不同地质情况下钻孔灌注桩钻机设备选型

侯 斌

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

钻孔灌注桩在基础施工过程中有着较多的施工优势，如不会受到地下水位高低的干扰，可以直接穿过各种地质条件比较复杂的区域，或者对一些软硬变化明显的地质结构进行全面加固和处理，处理完成之后的地基整体稳定性更强、承载力更大，整个施工设备使用相对比较简单，施工效率更快，同时具有良好的安全性。因此，钻孔灌注桩施工技术在我国各大岩土工程施工当中应用非常广泛，并且取得了良好的施工效果和经济效益。

我国不同地区地质条件构成各有不同，在一些特殊地质条件下需要对钻孔灌注桩钻机设备进行针对性选择，不但需要考虑到钻机设备的型号，同时还需要考虑钻机设备的工作稳定性、经济性等多项指标。在钻孔灌注桩施工过程中，钻孔是其中非常重要的施工环节，钻孔的速度快慢以及成孔质量直接影响到了整个桩基施工的质量和稳定性。因此，在钻孔施工过程中对钻机设备的型号选择至关重要，需要充分考虑到各种钻机的工作性能和指标，以满足实际工程施工的具体要求。

1 钻孔灌注桩钻机设备类型及技术特点

1.1 冲击钻

冲击钻机是一种比较常见的钻机设备，冲击钻机依靠冲击锤进行冲击，通过抛渣筒排渣。冲击锤上下反复冲击将坚硬的岩石破碎，破碎后的残渣直接输送到外部环境，一部分被直接挤入到孔壁内部，也称之为普通泥浆护壁。冲击钻机适用于一些比较常见的填土层、黏土层以及密石砂层等复合型夹层施工，但是在卵石层、微风化地层的施工进度比较缓慢，同时冲击锤很容易损坏。在一些地质条件比较松散、基层施工厚度较大的砂层当中进行钻进，很容易出现孔洞坍塌问题，主要原因是冲击钻在钻井工作中，孔洞内部的泥浆比重不平衡，同时出现上不小下不大。通过掏渣筒掏渣处理之后的孔洞内部水位降低，会造成水位差，形成塌孔问题。

冲击钻具有施工地层适应性范围较广、施工速率较快、对施工场地环境要求较小等优势，同时造价更加低廉。但是，冲击钻的工作劳动强度相对较大，泥浆循环需要设立泥浆回流池，占地面积较大，产生的泥浆不能直接进行外运，施工过程中会出现较大的振动和声响，对周围的环境影响比较明显。

1.2 回转钻机

回转钻机在我国各大岩土工程当中的应用非常广泛，在钻孔灌注桩施工过程中，具有非常明显的施工优势。回转钻机设备在我国国内应用时间较长、使用范围较广，在社会市场当中保有量相对较大。回转钻机除了在卵石层、砂石层钻进存在一定难度之外，在其他一些比较常见的地层钻进工作中都具有良好的适用性。回转钻机根据排渣方式的不同，可以分为正循环排渣和反循环排渣两种形式，反循环系统当中又包含了泵吸、孔举、孔底射流三种构成环节。在一些常见的素土层、黏土层和砂砾土层钻孔施工中，通常使用正循环工作方式；在一些质地比较坚硬的软石层、砂卵石夹层和岩石层内部孔底清渣工作，通常选用反循环方式。根据地层结构的不同，钻头的形式可以采用不同的规格和型号，尤其在比较坚硬的岩石层钻井，需要配置滚刀钻头或者牙轮钻头。钻孔施工的钻孔直径可以达到2～5 m，深度可以达到数百米以上。

回转钻机在我国各大岩土工程中的应用非常广泛，护壁效果明显，成孔质量更高，在施工过程中不存在明显的振动、噪音等问题，具有操作更加简单、造价更加低廉等多方面特性。但是在复杂的地层层孔工作中，整体的工作效率相对较低。施工现场的用水量较大，需要排放大量泥浆，同时扩孔率无法进行有效控制，很难在卵石漂石和岩石层表面进行施工。尤其是针对一些质地非常坚硬的地层，钻孔进度非常缓慢，消耗的经济成本也相对较大。

1.3 冲击反循环钻机

冲击反循环钻机是将传统的冲击钻机进一步改进和升级，和反循环排渣工艺进行有效衔接，形成的一种新型大口径钻机设备。通过该钻机设备的有效使用，可以对一些大面积的岩石进行高频率的冲击和破碎，保证冲击面的岩石完全破裂，然后使用反循环排渣的工作方法，将冲击产生的岩石碎片及时排出外部环境。使用该钻机设备，不但保留了传统冲击钻施工成本较低、清孔更加干净、沉渣量较小和适用性更加广阔的优势，同时解决了传统钻机不能连续性排渣等多种问题，可以在各种复杂的地质条件下进行钻孔施工[1]。

冲击反循环钻机设备和回转钻机设备，在钻孔施工过程中有各自的使用优势。正常情况下，在黏土层、亚黏土层、淤泥质土层和粉砂层施工过程中，回转钻机比冲击反循环钻机的钻孔施工速度更快，整个成本消耗量上相对较低。在卵石层和坚硬岩石层施工过程中，冲击反循环钻机的工作速率可以提升2～3倍以上，尤其在我国一些比较复杂的丘陵和山区地带，冲击反循环施工在卵石层和坚硬岩石层的成孔速度有更加明显的优势。在成本消耗量方面，卵石层、粒石层和质地比较坚硬的岩石层施工中，冲击钻的钻进效率较高，而回转钻机钻进速率较慢、成孔周期相对较长，整个经济成本投入量上相比于冲击钻超过3 倍以上。

当遇到一些大漂石、大面积坚硬岩石条件等，通过回转钻机无法保证钻孔工作的效率和稳定性，只能选用冲击反循环钻机进行施工。但是，冲击反循环钻机的施工过程会产生较大振动，对周围环境形成影响，尤其是冲击下部比较坚硬的岩石层时，冲击过程产生的振动效应会产生较大的噪声。同时，钻机的工作功率较大，耗电量较高，整体结构也比较复杂，设备的运输过程也需要投入一定的经济成本[2]。

1.4 潜水钻机

潜水钻机属于一种比较常见的旋转式钻孔机械设备，将防水电机变速机构和钻头直接衔接在一起，同时做好外部的密封处理，由钻杆定位后将钻机直接潜入到水底，在泥浆中进行钻孔。注入泥浆之后，通过正循环和反循环的排渣工作方法，将孔洞内部产生的大量泥土和碎渣直接排放到外部环境。潜水钻机在一些黏土层、淤泥层、淤泥质土沙粒夹层和软弱地层结构当中的应用非常广泛。潜水钻机通过潜水电机提供动力，在钻孔工作中直接将钻机深入到空地内部，电机的防水工作性能良好，在工作过程中温度上升幅度较小，具有良好的过载工作能力。其在钻孔工作中消耗的动力较小，钻孔工作效率较高，同时整个钻孔施工的成本投入量较低，但是潜水钻机不能用于碎石土层、超过10 cm 的软力夹层、卵石地层或者比较坚硬的岩石地质条件。在具体的成孔工作中，通过使用泥浆护壁很容易造成现场环境泥泞。同时，使用反循环钻孔施工，在土体当中会存在较大的石块，很容易卡住管道，造成桩体结构层松散，进而使得桩径扩大，灌注混凝土施工量超限[3]。

2 钻机设备选型与经济性对比

2.1 不同地质条件钻孔灌注桩钻机设备选择

根据各种不同类型钻机的工作特点，在确定工程施工方案过程中，可以针对不同的地质条件特性，对钻机的类型进行针对性选择，有效提高钻孔工作的整体效率和质量。

（1）黏土层和密实砂层可以直接选用冲击钻机、回转钻机或者旋挖钻机任何一种，都可以起到良好的钻孔工作效果.

（2）密实土层和松散的砂层地质条件，可以直接选择回转钻机或者旋挖钻机。

（3）土层当中含有＞20%的软石或者颗粒直径＞15 cm 的漂石地层结构，可以选用冲击钻机来进行钻孔施工。

（4）卵石含量＜20%或者大漂石的颗粒直径＜10 cm 的土层结构，可以直接选用冲击钻机或者回转钻机来进行施工。

（5）软弱的岩土层或者强风化岩层结构，可以选择冲击钻和回转钻机来进行钻孔施工。

（6）弱风化地质条件、坚硬岩石条件，可以使用实心锤冲击钻、牙轮钻或者滚刀钻等设备进行钻孔施工。

（7）抗压强度＞120 MPa 的坚硬岩石层，可以直接使用滚刀钻进行钻孔施工。

从上述的钻机技术特性以及地质条件特点分析，除了需要大致了解设备的性能和适用性以外，还需要全面了解地质勘测报告中的土壤性质指标，对施工区域范围内的地层条件结构、岩性特点等进行全面判断和分析，针对性地选择钻机设备型号，保证钻孔工作的整体质量和效果。同时，结合环境保护工作要求，针对泥浆的处理工作成本、施工难度和噪声问题等进行综合考虑和分析[4]。

2.2 不同钻机设备使用经济性分析

最后要考虑经济成本因素，包括钻机设备的功率大小、配套设施造价和各种能源消耗量等，以此选择钻机类型。不同地层条件下的钻孔设备不同，成本造价也会有较大差异。如某钻孔灌注桩施工区域地层为岩石条件，其中单轴抗压强度大小达到了100 MPa，根据钻机的工作性能可以选择牙轮钻、滚刀钻或者实心锤冲击钻机中的任何一种。但是从整个使用经济角度上考虑，钻机在工作过程中的成本消耗量存在较大差异，在三种钻机的制浆、排浆和动力基本相同的条件下，钻头的消耗和钻进速率不同，使得钻孔工作中的成本消耗量相差较大。其中，实心锤冲击钻钻进工作速率可以达到0.8～1.0 m/台班，牙轮钻为0.1～0.3 m/台班，滚刀钻进速率为0.3～0.4 m/台班。实心锤冲击钻钻头的质量范围在5～7 t，主要以铸铁材料为主。滚刀钻和牙轮钻的每米成孔成本，相比于实心锤冲击钻的施工成本超出2 倍以上，基于这一施工条件，优先选择实心锤冲击钻可降低施工成本。考虑钻机经济性能要包含周围工作环境要求、场地制约条件和施工工期，这是钻机选型工作的重要影响因素，需要引起相关施工人员的高度重视[5]。

3 结语

不同的地质条件下，钻孔灌注桩钻机的设备选型有明显的差异性，相关工程施工单位需要针对施工区域内的地质条件进行全面分析，对钻孔灌注桩钻机设备使用的工作效率、工作安全性、使用经济性和对周围环境产生的影响等多方面问题进行综合考虑，选择出综合表现更强的设备进行施工，全面提高工程整体的施工效率和质量，实现工程施工单位的良好经济效益。