坚硬破碎花岗岩地层大直径潜孔锤跟管钻孔灌注桩施工技术

邓乙民，魏凌浩，周雨田

（1.湖南军信环保股份有限公司，长沙410213；2.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083；3.中南大学土木工程学院，长沙410075）

1 引言

随着城市建设和社会发展，越来越多的工程项目在山地削填方而成的场地上进行，而较厚的填石层使得桩基础施工变得更加困难，新型钻孔技术如潜孔锤受到了关注[1，2]。与传统的钻孔技术相比，大直径潜孔锤钻孔技术有很多的优点，比如，在强度大的岩层中成孔更快，孔道更直等[3]。同时，环境保护和施工安全性一直也是工程项目的关注重点，而潜孔锤的应用会导致大量可吸入粉尘的产生，配合使用响应降尘设备有利于保护工人健康和周边环境[4]。本文以长沙市望城区桥驿镇黑麋峰固体废物处理场的垃圾焚烧发电厂作为案例，分析大直径潜孔锤在实际工程中的应用优势和适用情况。

2 工程案例

2.1 项目概况

该项目位于长沙市黑麋峰固体废弃物处理场西侧，场区面积约30 ha，工程场地东、南、西3 面环山，北面紧邻黑坝水库。场地为山地削填方而成，最大填筑厚度达35 m，填筑土主要为花岗岩残积土，且夹有大量坚硬孤石。本工程最初设计采用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径有φ1.0 m、φ1.2 m、φ1.4 m 3 种，桩平均深度约20 m，最大桩长约71 m，总数量约为1 799 根，均为嵌岩桩，桩端持力层进入中风化花岗岩不小于2 倍桩径。

2.2 工程地质条件

根据勘察资料，主要有人工填土层、耕土层、砂质黏性土层，下伏基岩为燕山晚期花岗岩。场地内地形起伏大，存在高填深挖，当场地平整至设计标高时，最大填筑厚度达35 m，场地南侧地段基岩裸露或覆盖层较薄，北侧地段存在由回填层、耕土、淤泥质砂质黏性土组成的深厚覆盖层。回填层主要由砂质黏性土、花岗岩块石混填而成，偶见块石堆，最大块径可达2 m，均匀性差，固结程度低；回填层及全风化基岩成桩条件差，孔壁易坍塌；强风化基岩成桩条件较好，但由于处于多雨季节，强风化基岩被水浸泡后呈松散、软塑状态，孔壁易坍塌。总体来说，该场地的成桩条件较差，岩石较硬，孔壁易坍塌，因此，技术和设备的选择需要多方面考虑。

3 冲击成孔局限性分析

原设计桩基采用泥浆护壁冲孔桩，结合现场实际情况，本工程采用泥浆护壁冲孔施工极其困难，遇到许多无法解决的难题，主要表现在：

1）泥浆容易漏失。项目选址在山间坡地，回填层孔隙多，渗水能力强，造浆能力差且容易漏浆，且由于场区紧邻水库，溢流的废弃泥浆易造成水体污染。

2）工期紧，桩数多，成孔时间长。设计要求桩端进入中风化层，冲孔桩入岩施工进度相对缓慢；施工作业面有限，不允许投入大量设备，无法设置大面积泥浆池。场地深部坚硬花岗岩强度高，冲击钻进入岩速度极低，成孔时间长。

3）施工质量难以控制。场地岩层面起伏大，冲击时易产生桩孔偏斜，桩孔垂直度无法满足要求，回填层大块径坚硬孤石难以穿透，且易被误判为入岩。泥浆护壁导致孔底易出现碎渣沉积，难以保证清孔满足规范和设计要求。

4 大直径潜孔锤全护筒跟管钻孔灌注桩施工工艺

4.1 施工原理

大直径潜孔锤是以压缩空气为动力的一种风动冲击工具。以长螺旋动力头做旋转动力，在特制的钻杆下悬挂气动式潜孔锤，利用空气压缩机带动气动式潜孔锤冲击破碎岩石。动力头带动钻杆及潜孔锤进行适度的钻压与回转钻进，有效提升破碎效率。气动潜孔锤的空气既能冷却钻头又能将破碎的岩屑吹离孔底实现清孔[5]。在破碎地层结合全护筒跟管钻进工艺，空气潜孔锤加快了钻进速度，克服了塌孔问题，减少了环境污染，提高了工作效率，确保了顺利成孔[6]。

4.2 施工工艺流程

大直径潜孔锤全护筒跟管钻孔灌注桩施工流程如图1所示。

图1 大直径潜孔锤全护筒跟管钻孔灌注桩施工工艺流程

4.3 配套机具设备

大直径潜孔锤设备组成如图2所示。

图2 大直径潜孔锤设备组成图

本项目采用的配套机具设备如下。

1）钻机：工程钻机机架为滦州重工生产的履带式多功能机架，钻机自重110 t。

2）潜孔锤：潜孔锤钻头选用赛柯洛克QL300 型潜孔锤，潜孔锤钻头直径为91.5 mm，冲击器及钻头总质量约8 t。

3）钻杆：钻杆直径φ920 mm，自重15 t，钻杆上设置风道，以便利用风压清孔。钻孔加设1 个外护套管以减小钻杆与孔壁之间的孔隙，有利于渣土吹出地表，降低能耗[7]。

4）空气压缩机：本工程采用4 台空压机（型号：XRHS506型空压机，排气量：30 m3/min）并行送风，保持稳定压力和充足风量，为钻头提供稳定的动力，并顺利地将岩屑吹至地面。另需配备储气罐、油雾器以提供冲击动力并减少摩阻力，同时对气动元件进行润滑。

5）降尘设备：气动潜孔锤研磨刻碎岩石过程中产生大量的粉尘，选用廊坊聚力生产的PMB-50 泡沫泵，通过专用的发泡装置，通过良好的覆盖、湿润和黏附等方式作用于粉尘，有效地降低空气中粉尘浓度。

6）搓管机：根据本工程的地质情况、桩径大小及钢护筒埋深，选用全液压旋挖型搓管机起拔钢护筒，本设备由旋挖型搓管机、液压泵站、控制系统等组成。

7）钢护筒：项目场地回填层松散破碎，易出现跨孔缩径。采用南通远志生产的特制钢护筒，内径与桩径一致，筒靴前端镶嵌合金钻齿环切各类地层及岩石，提升护筒钻入能力[8]。根据勘察报告及实际情况，护筒埋设至中风化层顶部，护筒高出原地面顶面0.5～1.0 m 左右，若钻孔发现地基稳定性差，出现坍孔、缩孔时，应加深钢护筒埋深长度[9]。

4.4 潜孔锤钻机施工

1）潜孔锤钻机安装就位：利用桩机液压行走机构将钻机移至钻孔位置，进行定位。

2）钻进至桩底设计标高：桩位、护筒垂直度检验合格将钻具（潜孔锤钻头、钻杆）提离孔底20～30 cm，开启空压机和钻具上方的回转电机，待护筒口出风时，将钻具轻轻放至孔底，开始潜孔锤钻进作业。

3）钻杆加长、护筒接长：当潜孔锤破岩钻进、护筒下沉至孔口以上约1.0 m 时，将钻杆和护筒接长。将主机与潜孔锤钻杆分离，钻机稍让出孔口，先将钻杆接长，需控制钻杆长度始终高出护筒顶。

4）钻进至设计入岩深度、终孔：孔垂直和孔径检测采用6 m 长的钢筋笼骨架检测，检查泥渣是否与地勘报告相符。符合设计规范后，报请监理工程师验收、确认同意后方可终孔[10]。终孔前，严格判定桩端岩性和入岩深度，确保桩端持力层满足设计要求。

5）清孔：钻进至持力层深度后，为保证灌注混凝土质量，必须清除孔内沉渣[11]，终孔后移开潜孔锤桩机，采用空压机吹渣清孔，为了避免沉渣增多，桩到位后应立即进行清孔，清孔结束应立即吊放钢筋笼，灌注混凝土。

5 工程成果

项目1 799 根桩基施工完毕后采用低应变、声波透射法、钻芯法及静荷载试验对桩身进行检测。检测结果表明，桩身完整性、混凝土强度、桩端承载力、孔底沉渣等，均满足设计和规范要求，质量合格，其中93.6%的工程桩为Ⅰ类桩、6.4%的工程桩为Ⅱ类桩。目前，长沙市生活垃圾深度综合处理（清洁焚烧）项目已投入使用，并荣获了2018—2019年度中国建设工程鲁班奖。

6 结语

大直径潜孔锤全护筒跟管钻进成孔技术相对于泥浆护壁冲击成孔等传统成孔工艺而言，虽然能耗较高、整体施工成本较大，但其平均成孔速度可以提高7 倍以上，可以为后续工序节约大量时间，提升了现场文明施工水平。对于项目整体而言，可以极大地提前项目的投产时间，因工艺而增加的施工成本相对于提前投产所产生的巨大经济效益而言是微不足道的，是一种值得推广应用的新技术。