桩基础施工新技术专题讲座（二十三）

气动潜孔锤长螺旋钻孔灌注桩

成孔原理

由空压机提供的具有一定压力的空气，带动潜孔锤缸体内的活塞作轴向往复运动，使潜孔锤端部的凿头在旋转的同时，产生冲击功，从而对岩土施以粉碎破坏，排渣通过气举正循环及螺旋输送双重方式实现，从而达到成孔目的。

成孔特点

双重排渣方式——气举正循环＋螺旋叶片输送  该成孔工艺在气举正循环的基础上，增加螺旋叶片输送的排渣方式，与传统的潜孔锤钻机相比，具有相同的作业工况下，其空压机的气流量相对较小，施工成本较低；由孔内直接通过气举正循环排出的土渣和岩渣量相对较少，尘土飞散程度较低，符合环保要求。

具备泥浆或水泥浆的注入功能，由于泥浆或水泥浆的注入功能，可有效地防止提钻时造成孔壁坍塌的情况，有效保护孔壁；具备水泥浆的注入功能，可实现提钻与桩端部固结的同步作业，从而可大大地提高施工效率，减少另行购置注浆设备所带来的成本。

工作母机可选择面广，对场地要求低，可选择的工作母机种类有：三点式履带或步履桩架；履带式起重机+悬臂式立柱；履带式起重机吊打方式；轮式起重机+悬臂式立柱；轮式起重机吊打方式；其他类桩机或能起支撑导向作用的装置。

适用范围

在砂层、黏土层、砂砾层、卵石层、块石层、软岩、中硬岩、硬岩等地层均可进行成孔施工。

施工设备组装示意图

图2为三点式履带桩架、螺旋钻杆、潜孔锤、空压机(气泵)、减压装置、搅拌装置(泥浆或水泥浆搅拌装置)、缓冲式接头及旋转式接头等施工设备组装示意图。

螺旋钻杆  螺旋钻杆结构见图3，其有以下特点：①螺旋钻杆的刚度好，可确保大深度钻孔时的垂直度。②除空气通道外，还有泥浆或水泥浆通道，钻孔时可同步注入泥浆或水泥浆。③钻杆上端设置有高刚度的旋转式接头以提高成孔时钻杆的稳定性。④在动力头和钻杆间设置有缓冲式接头，利用其优良的冲击效果，保护动力头正常工作。

螺旋型潜孔锤  潜孔锤上部设置有螺旋叶片，可以强制排土，即使气泵的风量较小也可完成排土（见图4）。

表3为日本建调株式会社和上海振中机械制造有限公司联合制造的NV系列潜孔锤。

气动潜孔锤与长螺旋多功能桩机组合引孔技术

预应力混凝土管桩是目前应用广泛、较成熟的桩基，因预应力管桩桩体强度高、施工管理简单、施工现场文明、施工速度快等特点，而被广泛应用于沿海地区的基础工程中。但管桩难以穿越复杂地层尤其是坚硬或砾石地层，成为管桩应用的一大障碍。

目前，国内针对管桩引孔技术主要有两方面的研究：非取土引孔沉桩技术和取土引孔沉桩技术。非取土引孔沉桩技术是指通过特殊的方法改变土的物理力学性质，以降低土的侧摩阻力和抗剪强度，满足沉桩需要，该技术包括深层搅拌引孔法、高压旋喷引孔法和射水引孔法等工艺；取土引孔沉桩技术是指通过钻孔的方式减少沉桩阻力，以达到沉桩的目的，该方法主要包括常规钻孔引孔法、长螺旋引孔法、潜孔锤引孔法等工艺。各工艺在不同地层条件下应用情况如表4。

技术原理

以长螺旋多功能桩机做桩架，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，潜孔锤冲击破碎岩石，达到成孔的目的。

引孔技术设备组成

桩机  采用山东卓力机械60～120型履带式多功能桩机，根据不同需求选用不同型号。该桩机行走灵活，可以360°旋转，起拔力大，机架高，不用拆换钻具就能一次性满足深孔作业，完全能满足潜孔锤引孔的需要。

潜孔锤  针对不同岩石结构，采用不同气压的潜孔锤。高压空气既能冷却钻头又能将破碎的岩屑吹离孔底并排出孔口，减少岩屑重复破碎，增加打击效率，有更高的钻进效率。

在潜孔锤冲击破碎岩石或卵砾石层的同时，动力头带动钻杆及潜孔锤进行适度的钻压与回转钻进，既能研磨刻碎岩石，又能使潜孔锤击打位置不停地变化，使潜孔锤底部的合金突出点每次都击打在不同位置，大大加快对岩石的破碎作用，起到多重效果。

空压机  英格索兰1300型大风量空压机是喷油单级双螺杆压缩机，采用高效带轮(或轴器)传动，带动主机转动压缩空气，通过喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑，压缩腔排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气。

钻杆  选用符合API 5CT要求的J55优质冷拔无缝钢管，管端加厚后摩擦焊接，焊缝中频回火保证接头与管体之间没有薄弱环节，按API标准加工的接头螺纹，经表面氮化处理后具有更高的使用寿命及可靠性。接头、管体可根据不同需求分别采用圆形丝扣加固定卡块连接和内六方加插销连接两种类型。

杆衣   杆衣主要作用是减小钻杆与孔壁之间的空隙，有利于渣土吹出地表，降低能耗。在空压机风量一定的情况下，为保证15 m/s的排渣速度，钻杆与孔壁之间的空隙越大，需要的风量越大。通常采用加大直径方法减少空隙，杆衣的直径一般比孔径小50 mm左右，即钻杆和孔壁之间的距离为20～30 mm。

护套管  护套管的主要作用是防止复杂地层孔壁坍塌掉块。护套管与杆衣相对固定，上端不与动力头相连，下端靠管靴与锤头相连。带护套管的锤头是特制的，正转时扩孔翼打开，带动套管下行及拔出；反转时拔出潜孔锤，将套管留在孔内。

潜孔锤引孔沉桩工艺

针对图5的地层情况，沉桩施工工艺流程如下：引孔桩机就位，保证桩机垂直度，下放潜孔锤钻具(如图5a)；引孔穿透砾石层。启动空压机，进行潜孔锤跟管钻进，直至引孔穿过砾石层(如图5b)；打桩机就位。起拔钻具，安装管桩，进行打桩作业(如图5c)；打桩及送桩至强风化泥岩层，根据收锤标准收锤(如图5d)。

潜孔锤引孔沉桩工艺的技术参数分析

风压  针对地层和岩石结构，使用不同风压的潜孔锤。软质岩石，对打击力要求较低，可采用低风压设备，风险小，成本低。硬质岩石使用高风压设备，打击力大，效率高。

钻压  潜孔锤正常引孔，一般认为单位直径的压力值在90 kg/cm左右。

转速  合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。

风量  通常要求孔内风量上返速度不小于15 m/s，此时气流速度大于岩屑悬浮速度。

钻杆  针对不同地层采用不同钻杆，可以增强排渣效果，减少卡钻事故率，增加打击效率。

潜孔锤引孔沉桩工艺应用前景

预制管桩采用潜孔锤引孔沉桩工艺属于埋入式桩工法，主要应用在地质情况复杂，桩长变化大，直接采用预制管桩，有效桩长及承载力不能满足设计要求的情况，引孔可以增加桩长及承载力，否则只能采用冲孔灌注桩；另外在石灰岩地区，管桩不能直接使用，断桩率在50%以上，且承载力很低，使用潜孔锤引孔后放入管桩，能有效解决断桩问题，且可以充分发挥管桩的承载力，否则也只能使用冲孔灌注桩。上部有复杂的填土块石或岩石夹层的地层，限制了大多数桩型工法的使用，只能使用冲孔灌注桩、埋入式管桩及长螺旋嵌岩桩等。（本讲完）