摘要：广佛环线GFHD-2标东环隧道21号工作井，主要设计功能包括施工期间的盾构吊出井及运营期间的废水泵房功能，工作井小里程盾构机计划吊出时间为2019年10月，如何加快21号井施工速度，确保按时提供盾构吊出场地，是在每道施工工序中均需考虑的事情。现阶段为加快围护桩的施工，经项目部对比分析，决定选用施工效率较高的螺旋钻机配合潜孔锤施工工艺，本文主要介绍潜孔锤在岩层中成孔的施工应用。
关键词：潜孔锤 冲击机构 往复运动 质量保证 社会效益
1 工程概况
广佛环线GFHD-2标四工区承建的东环隧道21号工作井里程DSK31+940~DSK31+960，小里程侧连接往龙洞车站方向盾构法隧道，大里程侧连接往大源车站方向矿山法隧道。施工场地属于丘陵地貌丘间谷地，地下水埋藏较浅，地下水平均水位埋深1.16米，以基岩裂隙水为主，主要赋存于花岗岩全、强分化带及中风化带。工作井长20m，宽39m，基坑深度约64.8m，采用明挖逆作法施工，基坑上部非基岩段采用φ1000mm@1200mm钻孔灌注桩围护，围护桩共计112根，桩长9.66m，钻孔深度约11.3m，其中5m以上部分为人工填土层、残积~坡积土层，5m以下为强风化、中风化花岗岩。
2 围护桩施工机具选择
21号工作井围护桩嵌入岩层约6.3m，根据工地试验室对现场岩样进行抗压试验所得，其岩层单轴饱和抗压强度为49.8~105.2Mpa，采用传统的冲击钻成孔施工速度过慢，无法保证工期。为加快围护结构施工进度、确保施工质量及安全，经项目部调查对比后决定，采用螺旋钻机与潜孔锤配合的施工工法进行21号井围护结构施工。螺旋钻机主要成孔土层段，岩层段改用潜孔锤施工。
3 潜孔锤组成及施工原理
潜孔锤主要由主机部分、空压机及连通管路、锤头、冲击机构（冲击器）、螺旋钻杆、气接头及操纵机构、调压机构、支撑调幅与升降机构等部件组成，其中空压机及连通管路、气接头及操纵机构、调压机构为潜孔锤施工动力系统，锤头、冲击机构（冲击器）、螺旋钻杆为凿岩钻具。
潜孔锤的冲击机构（冲击器）位于钻杆的底部，空压机提供的压缩空气通过连接管路、钻杆传输到冲击机构，驱动活塞往复运动直接冲击钻头，向岩石传递冲击能量。其施工原理与重型凿岩机一样，都是间歇冲击岩石，连续回转；不同的是潜孔锤的冲击机构位于钻杆的前端，潜入孔底，活塞直接冲击钻头，且随钻杆的延伸，不断推进。因它直接用钻杆传递冲击能，故冲击能量损失小，因此工作效率更高。
潜孔锤钻进特点是不取岩芯，孔底全面破碎，因为硬岩和坚硬岩层的脆性大，在锤头冲击荷载作用下，除对局部岩石直接粉碎外，在钻头齿刃接触部位岩石将产生破裂形成一个破碎区，并产生颗粒状的岩屑，岩屑与地下水掺杂在一起，形成混合物，由钻杆输送的风能直接作用在混合物上，其风能转变为岩屑混合物的动能，从而将岩屑全部清除出孔，从而达到快速成孔的目的。
4 施工工艺流程
螺旋钻机配合潜孔锤施工工艺主要为螺旋钻机施工土层+潜孔锤施工岩层，地质条件变化时只需将螺旋钻机钻头更换为潜孔锤锤头即可，主要施工工艺流程见下图：
图1 螺旋钻机配合潜孔锤施工工艺流程图
5 施工参数控制
风动潜孔锤主要靠空压机提供风力，靠风压驱动潜孔锤冲击器破碎岩层，破碎后的岩屑也是靠风力将其吹出孔外，进而完成成孔作业。为达到更高的碎岩功效、更有利于石屑排出孔外，必须对空压机提供的风量和风压进行合理调整。
（1）供气压力
随着锤击成孔深度的不断加深，为保证孔底岩屑及时排出，减少岩屑的重复破碎，从而达到较理想的施工速度，需提供给岩屑的动能满足其运动至孔口处的速度大于岩屑的悬浮等价速度（速度≥15m/s）。现场选用的潜孔锤型号为山河智能SWSD2512型，桩径1m。根据施工经验确定，采用2台24m3/min和2台15m3/min的空压机进行供风，确保提供给冲击器风压达到3Mpa以上。
（2）冲击频率
在冲击能量一定的条件下增高冲击频率可以提高冲击器的输出功率，但是在气缸直径一定的情况下，要提高冲击频率就得减小活塞行程，这样就会使单次冲击功减小，当单次冲击功小到某一定限度时，无论怎样提高冲击频率都不会有良好的破岩效果。因此，冲击频率与冲击功的大小是相互约束的。本工程冲击频率按下式确定：
f=10.4+7.6P
P为系统供气压力，取3MPa；
故f=10.4+7.6×3=33.2Hz。
6 施工优势分析
潜孔锤施工围护桩与传统冲击钻机施工相比有以下优点：
（1）大大提高了施工工效。潜孔锤在岩层施工中主要靠风能驱动锤头冲击岩层和钻头旋转钻进，在强度40~110Mpa的岩层中冲击钻施工速度约0.1m/h，潜孔锤施工速度为3-6m/h，是传统冲击钻施工速度的30~60倍，施工工效大大提高。
（2）更加环保、安全。潜孔锤施工无需大量泥浆携带钻渣，不会发生泥浆乱流现象，完全避免了冲击钻泥浆污染严重的问题；潜孔锤施工机械化程度更高，大大解放了人力的投入，施工参数全部由电脑进行控制，发现异常情况能在第一时间内发现并及时消除，施工安全性更高。
（3）施工质量更有保证。潜孔锤施工时可以在操作室内的监控屏幕上随时监控施工情况，并可根据实际施工情况对施工参数进行及时调整，对冲击钻成孔中易出现的孔位偏移、垂直度不满足要求等问题可提前预防，施工质量更有保证。
7 结束语
潜孔锤作为在高强度围岩地层中成孔的利器，在施工安全、施工质量及进度方面优越性较大，在21号工作井围护结构施工中的选用，对加快施工速度，减轻施工工期压力效果非常明显，是一种值得大力推广的新工艺。
参考文献：
[1] 《龙洞站~大源站区间隧道 21号井变更设计图》
[2] 《山河智能SWSD2512型潜孔锤说明书》
论文作者:孙敏敏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/1
标签：岩屑论文; 岩层论文; 钻杆论文; 钻机论文; 螺旋论文; 机构论文; 冲击钻论文; 《基层建设》2019年第10期论文;