旋挖钻机结合气动潜孔锤在硬岩钻进中的工法探索——北京市三一重机有限公司工法研究院   邢树兴，水俊峰，荆留杰，周召槿 

    1 概述
    旋挖钻机具有输出扭矩大、轴向压力大、施工效率高、机动灵活等特点，通过配置适用的钻具可以高效率地在各种土层、卵砾石层以至于软—中硬质节理较发育的基岩等地质进行成孔作业。但是对于较完整、节理不发育的中—硬质的基岩地层，单纯采用旋挖钻机钻进则存在较大的困难，表现为钻齿磨损严重、机器震动大、进尺较慢，施工经济性较差。为了更充分地发挥旋挖钻机施工的优点，我们开发出了旋挖钻机结合气动潜孔锤在岩石中钻进的工法，并应用于澳门望厦社会房屋二期工程之中，在微风化花岗岩地质的钻进中取得了较好的施工效果。
    气动潜孔锤钻进工艺是利用压缩空气驱动潜孔锤缸体内的活塞，高频冲击潜孔锤钻头，使之产生较大的冲击功，从而对岩石施以粉碎性破坏，破碎产生的岩屑通过气举正循环或者螺旋钻杆输送至地表。
    2气动潜孔锤入岩破碎原理
    气动潜孔锤工作时，压缩空气功率主要消耗在入岩、排渣和排水等环节。压缩空气在钻头破碎岩体的同时，推动岩屑和孔内地下水向孔口运动。潜孔锤水下钻进示意图，如图1所示。
 

图1 气动潜孔锤水下钻进示意图
 

    图1中，D为成孔直径；d为套管管径；d1为钻杆管径；h为成孔深度；h水为地下水高度；h1为单个冲击周期破岩深度；h２为岩屑超过孔口运动的极限高度；X为地下水位；V风为钻杆内空气流速度；V钻为钻头进尺速度；V岩为岩屑上升速度；V水为孔内地下水的运动速度。
    空气压缩机输出风量Q与钻杆供风量Q钻的关系为Q＝1.2Q钻；压风机供风压力P与钻杆孔底供风压力P１的关系满足：
    P≥P１＋P２      式中：P２为地面管线和钻杆中的压力损失总和，取0.05MPa。
    潜孔锤的活塞作上、下往复运动，它要求工作风压大于上、下配气室的压差。这种正常工作所需压力的大小取决于潜孔锤的本身结构设计。目前，潜孔锤低压作业所需风压P１＝0.5～2.0MPa。
    在确定配套设备的参数及尺寸方面，我们有如下经验公式：
    P１S钻杆V风T—V钻T• •ρ岩•a—  ≥V钻T• •ρ岩•g•（h＋h２）+(h—X) ρ水gh２•                        
    该经验公式反映了钻进过程中的能量守恒关系，包含了工况基本参数(ρ岩，a，ρ水，X)、工艺参数(P１，S钻杆，V风，V钻，h２，d)和成孔结构(D，h)。在具体的工程中，为了满足工程设计成孔结构要求，必须不断调整工艺参数以适应地质环境参数。
    3工程应用
    澳门望厦社会房屋二期工程，为政府公共租赁房屋及公共设施，楼高37层，由裙楼及两座塔楼组成，可提供768个住房单位。桩径Φ1.0～Φ2.8m，桩深20～35m。设计要求嵌入微风化花岗岩深度5-8m，个别桩孔嵌岩深度12m，岩石单轴抗压强度在90～150MPa，个别达到208MPa。
    参照上述经验公式，该工程中确定采用的相关配套设备的参数及尺寸见下表所示。
 

    相关配套设备参数及尺寸

    4旋挖钻机配合气动潜孔锤的应用效果
    对于直径＞1.5m的桩孔，旋挖钻机很难达到对岩石理想的破碎效率。可使用气动潜孔锤钻进Φ0.6～Φ0.8m桩孔，通过形成自由面，促使裂纹节理的发育扩展，为旋挖钻机二次钻进创造有利条件。气动潜孔锤破岩的范围如图2所示意。
 

    图2 潜孔锤破岩范围示意图（中空部位）
 

    在分级钻进的工艺方式上，先采用Φ600mm潜孔锤进行中间岩石的取芯，继而采用旋挖钻机配置Φ1200mm牙轮钻头进行跟进扩孔，两次相结合构成一次完整的入岩成孔过程。扩孔过程所设计的Φ1200mm牙轮钻头分布轨迹图见图3所示。

 
 

    图3 旋挖钻机牙轮钻头分布轨迹图

    结果表明，采用旋挖钻机结合气动潜孔锤分级钻进的工艺对于φ1200mm牙轮钻头钻进及掰断岩芯起到了显著的帮助，施工效率比单纯采用旋挖钻机能提高3倍以上，同时又降低了各种原材料的消耗，取得了可观的经济效益和良好的社会效益，获得了业主和监理的好评。
    旋挖钻机结合气动潜孔锤分级钻进取出的环状微风化花岗岩岩芯见图4所示。
 

图4旋挖钻机取出的环状微风化花岗岩岩芯（中空部分是气动潜孔锤钻进所致）
 

    5 工法总结
    潜孔锤冲击钻进是空气钻进技术在破岩方法上的一项突破，在桩基础施工中，旋挖钻机结合气动潜孔锤的使用，解决了钻进超硬岩效率低下的难题。
施工前要仔细的研究项目的岩土工程勘察报告，以便选择适合的成孔施工工艺，并结合施工工艺进行钻具的配备，特别是对超硬的基岩地层，要提前确定出气动潜孔锤的相关配套设备参数及尺寸，做好各项必要的准备工作和可行的施工方案。而在施工过程中，为了满足不同成孔的要求，必须不断调整工艺参数以适应地质环境参数。
    在澳门望厦社会房屋二期工程的硬岩钻进中，采用潜孔锤和旋挖钻机配合，充分发挥了潜孔锤针对硬质、脆性基岩地层进行小孔径施工速度快的优势，也发挥了旋挖钻机施工大孔径速度快的优势，同时也拓宽了旋挖钻机对中—硬基岩施工的领域，提高了旋挖钻机施工中—硬基岩地质的效率，为旋挖钻机施工类似中—硬基岩地质提供了技术参考。（完）