沖擊鉆機與回轉(zhuǎn)鉆機在碼頭嵌巖斜樁施工中的應(yīng)用_彭衛(wèi)東

1、.沖擊鉆機與回轉(zhuǎn)鉆機在碼頭嵌巖斜樁施工中的應(yīng)用_彭衛(wèi)東 年月 第期總第期中國港灣建設(shè)Dec.，ChinaHarbourEngineering 沖擊鉆機與回轉(zhuǎn)鉆機在碼頭嵌巖斜樁施工中的應(yīng)用 彭衛(wèi)東 （廣州航海高等?？茖W(xué)校，廣東廣州） 摘要：對灌注型嵌巖直樁，施工工藝已較為成熟，而對于斜向嵌巖樁的施工，在國內(nèi)采用沖擊式鉆機和回轉(zhuǎn)式鉆機施工均有成功的實例。文章從采用不同施工設(shè)備的角度介紹了斜向嵌巖樁的施工技術(shù)，并對它們的適應(yīng)性進行了分析比較，最終根據(jù)分析比較結(jié)果提出了斜向嵌巖樁施工鉆機的選擇建議。 關(guān)鍵詞：斜向嵌巖樁施工；沖擊鉆機成孔；回轉(zhuǎn)鉆機成孔；導(dǎo)向裝置；鉆頭選擇 中圖分類號：文獻標識碼：文章編

2、號：（） ApplicationofPercussionDrillandRotaryDrillinthe ConstructionofDockRock-socketedObliquePiles PENGWei-dong （GuangzhouMaritimeCollege，Guangzhou510330，China） Abstract：， Keywords：； 1引言 建造在風化巖地基上的高樁梁板碼頭，當基巖（中風碼頭管樁打設(shè) 化巖）埋藏較深且其上強風化層較薄，樁僅靠錘擊沉樁， 不能到達足夠深度滿足承載力（抗壓和抗拉）的要求或不 能滿足樁的最淺入土深度要求，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，此時采 用灌注型嵌巖樁

3、是一種較好的處理方法。而對于斜向嵌巖 鋼管樁或PHC管樁施工，在國內(nèi)采用沖擊式鉆機和回轉(zhuǎn)式 鉆機施工均有成功的應(yīng)用實例。本文主要從采用不同施工 設(shè)備的角度介紹斜向嵌巖樁的施工技術(shù)，并對其應(yīng)用適應(yīng) 性進行分析和比較。 2 3斜向嵌巖樁的施工工藝流程斜向嵌巖樁的施工基本流程圖如圖1。斜向嵌巖樁鉆機的概況及選擇 國內(nèi)主要應(yīng)用于施工的斜向嵌巖樁鉆機的概況見表1。 收稿日期： 作者簡介：彭衛(wèi)東（），男，廣東省羅定人，講師，注冊監(jiān)理工程師，從事港航工程專業(yè)施工、監(jiān)理、教學(xué)與科研工作。施工平臺架設(shè)鉆機就位鉆孔、清渣鋼筋籠安放清孔檢查、下導(dǎo)管水下混凝土澆筑圖1斜向嵌巖樁施工基本流程圖 ·60

4、3; 表1 型號IHIL3BWIRTHB6GPS-15/18CK1500/2000/2500 鉆孔直徑鉆孔深鉆頭轉(zhuǎn)速 /m2.02.01.51.8 /m405010080 350100146056次/min 扭矩309520/26 （/r·min-1）（/kN·m） 中國港灣建設(shè)嵌巖樁鉆機性能表 主機動力鉆巖效率主機重/kW14014030/37 （/m·h-1）0.20.40.20.50.150.40.20.4 /t14219 產(chǎn)地日本德國中國 配空壓機 3 h-1）/MPa（m· 年第期 配水泵出水口徑 /mm150泵2臺150泵2臺 備注回轉(zhuǎn)頂置式

5、回轉(zhuǎn)頂置式 15/0.815/0.8 80泥漿泵1臺回轉(zhuǎn)立軸式80泥漿泵1臺 沖擊式 910中國 3.12 斜向嵌巖樁鉆進成孔用的回轉(zhuǎn)式鉆機1，或反吊鋼套管套在PHC管樁上，再將承重鋼牛腿焊在鋼抱箍或反吊鋼套管套上面。5 導(dǎo)向的選擇 碼頭斜樁鉆孔嵌巖施工中，鉆具的自重將造成鉆具下垂彎曲，使管樁軸線與嵌巖部位樁軸線不在一條直線上，使成孔質(zhì)量不滿足設(shè)計要求。另外，在自重的作用下，回轉(zhuǎn)鉆機鉆斜孔易發(fā)生鉆具連接螺紋折斷和斷鉆桿的事故，給施工帶來一系列的問題。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生需用正確的導(dǎo)向裝置。5.1 回轉(zhuǎn)鉆機的導(dǎo)向裝置 回轉(zhuǎn)鉆機的導(dǎo)向裝置主要是設(shè)置鉆頭導(dǎo)正器。對于嵌巖斜樁鉆孔，鉆頭導(dǎo)正器起著導(dǎo)向和糾

6、偏的作用，因它不能與管樁內(nèi)壁產(chǎn)生太大的摩擦，一般在鉆桿上每隔一段距離設(shè)置一個。 回轉(zhuǎn)鉆機的鉆桿導(dǎo)正器根據(jù)鉆孔的實際情況，可采用兩種結(jié)構(gòu)型式，一種是同步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)正器，由寬50100cm的鋼板制成圓筒形的導(dǎo)正器采用肋板結(jié)構(gòu)與鉆桿連接，導(dǎo)正器外圈上安裝有滾輪；另一種是異步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)正器，導(dǎo)正器與鉆桿是不同步旋轉(zhuǎn)的，其結(jié)構(gòu)為導(dǎo)正器中心軸兩端與鉆桿連接，中心軸上安裝有止推軸承，導(dǎo)正器中心軸隨鉆桿轉(zhuǎn)動，同樣，導(dǎo)正器外圈亦安設(shè)有滾輪，正常情況下中心軸隨鉆桿轉(zhuǎn)動，導(dǎo)正器不轉(zhuǎn)動；當導(dǎo)正器中心軸發(fā)生軸承損壞或卡死時，導(dǎo)正器則隨中心軸一起轉(zhuǎn)動，即與同步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)正器工作狀態(tài)相同，導(dǎo)正器外圈上的滾輪即與管樁內(nèi)壁產(chǎn)生滾動摩擦。

7、上述兩種導(dǎo)正器在工程上，以與鉆桿同步旋轉(zhuǎn)的較為成功，異步旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)正器因結(jié)構(gòu)問題會出現(xiàn)卡鉆的現(xiàn)象，在應(yīng)用中需采取相應(yīng)的預(yù)防應(yīng)對措施。5.2沖擊鉆機的導(dǎo)向裝置 沖擊鉆機斜樁施工，則是利用較長的鋼管樁或PHC管樁作為嵌巖樁護筒，適當對沖錘進行改裝，使外護筒在沖錘運動中起到導(dǎo)向的作用。 一種是采用十字錐形沖擊錘加設(shè)硬軸桿固定滾動導(dǎo)向系統(tǒng)4，即硬軸桿采用準280mm、壁厚15mm的無縫鋼管，4m一段分節(jié)加工，節(jié)間采用法蘭連接；每節(jié)硬軸桿與采用型鋼、鋼板、圓鋼、鋼套等加工而成的導(dǎo)向盤連接，導(dǎo)向盤周邊設(shè)置8個以上的滾動鋼套；鉆機工作鉆進至少設(shè)置2個以上的導(dǎo)向盤，使沖擊錘在工作時，導(dǎo)向盤與外護筒相互作用，起到

8、導(dǎo)向的作用。這種形式的沖擊鉆成孔原理見沖擊鉆成孔示意圖（圖2）。 國內(nèi)成功用于工程的實例有日本產(chǎn)IHI-L3B型頂置式鉆機、德國產(chǎn)的WIRTH-B6和WIRTH-B12頂置式鉆機以及國產(chǎn)GPS-15/18型系列立軸式鉆機。 日本產(chǎn)IHI-L3型鉆機、德國產(chǎn)的WIRTH-B6和WIRTH-B12鉆機是斜樁、直樁施工兩用鉆機，其特點：（1）頂置式，即鉆機安裝在管樁樁頂，其全部重量由管樁承擔，通過液壓系統(tǒng)抱緊管樁，鉆桿與樁孔易保證同心，對位精度較高；（2）主機重量較大，即使采用液壓傳動，動力部分以軟油管聯(lián)系主機分離，主機重量也在1428t之間；（3）鋼管樁樁頂需高出施工作業(yè)平臺面1.5m左右；（4）

9、鉆機具有較大的扭矩，能有效切割和破碎巖石層，IHI-L3最大扭矩為30kN·m，WIRTH-B6為95kN·m；（5）可用油缸對鉆頭加壓（IHI-L3達500kN，WIRTH-B6達800kN），提高鉆進效率。 國產(chǎn)GPS-15/18型鉆機已系列生產(chǎn)，扭矩20/26kN·m，鉆機重量89t，重量由施工平臺承擔；但此類鉆機是立軸鉆機，鉆桿、轉(zhuǎn)盤的角度不能變換，需根據(jù)樁管斜度在應(yīng)用前進行改裝，以滿足斜樁施工的需要3。3.2 斜向嵌巖樁鉆進成孔用的沖擊式鉆機 國內(nèi)用于斜樁工程的沖擊式鉆機有國產(chǎn)CK1500/2000/2500系列鉆機，重量在813t，由施工平臺承擔，鉆架

10、高度約7m，主卷揚機額定拉力50100kN，沖錘重量410t。工程實踐中通過將沖擊鉆機的扒桿頂前移，使扒桿頂滑輪前邊緣到鋼管樁頂口中心連線的傾斜度與樁的傾斜度一致，來保證斜樁施工的要求。4 施工作業(yè)平臺的架設(shè) 施工作業(yè)平臺一般利用已打好的管樁作為支承基礎(chǔ)。采用頂置式回轉(zhuǎn)鉆機施工時，施工作業(yè)平臺是采用組合式平臺擱置于焊接在鋼管樁直樁（或采用鋼抱箍形式）的鋼牛腿而成，與斜樁沒有聯(lián)系2。樁機安裝在斜樁樁頂，因其重量較大（IHI-L3為14t，WIRTH-B6為21t，WIRTH-B12達28）t為防止斜樁偏位，在斜樁與直樁之間加焊支撐槽鋼，并同時用多個手拉葫蘆將鉆機拴在中間排的直樁上，以保證鉆機成孔

11、時的穩(wěn)定性。 采用GPS-15/18型系列回轉(zhuǎn)改裝鉆機和CK1500/2000/2500系列沖擊式鉆機施工時，因鉆機的重量均由施工平臺承擔，施工作業(yè)平臺相對簡單，除斜樁與直樁進行夾樁加固外，可將施工組合式平臺擱置于焊接在鋼管樁上的鋼牛腿上；當基樁為PHC管樁時，則利用預(yù)先加工好的鋼抱箍 年第期彭衛(wèi)東，等：沖擊鉆機與回轉(zhuǎn)鉆機在碼頭嵌巖斜樁施工中的應(yīng)用 ·61· 有一定的旋轉(zhuǎn)，保證成孔質(zhì)量，并可起到配重的作用，從而加大沖錘的重量。 沖擊鉆纜繩管樁導(dǎo)向盤導(dǎo)向桿連接法蘭 7鉆機的改裝與加固 頂置式回轉(zhuǎn)鉆機不需改裝，CK1500/2000/2500系列沖 擊鉆機只需調(diào)整樁架的傾向角，

12、并適當?shù)剡M行加固即可。 GPS-15/18型系列回轉(zhuǎn)鉆機為立軸鉆機，立軸鉆桿、轉(zhuǎn) 5 盤的角度不能變換，需將3，鉆機底座、鋼質(zhì)座墊與施工平 臺焊接固定，使底座、鉆塔、轉(zhuǎn)盤和立軸鉆桿與水平的施 沖擊鉆鉆頭 工作業(yè)平臺形成一個角度以滿足斜樁施工的需要。鉆機底座加座墊后，整個鉆機都向后仰起相應(yīng)的角度，對上下鉆具、強力起拔等操作增加了風險，為確保安全，用安裝鋼管斜支撐附腿，用鉸鏈方式連接，一端固定在鉆塔相應(yīng)的高度位置，另一端固定在鉆機底座上。這樣增加了鉆塔的穩(wěn)定性和承載力。 鉆塔向后仰起后，游動滑車在升降時，由于立軸鉆桿是斜的，鉆桿平衡桿對滑道壓力增大。為使游動滑車移動平順和降低滑道壓力，在鉆塔頂部和

13、鉆機底座前部焊上連接環(huán)，兩端固定鋼絲繩，游動滑車和鋼絲繩之間用小滑車連接，鋼絲繩一方面對游動滑車進行導(dǎo)正，保證游動滑車的落點位置，另一方面可適當降低立軸鉆桿對滑道的壓 沖擊錘纜繩 圖2十字錘沖擊鉆成孔斜樁示意圖 另一種是用鋼板、鉆齒等重新制作圓筒型的沖擊錘，以其上的圓筒與外護筒相互作用作為導(dǎo)向系統(tǒng)。制作圓筒導(dǎo)向沖錘最大長度的依據(jù)是樁機機架高度及起重能力的限制，同時考慮導(dǎo)向的正確性和防止卡鉆，導(dǎo)向沖錘須有不小于1.5m的長度留設(shè)在護筒內(nèi)。筒型導(dǎo)向錘沖擊鉆成孔原理見沖擊鉆成孔示意圖（圖3）。 力。8 施工作業(yè)的流程 斜樁嵌巖樁施工流程如前所述。施工過程應(yīng)重點注意 150 0mm 鋼管樁 以下環(huán)節(jié)。

14、8.1 鉆機就位 斜樁嵌巖樁施工時，鉆機及其相關(guān)的操作過程均需在 嵌巖樁入巖部分 沖擊導(dǎo)向筒錘沖擊錘齒 施工平臺上作業(yè)、移動，鉆機重量均較大，除沖擊鉆機可在施工平臺上自行小范圍移動外，其他兩種鉆機上平臺就位時均需要起重船或起重機進行吊裝就位。經(jīng)過起重設(shè)備進行粗就位后，需在測量工的協(xié)助下，利用鉆機自身的移架設(shè)備進行精確定位，以達到設(shè)計要求。8.2 鉆孔清碴 頂置式或立軸式回轉(zhuǎn)鉆機施工時，用常規(guī)的壓縮空氣射流氣舉反循環(huán)或水射流反循環(huán)法清碴。當鉆孔采用清水鉆進時，用水射流反循環(huán)法在施工中清碴，效果不錯。 沖孔鉆機施工時，由于鉆機的鉆頭形狀長度的不同，常規(guī)的撈渣工藝不一定適用；用十字錐形沖擊錘加設(shè)硬軸

15、桿固定滾動導(dǎo)向系統(tǒng)施工時，則采用泥漿循環(huán)工藝，利用沖擊錘與硬軸桿剛性連接，導(dǎo)向桿可以作為導(dǎo)管使用，清渣時只需接好反循環(huán)設(shè)備就可完成清孔工作4。鋼板、鉆齒等重新制作圓筒型的導(dǎo)向筒沖擊錘施工時，則需另設(shè)置泥漿反循環(huán)管路；沖擊錘在循環(huán)泥漿中適當小幅度反復(fù)提錘，使泥漿能更好地裹攜沉渣，清孔效果更好。 當鉆具提升、下鋼筋籠后，仍需采用反循環(huán)法進行清孔，以保證施工質(zhì)量達到有關(guān)規(guī)范的要求。8.3 鉆具的提取與上拔 頂置式或立軸式回轉(zhuǎn)鉆機施工時，因設(shè)置了鉆頭導(dǎo)正器和在鉆頭處設(shè)置了鋼板或鋼筋防掛圈，增大了鉆桿及鉆 圖3 66.1 筒型沖擊鉆成孔斜樁示意圖 鉆頭的選擇與改裝回轉(zhuǎn)鉆機鉆頭 采用回轉(zhuǎn)鉆機時，根據(jù)使用經(jīng)

16、驗，對于中、微風化巖 層，宜采用牙輪滾刀式或菠蘿球齒滾刀式鉆頭。在斜樁鋼管內(nèi)嵌巖、成孔，當鉆具鉆進通過鋼管底部后，提鉆時鉆具凸臺有可能掛住鋼管底部，造成鉆具拉不動或卡鉆的事故。為了防止發(fā)生這類事故，鉆具一般要進行適當?shù)馗倪M：將鉆具在提鉆時有可能掛住鋼管底部的部位用鋼板焊接斜邊狀的防掛圈，并焊防掛筋板。防掛圈鋼板厚1012mm，寬100mm，角度為60°。6.2 沖擊鉆機鉆頭 采用沖擊鉆機時，沖錘重量和尺寸一般根據(jù)樁機的起重能力和樁架尺寸來確定。但在沖錘改制錘上加設(shè)硬軸桿固定滾動導(dǎo)向系統(tǒng)的導(dǎo)向盤應(yīng)有足夠的剛度，制作時用型鋼加工；采用導(dǎo)向筒錘時，應(yīng)在導(dǎo)向筒外側(cè)加焊螺旋形的鋼筋，以減少沖擊

17、時摩擦力的作用和使沖錘在施工過程中 ·62· 中國港灣建設(shè)年第期 頭部份的重量，故在提拔鉆頭時，需考慮鉆機鉆具提拔時所需的上拔力，必要時，可采用穿心式千斤頂進行提拔2。 采用沖擊式鉆機作業(yè)時，由于鉆具重量及長度較大，需根據(jù)具體的情況，采用鉆機自提升或起重船協(xié)助提拔鉆具。8.4 吊放鋼筋籠 由于鋼筋籠的長度較大，且與管樁有較大的接觸面，故需采用起重船進行鋼筋籠的吊裝安放。另外，在設(shè)置鋼筋保護層時，采用與嵌巖樁混凝土同標號的水泥砂漿制作的中間帶孔的車輪狀保護層墊塊，當鋼筋籠吊放時，墊塊與管樁進行滾動磨擦，以使鋼筋籠順利安裝到位。8.5 水下混凝土的澆注 嵌巖灌注斜樁澆注水下混凝

18、土時，不同于直樁，澆注混凝土導(dǎo)管因自重作用而會偏向下方，應(yīng)采用導(dǎo)管錐鼓形導(dǎo)向定位器，以保證澆注導(dǎo)管下放到樁底，防止導(dǎo)管卡在鋼筋籠上，以保證順利地進行施工。9 三種施工工藝的適用與比較 （1）從工程應(yīng)用的效果來看，頂置式回轉(zhuǎn)鉆機作為嵌巖斜樁的專用鉆機，采用液壓驅(qū)動，施工作業(yè)時與管樁連接成一體，鉆機與樁的軸線對中性較好，有較大的鉆進壓力和扭矩，采用改進后的鉆頭鉆桿穩(wěn)定器后，有著較高的鉆進效率2，對于強風化巖層和中風化巖層，一般是0.51.0m/h，在裂隙較發(fā)育且有破碎的地層最高曾達到5m/h，而對于微風化及新鮮巖層，一般為0.20.4m/h，在個別特別硬質(zhì)的巖層中也有0.10.2m/h左右，從就位

19、完畢到1根嵌巖斜樁鉆成孔，一般在24h以內(nèi)。但該型鉆機國內(nèi)尚未定型生產(chǎn)，需在國內(nèi)專門訂制或從國外購進，1臺設(shè)備需上百萬資金，一次性投入較大，且頂置式回轉(zhuǎn)鉆機自重較大，其就位需起重設(shè)備輔助，只適用于護筒結(jié)構(gòu)承載能力較大、穩(wěn)定余度較高、施工場地較大且作業(yè)范圍有較大起重設(shè)備的樁基的施工，限制了該型鉆機的適用范圍和進一步的推廣應(yīng)用。 （2）GPS-15/18型系列回轉(zhuǎn)立軸式回轉(zhuǎn)鉆機在嵌巖斜樁的施工應(yīng)用有較大的優(yōu)勢：該類鉆機在國內(nèi)已定型生產(chǎn)，社會保有量大，鉆機的應(yīng)用適應(yīng)性較廣，單臺設(shè)備的購置費較頂置鉆機低；該類鉆機可以對鉆桿鉆頭施加一定的鉆進壓力和具有較大的扭矩，鉆進速度較快；用加設(shè)鉆機底座鋼質(zhì)座墊方式

20、改裝的鉆機底盤及經(jīng)加固后的鉆架，可以適應(yīng)嵌巖斜樁的施工要求。但機架底盤改裝后，移動需要起重設(shè)施進行協(xié)助，且當一個工程中嵌巖斜樁設(shè)計斜度有多種情況時，需設(shè)置多種改裝類型，增大了鉆機改裝的工作量。當嵌巖斜樁斜度較大時，鉆塔后仰會對鉆機上下鉆 具、強力起拔等操作增加了風險，對鉆機的安全操作及鉆機的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響，故需將鉆機底盤與施工平臺焊接固定，這樣在鉆機移動時亦帶來一定的不便。 采用回轉(zhuǎn)式鉆機進行嵌巖斜樁施工時，需正確的配置鉆桿的導(dǎo)向裝置，斜樁嵌巖部份可超出管樁底部1012m。 （3）用CK1500/2000/2500系列沖擊式鉆機施工時，鉆機底盤不需進行大的改動，且單臺鉆機的采購成本相對較低，電力的需要量相對較小，采用7t重錘施工時，對于微風化及新鮮巖層，鉆進速度一般為0.20.4m/h，施工作業(yè)操作較易，鉆機可以在施工平臺內(nèi)依靠其自身的設(shè)備進行微調(diào)移動，鉆機的適應(yīng)性較好。但是用沖擊式鉆機