè)方面加強(qiáng)控制力度。在實(shí)踐應(yīng)用中，此種采礦技術(shù)的應(yīng)用也要以采空區(qū)的安全狀態(tài)保障為主要目標(biāo)。具體來說，可通過在一定程度上保留礦柱結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)期的效果。此外，開采施工中的基層工作人員素質(zhì)水平也是影響實(shí)際工作開展效果的重要因素。相關(guān)工作人員需要從整個(gè)采礦過程的規(guī)劃環(huán)節(jié)和計(jì)量環(huán)節(jié)入手進(jìn)行全方位的合理把控。

1.2 VCR采礦技術(shù)分析

此種采礦技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中適合于地下區(qū)域的金屬礦物質(zhì)采礦應(yīng)用。實(shí)踐應(yīng)用中，還需要借助專業(yè)的潛孔鉆機(jī)設(shè)備輔助開采。另外，爆破環(huán)節(jié)則主要應(yīng)用球星炸藥包進(jìn)行爆破操作，實(shí)現(xiàn)落礦形式的有效控制。關(guān)于這一技術(shù)應(yīng)用中的要點(diǎn)，主要包括以下兩個(gè)方面。①結(jié)合技術(shù)實(shí)施順序進(jìn)行采礦技術(shù)的控制，例如，對深度較淺的地下金礦礦產(chǎn)，在應(yīng)用這種技術(shù)進(jìn)行開采的過程中，就非常重視礦體荷載因素的影響，同時(shí)，安全管理問題也是實(shí)踐中需要考慮的關(guān)鍵性問題。②針對可能出現(xiàn)的影響因素進(jìn)行針對性地分析研究，提升相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的可靠性和有效性。

1.3 地下連續(xù)采礦技術(shù)

此種采礦技術(shù)的應(yīng)用主要集中在勘察環(huán)節(jié)。主要針對體量相對較大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)的礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采。在地下金屬礦產(chǎn)開采過程中發(fā)揮作用，開采作業(yè)落實(shí)執(zhí)行的環(huán)節(jié)有了地下連續(xù)采礦技術(shù)的支持，能夠獲得更高程度的安全保障且階段性的采礦工作開展，整體效率也相對較高，但開采建筑回收工作在效率上相對較為滯后，回收時(shí)也存在一定的困難。開采過程中也存在部分需要重復(fù)作業(yè)的開采施工區(qū)域。因此，此種技術(shù)的應(yīng)用還需要通過設(shè)備應(yīng)用狀態(tài)的改良，優(yōu)化以及力學(xué)支撐理論的不斷完善，支撐此種開采技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中取得更好的保障。

1.4 崩落采礦技術(shù)分析

此種技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中主要通過外力作用的干預(yù)促使圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，對采空區(qū)進(jìn)行自動填充，隨后可結(jié)合爆破技術(shù)和切割技術(shù)的應(yīng)用，使得效果和區(qū)域得到一定程度的定位。這種技術(shù)應(yīng)用的過程中，需要持續(xù)進(jìn)行施工作業(yè)。另外，先進(jìn)性更強(qiáng)的技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用也需要借助先進(jìn)的輔助設(shè)備達(dá)到相應(yīng)的效果具體設(shè)備為高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)設(shè)備。

2 潛孔鉆機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢探索

從宏觀上來講，設(shè)備是支持開采工作執(zhí)行落實(shí)的重要條件。潛孔鉆機(jī)設(shè)備的應(yīng)用，在應(yīng)用范圍和應(yīng)用技術(shù)針對性上，都是相對較強(qiáng)的。實(shí)踐中的技術(shù)應(yīng)用，也需要結(jié)合這種設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀以及應(yīng)用過程中的實(shí)踐需求對其進(jìn)行一定程度的改良優(yōu)化，逐步推動潛孔鉆機(jī)向多功能智能化自動化的方向發(fā)展，現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢主要有以下幾方面內(nèi)容。

2.1 多功能化發(fā)展趨勢

在金屬礦產(chǎn)資源分布的整體結(jié)構(gòu)和區(qū)域特征方面來講，由于我國的宏觀面積較大，金屬礦產(chǎn)資源的分布廣泛性也相對較強(qiáng)。因此，需要結(jié)合實(shí)際從適用性和實(shí)用性的角度，對金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用進(jìn)行分析，多功能化正是這種背景下金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)應(yīng)用的主要發(fā)展趨勢。多功能的目標(biāo)達(dá)成需要通過針對性地實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化完善以及開采探測技術(shù)的不斷豐富，達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)。開采工作的效率和準(zhǔn)確性，也能因此得到保障。

2.2 智能化發(fā)展趨勢

智能化發(fā)展趨勢主要是指，在金屬礦產(chǎn)資源開采的過程中，需要通過物探技術(shù)的應(yīng)用完成地質(zhì)勘察作業(yè)。并且制定具有合理性和可行性的勘察工作計(jì)劃，選取適當(dāng)?shù)拈_采工藝技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。具體的操作環(huán)節(jié)也需要對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)振動過程中的實(shí)際情況進(jìn)行精準(zhǔn)的把握。除此之外，潛孔鉆機(jī)的運(yùn)行性能、調(diào)控能力也需要在實(shí)踐中進(jìn)行不斷的優(yōu)化。以便適應(yīng)現(xiàn)階段金屬礦產(chǎn)資源開采的要求達(dá)到提升工作效率，保障開采工作安全狀態(tài)的積極作用。開采技術(shù)本身也需要在實(shí)踐中不斷升級完善?，F(xiàn)階段PLC 系統(tǒng)技術(shù)是與開采環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動的核心技術(shù)。

2.3 自動化發(fā)展趨勢

自動化發(fā)展趨勢主要是指在采礦過程中的設(shè)備控制向自動化的方向發(fā)展，現(xiàn)階段此技術(shù)的應(yīng)用與機(jī)械設(shè)備本身的功能性和先進(jìn)性緊密相關(guān)，要想達(dá)到更好的自動化發(fā)展?fàn)顟B(tài)需合理應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)平臺運(yùn)行技術(shù)以及在線監(jiān)控與信息傳感技術(shù)。通過自動化的運(yùn)行控制技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用達(dá)到提升控制是有效性優(yōu)化控制效果的目標(biāo)。另外，自動化程度的提高也意味著機(jī)械裝置和系統(tǒng)的安全保障效果能夠達(dá)到更高的水平層次，設(shè)備應(yīng)用的整體效能都會因此得到優(yōu)化。

3 依托工程的基本情況

3.1 工程名稱

本文依托的工程為某高速公路黃河大橋水中主墩左幅7#（右幅8#）鋼板樁圍堰。

3.2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)情況

鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)尺寸為26.2×16.2 m，鋼板樁選型為24 m長的NSP-Ⅳw型拉森鋼板樁，單根鋼板樁寬度60 cm。鋼板樁入水8.6～9.6 m，入普通土0.5～0.9 m，入卵石層4.5～5 m，入泥巖約6 m，單個(gè)圍堰共設(shè)置拉森鋼板樁140根。拉森鋼板樁圍堰立面圖如圖1所示。

圖1 拉森鋼板樁圍堰立面圖

3.3 地質(zhì)情況

圍堰區(qū)地層按土層分類，上覆為第四系全新統(tǒng)人工成因填筑土，沖洪積成因卵石、礫砂、粉土，下伏基巖為新近系臨夏組砂質(zhì)泥巖。各地層特征描述如下：

（1）填筑土：雜色，稍密，稍濕，以粉土為主，次為粘性土，內(nèi)含礫砂、卵石，局部含少量植物根系，巖芯呈散狀，可見最大粒徑50 mm[3]。

（2）卵石：雜色，中密，主要成分以50～1900 mm卵石為主，占全重的80%，500 mm 以上孤石漂石占比約50%，其余為500 mm以下砂礫、粉黏粒等，骨架顆粒巖性成分以石英、長石為主，可見最大粒徑1900 mm，磨圓度呈亞圓狀，鉆進(jìn)困難，巖芯呈散狀。

（3）強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖：紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物，次為石英、長石，原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造大部分被風(fēng)化破壞，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎程度高，錘擊聲啞，手可掰斷，巖芯呈短柱狀[4]。

鋼板樁圍堰地質(zhì)柱狀圖如圖2 所示，河床裸露卵石層如圖3所示。

圖2 鋼板樁圍堰地質(zhì)柱狀圖

圖3 河床裸露卵石層

4 主要施工工藝

4.1 引孔施工工藝流程

測量放樁—潛孔鉆機(jī)就位—調(diào)整鉆機(jī)—啟動空壓機(jī)—送風(fēng)—啟動鉆機(jī)—鉆到設(shè)計(jì)深度同時(shí)護(hù)管跟進(jìn)—提鉆—填筑黏土—拔出護(hù)管移至下一樁位。

4.2 主要施工原理

潛孔鉆引孔對巖石直接破碎，沖擊頻率高，沖程低，破巖后巖渣在氣流的帶動下，沿鉆桿內(nèi)壁直接排到孔外。

潛孔鉆的作用機(jī)理是將壓縮空氣當(dāng)做動力，壓縮空氣依托空氣壓縮機(jī)供給，經(jīng)過風(fēng)管、鉆機(jī)和鉆桿進(jìn)到潛孔鉆沖擊器內(nèi)，促使?jié)摽族N運(yùn)行，依托潛孔錘對鉆頭的強(qiáng)大沖擊功能實(shí)現(xiàn)將巖石擊破的目標(biāo)，巖石擊碎之后產(chǎn)生的碎屑伴隨潛孔錘鉆桿中升高的氣流依托風(fēng)管落到地表。

其優(yōu)勢是巖石碎屑直徑小，容易壓縮空氣帶走，孔底干凈，總體作業(yè)效率理想。依托潛孔錘沖擊器在巖石穿透方面的性能與裝設(shè)護(hù)管過程中對鉆孔的保護(hù)，依托極大的風(fēng)壓將巖層擊碎，使用科學(xué)的作業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對鉆孔過程中的鉆進(jìn)護(hù)壁，鉆孔完成后先回填粘土再拔出護(hù)管，進(jìn)一步防止塌孔，同時(shí)又能順利插打完成鋼板樁，進(jìn)而高效安全完成鋼板樁圍堰施工[5]。

引孔所需內(nèi)護(hù)管采用壁厚10 mm，長度24 m 的A560 mm 鋼管，潛孔鉆引孔插入若干根（10 根左右）鋼管以后[6]，退出施工區(qū)域，挖掘機(jī)配合向管內(nèi)回填粘土，最后打拔機(jī)將鋼管樁振動拔出，管內(nèi)回填的粘土隨著振動滑入孔內(nèi)，每當(dāng)拔出一根鋼管樁后，及時(shí)插打鋼板樁，這最大限度的減少了原地層對現(xiàn)有孔洞的擠壓，從而減小了鋼板樁入巖時(shí)的阻力。

潛孔鉆在鉆進(jìn)過程中所產(chǎn)生的鉆渣及泥漿都是先由空壓機(jī)向孔內(nèi)送風(fēng)，再經(jīng)過鉆桿內(nèi)壁將所有的鉆渣泥漿由振動錘上連接的風(fēng)管排出至泥漿箱，最后再由泥漿罐車進(jìn)行二次清運(yùn)至棄土場[7]。

潛孔鉆引孔在卵石地層的綜合進(jìn)尺工效一般為6 m∕h，相比于其他引孔方案，工效提升顯著。潛孔鉆引孔作業(yè)如圖4所示。

5 結(jié)論

針對卵礫石地層的鋼板樁圍堰施工，拉森鋼板樁插打困難，傳統(tǒng)的施工方法主要有沖擊鉆引孔、長螺旋鉆機(jī)引孔、靜壓植樁機(jī)鉆孔并同步插打等。

沖擊鉆先引孔：可實(shí)施，但施工效率很低，平均每天進(jìn)尺1 m 左右；長螺旋鉆機(jī)引孔：如遇孤石，無法穿透，成孔困難；靜壓植樁機(jī)：通過利用自身已插入地層的鋼板樁提供“反力”，邊鉆進(jìn)邊將要插打的鋼板樁直接壓入地層中，可實(shí)施，但施工效率低，如遇孤石漂石，每天進(jìn)尺不足1 m；而采用潛孔鉆引孔，地層中的孤石漂石基本不影響成孔速度，工效穩(wěn)定。

潛孔鉆在鋼板樁圍堰中的成功應(yīng)用，為同類工程的實(shí)施有重要的借鑒意義。因?yàn)闈摽足@為大型的沖擊成孔設(shè)備，故障率相對較高，在后續(xù)的研究及實(shí)施過程中，還應(yīng)重點(diǎn)解決設(shè)備故障率問題。