中船勘察设计研究院有限公司 上海 200063
摘要：通过SH22液压风动冲击钻在工程实践中的应用，攻克了硬岩地区大直径嵌岩桩施工中钻进成孔难题，对其钻机性能和施工工艺，进行了总结与研究，为硬岩地区大直径钻孔灌注桩成孔工艺增加了一种高效、可靠的施工方法。
关键词：冲击钻；灌注桩；潜孔锤
Application And Study Of SH22 Hydraulic And Pneumatic DTH Drill In Pile Construction Of Hard Rock Region/ZHAO Zi-zheng1，（China Shipbuilding Industry Institute of Engineering Investigation & Design Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China）
Abstract：By the Application of the hydraulic and pneumatic DTH drill in engineering，solved the difficult problem in the construction of full diameter rock bored-grouting pile drilling in the hard rock，the performance and construction process are verified reasonably，and access to critical data，provided the basis for the feasibility of its construction.
Key words：DTH drill；bored-grouting pile；DTH hammer
大直径灌注桩硬岩钻进技术一直以来是国内外钻孔工程界极为关注和竭力研究的难题之一。目前我国应用最为广泛的大直径钻孔施工方法是组合牙轮或滚齿钻进技术。该方法适应地层广，松散地层、硬质地层均用此类钻头。但对中硬以上的岩层，组合牙轮或滚齿钻头进尺困难，钻进效率很低，且钻头磨损严重。
SH22型液压风动冲击钻机为国内针对大直径钻孔灌注桩施工最新研制的钻进设备，是一种以钻进基岩为主的新型多功能桩基础施工设备。该设备将旋挖钻机，连续墙液压抓斗与潜孔锤相结合，集各自特点于一身，采用PLC控制，液压驱动，操作方便、自动化程度高。钻杆为伸缩式，与传统钻杆相比减少了拆接时间，大大的提高了效率，节省了劳动力。该设备的主要技术参数为：额定功率为194KW，钻孔最大深度为56米，动力头最大输出扭矩为250KN.m，主卷扬机提升力为220KN，加减压油缸的最大行程为5700mm，总重量约为70T（不带钻杆，其重量为12T）。
本论文依托上海松江区佘山深坑酒店大直径钻孔灌注桩施工项目，采用SH22型液压风动冲击钻施工，同时旋挖钻机辅助清除孔底沉渣。成功实现了大直径硬岩钻孔灌注桩高效、高质量成孔，为该领域施工技术提供了一种新的思路与方法，弥补了该项技术国内空白。
1 工程概况
本工程位于上海市松江区佘山角下。桩基施工方案为Φ800mm的钻孔灌注桩。根据该项目地勘报告提供剖面图（图1）可知，该区域地层中上部主要为粘性土层；下部为⑨1层强风化安山岩夹粘土层，软硬不均，含碎石粒径相对较大；其下为⑨2层中风化石英安山岩，强度高，压缩性低。
图1 工程地质剖面图
本项目特点为：持力层为硬质岩层，且设计桩径较大，普通旋挖钻机及冲击钻机施工效率太低，无法达到工期要求，且沉渣清除效果不佳，影响了钻孔灌注桩的质量。施工单位前期使用20型工程钻机施工，钻进效率很低，⑨1层钻进效率约2cm/h，⑨2层钻进效率约1～2cm/h。
图2 SH22液压风动冲击钻机
2.主要设备组成
钻机：SH22液压风动冲击钻机（见图2）；钻杆可伸缩摩阻式钻杆；空压机：两台空压机容积流量分别20m3/min，25m3/min，公称排气压力为0.7MPa；Φ800mm硬质合金球齿钻头；FC15B型冲击器（见图3）Φ705mm×1963mm，冲击功3000~12000J，冲击频率350~850次/min，耗风量40~80m3/min，工作风压0.6~1.0MPa；
图3 FC15B型冲击器结构示意图 图4 施工现场
3.试验过程
3.1 钻进工艺参数
（1）钻压及转速
钻压靠钻具自重施加，动力头为180°回转方式，转速为20r/min，扭距为25KN.m。
（2）风量及风压
井内空气上返风速必须大于或等于15m/s[2]，潜孔锤才能发挥较好效果，根据苏联的经验公式[3]：
Q=47.1KF（D2-d2）V （1）
式中：Q—所需要空气量，m3/min；K—考虑孔深损耗的系数；孔深200m以内取1；
F—孔内涌水时，风量增加系数；其值与涌水量有关，中等以小涌水量时取1.5；
D—钻孔直径，m；d—钻杆外径，取0.275m；V—空气上返风速，取15m/s。
得出需要空气量37.09 m3/min，所以两台空压机并联供气，总供气量为45 m3/min。
（3）排渣方式
采用空气正循钻进旋挖钻机辅助清渣。压缩空气通过钻头底面排气孔直接吹向孔底，冷却钻头，将岩屑沿冲击器与钻孔环状间隙吹出孔口。由于钻孔直径较大，随钻孔深度的加深，岩屑的上返速度逐渐降低，排渣效果下降，导致重复破碎，降低钻进效率，还可能造成埋钻事故，故通过旋挖钻机辅助清渣。
3.2 钻进成孔
液压风动冲击钻是以钻进基岩为主的桩基础施工设备。故对上部粘性土层采用普通工程钻机钻进，当钻进到强风化层后，再采用液压风动冲击钻施工。液压风动冲击钻施工时，采用旋挖钻机协助作业，清除孔底沉渣。潜孔锤采用Φ800mm的球齿合金钻头，排渣方式为孔底气举正循环。空压机选择为两台英格索兰750型单螺杆空压机，排气压力12kg，排气量为20m3/min～45m3/min。如图4为施工现场。
通过现场的实际施工应用，数据（表2）表明，液压风动冲击钻对基岩的破碎效果明显，钻进效率极高。钻进效率为0.51m/h～1.11m/h，是普通20型工程钻机效率的25～55倍。同时，采用旋挖钻机辅助清渣，且极大地缩短了钻进辅助时间。最终显著提高了施工效率。
另外，试验过程中发现，深度22m～28.32m段，进入岩石达6.32m，实际钻进用时8h，前期潜孔锤的供气量为20m3，后期为45m3。供气量加大后，钻进效率明显提高。说明，在30m深度范围内让潜孔锤“吃饱”的合理供气量约45m3，供气量的大小直接影响潜孔锤孔底破碎岩石的效率。
本项目采用旋挖钻机将孔底破碎岩屑清除后发现，强风化岩层破碎后颗粒相对较大颜色为灰色夹白色，外形为典型潜孔锤破碎岩屑“瓜子片”状（图5）。观察中风化安山岩岩屑发现，大部分被破碎成为粗砂状颗粒，呈黄色（图6）。试验效果表明，运用潜孔锤进行孔底破碎，岩石破碎效率较高，且随着岩石硬度增大效果更加明显。同时说明，配合旋挖钻机进行孔底清渣，效果明显，避免了孔底重复破碎，提高了钻进效率。
图5 强风化破碎岩样 图6 中风化破碎岩样
表1 成孔参数
表2 试验数据
4 结论
通过试验分析得出以下结论：
（1）SH22液压风动冲击钻机，在硬质岩（安山岩）地层大口径嵌岩灌注桩成孔施工中钻进效率为0.51m/h～1.11m/h，是普通20型工程钻机效率的25～55倍。同时，采用旋挖钻机辅助清渣，且极大地缩短了钻进辅助时间。最终显著提高了施工效率。
（2）潜孔锤的供气量与供气压力是相互影响的，低风量时，压力很低，再提高气量后，压力也随着提高。本次试验证明，在30m深度范围内让潜孔锤“吃饱”的合理供气量约45m3。供气量的大小直接影响潜孔锤孔底破碎岩石的效率。
（3）由于空气潜孔锤钻进工艺的“小压力、慢转速”和气举正循环的“孔底加压、悬垂钻进”特点，使钻孔的垂直度提高，钻孔垂直偏差≤1%。
（4）钻头旋转角度的大小，对进尺速度有一定的影响。
（5）动力头的持续加压可加快潜孔锤的冲击破碎压力，提高钻进效率。
（6）钻头携带的岩石碎屑为干粉，未被泥浆润湿，推测由于钻头上气孔排气使泥浆上浮，钻进时，钻头与孔底岩石为干接触。持续的排气，孔底排渣干净，有利于钻进。
（7）当进尺到达一定的数值，及时用旋挖钻机清除已破碎的岩石，可减少潜孔锤钻进阻力，加快进尺。
此次液压风动冲击钻在佘山工地的实际施工应用取得良好的成果，这种新的施工设备应用，解决了大直径硬岩地区成孔难题。相信液压风动冲击钻在今后的基础施工中将得到广泛的应用，通过不断总结研究多工艺空气潜孔锤钻进技术，为桩基施工开创新的方法。
参考文献：
［1］王茂森，殷琨，张晓光.大直径环式组合潜孔锤及钻进工艺研究［J］.地质与勘探，2006，42（2）：90-96.
［2］博琨.贯通式潜孔锤反循环钻进技术钻具优化及应用研究［D］.长春：吉林大学，2009.
［3］张祖培，殷琨，蒋荣庆，等.岩土钻掘工程新技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.
［4］李世忠.钻探工艺学［M］.地质出版社，1988.
[5]何智敏，隆威，万步炎，等.CJ-130型双向气动潜孔锤施工工艺初步研究[J].探矿工程，2009，36（11）：65-68.
论文作者:赵子证
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/11
标签：钻机论文; 钻孔论文; 冲击钻论文; 效率论文; 钻头论文; 液压论文; 气量论文; 《基层建设》2018年第23期论文;