桩基础施工新技术专题讲座(二十三 )上

长螺旋钻孔机气动潜孔锤长螺旋钻孔灌注桩

成孔原理

该成孔原理属于气动潜孔锤同步跟管成孔施工技术，利用双动力头分别驱动钻杆和设在钻杆底部的气动潜孔锤及外部钢套管。钻杆动力头带动长螺旋钻杆及底部潜孔锤作顺时针转动，潜孔锤在压缩空气作用下所产生的冲击功和冲击频率直接传给锤头快速破碎孔内岩石；同时套管动力头驱动钢套管逆时针旋转，钢套管下端环状合金钻头切割岩层与潜孔锤同步跟进成孔；穿管过程中形成的渣土和岩石颗粒借助于潜孔锤排出的压缩空气从钢套管与螺旋杆之间向上吹起排出套管外，从而实现孔底冲击回转钻进与清孔同步施工。

整体式潜孔锤入岩施工

优缺点

优点  气动潜孔锤能在卵砾石层及硬岩层中快速钻进，直径为600 mm的气动潜孔锤每小时能钻进砾石层与中风化岩层20 m，微风化岩层12 m；跟进的套管能克服孔壁坍塌问题；干作业成孔，不用泥浆，没有环境污染；桩体与孔壁间无泥皮隔阻，混凝土中水泥沙浆可渗入岩层及卵砾石的缝隙中，提高桩侧阻力；桩身质量稳定、可靠。

 缺点  气动潜孔锤需用50 m3/h中压空气压缩机，空压机若采用电机驱动，单台套设备需配备660 kW的变压器，因此施工场地所需变压器容量较大，设备投入及单方（单位桩体积）使用成本高于回转钻和冲击钻。

适用范围

在较厚回填土层、砂层、黏土层、砂砾层、卵石层、块石层、软中硬及硬质岩石层均可成孔施工。特别是适用于要求嵌入中—微风化岩或要穿过巨厚的含漂石、块石的砾石层的钻孔灌注桩。

成桩特点

桩机以压缩空气为动力，产生的冲击功和冲击频率直接传给锤头，快速将略小于桩孔直径内的岩石破碎，余下靠近孔壁的岩石靠钢套管下端的合金刀刃挤压、切割、破碎；边泵送混凝土，边用振动锤振拔套管，使混凝土拌合料渗入桩孔土层、卵砾石层及岩层等的缝隙中，提高桩侧阻力。

主要施工设备

长螺旋钻孔机  长螺旋钻孔机包括由山河智能装备集团制造的双动力头强力多功能钻机和温州长城基础工程有限公司研制的步履式气动潜孔锤长螺旋钻机。

全液压双动力头强力多功能钻机（SWSD2512/3618钻机）主要技术特点表现在以下几个方面：双动力头具有恒功率变量的动力性能，转速可随负载自动调整，输出扭矩大、过载能力强，比电动式动力头体积更小、质量更轻、工作更平稳；根据施工工艺需要，外侧动力头和内侧动力头可上下任意分离、相对运动、逆向旋转，分别驱动外侧套管和内侧钻杆与潜孔锤，适用于多种工法施工；能在卵石漂石层及坚硬岩层等复杂地层高效率钻孔，施工无泥浆污染，孔径与孔壁形状规整，质量好，垂直精度高；大直径高强度立柱、铰接三点支撑可实现水平微调，垂直调整；履带式底盘稳定性高。温州长城基础工程有限公司制造的步履式桩机底盘支座面积大，桩架高达50 m，施工桩长可达40 m。

图1  施工工艺流程示意图

气动潜孔锤  成孔直径600 mm以内的气动潜孔锤，有的施工单位采取自主设计、委托加工的方式，国内多家公司都可以生产。表2为长沙天和钻具机械有限公司生产的部分气动潜孔锤钻头。

表2中钻头的头部形状可分为平面式(适用于极坚硬以及磨蚀性强的岩层)、凹面式(适用于所有岩层，特别是中硬和岩性均匀的岩层)、凸面式(适用于软—中硬岩层)和中心下陷式(适用于软—中硬以及有裂缝的岩层)。合金齿形状可分为球齿、抛物线齿和弹齿3种。

空压机  气动潜孔锤是以压缩空气为动力的气动冲击工具，可分为高风压(一般压力为1.0～2.4 MPa，常用压力为1.8 MPa)和中低风压(一般压力为0.5～1.0 MPa，常用压力为0.7～0.8 MPa)。

空压机为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2道分离后，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气。一般常用的空压机为风量25～30 m3/min的中风压空压机。视桩径大小与岩性特征由1台或2台并联使用，可以满足凿岩、排渣及清孔的需要。

振动锤  为将套管拔出通常采用60型或90型激振式振动锤。激振力的大小由钢护筒长短与口径选定。

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施工工艺流程

图1为施工工艺流程示意图。施工工艺流程概述如下：桩位放样→桩机就位→冲钻成孔及排渣(跟管钻进至基岩面后停止，采用内螺旋杆带气动潜孔锤冲钻嵌岩至设计孔深)→终孔→清孔→沉放钢筋笼→下导管灌注水下混凝土→起拔套管→桩机移位。

施工准备

施工前应了解施工场区土层分布及土层的物理力学性能，选择合适的设备机具。对所用的机械设备提前进行维护、保养，以确保在施工时正常运转。根据现场实际情况进行科学合理的布置，提前做好“三通一平”工作，清理施工现场地下、地面及空中障碍物，确保顺利施工。组织施工设备、机械进场，并组装调试，购置易损配件。

施工放样应在施工场地平整后进行，放样前要认真复核施工控制点，在施工现场设立工程的固定水准点，并认真保护测量点位，经常检查，防止点位受损或其他原因造成的精度下降。

桩位全站仪放样，测量仪器应通过有资格的检验单位进行标定，并保证其在有效使用期间内。按照测量要求，同时也为了防止测量失误，减小误差，测量要采用“双测制”，并经过监理或业主复检验收。

施工区附近设若干个不受打桩影响的水准点，以便控制桩顶标高，每根桩完成后均须作标高记录。根据原始确认坐标点测放桩位点，同时在不受打桩影响地段测量设置2个安全永久性控制点，用于施工过程中检查校正各轴线点或复核桩位。施工轴线必须严格按设计坐标点引测，并经多次复核后确认，施工现场轴线控制点位置应设在不受打桩作业影响的地方，并加以保护。根据设计的桩位图，按施工顺序将桩逐一编号，依桩号对应的轴线，按尺寸要求施放桩位。桩位放样允许误差小于10 mm，设置桩点用0.5 m钢筋头打入地坪，外露0.1 m，距桩点1.0 m设置护点(使用钢筋头)，并在打桩前进行复核。开桩时应会同监理单位共同复核样桩，及时办理隐蔽工程验收签证手续。

施工要点

钢套管安装  在套管动力头下端安装相应长度的钢套管。安装时将钢套管与套管动力头用钢丝绳连接，提升套管动力头，将钢套管吊起并立于地面，然后缓慢下放套管动力头使钢套管上端的卡块与套管动力头下端的套管插座接口对准并插入，逆时针旋转套管动力头使钢套管卡块进入套管插座的卡槽内，连接完成。

双驱动桩机定位  将桩机移至桩位，缓慢下放套管动力头，使套管中心与桩位对齐，利用自身垂直仪器调整钻机立柱的垂直度。

冲钻成孔  启动钻杆动力头，潜孔锤在钻杆动力头及钻杆的带动下按顺时针方向旋转；启动高压空气压缩机，当气压达到2.4 MPa时，向潜孔锤供气，潜孔锤在高压空气的作用下开始成孔。然后启动套管动力头使之按逆时针方向旋转，缓慢下放装配钢套管，钢套管下部环状合金钻头切割岩层与潜孔锤同步跟进成孔。

清孔  钻孔达到设计孔深后，潜孔锤孔底通过气压清孔2～3 min，随螺旋杆提升排除沉渣。经检测孔深与沉渣厚度，沉渣厚度不大于50 mm满足设计要求后停止清孔。若沉渣厚度大于50 mm时，应将潜孔锤再次下入孔内进行第二次清孔，直到满足设计要求。在钻机潜孔锤头端部设有排渣通道，凿除的岩土渣可利用压力、气流由排渣通道排到长螺旋钻杆上，将长螺旋钻杆提升，岩土渣就可直接排至孔外，完成钻孔的清孔。

沉放钢筋笼  钢筋笼采用现场加工，当钢筋笼长度小于24 m时，可整体吊装；当钢筋笼长度大于24 m时，采用孔口焊接连接钢筋笼。

水下混凝土灌注  钢筋笼就位后，将事先连接好的混凝土灌注料斗和导管整体吊入孔内，吊入时要有专人监护调正，防止刮挂钢筋笼。在泵送混凝土过程中，起重机要保持起吊状态，随时提拔导管。

套管起拔  混凝土灌注完成，经检查无误后，用履带起重机配合振动锤将套管拔出。先开启振动锤振动1 min后再起吊拔管，起拔速度应不大于1 m/min。拔管时间控制在30 min以内，最长不得超过60 min。

施工注意事项

针对不同的地质情况和岩石结构，应采用不同风压的设备，从理论上讲，高风压设备效率会高一些。另外考虑到经济效益，针对软质岩石，因对打击力要求较低，可采用低风压空压机，这样设备价格便宜，风险小，成本低；针对硬质岩石应使用高风压空压机，其打击力大，效率高，能耗小。

潜孔锤钻压的主要作用是保证钻头合金齿能与岩石紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的冲击功。若钻压过小，难以克服冲击器工作时的背压和反弹力，直接影响冲击功的有效传递；若钻压过大，将会增大回转阻力，使钻头早期磨损。通常单位直径的压力值控制在90kg/cm左右。

转速的高低主要和冲击器的冲击频率、规格大小及钻岩的物理力学性能有关。一般转速采用20 r/min左右，转速过高会造成钻头过度磨损和钻进效率的降低。合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。

空压机提供的风量，一要满足冲击器的额定风量，保证冲击器正常做功；二须保证将孔底渣土和岩屑吹出地表，减少岩粉的重复破碎。为了达到理想的钻进效率，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。根据钻孔直径、钻杆外径及排渣通道的上返风速等条件，其风量可按下式粗略计算：

Q=47.1K1K2(D2～d2)V

式中Q——钻进时所需空气量，m3/min；

K1——孔深修正系数，1～1.1；

K2——孔内涌水系数，1～1.5；

D——钻孔直径，mm；

d——钻杆外径，mm；

V——环状间隙气流上返速度，15～25 m/s。

为防止偏孔，开孔时要采取慢速冲击；套管随潜孔锤进尺而跟进至基岩面后关闭套管动力头，跟管停止，钻杆动力头带动潜孔锤继续冲击钻入岩至设计孔深。

冲钻过程中采用匀速慢进，遇阻力大时潜孔锤向上提升，提升距离0.3～0.5 m，然后再次旋转振动冲击进尺。在成孔作业过程中为输送出成孔产生的渣土，需2～3次反复提起和下放钻杆动力头。

为保证钢套管较好的护壁作用，防止卡钻、埋钻和提高钻进效率，在进入岩石前钻进时，要保持潜孔锤与套管的同步跟进。套管的入岩深度要认真控制，最大进入岩石层200 mm，以减少套管和岩壁的摩擦，也可延长套管钻头的使用寿命。

整体吊装钢筋笼使用吊绳吊装，在钢筋笼上不少于4个吊点。钢筋笼吊装时严禁弯折变形，钢筋笼四周设定位器以满足设计对保护层的要求。

钢筋笼就位后，可将导管(水下灌注混凝土时)或者串筒(干作业灌注混凝土时)吊入孔内，吊入时要有专人监护调正防止刮挂钢筋笼，超灌高度要根据钢管壁厚及土质估算混凝土充盈系数后确定，防止拔管后混凝土面低于设计桩顶高度。（待续）