大直徑氣動潛孔錘在硬巖地層樁基施工中的應用

摘 要：氣動潛孔錘是以壓縮空氣作為動力的一種風動工具，其將提供沖擊作用的氣動裝置與破碎巖石的鉆頭相結合，潛入樁孔孔底進行鉆進，并充分利用潛孔錘排出的高壓空氣，對鉆頭進行冷卻和排渣。基于此，對大直徑氣動潛孔錘在硬質巖層樁基施工中的應用進行了總結分析，闡述大直徑氣動潛孔錘在硬巖地層樁基施工中的施工工藝流程、技術參數、操作要點等內容，并對施工中易發生的典型事故進行原因分析，總結相應的處理措施和經驗，形成一套基本成熟的硬巖鉆進施工工藝。

關鍵詞：潛孔錘；鉆孔；硬巖鉆進；樁基施工；應用

0 引言

在巖土工程樁基施工中，常采用旋挖鉆進行成孔作業，其具有輸出功率大、扭矩高、機動靈活、施工效率高等特點，被廣泛應用。在配以適宜的鉆頭后，其可在多種地層中進行樁基成孔作業，但對于較完整以及裂隙發育不明顯的中、硬質巖層，旋挖鉆機效率較低。巖層越硬，鉆齒磨損越嚴重，從而導致鉆頭更換頻繁、進尺緩慢，需要提供極大的鉆壓和扭矩才能鉆進，對鉆機鉆頭的磨損較大、成本較高，從而導致旋挖鉆的施工經濟性較差。沖擊鉆雖可用于硬度較高的巖層進行鉆孔作業并且經濟性較好，但是鉆孔需泥漿護壁，嚴重污染環境，不環保，還需要占用較大的施工場地制備泥漿。且沖擊鉆成孔速度慢、鉆孔精度低，易出現樁孔孔壁傾斜、孔壁坍塌等問題，擴孔率普遍較高。

氣動潛孔錘是以高壓空氣作為動力的一種風動鉆孔工具，其將沖擊作用的氣動裝置與破碎巖石的鉆頭相結合潛入樁孔孔底進行鉆進，并充分利用潛孔錘排出的壓縮空氣，對鉆頭進行冷卻和排渣，具有能量利用率高、鉆頭磨損慢、壽命長等優點。

氣動潛孔錘常見的外徑尺寸為φ100～900 mm，適用于φ150～1 200 mm的入巖鉆孔作業，小直徑潛孔錘在鉆鑿爆破孔、地質鉆探孔中被廣泛應用，是硬巖地層中高效的鉆進工具。大直徑風動潛孔錘能充分發揮潛孔錘破巖的優越性，成孔速度快，成孔直徑與灌注樁樁徑相匹配時，能一次性快速完成成孔，為硬巖地層樁基施工成孔作業提供了良好途徑。該工法在陵江東路片區棚戶區改造項目二期樁基施工中得到了有效應用，結合工程實例，對大直徑氣動潛孔錘在硬巖地層樁基施工中的應用進行介紹。

1 工程概況

陵江東路片區棚戶區改造項目二期位于海南省陵水黎族自治縣椰林鎮陵河南片區，總投資約為13億元，總用地面積為56 865 m2（85.29畝），總建筑面積約為226 761.74 m2。主要建設14棟15層住宅、沿街配套商鋪及1棟幼兒園，采用框架-剪力墻結構，建筑高度43.8 m，住宅總戶數為1 495戶。

項目所在區域地層硬質巖層埋深較淺，依據巖土工程勘察報告，場地地層自上而下依次為雜填土、素填土、中粗砂、砂質粘性土、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖等，地下穩定水位埋深0.60～5.80 m，硬質巖層頂埋深5.0～11.0 m。基坑開挖深度在5.3 m左右，基坑底局部區域有巖層出露，取巖石樣品進行強度檢測，抗壓強度可達80 MPa以上。

基坑支護采用高壓旋噴樁與鉆孔灌注樁相結合的形式，其中鉆孔灌注樁樁徑800 mm，設計要求樁長12 m（或者滿足入巖深度1.5 m），實際施工中多數支護樁進入硬質巖層深度在1～3 m。根據設計要求，工程樁有效樁長不得小于6 m且滿足入巖深度在1.5 m以上，因此工程樁進入巖層深度至少在1.5 m以上。對于基坑底部存在巖層出露的區域，則整個樁長6 m范圍均入巖，工程樁平均入巖深度在2 m以上。

根據現場實際應用效果可知，采用旋挖鉆施工進入硬質巖層后，每鉆進1m需耗時1.5～3.0 h，而采用大直徑氣動潛孔錘僅需30～50 min，大大節約了樁基在硬質巖中的鉆孔時間，提高了樁基施工效率。旋挖鉆鉆齒在硬質巖中磨損嚴重，鉆頭更換頻繁，因此采用大直徑氣動潛孔錘也節約了更換鉆頭的資金。

2 氣動潛孔錘施工基巖樁機理

大直徑潛孔錘鉆具常與履帶式樁機組合，移動及旋轉均依靠履帶式打樁機。氣動潛孔錘與打樁機通過特制的鉆桿相連，鉆桿內部中空，分別與空壓機風管和氣動潛孔錘的進風口相連。壓縮空氣通過管道進入潛孔錘，依靠空壓機提供的高壓空氣，大直徑氣動潛孔錘以此為驅動介質，驅動其對堅硬的巖石進行高頻率沖擊，直至巖石被破碎。

由于錘頭不斷旋轉變換位置，使得錘頭底部的合金突起與不同位置的巖石接觸碰撞，大大提高了對巖石的沖擊破碎效率。同采用旋挖鉆機的鉆進相比，潛孔錘應用鉆頭不斷變換位置沖擊破碎巖石來代替巖石研磨切割，利用動態沖擊代替靜態研磨，巖石沖擊破碎代替研磨剪切破碎[1]。在潛孔錘進行作業時，經做功后排出的高壓廢氣，通過鉆頭的排氣孔排出，既降低了巖石被重復破碎的機會，提高了破碎巖石效率，又冷卻了鉆頭，避免鉆頭高溫損壞。

3 氣動潛孔錘鉆進施工工藝流程、技術參數、操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下：平整場地→樁位測量定位→潛孔錘鉆機安裝、調試、就位→鉆孔→孔口巖屑清理→穿透硬巖層至設計標高→潛孔錘鉆機移位。

3.2 氣動潛孔錘鉆進技術參數

3.2.1 風壓和風量

充足的風量是潛孔錘鉆進成功的關鍵，它用于將孔底巖屑運轉出孔口，若風量不足，孔底的巖屑不能及時返出孔口，巖屑堆積孔內，會形成堵塞。為保證巖屑的正常排出，氣動潛孔錘耗氣量一般較大，施工中應保證高壓空氣的穩定供應，以滿足巖屑正常排出。

以本工程為例，潛孔錘施工直徑800 mm的樁，采用的高壓空氣壓力為0.8～1.0 MPa，供風量為80～120 m?/min。

3.2.2 鉆壓確定

潛孔錘鉆進效率的高低主要由沖擊功的大小及頻率決定，但前提是鉆壓應保持在合適范圍內，否則會影響鉆進效率。

3.2.3 轉速的確定

潛孔錘采用鉆頭不斷變換位置沖擊破碎巖石來代替巖石研磨切割，因此需保證轉速在適宜區間。在施工過程中，轉速要根據巖層情況進行調整。

3.2.4 軸推力

鉆壓的大小一般由軸推力決定，在不同的地層，應采用不同的軸推力來保證鉆壓處于合適范圍。軸推力過大，會導致潛孔錘劇烈震動同時加速錘頭硬質合金的磨損，縮短錘頭使用壽命。軸推力過小，則會導致錘頭與巖石接觸不緊密，沖擊動能傳遞效率低、損耗大，影響正常工作。實際操作中，應根據巖石的堅硬程度確定軸推力大小。

3.3 操作要點

3.3.1 場地準備

在施工之前，應對施工區域進行場地平整，保證鉆機能順暢通行。施工場地應密實平穩，局部軟弱土層采用換填處理，保證在施工過程中鉆機機身穩固，不發生偏斜移位。

3.3.2 樁位確定

由測量人員依據圖紙確定控制點、基準線、坐標點等信息，經技術人員復核，無誤后報監理工程師確認。放線之前，做好測量儀器設備校準、測量方案編制報審等準備工作。正式施工前，應對樁位進行最終復核，無誤后方可施工。

3.3.3 潛孔錘安裝、調試與運行

鉆機進場后由專業人員架設并安裝潛孔錘，安裝完成后現場檢驗并進行試運行，設備正常方可開展作業。鉆機必須由專人操縱，作業范圍設置警戒區域，嚴禁無關人員進入。鉆機就位后，通過液壓裝置進行調平，保證鉆桿垂直，然后將潛孔錘鉆頭移至樁位正上方，使錘頭中心和樁位中心相互重合。開啟空壓機，緩慢下放潛孔錘，初鉆孔時保持低速鉆進，隨時檢測鉆桿垂直度，適時調節。

在作業過程中，隨時關注錘頭的下降速度及鉆桿的垂直度，確保錘頭不發生突然下沉以及鉆桿無傾斜。一旦發生異常現象，立即停止作業，及時查找原因采取對應措施。作業過程中，技術人員應對樁號、樁長、樁徑、入巖深度、樁底巖層狀況、鉆孔時長等信息進行詳細記錄。

3.3.4 清孔

潛孔錘鉆孔以錘頭排出的高壓空氣為清洗介質，利用高壓氣體將錘頭破碎的巖屑帶出樁孔。在作業過程中，注意觀察孔口巖屑的排出狀況，錘頭入巖后根據設計入巖深度及樁長確定鉆孔深度。鉆孔達到設計深度后，保持空壓機正常作業，緩慢提升鉆桿，確保巖屑順利排出孔內，盡量避免鉆桿抖動導致錘頭被卡。

4 典型事故原因分析與處理方法

4.1 樁孔彎曲

4.1.1 原因分析

潛孔錘鉆進時錘頭及鉆桿未按預定角度行進，導致樁孔傾斜彎曲等異常現象，在特殊地質條件下尤其容易發生，特別是鉆進時遇到巖溶裂隙發育、巖石產狀不均、存在軟弱構造層等。在軸推力作用下，錘頭處鉆壓較高，錘頭容易沿軟弱面傾斜，導致樁孔出現彎曲。樁機傾斜、進尺過快、鉆具配置不合理、錘頭尺寸與樁孔尺寸偏差大、操作不當等原因也會導致樁孔彎曲。

4.1.2 處理方法

根據鉆進遇到的地層地質情況隨時調整鉆進參數，遇到溶蝕裂縫帶、巖石軟硬不均勻等特殊地層，適當降低軸推力減小鉆壓，降低鉆進速度，采用低壓緩慢鉆進。調整鉆具規格，確保錘頭與樁徑必須相匹配。

4.2 錘齒崩斷

4.2.1 原因分析

氣動潛孔錘的錘齒一般由硬質合金材料制作，在正常鉆進時，對錘齒的損傷較小，主要的損傷則是由于異常崩斷，特別是最外緣的錘齒最容易崩斷損壞，在發生此種狀況時鉆孔效率明顯下降[2]。

導致錘齒崩斷的主要原因有3個：一是地層原因。鉆進至溶蝕裂縫發育、斷裂破碎帶、軟硬不均等地層時，局部錘齒瞬間受剪切力過大引起錘齒崩斷。二是鉆進參數選擇有誤。一般為鉆壓和轉速選擇不當，只有合適的鉆壓才能使錘齒和孔底巖層既緊密接觸，又不至于壓力過高損壞錘齒。當錘頭進入裂隙發育和軟硬不均巖層時，錘齒吃入巖層不同，旋轉阻力不均，錘齒所受扭矩和剪切力頻繁變化而引起崩齒。三是駕駛員操作不當。下鉆過快過猛，錘頭突然觸底崩斷錘齒，或者作業過程中加壓過猛，遇到不良地質時未及時降低鉆壓、減慢鉆進速度，錘頭工作不平穩，均會導致錘齒崩斷。

4.2.2 處理方法

施工前，根據地勘報告提前對作業區地層地質情況進行了解，提前做好應對準備，遇到特殊地層時，采用小鉆壓、低轉速鉆進。作業過程中密切關注鉆機狀態，機身出現異響及異常抖動應立即停鉆進行檢查，查看地質情況是否有突變，及時根據現場情況調整鉆進參數。操作人員必須嚴格按照潛孔錘鉆進操作規程進行作業，開鉆前先試鉆，緩慢加壓、平穩提速、均勻進尺，作業時精神要高度集中，發現異常立即停鉆檢查。

4.3 錘頭斷裂

4.3.1 原因分析

錘頭斷裂是潛孔錘鉆孔中的較嚴重事故，打撈錘頭及后續維修均耗費不少時間，嚴重影響了現場正常施工。經統計，錘頭斷裂處多出現在錘頸部，即錘頭上端變徑部位，此處剛好是鉆桿與錘頭的連接處，受力最復雜最集中。錘頭本身質量有缺陷、超過使用壽命、錘頸部材料耐疲勞耐沖擊性能差等是導致錘頭斷裂的主要原因。

4.3.2 處理方法

每次施工前對錘頭進行外觀檢查，對錘頸部可定期采用探傷儀檢測，出現細微裂紋及時處理，使用頻繁時應加大檢測頻次。進入不良地質地層時，及時對鉆進參數進行調整，必要時采用小鉆壓、低轉速鉆進。錘頭遇到軟質巖層時，適當降低鉆壓，避免錘齒吃入巖石過深，使得錘頭所受扭剪力突增超過材料強度限值。

4.4 潛孔錘堵塞

4.4.1 原因分析

潛孔錘堵塞將造成其無法正常工作，這在施工中比較常見，一般是由于異物進入錘頭引起。潛孔錘堵塞后常引起進氣不暢，高壓空氣供應量不足，提供的動能不夠，影響施工效率，嚴重時設備將無法正常工作。

巖屑排出不及時發生倒吸，導致潛孔錘堵塞是最常見的。當樁孔內巖屑較多并且地下水位較高時，會導致巖屑、泥土混合成粘稠的糊狀。在下鉆時，若潛孔錘逆止閥密封不良或空壓機未提前開啟導致外部壓力過大，則樁孔底部的巖屑巖粉可能通過錘頭縫隙進入，從而造成堵塞。高壓管道、中空鉆桿里面進入異物，或者鉆桿內部銹蝕嚴重等原因，也有可能導致異物、鐵銹在高壓空氣作用下進入錘頭堵塞風道，導致進氣不暢，引起設備故障[3]。

4.4.2 處理方法

在作業前，對設備仔細檢查，重點查看逆止閥是否完好，各活動部件的間隙及密封情況是否良好，帶病零部件必須維修或者更換。要對高壓風管、鉆桿內部進行全面清理，確保送風管道內部清潔無異物。

操作人員必須嚴格執行潛孔錘作業操作規程，防止因操作失誤而導致潛孔錘阻塞。當作業過程中出現送風困難、潛孔錘動力不足等情況，確定是發生潛孔錘堵塞時，應迅速上下大幅度活動鉆具或者將錘頭提出樁孔內部，如若無效則應暫停作業，并檢查故障原因。

5 結束語

通過采用大直徑氣動潛孔錘鉆進成孔工藝，較好地解決了陵江東路片區棚戶區改造項目二期工程硬巖地層樁基成孔困難的難題，順利完成了項目的支護樁和工程樁施工任務。與旋挖鉆在硬巖地層中的鉆進效果相比，應用潛孔錘作業極大地提高了在硬巖地層中的成孔效率，節約了成本，也縮短了工期。這充分表明大直徑氣動潛孔錘在硬巖地層樁基施工中具有較大的優勢，是一種值得推廣的樁基成孔施工工藝。

參考文獻

[1] 張蘋.大直徑風動潛孔錘引孔技術在含硬巖層預制樁施工中的應用與研究[J].深圳土木與建筑，2013（4）：54-56.

[2] 王科.潛孔錘在硬巖鉆進中的應用[J].山東煤炭科技，2012 （2）：66+68.

[3] 宋繼偉，趙華宣，蘇寧，等.空氣潛孔錘鉆進典型事故原因分析及處理措施[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2018，45（5）：22-28.

收稿日期：2023-09-08

作者簡介：董繼昌（1989—），男，河南洛陽人，本科，工程師，從事軌道交通、市政工程、房屋建筑工程等管理工作。