大直径气动潜孔锤在硬岩地层桩基施工中的应用

摘 要：气动潜孔锤是以压缩空气作为动力的一种风动工具，其将提供冲击作用的气动装置与破碎岩石的钻头相结合，潜入桩孔孔底进行钻进，并充分利用潜孔锤排出的高压空气，对钻头进行冷却和排渣。基于此，对大直径气动潜孔锤在硬质岩层桩基施工中的应用进行了总结分析，阐述大直径气动潜孔锤在硬岩地层桩基施工中的施工工艺流程、技术参数、操作要点等内容，并对施工中易发生的典型事故进行原因分析，总结相应的处理措施和经验，形成一套基本成熟的硬岩钻进施工工艺。

关键词：潜孔锤；钻孔；硬岩钻进；桩基施工；应用

0 引言

在岩土工程桩基施工中，常采用旋挖钻进行成孔作业，其具有输出功率大、扭矩高、机动灵活、施工效率高等特点，被广泛应用。在配以适宜的钻头后，其可在多种地层中进行桩基成孔作业，但对于较完整以及裂隙发育不明显的中、硬质岩层，旋挖钻机效率较低。岩层越硬，钻齿磨损越严重，从而导致钻头更换频繁、进尺缓慢，需要提供极大的钻压和扭矩才能钻进，对钻机钻头的磨损较大、成本较高，从而导致旋挖钻的施工经济性较差。冲击钻虽可用于硬度较高的岩层进行钻孔作业并且经济性较好，但是钻孔需泥浆护壁，严重污染环境，不环保，还需要占用较大的施工场地制备泥浆。且冲击钻成孔速度慢、钻孔精度低，易出现桩孔孔壁倾斜、孔壁坍塌等问题，扩孔率普遍较高。

气动潜孔锤是以高压空气作为动力的一种风动钻孔工具，其将冲击作用的气动装置与破碎岩石的钻头相结合潜入桩孔孔底进行钻进，并充分利用潜孔锤排出的压缩空气，对钻头进行冷却和排渣，具有能量利用率高、钻头磨损慢、寿命长等优点。

气动潜孔锤常见的外径尺寸为φ100～900 mm，适用于φ150～1 200 mm的入岩钻孔作业，小直径潜孔锤在钻凿爆破孔、地质钻探孔中被广泛应用，是硬岩地层中高效的钻进工具。大直径风动潜孔锤能充分发挥潜孔锤破岩的优越性，成孔速度快，成孔直径与灌注桩桩径相匹配时，能一次性快速完成成孔，为硬岩地层桩基施工成孔作业提供了良好途径。该工法在陵江东路片区棚户区改造项目二期桩基施工中得到了有效应用，结合工程实例，对大直径气动潜孔锤在硬岩地层桩基施工中的应用进行介绍。

1 工程概况

陵江东路片区棚户区改造项目二期位于海南省陵水黎族自治县椰林镇陵河南片区，总投资约为13亿元，总用地面积为56 865 m2（85.29亩），总建筑面积约为226 761.74 m2。主要建设14栋15层住宅、沿街配套商铺及1栋幼儿园，采用框架-剪力墙结构，建筑高度43.8 m，住宅总户数为1 495户。

项目所在区域地层硬质岩层埋深较浅，依据岩土工程勘察报告，场地地层自上而下依次为杂填土、素填土、中粗砂、砂质粘性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩等，地下稳定水位埋深0.60～5.80 m，硬质岩层顶埋深5.0～11.0 m。基坑开挖深度在5.3 m左右，基坑底局部区域有岩层出露，取岩石样品进行强度检测，抗压强度可达80 MPa以上。

基坑支护采用高压旋喷桩与钻孔灌注桩相结合的形式，其中钻孔灌注桩桩径800 mm，设计要求桩长12 m（或者满足入岩深度1.5 m），实际施工中多数支护桩进入硬质岩层深度在1～3 m。根据设计要求，工程桩有效桩长不得小于6 m且满足入岩深度在1.5 m以上，因此工程桩进入岩层深度至少在1.5 m以上。对于基坑底部存在岩层出露的区域，则整个桩长6 m范围均入岩，工程桩平均入岩深度在2 m以上。

根据现场实际应用效果可知，采用旋挖钻施工进入硬质岩层后，每钻进1m需耗时1.5～3.0 h，而采用大直径气动潜孔锤仅需30～50 min，大大节约了桩基在硬质岩中的钻孔时间，提高了桩基施工效率。旋挖钻钻齿在硬质岩中磨损严重，钻头更换频繁，因此采用大直径气动潜孔锤也节约了更换钻头的资金。

2 气动潜孔锤施工基岩桩机理

大直径潜孔锤钻具常与履带式桩机组合，移动及旋转均依靠履带式打桩机。气动潜孔锤与打桩机通过特制的钻杆相连，钻杆内部中空，分别与空压机风管和气动潜孔锤的进风口相连。压缩空气通过管道进入潜孔锤，依靠空压机提供的高压空气，大直径气动潜孔锤以此为驱动介质，驱动其对坚硬的岩石进行高频率冲击，直至岩石被破碎。

由于锤头不断旋转变换位置，使得锤头底部的合金突起与不同位置的岩石接触碰撞，大大提高了对岩石的冲击破碎效率。同采用旋挖钻机的钻进相比，潜孔锤应用钻头不断变换位置冲击破碎岩石来代替岩石研磨切割，利用动态冲击代替静态研磨，岩石冲击破碎代替研磨剪切破碎[1]。在潜孔锤进行作业时，经做功后排出的高压废气，通过钻头的排气孔排出，既降低了岩石被重复破碎的机会，提高了破碎岩石效率，又冷却了钻头，避免钻头高温损坏。

3 气动潜孔锤钻进施工工艺流程、技术参数、操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程如下：平整场地→桩位测量定位→潜孔锤钻机安装、调试、就位→钻孔→孔口岩屑清理→穿透硬岩层至设计标高→潜孔锤钻机移位。

3.2 气动潜孔锤钻进技术参数

3.2.1 风压和风量

充足的风量是潜孔锤钻进成功的关键，它用于将孔底巖屑运转出孔口，若风量不足，孔底的岩屑不能及时返出孔口，岩屑堆积孔内，会形成堵塞。为保证岩屑的正常排出，气动潜孔锤耗气量一般较大，施工中应保证高压空气的稳定供应，以满足岩屑正常排出。

以本工程为例，潜孔锤施工直径800 mm的桩，采用的高压空气压力为0.8～1.0 MPa，供风量为80～120 m?/min。

3.2.2 钻压确定

潜孔锤钻进效率的高低主要由冲击功的大小及频率决定，但前提是钻压应保持在合适范围内，否则会影响钻进效率。

3.2.3 转速的确定

潜孔锤采用钻头不断变换位置冲击破碎岩石来代替岩石研磨切割，因此需保证转速在适宜区间。在施工过程中，转速要根据岩层情况进行调整。

3.2.4 轴推力

钻压的大小一般由轴推力决定，在不同的地层，应采用不同的轴推力来保证钻压处于合适范围。轴推力过大，会导致潜孔锤剧烈震动同时加速锤头硬质合金的磨损，缩短锤头使用寿命。轴推力过小，则会导致锤头与岩石接触不紧密，冲击动能传递效率低、损耗大，影响正常工作。实际操作中，应根据岩石的坚硬程度确定轴推力大小。

3.3 操作要点

3.3.1 场地准备

在施工之前，应对施工区域进行场地平整，保证钻机能顺畅通行。施工场地应密实平稳，局部软弱土层采用换填处理，保证在施工过程中钻机机身稳固，不发生偏斜移位。

3.3.2 桩位确定

由测量人员依据图纸确定控制点、基准线、坐标点等信息，经技术人员复核，无误后报监理工程师确认。放线之前，做好测量仪器设备校准、测量方案编制报审等准备工作。正式施工前，应对桩位进行最终复核，无误后方可施工。

3.3.3 潜孔锤安装、调试与运行

钻机进场后由专业人员架设并安装潜孔锤，安装完成后现场检验并进行试运行，设备正常方可开展作业。钻机必须由专人操纵，作业范围设置警戒区域，严禁无关人员进入。钻机就位后，通过液压装置进行调平，保证钻杆垂直，然后将潜孔锤钻头移至桩位正上方，使锤头中心和桩位中心相互重合。开启空压机，缓慢下放潜孔锤，初钻孔时保持低速钻进，随时检测钻杆垂直度，适时调节。

在作业过程中，随时关注锤头的下降速度及钻杆的垂直度，确保锤头不发生突然下沉以及钻杆无倾斜。一旦发生异常现象，立即停止作业，及时查找原因采取对应措施。作业过程中，技术人员应对桩号、桩长、桩径、入岩深度、桩底岩层状况、钻孔时长等信息进行详细记录。

3.3.4 清孔

潜孔锤钻孔以錘头排出的高压空气为清洗介质，利用高压气体将锤头破碎的岩屑带出桩孔。在作业过程中，注意观察孔口岩屑的排出状况，锤头入岩后根据设计入岩深度及桩长确定钻孔深度。钻孔达到设计深度后，保持空压机正常作业，缓慢提升钻杆，确保岩屑顺利排出孔内，尽量避免钻杆抖动导致锤头被卡。

4 典型事故原因分析与处理方法

4.1 桩孔弯曲

4.1.1 原因分析

潜孔锤钻进时锤头及钻杆未按预定角度行进，导致桩孔倾斜弯曲等异常现象，在特殊地质条件下尤其容易发生，特别是钻进时遇到岩溶裂隙发育、岩石产状不均、存在软弱构造层等。在轴推力作用下，锤头处钻压较高，锤头容易沿软弱面倾斜，导致桩孔出现弯曲。桩机倾斜、进尺过快、钻具配置不合理、锤头尺寸与桩孔尺寸偏差大、操作不当等原因也会导致桩孔弯曲。

4.1.2 处理方法

根据钻进遇到的地层地质情况随时调整钻进参数，遇到溶蚀裂缝带、岩石软硬不均匀等特殊地层，适当降低轴推力减小钻压，降低钻进速度，采用低压缓慢钻进。调整钻具规格，确保锤头与桩径必须相匹配。

4.2 锤齿崩断

4.2.1 原因分析

气动潜孔锤的锤齿一般由硬质合金材料制作，在正常钻进时，对锤齿的损伤较小，主要的损伤则是由于异常崩断，特别是最外缘的锤齿最容易崩断损坏，在发生此种状况时钻孔效率明显下降[2]。

导致锤齿崩断的主要原因有3个：一是地层原因。钻进至溶蚀裂缝发育、断裂破碎带、软硬不均等地层时，局部锤齿瞬间受剪切力过大引起锤齿崩断。二是钻进参数选择有误。一般为钻压和转速选择不当，只有合适的钻压才能使锤齿和孔底岩层既紧密接触，又不至于压力过高损坏锤齿。当锤头进入裂隙发育和软硬不均岩层时，锤齿吃入岩层不同，旋转阻力不均，锤齿所受扭矩和剪切力频繁变化而引起崩齿。三是驾驶员操作不当。下钻过快过猛，锤头突然触底崩断锤齿，或者作业过程中加压过猛，遇到不良地质时未及时降低钻压、减慢钻进速度，锤头工作不平稳，均会导致锤齿崩断。

4.2.2 处理方法

施工前，根据地勘报告提前对作业区地层地质情况进行了解，提前做好应对准备，遇到特殊地层时，采用小钻压、低转速钻进。作业过程中密切关注钻机状态，机身出现异响及异常抖动应立即停钻进行检查，查看地质情况是否有突变，及时根据现场情况调整钻进参数。操作人员必须严格按照潜孔锤钻进操作规程进行作业，开钻前先试钻，缓慢加压、平稳提速、均匀进尺，作业时精神要高度集中，发现异常立即停钻检查。

4.3 锤头断裂

4.3.1 原因分析

锤头断裂是潜孔锤钻孔中的较严重事故，打捞锤头及后续维修均耗费不少时间，严重影响了现场正常施工。经统计，锤头断裂处多出现在锤颈部，即锤头上端变径部位，此处刚好是钻杆与锤头的连接处，受力最复杂最集中。锤头本身质量有缺陷、超过使用寿命、锤颈部材料耐疲劳耐冲击性能差等是导致锤头断裂的主要原因。

4.3.2 处理方法

每次施工前对锤头进行外观检查，对锤颈部可定期采用探伤仪检测，出现细微裂纹及时处理，使用频繁时应加大检测频次。进入不良地质地层时，及时对钻进参数进行调整，必要时采用小钻压、低转速钻进。锤头遇到软质岩层时，适当降低钻压，避免锤齿吃入岩石过深，使得锤头所受扭剪力突增超过材料强度限值。

4.4 潜孔锤堵塞

4.4.1 原因分析

潜孔锤堵塞将造成其无法正常工作，这在施工中比较常见，一般是由于异物进入锤头引起。潜孔锤堵塞后常引起进气不畅，高压空气供应量不足，提供的动能不够，影响施工效率，严重时设备将无法正常工作。

岩屑排出不及时发生倒吸，导致潜孔锤堵塞是最常见的。当桩孔内岩屑较多并且地下水位较高时，会导致岩屑、泥土混合成粘稠的糊状。在下钻时，若潜孔锤逆止阀密封不良或空压机未提前开启导致外部压力过大，则桩孔底部的岩屑岩粉可能通过锤头缝隙进入，从而造成堵塞。高压管道、中空钻杆里面进入异物，或者钻杆内部锈蚀严重等原因，也有可能导致异物、铁锈在高压空气作用下进入锤头堵塞风道，导致进气不畅，引起设备故障[3]。

4.4.2 处理方法

在作业前，对设备仔细检查，重点查看逆止阀是否完好，各活动部件的间隙及密封情况是否良好，带病零部件必须维修或者更换。要对高压风管、钻杆内部进行全面清理，确保送风管道内部清洁无异物。

操作人员必须严格执行潜孔锤作业操作规程，防止因操作失误而导致潜孔锤阻塞。当作业过程中出现送风困难、潜孔锤动力不足等情况，确定是发生潜孔锤堵塞时，应迅速上下大幅度活动钻具或者将锤头提出桩孔内部，如若无效则应暂停作业，并检查故障原因。

5 结束语

通过采用大直径气动潜孔锤钻进成孔工艺，较好地解决了陵江东路片区棚户区改造项目二期工程硬岩地层桩基成孔困难的难题，顺利完成了项目的支护桩和工程桩施工任务。与旋挖钻在硬岩地层中的钻进效果相比，应用潜孔锤作业极大地提高了在硬岩地层中的成孔效率，节约了成本，也缩短了工期。这充分表明大直径气动潜孔锤在硬岩地层桩基施工中具有较大的优势，是一种值得推广的桩基成孔施工工艺。

参考文献

[1] 张苹.大直径风动潜孔锤引孔技术在含硬岩层预制桩施工中的应用与研究[J].深圳土木与建筑，2013（4）：54-56.

[2] 王科.潜孔锤在硬岩钻进中的应用[J].山东煤炭科技，2012 （2）：66+68.

[3] 宋继伟，赵华宣，苏宁，等.空气潜孔锤钻进典型事故原因分析及处理措施[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（5）：22-28.

收稿日期：2023-09-08

作者简介：董继昌（1989—），男，河南洛阳人，本科，工程师，从事轨道交通、市政工程、房屋建筑工程等管理工作。