潜孔钻引孔施工技术研究探讨

席宏平

（甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃 兰州 730030）

潜孔钻在工程中的应用主要涉及钻孔灌注桩岩性地层成孔，斜岩地质情况下的辅助成孔等，在钢板桩围堰引孔作业中应用较少，但都是应用了该设备冲破岩质地层的能力[1]。针对工期紧，任务重的钢板桩围堰工程，在岩性地层中采用潜孔钻设备预先引孔，相对于其他引孔方案，能有效节约工期，再加上护管内换填粘性土技术的应用，拔除护管后避免塌孔，保证了后续钢板桩的顺利插打。通过查阅相关文献[2]，对潜孔钻设备的组成、保养、及冲岩施工论述较多，本文针对潜孔钻在钢板桩围堰引孔作业中的应用进行论述，对类似工程的引孔作业有一定的指导意义。

1 常见的地下金属采矿技术分析

我国的金属采矿技术应用过程中，地下金属采矿对技术应用有非常明确的要求。具体来说，包括空场采矿技术、VCR 采矿技术以及地下区域的连续采矿技术等。多种不同类型的技术在实践应用中的侧重点和具体组织实施方法可能存在一些客观差异，下文将对技术特征和应用方法等进行详细阐述。

1.1 空场采矿技术分析

此种技术在应用广泛性和普遍性上是相对较高的，主要是通过对矿藏基础围岩强度进行控制和把握，借助人工支柱结构为采空环节提供支撑，达到采矿作业的目标。技术应用中的主要优势集中在整体施工作业的效率相对较高，需要花费的总体成本较低。另外，技术应用在实践中容易受到客观地质结构状态的影响。要求地质结构强度要达到一定的水平，方可为技术应用提供保障，因此，技术应用中可能会受到多方面因素的限制。与此同时，工程项目的生产作业环节在规划后具有复杂性较高的特征。需要在结构、程序等多个方面加强控制力度。在实践应用中，此种采矿技术的应用也要以采空区的安全状态保障为主要目标。具体来说，可通过在一定程度上保留矿柱结构，达到预期的效果。此外，开采施工中的基层工作人员素质水平也是影响实际工作开展效果的重要因素。相关工作人员需要从整个采矿过程的规划环节和计量环节入手进行全方位的合理把控。

1.2 VCR采矿技术分析

此种采矿技术在实践应用中适合于地下区域的金属矿物质采矿应用。实践应用中，还需要借助专业的潜孔钻机设备辅助开采。另外，爆破环节则主要应用球星炸药包进行爆破操作，实现落矿形式的有效控制。关于这一技术应用中的要点，主要包括以下两个方面。①结合技术实施顺序进行采矿技术的控制，例如，对深度较浅的地下金矿矿产，在应用这种技术进行开采的过程中，就非常重视矿体荷载因素的影响，同时，安全管理问题也是实践中需要考虑的关键性问题。②针对可能出现的影响因素进行针对性地分析研究，提升相关技术应用的可靠性和有效性。

1.3 地下连续采矿技术

此种采矿技术的应用主要集中在勘察环节。主要针对体量相对较大、地质结构稳定性较强的矿产资源进行开采。在地下金属矿产开采过程中发挥作用，开采作业落实执行的环节有了地下连续采矿技术的支持，能够获得更高程度的安全保障且阶段性的采矿工作开展，整体效率也相对较高，但开采建筑回收工作在效率上相对较为滞后，回收时也存在一定的困难。开采过程中也存在部分需要重复作业的开采施工区域。因此，此种技术的应用还需要通过设备应用状态的改良，优化以及力学支撑理论的不断完善，支撑此种开采技术在实践应用中取得更好的保障。

1.4 崩落采矿技术分析

此种技术在实践应用中主要通过外力作用的干预促使围岩结构出现塌陷，对采空区进行自动填充，随后可结合爆破技术和切割技术的应用，使得效果和区域得到一定程度的定位。这种技术应用的过程中，需要持续进行施工作业。另外，先进性更强的技术的实践应用也需要借助先进的辅助设备达到相应的效果具体设备为高风压潜孔钻机设备。

2 潜孔钻机应用的发展趋势探索

从宏观上来讲，设备是支持开采工作执行落实的重要条件。潜孔钻机设备的应用，在应用范围和应用技术针对性上，都是相对较强的。实践中的技术应用，也需要结合这种设备的应用现状以及应用过程中的实践需求对其进行一定程度的改良优化，逐步推动潜孔钻机向多功能智能化自动化的方向发展，现阶段的发展趋势主要有以下几方面内容。

2.1 多功能化发展趋势

在金属矿产资源分布的整体结构和区域特征方面来讲，由于我国的宏观面积较大，金属矿产资源的分布广泛性也相对较强。因此，需要结合实际从适用性和实用性的角度，对金属矿产资源的开发利用进行分析，多功能化正是这种背景下金属矿产资源开发应用的主要发展趋势。多功能的目标达成需要通过针对性地实现对结构的不断优化完善以及开采探测技术的不断丰富，达到相应的目标。开采工作的效率和准确性，也能因此得到保障。

2.2 智能化发展趋势

智能化发展趋势主要是指，在金属矿产资源开采的过程中，需要通过物探技术的应用完成地质勘察作业。并且制定具有合理性和可行性的勘察工作计划，选取适当的开采工艺技术进行应用。具体的操作环节也需要对地质结构的变化以及地质结构振动过程中的实际情况进行精准的把握。除此之外，潜孔钻机的运行性能、调控能力也需要在实践中进行不断的优化。以便适应现阶段金属矿产资源开采的要求达到提升工作效率，保障开采工作安全状态的积极作用。开采技术本身也需要在实践中不断升级完善。现阶段PLC 系统技术是与开采环节能够实现联动的核心技术。

2.3 自动化发展趋势

自动化发展趋势主要是指在采矿过程中的设备控制向自动化的方向发展，现阶段此技术的应用与机械设备本身的功能性和先进性紧密相关，要想达到更好的自动化发展状态需合理应用网络控制技术，计算机平台运行技术以及在线监控与信息传感技术。通过自动化的运行控制技术的协同应用达到提升控制是有效性优化控制效果的目标。另外，自动化程度的提高也意味着机械装置和系统的安全保障效果能够达到更高的水平层次，设备应用的整体效能都会因此得到优化。

3 依托工程的基本情况

3.1 工程名称

本文依托的工程为某高速公路黄河大桥水中主墩左幅7#（右幅8#）钢板桩围堰。

3.2 钢板桩围堰设计情况

钢板桩围堰设计尺寸为26.2×16.2 m，钢板桩选型为24 m长的NSP-Ⅳw型拉森钢板桩，单根钢板桩宽度60 cm。钢板桩入水8.6～9.6 m，入普通土0.5～0.9 m，入卵石层4.5～5 m，入泥岩约6 m，单个围堰共设置拉森钢板桩140根。拉森钢板桩围堰立面图如图1所示。

图1 拉森钢板桩围堰立面图

3.3 地质情况

围堰区地层按土层分类，上覆为第四系全新统人工成因填筑土，冲洪积成因卵石、砾砂、粉土，下伏基岩为新近系临夏组砂质泥岩。各地层特征描述如下：

（1）填筑土：杂色，稍密，稍湿，以粉土为主，次为粘性土，内含砾砂、卵石，局部含少量植物根系，岩芯呈散状，可见最大粒径50 mm[3]。

（2）卵石：杂色，中密，主要成分以50～1900 mm卵石为主，占全重的80%，500 mm 以上孤石漂石占比约50%，其余为500 mm以下砂砾、粉黏粒等，骨架颗粒岩性成分以石英、长石为主，可见最大粒径1900 mm，磨圆度呈亚圆状，钻进困难，岩芯呈散状。

（3）强风化砂质泥岩：红褐色，泥质结构，泥质胶结，层状构造，主要矿物成分为黏土矿物，次为石英、长石，原岩结构、构造大部分被风化破坏，节理、裂隙发育，岩体破碎程度高，锤击声哑，手可掰断，岩芯呈短柱状[4]。

钢板桩围堰地质柱状图如图2 所示，河床裸露卵石层如图3所示。

图2 钢板桩围堰地质柱状图

图3 河床裸露卵石层

4 主要施工工艺

4.1 引孔施工工艺流程

测量放桩—潜孔钻机就位—调整钻机—启动空压机—送风—启动钻机—钻到设计深度同时护管跟进—提钻—填筑黏土—拔出护管移至下一桩位。

4.2 主要施工原理

潜孔钻引孔对岩石直接破碎，冲击频率高，冲程低，破岩后岩渣在气流的带动下，沿钻杆内壁直接排到孔外。

潜孔钻的作用机理是将压缩空气当做动力，压缩空气依托空气压缩机供给，经过风管、钻机和钻杆进到潜孔钻冲击器内，促使潜孔锤运行，依托潜孔锤对钻头的强大冲击功能实现将岩石击破的目标，岩石击碎之后产生的碎屑伴随潜孔锤钻杆中升高的气流依托风管落到地表。

其优势是岩石碎屑直径小，容易压缩空气带走，孔底干净，总体作业效率理想。依托潜孔锤冲击器在岩石穿透方面的性能与装设护管过程中对钻孔的保护，依托极大的风压将岩层击碎，使用科学的作业技术，实现对钻孔过程中的钻进护壁，钻孔完成后先回填粘土再拔出护管，进一步防止塌孔，同时又能顺利插打完成钢板桩，进而高效安全完成钢板桩围堰施工[5]。

引孔所需内护管采用壁厚10 mm，长度24 m 的A560 mm 钢管，潜孔钻引孔插入若干根（10 根左右）钢管以后[6]，退出施工区域，挖掘机配合向管内回填粘土，最后打拔机将钢管桩振动拔出，管内回填的粘土随着振动滑入孔内，每当拔出一根钢管桩后，及时插打钢板桩，这最大限度的减少了原地层对现有孔洞的挤压，从而减小了钢板桩入岩时的阻力。

潜孔钻在钻进过程中所产生的钻渣及泥浆都是先由空压机向孔内送风，再经过钻杆内壁将所有的钻渣泥浆由振动锤上连接的风管排出至泥浆箱，最后再由泥浆罐车进行二次清运至弃土场[7]。

潜孔钻引孔在卵石地层的综合进尺工效一般为6 m∕h，相比于其他引孔方案，工效提升显著。潜孔钻引孔作业如图4所示。

5 结论

针对卵砾石地层的钢板桩围堰施工，拉森钢板桩插打困难，传统的施工方法主要有冲击钻引孔、长螺旋钻机引孔、静压植桩机钻孔并同步插打等。

冲击钻先引孔：可实施，但施工效率很低，平均每天进尺1 m 左右；长螺旋钻机引孔：如遇孤石，无法穿透，成孔困难；静压植桩机：通过利用自身已插入地层的钢板桩提供“反力”，边钻进边将要插打的钢板桩直接压入地层中，可实施，但施工效率低，如遇孤石漂石，每天进尺不足1 m；而采用潜孔钻引孔，地层中的孤石漂石基本不影响成孔速度，工效稳定。

潜孔钻在钢板桩围堰中的成功应用，为同类工程的实施有重要的借鉴意义。因为潜孔钻为大型的冲击成孔设备，故障率相对较高，在后续的研究及实施过程中，还应重点解决设备故障率问题。