潜孔锤孔内掉钻活动式卡销打捞施工技术

尚增弟，雷 斌，童 心

(深圳市工勘岩土集团有限公司，广东 深圳 518063)

0 引言

灌注桩采用潜孔锤钻进时，以空气压缩机提供的高风压作为动力，高风压经风管、钻杆内腔进入潜孔锤冲击器，驱动潜孔锤钻头高速往复冲击作业，破碎的渣土、岩屑随潜孔锤钻杆与孔壁之间的空隙由高风压携带排出至地面。

潜孔锤冲击器与钻杆通过六方接头连接，六方接头由六方方头和六方方孔及其上连接的2根插销组成。六方方头的上、下2个销孔位于正六面体的1组对称面上，插销通过六方方孔的孔洞插入固定于六方方头的销孔内，如图1所示。在潜孔锤钻进时，尤其在深厚硬岩地层中，由于冲击钻进时间长，钻凿伴随着剧烈的高频振动，易发生固定插销疲劳折断的情况，或由于插销固定操作不规范导致松动脱落问题，使六方方头与六方方孔连接失效，造成钻具孔内掉落事故，如图2所示。

图2 潜孔锤钻具孔内掉落示意

近年来，我司相继承接完成了数个采用潜孔锤施工的地基基础工程，针对打捞掉落潜孔锤钻具的难题，结合项目地层条件、桩基设计要求和施工情况，通过现场摸索探究实践，研究发明了一种以活动式卡销代替固定插销送入孔内将潜孔锤钻具卡紧实现打捞的施工方法，经过一系列现场试验、工艺完善及研究总结、参数优化，最终形成了系统的潜孔锤钻具活动式卡销打捞装置和对应的施工技术，制定了标准的工艺流程、操作要点和系统的质量、安全、环保措施，取得了显著的应用成效，实现了精准快速、安全可靠、降低事故处理成本的目标，达到预期效果。

1 工程概况

1.1 工程位置及规模

某项目位于广东省珠海市高栏港经济开放区，占地面积约144万m2，工程桩基设计为钻(冲)孔灌注桩，桩身直径550mm，桩端持力层为入中风化花岗岩或微风化花岗岩≥1 500mm，平均桩长约26.5m，最大桩长达45m。单桩竖向承载力特征值预估为4 200kN，单桩水平承载力特征值预估为100kN。桩基采用全护筒跟管钻进工艺，开动2台潜孔锤桩机引孔施工。

1.2 现场施工情况

某工程桩潜孔锤引孔施工时出现掉钻事故，通过现场测量探明，潜孔锤钻具底部位于地下深度26.4m，施工项目部提出采用自主研发的潜孔锤孔内掉钻活动式卡销打捞施工技术进行处理，得到了建设、监理单位的同意，本技术高效便捷地完成了事故处理，花费成本共计5万元，延后工期2天，未对项目施工进展造成较大影响，取得了良好的社会效益和经济效益。

2 潜孔锤孔内掉钻活动式卡销打捞施工工艺

2.1 适用范围

该工艺适用于采用潜孔锤施工时钻具掉落孔内的打捞处理情况。

2.2 工艺原理

2.2.1打捞器设计技术路线

1)以活动式卡销代替固定插销

由于潜孔锤钻具掉落是固定插销失效引起，设想重新将插销归位即可把孔内钻具打捞出孔，基于此，设置一种新型卡销，其作用与原来的2根插销作用一致，区别仅在于插销是潜孔锤入孔前由人工插入，而卡销则需通过一定路径导入销孔实现归位。

设计将安装有卡销的六方方孔下放入孔，尝试与掉钻的六方方头进行对接，如图3a所示；当卡销进入到六方方头原固定插销的卡槽内时，六方方孔对六方方头实现捕捉，如图3b所示；2根卡销归位后的模拟如图4所示。

图3 使用卡销代替插销设想示意

图4 使用卡销代替插销设想模拟

经上述分析，得出结论：利用活动式卡销代替原固定插销，归位后将掉落的潜孔锤钻具卡紧从而实现打捞出孔。

2)卡销归位行程路径分析

从上述分析可知，打捞器与掉落钻具的六方方头的对接，关键在于如何实现卡销归位紧固。因此，卡销的对接归位设计成为打捞器研发的重点。

在卡销位于销孔正上方的理想情况下，由于卡销相对于六方方头凸出半径长度，当卡销下落触碰到方头时需开启相对于方头外扩的运动方可继续沿着方头外壁向下运动，直至行于销孔位置时，卡销须自动落入销槽内，以此实现卡销归位。基于此，相对于在孔内固定不动的掉落潜孔锤钻具而言，卡销的归位行程从底部表现由小至大的运行轨迹，如图5所示。

图5 卡销相对于掉落钻具的运行轨迹(尺寸比例经过变形处理)

经上述分析，得出结论：下入孔内的打捞卡销是可移动的，其行程从底部表现由小至大的运行轨迹。

3)卡销精准捕捉

实际潜孔锤钻进作业时，只要保持有1根固定插销有效连接便能将钻具提起，如图6所示。基于此，只需成功将1根卡销置入销孔即可。

图6 1根插销有效连接即可提起钻具

在理想状态下的卡销对接和归位过程中，拟置入的2根卡销均能抵达掉落钻具的销孔内，如图7a所示；也可能出现其中一根卡销就位、另一根卡销未能抵达销孔的情况，如图7b所示。以上两种情况均可满足钻具打捞出孔的条件。

图7 两种情况下卡销与销孔对接示意

上述设想为仅当卡销与其中1个销孔正对时方可实现，但实际掉落的钻具无法肉眼可见，难以像在地面上将卡销直接对准置入销孔，因此需进一步解决卡销精准捕捉的问题。

由于六方方头的两个对称面上设置有上、下各1个销孔，且在任意销孔捕捉到1根卡销即可提起钻具的技术思路下，对应六方方头的六边形间隔各设置1根卡销，形成“三卡销”组合，将此组合与六方方孔相结合下入到孔内与掉钻的六方方头进行对接，则只要六方方孔能恰好套住六方方头，即可实现六方方头的6个边与六方方孔的6个边一一对应，再缓慢下放六方方孔，必然使有且只有1根卡销置入销孔内，这样就解决了卡销精准捕捉的问题，如图8,9所示。

图8 沿六方方孔隔边布置卡销示意

经上述分析，得出结论：“三卡销”组合与六方方孔相结合入孔打捞并完成与六方方头的顺利对接，即可实现1根卡销落入销孔将掉落潜孔锤钻具卡紧，从而打捞出孔。

图9 “三卡销”组合归位示意

4)卡销精确固定

由于掉落钻具上方连接的六方方头呈正六边形，所设想的3根卡销应准确分布在正六边形的3条边上，保证3根卡销与销孔能恰好对接插入，则卡销位置应与销孔位置平齐对正。因此，还需设计一种装置将卡销固定，使卡销精准地固定在其原有位置上，不因与六方方头对接接触而产生偏差，保证卡销与销孔的位置和方向完全一致。

综合前述分析，得出结论：设置的3根卡销分别位于与掉落钻具六方方头一致的六方方孔的3条边上，置于1个可移动的受控装置中，其行程从底部表现由小至大的运行轨迹。

5)打捞完成后卡销的解除

掉落的钻头是通过卡销将其固定从而实现打捞出孔，如果试图松脱，则需要解除卡销与销孔脱离。基于此，设计通过打捞器筒身上的圆孔插入撬杆，将卡销向远离六方方头的方向压缩，使其脱离销孔，因此卡销的位置移动需要具有一定的弹性，拟设计1个内置弹簧的导向装置，则卡销受弹簧控制，可轻易地使六方方头与六方方孔连接失效，从而完成掉落钻具与打捞器的分离。

综合前述分析，得出结论：设置的3根卡销应置于1个可移动的、内置导向弹簧的装置中，在弹簧弹力的作用下，卡销行程从底部表现由小至大的运行轨迹，同时在完成打捞后可方便快速地实现解除分离。

2.2.2打捞器结构

基于上述技术路线的设想和综合分析，设计出一种以活动式卡销代替固定插销的潜孔锤钻具打捞器，并形成相应的打捞施工技术。打捞器结构由钻杆连接头、筒身、捕获器3个部分组成，如图10所示。

图10 打捞器实物

1)连接头

打捞器顶部是1个六方连接头，起到连接打捞器和钻机钻杆的作用，使打捞器可以借助钻机下入至桩孔内部进行打捞作业，如图11所示。

图11 打捞器顶部连接头

2)筒身

作为中介连接顶部连接头与底部捕获器，整体与掉落的钻具对接；对打捞器内部设置的卡销进行约束和定位；打捞出掉落钻具后，通过筒身上的解锁孔将卡销从销孔中脱出，以此卸除打捞出的钻具。

筒身为圆柱状，是打捞器的连接部分，如图12所示；筒身直径比掉落钻具直径保持一致或略小100mm；在筒身处卡销的正上方离筒底约100mm位置处，开设3个φ100mm圆形解锁孔，打捞完成后通过解锁孔解除打捞器与钻具间的连接；筒身的最小长度以能容纳插入掉钻具上部六方方头的高度为准，常规打捞器筒身高度约1m。

图12 打捞器筒身实物

3)捕获器

捕获器设置在筒身底部，其总体结构由卡销、导向装置、六方方孔底盘3个打捞构件组成；捕获器通过焊接的方式与筒身相连，如图13所示。

图13 底盘、卡销、导向装置

卡销呈长条状，由高强度合金制成，以保证有足够的强度、刚度能顺利将掉落的钻具卡紧吊起；卡销沿六方孔孔边居中布置，其两边伸入六方方孔内一定长度(L=20mm)，使其在落入销孔卡紧提起钻具时在方孔内有足够的嵌固长度；理论上卡销直径与销孔直径一致，卡销长度需根据掉落钻具上连接的六方方头的规格确定，六方接头技术参数如表1所示。

表1 六方接头技术参数 mm

卡销的导向装置由弹簧和弹簧匣两部分构成，其内部构造如图14所示。导向装置的设置是为了使卡销响应技术路线中的行程设计要求，赋予卡销移动时的导向和自动归位功能；其中，导向功能由弹簧匣内的斜向凹槽提供，当卡销向下移动至六方方头的扩大位置时，在向上推力的作用下，卡销朝弹簧压缩方向“内缩”即可继续向下移动；自动归位功能则由弹簧提供，卡销在弹簧恢复自然状态下的弹力作用下，一旦抵达销孔位置便能迅速归位，如图15所示。具体尺寸如图16所示，弹簧匣外壳由厚钢板加工焊接而成，高100mm、宽85mm、厚25mm；匣子上部包裹弹簧尾部的钢片由宽60mm、高25mm的薄钢板加工成凸状半圆形，其主要作用是限制并固定弹簧在匣槽中不走位。

图14 卡销导向装置实物

图15 六方方头与卡销接触后运行示意

图16 弹簧匣规格尺寸

六方方孔底盘厚度100mm，外径稍小于掉落钻具的直径，以确保底盘便于移动而与钻具上部六方方头完成捕捉对接，此外，底盘还起固定作用，将卡销、弹簧和弹簧匣子集成于一体。捕获器制作时，先将3根卡销置于六方方孔底盘上的凹槽内，然后将弹簧匣焊接于六方方孔之上，最后把弹簧压缩置入弹簧匣凹槽内，使其一头固定于匣子上部凸状半圆形薄片钢板中，一头与卡销相连，完成捕获器的制作再将其与筒身焊接为一体，形成完整的打捞器装置。

2.3 工艺流程

潜孔锤孔内掉钻活动式卡销打捞施工工艺流程：清除孔内掉钻覆盖沉渣(清孔)→制作并安装打捞器→打捞器入孔捕获提出掉落钻具→潜孔锤钻具与打捞器解锁分离。

2.4 操作要点

1)清除孔内掉钻覆盖沉渣(清孔) ①测量孔内实际深度，与掉落钻具的位置进行比对，摸清孔内沉渣厚度；②调配好清孔泥浆，采用3PN泥浆泵正循环清孔，或采用空气压缩机形成气举反循环清孔，将孔内覆盖钻具的渣土清除干净；③清孔至掉落钻具顶部的六方方头全部露出为止。

2)制作并安装打捞器 ①对掉落桩孔的潜孔锤钻具情况进行现场勘查，详细了解钻具相关的各项技术参数和指标；②根据桩孔直径、潜孔锤钻具及其上六方方头直径的大小，按照上述技术路线与装置结构制作相应规格的打捞器；③将打捞器顶部的六方方头与钻机钻杆的六方方孔通过插销进行对接。

3)打捞器入孔捕获提出掉落钻具 ①钻机就位调平后，钻杆与原桩孔中心对齐，将打捞器缓慢下放入孔；②在打捞器触碰到孔内掉钻上部的六方方头时，缓慢旋转钻杆带动打捞器转动，调试相互间的接触位置和方向，使钻具上部的六方方头与打捞器底部的六方方孔顺利套入对接；③继续下放钻杆，直至卡销置入销孔；④卡销归位置入销孔后，掉落钻具被卡紧，此时突然上提钻杆将会使钻杆承受较大压力，应缓速操作，慢慢将掉落的钻具提离孔底；⑤打捞过程中应加强孔内水头高度控制，保持孔内泥浆良好性能，防止掉落的潜孔锤钻具在脱离孔底地层时出现塌孔情况，以确保孔壁稳定。研发厂房内模拟桩孔内掉落潜孔锤钻具的打捞过程。

4)潜孔锤钻具与打捞器解锁分离 ①完成打捞出孔后，将潜孔锤钻具提至地面，此时卡销处于待解锁状态，如图17所示；②使用头部扁平的撬杆通过预先设置的解锁孔插入筒身并抵撬卡销，卡销受力后脱出销孔，此时卡销与六方方头的卡紧作用失效，钻具与打捞器脱离，打捞任务顺利完成。

图17 卡销解锁位示意

2.5 施工工艺特点

1)事故处理准确率高

本技术采用卡销代替原固定插销，巧妙的打捞器设计使得打捞钻具事故处理精准快捷，确保了项目的正常施工。

2)打捞钻具成本低

打捞器以钻机钻杆和钻具连接头作为辅助构件，通过设置卡销归位将掉落的钻具捕获打捞，其制作成本低、简单易造，与吊钩起吊、潜水员入孔系绳起吊等传统事故处理方法相比，大大缩短了处理耗时，现场打捞成本低。

3)避免了后期事故处理费用

常用的潜孔锤钻具掉落打捞方法复杂、处理难度大、耗时长，甚至有时不得不将钻具遗弃，或把已施工的桩废除，并采取在桩位附近重新补桩和加大施工承台等方法进行补救，本技术既保住了原有价格昂贵的潜孔锤钻具，又避免了后期桩孔设计变更带来的施工成本风险。

4)安全高效

使用活动式卡销打捞器，无需潜水员下入孔内打捞，避免了事故处理的安全风险，同时，操作时无需投入额外的机械设备，操作便捷、可靠、安全。

3 结语

针对复杂地层下潜孔锤钻进成孔易造成钻具孔内掉落事故的问题，研究采用潜孔锤孔内掉钻活动式卡销打捞施工技术，创新地以活动式卡销代替固定插销送入孔内将掉落钻具卡紧，实现高效便捷的打捞处理，在装置制作、现场操作、事故处理成本控制等方面都突显出了其独特的优越性，缩短了事故处理时间，降低事故处理安全隐患，为潜孔锤掉钻事故的处理提供了一种创新、实用的工艺技术，取得了显著的社会效益和经济效益。