双动力多功能钻机在富水岩溶地层降水井施工中的应用

李业波 （徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏 徐州 221000）

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

铜山路站场地位于铜山路与三环东路交叉口东侧，车站横跨徐海路南北向布置，为地下两层端头厅岛式站台,本站基坑设降水井为72口，井径800mm，井深为基坑深加8m，平均约28m；滤管：管外径为400mm，壁厚4mm的钢管；滤料：直径为5～10mm的砾砂或砾石。

1.2 工程、水文地质条件

①上部土层为人工杂填土，回填时间及厚度不均匀，结构比较松散，工程性质不佳。普通钻孔施工工艺容易造成塌孔埋钻的隐患。

②下部为强、中风化的寒武系灰岩，岩石强度高，个别部位岩石达到47.71MPa，溶裂隙等不良地质较为发育，冲击钻、旋挖钻等钻进效率低，泥浆流失风险高，卡钻、埋钻的风险大。

③地下水丰富，泥浆质量受影响大，制约成孔质量。

2 双动力多功能钻机简介

本工程采用的SWSD2512多功能钻机无需泥浆护壁，成桩质量好，能较好的解决以上问题。该钻机由全液压双动力头和高稳定行性全液压式履带式框架构成，可配备螺旋钻杆+外侧套管或外侧套管+潜孔锤两个组合系统，前者适用于土层，外设套管护壁，钻杆可持续排土，钻进切削强、成孔精度和施工速度佳；后者可用于各种复杂硬质地层，也是本工程所采用的组合，即外侧套管+潜孔锤，同时配置供气系统，潜空锤在坚硬岩层中实现大直径全断面、快速高效入岩，同时双动力头驱动螺旋钻杆可辅助排渣，外套管旋转跟进进行护壁，形成近乎封闭的出渣通道，气量泄露少，排渣顺畅、孔型规则，钻进效率高。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

本工法利用的主要机械设备为配置气动潜孔锤的双动力头钻机，辅助设备为空压机。通过使用气动潜孔锤，保证钻机在硬岩地层高效钻井，提高整体效率，降低综合成本。土层中利用钻机外侧动力头驱动镶嵌铣刀的护筒直接旋入，保证散土地层部分不塌孔。岩层中更换潜孔锤钻头进行钻进，此时关闭外侧动力头，开启内侧动力头进行坚硬岩层中的钻进。遇岩溶或破碎带，提出螺旋钻杆，更换捞渣钻头进行捞渣处理，处理完后，更换潜孔锤继续钻进，直至穿越岩溶或者破碎带。钻至预设井底后，依次进行清孔，下滤管，回填滤料和洗井后，完成整个降水井的施工.

3.2 操作要点

3.2.1 测放井位

根据降水井平面布置图，放线并用红漆标出降水井井位点；基坑内降水井通过结构轴线和井间距施放，布置坑内井位时，应提前避开工程桩、结构梁等。定位放线后应经过监理确认后方可进行降水井下步施工。

3.2.2 多功能钻机就位

本工法采用的多功能钻机采用高稳定性结构设计，克服了借用起重机底盘存在的稳定性差特点，从结构上提高了整机移动和作业时的稳定性，且无论是侧身还是正面都可以施工。故按照钻机操作规程能快速进行钻机的就位对中，钻机就位后复测校正，钻头对准孔心，同时使钻机底座水平。

3.2.3 护筒施工

为保证井位的准确性，启动内、外侧动力头，先低档位慢速钻进，通过利用镶嵌在护筒上的铣刀将护筒旋入，护筒高出地面长度符合规范要求。

3.2.4 岩层钻进，出渣

开启潜空锤，进入岩层钻进。同时双动力头驱动螺旋钻杆辅助排渣，外套管护壁并形成近乎封闭的排渣通道，气量泄露少，排渣均匀顺畅。

3.2.5 岩溶、破碎带处理

岩层钻进过程中，若遇到岩溶、破碎带，缓慢提升钻杆，利用汽车吊配捞渣桶进行捞渣，然后下入钻杆继续钻进，重复以上操作，直至穿越岩溶破碎带。

3.2.6 清孔、下滤管

完成钻孔进行清孔，满足相关要求后，下滤管；滤管上安装有居中限位楔块，保证滤管平稳竖直地下入降水管井中。下管前要检查井管的质量和数量，下管时要慢慢上下提升，严禁强行下管。在下管过程中随时检查井管能否自由转动、有无阻力，发现有阻力要及时查明原因并进行处理。井管下到设计深度后要将井管固定在孔的中间，不能偏斜，以保证填料厚度均匀。井管口高出地面0.3～0.5m，井口应装有保护盖。

3.2.7 填滤料、洗井、下泵

选择符合设计要求的粒径5～10mm水洗圆砾向井内填充，成井后及时采用反循环进行洗井，洗井需要从静水位起由上而下分段清洗直到井底，达到水清砂净为止。下泵前测量实际井深并记录，按照设计要求下泵，泵底部距实际井深不得少于1.00m。水泵到达预定深度后，用足够抗拉强度的绳索吊住或用夹板固定在孔口上，提泵时不得使电缆受力，并将电缆固定在出水管或吊索上，为确保安全，电缆不得接触或摩擦孔壁。

4 双动力多功能钻机在本工程中的应用分析

针对本站所处区域地层条件，技术攻关小组人员提出利用双动力头多功能钻机进行降水井施工的方案，首次将潜孔锤施工工艺用于具有上部为松散土层（散粒状），下部为坚硬岩石（整体块状）的地层成孔施工，解决了不同地层钻孔进尺对机械设备的要求不同的难题。创造性地提出将用于工程桩施工的潜孔锤施工工艺应用到降水井施工并进行试验。

4.1 松散土层降水井成孔施工技术

松散土层降水井成孔采用内、外侧动力头同时施工。护筒下面安装有铣刀，外侧动力头带动护筒进行土层切削，内侧动力头通过钻杆带动双头单螺直螺旋钻头将护筒切削的土通过钻杆提出地面。

普通气动潜孔锤施工工艺在上部松散土层钻进过程中，高压气流能够将孔壁冲垮，造成孔壁塌孔，因此为保证成孔质量，防止卡钻埋钻事故需要下放护筒。

不同孔位土层厚度不同，同一场地的土层厚度差别较大，部分能够达到2～3m，个别工地差别达到10m，不同土层厚度采用的护筒长度不同，对机械设备的护筒进行改进，配备1、2、3和5m类型的护筒，每种型号的护筒可根据现场实际进行合理的组合，以适用不同厚度的土层，保证在上部松散土层中不塌孔，进而引发的埋钻事故，同时降低施工成本。

4.2 坚硬岩层降水井成孔施工技术

完成上部松散土层成孔施工的过程后，提钻取土，提钻取土前安装清土器，将螺旋钻杆上的土进行清理到地面，防止高空坠落安全隐患。取土完成后更换潜孔锤钻头，进行岩石地层内钻进准备。关闭外侧动力头，开启内侧动力头进行坚硬岩层中的钻进。

4.3 大直径高强度岩层快速入岩技术

大直径高强度岩层快速入岩技术主要包括以下处理和改进措施：①使用高风压气动浅孔锤技术进行入岩，将提高坚硬岩石的钻进效率；②空压机产生的高压风流能够快速清理孔底的岩屑，保证钻头始终切削磨损新鲜岩面，防止二次磨损；③在施工过程中，通过合理地调整进尺和钻速，控制岩石颗粒的大小；④通过采用组合锤技术可实现1.2～1.5m大直径降水井施工。

4.4 岩溶区域处理

降水井施工过程中遇到溶洞、破碎带，出现卡钻、埋钻事故。技术攻关人员提出复杂地层溶洞穿越施工技术和岩溶、破碎带卡钻埋钻处理技术。主要创新成果如下。

4.4.1 溶洞顶板穿越技术、破碎充填物处理技术

在距溶洞顶板以上0.5～1.0m范围内采取减压，将自动模式换成手动放绳模式，为防止空锤对钻杆造成损坏，最后2～3cm停止放绳，利用高压空气破坏剩余的2～3cm。溶洞顶板穿越后，提钻换成捞渣筒进行清渣处理。

4.4.2 溶洞底板开孔技术

清渣完成后，更换双头单螺直螺旋钻头，进行倾斜岩面切削，该过程采用低进尺高钻速，将倾斜岩面切削程形成锤击平台。

锤击平台形成后，提出钻杆更换潜孔锤钻头继续钻进。

①溶洞顶板穿越在溶洞顶板以上0.5～1.0m范围内采取减压，换成手动放绳防止空锤最后2～3cm停止放绳利用高压空气破坏剩余2～3cm的顶板，防止锤头急剧下沉；

②底板开孔；提钻换成双头单螺直螺旋钻头进行倾斜岩面切削，形成锤击平台，防止锤头受力偏心，折断钻杆锤击平台形成后更换锤头；

③低于2m的高度导向足够直接穿越套管螺旋杆保径条锤头与孔壁之间可进行导向，能够保证2m范围内的；

④大于2m，利用自身配带的捞渣筒进行捞渣处理。

4.5 环保控制技术

施工过程中，部分降水井施工出现了严重的粉尘污染问题，对设备结构进行优化，提出螺旋上升型的保径条形式，有效降低粉尘的污染；同时提出了破碎岩石颗粒粒径控制技术、混合气体加水技术及孔口加水技术，保证周边居民的生活空气质量，满足国家绿色施工要求：

4.5.1 锤套结构优化技术

原始锤头上焊接的保径条方向平行于轴线对称均匀分布，在高压气流的作用下，石粉沿着保径条和孔壁之间的“通道”直接冲出孔口带来严重的粉尘污染。为了降低粉尘污染的程度，首次提出螺旋上升形的保径条，改变粉尘上升的路径，避免粉尘直接冲到孔口，沿着螺旋形的保径条飘落在螺旋钻杆的叶片上。

4.5.2 总结形成破碎岩石颗粒粒径控制技术

坚硬岩层钻进过程中，通过调整转速和进尺的关系，防止岩石颗粒二次破碎，将颗粒直径控制在1～5mm范围内，从源头上控制粉尘污染的产生。

4.5.3 提出混合气体加水技术和孔口加水技术

一般空压机将压缩空气直接通过钻杆输送到孔底，底部磨碎的岩粉在高压空气的带动下冲出孔口，为了将粉末状的岩粉在孔底变成软塑状的“岩土”，在地面上接高压水管，和高压气混合通过钻杆输送到孔底，湿润岩粉，将岩粉由粉末状变为软塑状，控制岩粉冲出孔口，造成粉尘污染。

为了将粉尘污染降到最低程度，在孔口设置2个水炮，将飞出的剩余岩粉变为粉土降落在钻杆周边的地面上。

5 效益分析

5.1 经济效益分析

①按以往类似工程经验推算，本站北侧降水井（21口，平均深27.5m）进行分析，场地内可配备3台冲击钻，每台每天进尺2.5m，工期为77d；利用多功能钻机施工，每小时平均7m，工期缩短至10d，施工时间可减少2月，并考虑因噪音扰民而节省的时间约3～4d；同理，本站南侧估计节约工期90d，共可节约工期5个月。

②如利用冲击钻施工，约需460个台班，吊车150个台班，人工费每台班400元，冲击钻用电500元，钻机消耗12元，汽车吊每台班350元，折合成孔成本每米约823元。采用双动力头多功能钻机需10个台班，空压机30个台班，人工费每台班600元，油耗22400元，吊车350元，多功能钻机设备消耗5000元，锤头消耗11200元，空压机租赁费每台班1667元，折合成孔成本约768元。相比冲击钻施工，每米可节约费用55元。

5.2 环境效益分析

①双动力头多功能钻机钻进效率高，可以尽量减少夜间施工的概率，将对周边居民的影响降至最低。

②双动力头多功能钻机用于降水井施工过程中不需泥浆护壁，成孔产生的固态渣土很容易清理和处理，降低了对场地环境的污染。

6 结论

在富水岩溶地区散土-硬岩等复杂地层施工降水井，利用双动力头配置气动潜孔锤钻机，解决了大直径桩高效率入岩的技术难题，能在坚硬岩层中顺利成孔入岩，成桩质量较好，因不需要泥浆护壁，故杜绝了泥浆制作与排放对环境的污染，文明施工较好，同时如遇到岩溶破碎带，配合捞渣筒也可处理岩溶破碎带地层的钻进问题，提高效率、缩短工期、降低综合成本，除此以外双动力多功能钻机有多种组合系统，可实现一机多能，具有单机多功能、多用途，多样化施工特点，在建筑桩基施工中有更大的市场前景。