冲击型钻机在特高压基础施工中的应用

周哲泰，季 超，温德康

(1. 上海送变电工程公司，上海 200235；2. 国网上海检修公司，上海 200063)

冲击型钻机在特高压基础施工中的应用

周哲泰1，季 超2，温德康2

(1. 上海送变电工程公司，上海 200235；2. 国网上海检修公司，上海 200063)

介绍CZ-60型冲击型钻机在榆横～潍坊特高压工程线路工程24标灌注桩基础施工中的应用情况和施工方法。通过理论计算和工程中实际的应用，证明灌注桩基础施工中，在应对回转钻机无法钻进的坚硬岩土层时，可以使用冲击型钻机。

特高压；灌注桩；冲击型钻机

钻孔灌注桩是近几年桩基础施工中最常见的一种基础形式，其承载力大、抗震性能好、造价低、沉降变形小、适用于各种土质和各种尺寸的桩基，在电建、铁路、公路、房建等工程建设中被广泛应用。常见的钻孔灌注桩施工钻机有回转钻机、旋挖钻机和冲击型钻机。

1 工程概况

榆横-潍坊1 000 kV特高压交流输变电工程线路工程(24标)由12S071(位于山东省济南章丘市)塔处起，止于12S136(位于山东省淄博市周村区)。标段全线为双回路，线路长度36.103 km，全线线路亘长合计2×36.103 km。本标段65基基础分别位于山东省滨州市邹平县、济南市章丘市、淄博市周村区。铁塔基础共计65基，其中耐张塔16基，直线塔49基。本标段包含挖孔基础38基、灌注桩基础27基。

2 常见钻机介绍

(1)回转钻机是由动力装置带动钻机回转装置转动，从而带动有钻头的钻杆转动，由钻头切削土壤。回转钻机用于泥浆护壁成孔的灌注桩，成孔方式为旋转成孔。根据泥浆循环方式不同，分为正循环回转钻机和反循环回转钻机。一般适用于地质比较好的地方，成孔速度较快，易塌孔的土质也适用。缺点是不适用于坚硬岩层。

(2)旋挖钻机是利用钻杆和钻斗的旋转，以钻斗自重并加液压作为钻进压力，使土屑装满钻斗后提升钻斗出土，其自动化程度高、成孔速度非常快、质量高，一般适用于粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。同样不适用于坚硬岩层且设备租用成本较高。

(3)冲击型钻机是利用钢丝绳带动冲击钻头上下往复运动，借助钻头自由下落的冲击力将岩层破碎，钻渣随泥浆排出而实现钻进的钻孔设备，设备构造简单，操作方便，所成孔壁坚实稳定，不受施工场地限制，特别适用于坚硬土层，岩石层。缺点是成孔效率低。

3 选定适合的钻机

榆横～潍坊特高压工程线路工程24标12S088灌注桩基础地下岩层坚硬，故选用冲击型钻机。本工程使用的冲击型钻机为保定东方红机械制造有限公司所生产的CZ-60型冲击型钻机，具体参数见表1。

表1 钻机参数指标

4 冲击运动的实现与冲击能量

(1)冲击运动的实现。冲击机构主要由冲击齿轮、压轮、曲柄、连杆、冲击梁、导向轮、主动轮等组成。冲击齿轮被驱动后，带动固定在轴上的两根曲柄回转。两根连杆分别与下端的曲柄和上端的冲击梁连接。曲柄回转时，通过连杆带动冲击梁上下摆动，冲击梁向下摆动时，压轮下压钢丝绳，将冲击钻提升起一定高度，冲击梁向上摆动时，压轮松开钢丝绳，冲击钻在重力作用下下落冲击地面，如此循环往复实现冲击钻孔。岩石在动载作用下的破碎强度远小于静载作用下的破碎强度，冲击的能量主要由钻具的重量和下落的高度决定。

(2)冲击的能量。钻具的下落运动过程近似为自由落体运动，因此计算公式为

(1)

式中h——冲击高度；a——冲击加速度(一般取5-6.5 m/s2)；v——冲击速度；m——钻具重量；w——冲击做的功。

由此可知冲击功取决于钻具的重量和冲击高度。把钻机的参数代入公式中计算得出最大冲击功为32 500 J。破碎比功如表2所示。

表2 破碎比功

上表所示不同岩石的破碎比功，由此可见此种钻机的缺点也很明显，钻进的效率较为低下。经过现场的实践，在12S088基础使用该钻机钻孔成形一根桩大约需要15～20 h。

5 钻进成孔工艺和方法

12S088基础桩径为1.3 m、桩长21 m，经过设计勘探结果下层碎石土，故采用冲击型钻机。

冲击成孔灌注桩工艺程序：场地平整——桩位放线、开挖——护筒埋设——钻机就位、孔位校核——冲击成孔、清除废渣——清孔换浆——终孔验收——下钢筋笼和导管——灌注混凝土——成孔养护。

表3 泥浆技术指标

(1)护筒埋设。护筒一般采用钢板卷制，应有足够刚度。护筒的位置应正确、垂直、稳定。护筒周围应用粘土分层回填夯实，防止漏水。护筒内径不宜大于设计桩径300 mm，壁厚为5～8 mm，长度为2 m，埋设深度要满足钢护筒顶高出标高地面300 mm以上的要求，护筒中心和桩位中心偏差不得大于50 mm。钢护筒埋设好后，测量顶部标高，作为控制桩深的依据。

(2)泥浆配置。由于钻孔周围的土体在水平土压力的作用下，有一种要向孔内塌孔的趋势，假如不进行泥浆护壁，那么钻孔周围的土体就会塌孔掉入钻孔内，从而堵塞钻孔，造成无法钻孔的后果，因此在钻孔时需要制作泥浆护壁，也就是钻孔内介于钻孔周围土体与钻孔内泥浆之间的那一部分松软、可流动的黏土泥皮。

泥浆护壁的原理：对泥皮进行受力分析可知，在水平的方向上，泥皮受两个力，钻孔周围的土体对泥皮施加一个向钻孔内部的土压力，钻孔内的泥浆对泥皮施加一个向钻孔外部的力，当两股力相等时，泥皮才会稳定，泥浆护壁才能成功。

图1为成孔受力分析图示。

图1 成孔受力分析

泥浆用黏土制成，开钻前先向护筒内加入一定数量的黏土和清水，钻机采用小冲程、高频率的方式钻进，将黏土和水造成泥浆，成孔中没两小时测一次泥浆密度。

(3)冲击钻进。冲击钻孔是利用冲击头做活塞式运动，向下反复冲击将孔内的土石劈裂捣碎或挤入孔壁中或被泥浆悬浮，以次循环成孔。开始钻进时使用小冲程，大约400～600 mm，并及时投放泥浆使孔壁挤压密实；当孔深到达护筒以下3～4 m时，方可使用大冲程。

(4)清孔。当孔深达到设计要求后，对孔深和孔径进行验收，合格后即可清孔。清孔采用排渣筒反复掏渣将孔底淤泥和沉渣清理干净，清孔时间不宜过长，否则泥浆沉淀会使清渣困难，甚至还有可能塌孔，清孔完成后应立即下钢筋笼并浇筑混凝土。

6 结语

实践证明，虽然在坚硬岩土层中采用冲击型钻机是可行的，但是此种冲击型钻机也存在钻进效率低下的缺点，想要提高效率可以考虑更换质量更大的钻具或者提高冲击高度(冲程)的方法。不过结合成孔质量、成孔效率、施工成本、安全和成熟度等多方面因素考虑的话，使用冲击型钻机在坚硬的岩土层作业还是尚佳的方案。

[1]肖云辉.砂卵石地层钻孔灌注桩基础的施工[J].南平师专学报,2003,22(2):62-66.

XIAO Yunhui. Constructure of drilling on the earth surface of sandy stone and bored concrete pile base[J].Journal of Nanping Teachers College,2003,22(2):62-66.

[2]高甲，陈毅斌，王振奎.CZ-1200型冲击钻机的开发与应用[J].岩土钻掘工程，2002(2)：33-34.

GAO Jia, CHEN Yibin, WANG Zhenkui. Development and application of CZ-1200 percussion drill[J].Exploration Engineering: Rock & Soil Drilling and Tunneling,2002(2):33-34.

(本文编辑：杨林青)

Application of Percussion Drill in UHV Foundation Construction

ZHOU Zhetai1, JI Chao2，WEN Dekang2

(1. Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Company, Shanghai 200235,China;2. Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 200063, China)

This paper introduces the application and construction methods of CZ-60 percussion drill in the 24 standard pile foundation construction of Yuheng-Weifang UHV AC transmission line project. Through theoretical calculation and practical application in engineering, it is proved that in the construction of bored pile foundation, the percussion drill can be applied to deal with the hard rock stratum which can not be drilled by the rotary drilling rig.

ultra-high voltage; filling pile; percussion drill

10.11973/dlyny201703036

周哲泰(1989—)，男，助理工程师，从事输电线路施工管理工作。

TM75

B

2095-1256(2017)03-0368-03

2016-03-20