CN114198015A - 一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法 - Google Patents

Abstract

一种硬质岩桩的潜孔锤‑旋挖联合成孔方法，涉及一种硬质岩桩的成孔装置/方法技术领域，通过旋挖钻机钻进上部土层、卵砾石层以至于软—中硬质节理较发育的基岩，然后在硬质岩层利用气动潜孔锤钻出潜孔锤引孔，预先形成自由面，促使裂纹节理的发育扩展，最终旋挖钻机进行二次钻进完成灌注桩成孔工作。原理简单，适用范围广。成孔效率高，降低工程成本。解决了钻进硬岩旋挖钻机效率低下的难题。与单独使用旋挖钻机进行钻进相比，成孔效率更高，大大缩短了施工周期，减少钻头钻齿磨损，且降低机器钻进时的震动大，延长机器寿命，综合降低工程成本。装置常见，加工简易，成本低。机械设备均于市面常见，经济效益可观。

Description

一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法

技术领域

本发明涉及一种硬质岩桩的成孔装置/方法技术领域，更具体地，是一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法，适合在硬质岩地层使用。

背景技术

建筑工程基坑支护中的围护桩施工多以旋挖钻机成孔。旋挖钻机以旋转切削方式进行钻进，具有输出扭矩大、轴向压力大、自身钻进效率高、成孔质量好、环境污染小、行走移位方便及作业成本相对较低等特点，是工程中常用设备且好调配。通过配置适用的钻具可以高效率地在各种土层、卵砾石层以至于软—中硬质节理较发育的基岩等地质进行成孔作业，取得了良好的成孔效果。

对于较完整及层理裂隙不发育的中—硬质的基岩地层，单纯采用旋挖钻机钻进则存在很大的难度。虽有旋挖钻机使用牙轮筒钻钻头钻入微风化岩石的例子，但钻机钻入硬岩时只依靠较大的扭矩和较大的加压力，通过钻头对岩体进行切削或磨碎，再将岩屑(岩心)通过钻头提钻排至孔外。如此反复钻进和出渣，造成钻齿磨损严重，且存在机器震动大影响机器的使用寿命、进尺效率低及施工经济性差等缺点，不利于施工工期和成本控制。

“气动潜孔锤”是建筑基础工程中成孔作业中的一种施工工具，由气动冲击器和钻头组合配套，配置在普通的钻机上。它利用压缩空气作为动力，推动潜孔锤工作，利用冲击器对钻头的往复冲击作用来达到破碎岩石的目的，被破碎的岩屑随潜孔锤工作后排出的废气携带到地表，具有快速入岩及钻孔质量好等优点。尤其是在坚硬岩层中，气动潜孔锤的钻进效率是普通钻机的3～10倍，只是作业成本较高。

目前采用潜孔锤入岩施工的传统施工方法为正循环钻进，压缩气体通过钻杆上的进气通道到潜孔锤，气体驱动潜孔锤钻进，废气从潜孔锤的排气孔排出，废气同时携带岩渣屑由孔壁与钻杆外壁的环状间隙一同排出至地表，形成正循环钻进。气动潜孔锤正循环钻进时，高速气流冲刷孔壁，不利于孔壁稳定。废气将粉状的岩渣排出，粉尘弥漫，影响施工，容易造成环境污染。当钻孔直径较大(例如大于16cm)时，驱动气动潜孔锤工作的进气量小于排渣所需的风量，造成排渣困难。

综上所述，如何结合“气动潜孔锤”和“旋挖钻机”各自的优点来提高钻孔效率，解决硬质岩区域大直径桩成孔困难的问题已成为行业内急需解决首要问题，故有必要提供一种方法，利用气动潜孔锤与旋挖钻机组合，实现硬质岩区域的快速成孔施工。

发明内容

本发明提供一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法，以解决现有单纯采用旋挖钻机钻进困难的问题。

本发明提供一种利用现有旋挖钻机与气动潜孔锤相结合的分级钻进方法。

通过旋挖钻机快速钻进上部土层、卵砾石层以至于软—中硬质节理较发育的基岩，然后在硬质岩层利用气动潜孔锤钻出小孔径的桩孔，预先形成自由面，促使裂纹节理的发育扩展，最终旋挖钻机进行二次钻进完成灌注桩成孔工作。

本发明使用的设备主要包括旋挖钻机、气动潜孔锤、护筒和潜孔锤成孔导向器。

通过测量放线进行桩孔的钻进定位，标记具体位置，采用一般旋挖钻机在施工平台就位。

基于桩基的直径大小选择相匹配的护筒(钢护筒)，采用钻埋法，调整所述旋挖钻机位置，使得所述护筒正对所述具体位置，埋设至基岩面，所述护筒的筒口高出所述施工平台表面的高度在20-30cm之间，形成圆形的桩孔。所述护筒的整个圆周壁紧贴周围土层，防止桩芯土钻取过程中发生塌孔。

控制所述旋挖钻机推进截齿钻头对所述桩孔的土层进行挖掘，直到挖掘到基岩表面。

作为优选，更换牙轮筒钻，继续钻进至基岩岩面以下1-2米，保证岩面平整，停止挖掘，移出牙轮筒钻，以形成桩孔的上部结构空间。

根据桩孔的上部结构空间孔深，选取长度合适的潜孔锤成孔导向器。将其吊装入桩孔内固定，导向器底部平稳的安放于桩孔的上部结构空间底部。

所述潜孔锤成孔导向器，包括上下两个定位器和多根导向管(圆钢管)。

作为优选，所述导向管的内径大小适应于所用气动潜孔锤锤头直径，以气动潜孔锤锤头能通过导向管进行施工，并使岩屑有效的排出孔外为准。所述导向管为六根，一根位于中心，其余五根成正五边形角上排列，通过与上下两个平板定位器将导向管的组合形式进行固定。作为优选，所述定位器为圆形，定位器直径适应于所述护筒内径，以能顺利放入护筒中，并保证所述导向器整体居中为准。

按照所述六根钢管位置排列关系，在平行设置的两个定位器对应位置开孔，孔径为所述导向管外径大小。将所述导向管穿过两个定位器孔，两个上下定位器间隔一定距离，调整两个定位器角度及位置，保证所述与导向管垂直，多个导向管竖向互相平行，确定好位置后，将导向管与定位器进行固定。在所述上部定位器上表面位置上烧焊有一对对称设置的半圆形型的直径为60毫米的吊环。

所述潜孔锤成孔导向器安放完成后，所述气动潜孔锤就位，按照潜孔锤成孔导向器上导向管位置，将所述气动潜孔锤钻和供气装置推进至一个导向管中，通过控制设备中的空压机产生高压空气，由所述高压空气驱使设备中的动力头带动设备中的钻杆及悬挂在所述钻杆上的潜孔锤钻底部上合金突出点逐次突进以及往返转动击打所述孔底的硬岩层，实现对所述硬岩层的钻进，通过形成自由面，促使裂纹节理的发育扩展，为旋挖钻机二次钻进创造有利条件。直至所述潜孔锤钻的推进深度达到预定的桩基高度后，停止钻进，并移出所述潜孔锤钻，推进至下一导向管孔位，直至多个孔位全部完成推进。

所述孔位全部使用气动潜孔锤成孔后，将所述潜孔锤成孔导向器吊出，所述旋挖钻机就位，更换为牙轮筒钻，并移动至所述桩孔内，对所述桩孔中岩层进行钻进，直至所述旋挖钻机的钻进深度达到设计桩底标高后，停止钻进，移出钻头，并移动至所述桩孔内，对所述桩孔中的沉渣进行清理(清孔使用平底钻)。

本发明的目的在于利用上述成孔装置基于现有施工机械在硬质岩层快速成孔，包括以下步骤：

根据图纸设计坐标及有关资料采用全站仪进行放线、定位，并从桩中心点向四周引测桩心控制点，确保桩位准确无误。桩点外引出十字交差控制点，以便钻孔及下钢筋笼时，校准桩位中心，对控制点应选在稳固处加以保护以免破坏，测放桩点位偏差控制在±1cm以内。为了保护桩位，如场地条件不能保证设备和机械行走，对场地进行碾压。

移动旋挖钻机至正确位置，使旋挖钻机钻头对应定位在桩孔位中心，待旋挖钻机就位后，将第一节底节钢护筒安装在旋挖动力头外侧钳口中，找正护筒垂直度后，摇动下压护筒，压入深度约为5—6m，然后操作截齿钻头从护筒内取土，待取土至钢护筒底部上不小于2.5米，更换截齿钻，继续下压钢护筒，然后操作截齿钻头从护筒内取土，待取土至钢护筒底部上不小于2.5米，再更换截齿钻，重复此交替步骤，始终保持护筒底口超前于开挖面的深度不小于2.5m，压入深度视具体土质而定，若为较硬的砂性土，水头不高，则压护筒深度可适当减少，若为淤泥质土或者水头高的粉砂性土，则护筒深度可适当加深。第一节钢护筒全部压入土中后(地面以上要留1.2—1.5m，以便于接护筒)，检测垂直度，如不合格则进行纠偏调整，如合格则安装第二节钢护筒继续下压取土，如此继续，施工至岩面时下压钢护筒作业停止。旋挖钻机继续抓土至基岩面，然后可以根据需要更换牙轮筒钻(如果潜孔锤成孔导向器或护筒在地面外高度过高)，向下钻进1-2米，停止作业。然后用平底钻头清孔，力争使孔底平整，以确保下一步在桩孔内用气动潜孔锤施工时有一个平整的工作面。

根据孔深加工所需长度的潜孔锤成孔导向器。截取孔深等长的六根导向管，导向管的内径大小适应于所用潜孔锤锤头直径，以潜孔锤锤头能通过导向管进行施工，并使岩屑有效的排出孔外为准。根据护筒内径大小制作两个圆形定位器，在定位器上根据导向管直径进行打孔，确定导向管位置，一个孔在定位器中心位置，其余五个孔在中心圆孔四周成正五边形排列。将六根钢管从两个定位器圆孔中穿过，调整定位器角度，保证导向管垂直。上定位器与导向管上端间距为1米，下定位器与导向管下端间距为1米，将导向管和定位器(钢盘)通过焊接进行固定。

通过25吨汽车式起重机将加工完成的潜孔锤成孔导向器吊装入桩孔中，沿着桩孔的内壁向下推进，直到潜孔锤成孔导向器底部平稳座入岩面，使潜孔锤成孔导向器中心点与桩孔的中心点重合。

气动潜孔锤于桩位附近就位，调整钻杆位置，使潜孔锤钻头位于潜孔锤成孔导向器导向管口处，将潜孔锤钻头推进至一个导向管中，启动设备的空压机和钻具上方的回转电机，待导向管孔上口出风或者泥浆溢出时，慢速推进潜孔锤钻头，直至潜孔锤钻头与硬质岩层充分接触后，提高驱动潜孔锤钻头底部上合金突出点逐次突进的速率对硬质岩层进行击打，并匀速向下推进。钻进过程中，从导向管与钻杆之间的间隙返出大量钻渣，并堆积在上孔口附近，当堆积一定高度时，及时进行清理。在检测到潜孔锤钻头与桩孔的设计底标高的间距在40-50厘米之内时，停止空压机和钻具上方的回转电机的驱动，以停止对硬质岩层的钻进作业。提出潜孔锤钻头，调整钻杆位置，潜孔锤钻头对准下一导向管口，重复上述成孔操作，直至潜孔锤成孔导向器六个导向管内均完成成孔作业。

使用25吨汽车式起重机将潜孔锤成孔完毕的潜孔锤成孔导向器从桩孔中提出，旋挖钻机就位，更换牙轮筒钻推进至桩孔内，对桩孔内的硬质岩层进行二次成孔，直至旋挖钻机的钻进深度达到设计桩底标高后，停止钻进，移出牙轮筒钻，使用平底钻头进行孔内捞渣、清孔。

1、本发明利用气动潜孔锤的锤击、研磨快速破碎硬质岩层，并形成自由面，促使硬质岩裂纹节理的发育扩展，为旋挖钻机二次钻进创造有利条件。

2、本发明利用小孔径的气动潜孔锤引孔，多孔钻进增加桩孔内岩石的裂纹节理数量，牙轮筒钻进行二次钻进时岩石中的裂纹节理近一步扩展，使得在相同的比压下更容易钻进，大大提高了旋挖钻机在硬质岩层成孔的效率。

3、本发明创造一个简易的潜孔锤成孔导向器，主要用来气动潜孔锤施工孔位确定，引导潜孔锤在岩层成孔的位置，保证潜孔锤施工过程中的垂直度控制，以及提供通道将破碎岩屑搬运至地面，防止桩孔堵塞。

4、本发明基于现有机械设备，提供一个在硬质岩层快速成孔的方法。采用分级钻进的施工工艺，通过旋挖钻机在土层快速挖掘，清除岩层上面土层，用护筒护住桩壁。然后，先采用小孔径气动潜孔锤通过潜孔锤成孔导向器在岩层进行成孔，继而采用旋挖钻机配置牙轮筒钻进行二次成孔，两次相结合构成一次完整的入岩成孔过程。

其优点在于：

1、原理简单，适用范围广。本方案在桩基础施工中，旋挖钻机结合气动潜孔锤的使用，解决了钻进硬岩旋挖钻机效率低下的难题。通过气动潜孔锤的锤击及研磨快速破碎硬质岩层，并形成自由面，促使硬质岩裂纹节理的发育扩展，为旋挖钻机二次钻进创造有利条件。可适用于大规模的钻孔灌注桩工程，经济效益可观，可推广应用，达到工程实际应用的目的。

2、成孔效率高，降低工程成本。通过旋挖钻机在桩位埋设护筒至岩层，并对护筒内的土层进行快速挖掘，护筒对桩基的桩孔进行固形和稳定桩孔的孔口，然后采用气动潜孔锤对桩孔中的硬岩层进行钻进，潜孔锤在空压机产生的高压空气带动下动力头带动钻杆及潜孔锤头进行适度的钻压与回转钻岩石，又能使潜孔锤击打位置不停的变化，使潜孔锤底部的合金突出点每次都进，既能研磨刻碎击打在不同位置，此外，气动潜孔锤中的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，达到快速破碎岩石的作用。并且小孔径的气动潜孔锤引孔后在岩石中产生裂纹节理形成中空的自由面，多孔钻进增加桩孔内岩石的裂纹节理数量，牙轮筒钻进行二次钻进时岩石中的裂纹节理近一步扩展，使得在相同的比压下更容易钻进，大大提高了旋挖钻机在硬质岩层成孔的效率。与单独使用旋挖钻机进行钻进相比，成孔效率更高，大大缩短了施工周期，减少钻头钻齿磨损，且降低机器钻进时的震动大，延长机器的使用寿命，综合降低工程成本。

3、装置常见，加工简易，成本低。基于现有旋挖钻机与气动潜孔锤，通过钢管与钢板根据现场实际施工尺寸，加工潜孔锤成孔导向器。潜孔锤成孔导向器作用：气动潜孔锤工作后排出的废气沿钻杆与孔内壁之间的缝隙向上流动，并将破碎的岩屑裹挟，搬运至岩层表面，然后通过导向管内壁与钻杆之间的缝隙继续向上流动，能够有效地辅助气动潜孔锤工作后排出的废气，将破碎的岩屑搬运至地面，防止桩孔堵塞。机械设备均于市面常见，使用装置简易，制造成本低，经济效益可观。

附图说明

图1为本发明潜孔锤成孔导向器图。

图2为本发明实施例的说明示意图。

图3为本发明潜孔锤破岩引孔示意图。

图4为牙轮筒钻示意图。

图5为作业流程图。

1-上定位器、2-导向管、3-下定位器、4-吊环。

5-护筒、6-潜孔锤成孔导向器、7-土层、8-岩层、9-潜孔锤引孔、10-裂纹节理、11-桩芯、12-牙轮筒钻。

具体实施方式

本发明提供一种利用旋挖钻机结合气动潜孔锤的使用方式，完成支护桩在硬质岩层成孔，提高成孔效率。通过潜孔锤成孔导向器如图1所示，将气动潜孔锤引入桩成孔施工中，与旋挖钻机相配合，完成硬质岩成孔工作。所述潜孔锤成孔导向器如图1所示，包括多个导向管2、上定位器1、下定位器3和吊环4。

上定位器1和下定位器3均为圆形平板，上下平行设置。

导向管2均为圆管。

多个导向管2竖向设置，穿过各自对应的上定位器孔和下定位器孔，和上定位器1和下定位器3固定。

上定位器1上固定两个吊环4。

具体实施方法参见图2，根据图纸设计坐标移动旋挖钻机至正确位置，使旋挖钻机截齿钻对应定位在桩孔位中心，待旋挖钻机就位后，将第一节底节护筒5安装在旋挖动力头外侧钳口中，摇动下压所述护筒5，压入土层7深度约为5—6m，然后操作旋挖截齿钻从所述护筒5内取土，待取土至所述护筒5底部上至少2.5米，更换截齿钻，继续下压所述护筒5，换上截齿钻继续挖土，重复此步骤，始终保持护筒底口超前于开挖面的深度不小于2.5m，压入深度视所述土层7具体土质而定，若为较硬的砂性土，水头不高，则压管深度可适当减少。若为淤泥质土或者水头高的粉砂性土，则所述护筒5深度可适当加深。第一节钢护筒5、全部压入土中后(地面以上要留1.2—1.5m，以便于接护筒)，安装第二节钢护筒5继续下压取土，如此继续，施工至岩层8表面时下压所述护筒5作业停止。旋挖钻机继续抓土至所述岩层8表面(基岩面)，然后用平底钻清孔，力争使孔底平整，以确保下一步在桩孔内用潜孔锤施工时有一个平整的工作面。

根据孔深加工所需长度的潜孔锤成孔导向器6。通过25吨汽车式起重机将所述潜孔锤成孔导向器6通过吊环4吊装入所述护筒5中，沿着所述钢护筒的内壁向下推进，直到所述潜孔锤成孔导向器6平稳落在基岩面上，使所述潜孔锤成孔导向器6的中心点与桩孔的中心点重合。

气动潜孔锤于桩位附近就位，调整钻杆位置，使钻头位于所述潜孔锤成孔导向器6的一个导向管2口处，将潜孔锤钻头推进至所述导向管2中，匀速向下推进。在检测到潜孔锤钻头与桩孔的设计底标高的间距在40-50厘米之内时，停止对硬质岩层的钻进作业。提出钻头，调整钻杆位置，钻头对准下一所述导向管2口，重复上述成孔操作，直至所述潜孔锤成孔导向器6内六个导向管2均完成成孔作业，桩孔内成孔情况如图3所示。

使用25吨汽车式起重机将潜孔锤成孔完毕的所述潜孔锤成孔导向器6从桩孔中提出，旋挖钻机就位，更换牙轮筒钻12，钻头推进至桩孔内，对桩孔内的硬质岩层进行二次成孔，将桩芯11取出，直至旋挖钻机的钻进深度达到设计桩底标高后，停止钻进，移出牙轮筒钻12，将所述牙轮筒钻12更换成平底钻头，并移动至桩孔内，进行孔内捞渣、清孔。

所述潜孔锤成孔导向器6的制作，截取孔深等长的钢管(导向管2)六根，所述钢管的内径大小适应于所用潜孔锤锤头直径，以潜孔锤锤头能通过钢管进行施工，并使岩屑有效的排出孔外为准。所述上定位器1和下定位器3，根据所述护筒5内径大小截取两个圆形钢板，在钢板上根据所述钢管直径进行打孔，确定所述钢管位置，一个孔在定位器中心位置，其余五个孔在中心圆孔四周成正五边形排列。将所述六根钢管2从所述两个上定位器1和下定位器3圆孔中穿过，调整所述上定位器1和下定位器3角度，保证所述导向管2垂直。将所述定位器上定位器1和下定位器3和所述钢管通过焊接进行固定。在所述上部定位器1上表面位置上烧焊有一对对称设置的半圆形型的直径为60毫米的吊环4。

气动潜孔锤成孔完成后岩芯11区域如图3所示，气动潜孔锤施工形成圆形的潜孔锤引孔9。通过气动潜孔锤的锤击、研磨在快速破碎硬质岩层同时形成自由面，促使硬质岩裂纹节理10的发育扩展，为旋挖钻机二次钻进创造有利条件。

成孔过程中护筒5始终在桩孔内，至成桩以后取出护筒5，防止土层塌陷。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

在截齿钻头挖土至基岩面，可暂时不用清孔，旋挖机更换牙轮筒钻12如图4所示，向下钻进1-2米，停止作业。然后用平底钻头清孔，力争使孔底平整，以确保下一步在桩孔内用潜孔锤施工时有一个平整的工作面。

然后再将潜孔锤成孔导向器6放入，潜孔锤成孔导向器6底部进入基岩面下方1-2米的孔内。

通过以上实施方案达到在硬质岩层快速成孔的目的，降低工程成本。设备常见，装置简易，适用范围广。操作简单，降低施工难度。

Claims (4)

1.一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法，其特征在于包括下列步骤：

通过旋挖钻机钻进上部土层、卵砾石层以至于软—中硬质节理较发育的基岩，然后在硬质岩层利用气动潜孔锤钻出潜孔锤引孔(9)，预先形成自由面，促使裂纹节理的发育扩展，最终旋挖钻机进行二次钻进完成灌注桩成孔工作。

2.根据权利要求1所述的一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法，其特征在于包括下列步骤：

旋挖钻机下压护筒(5)，使用截齿钻挖至基岩面；

将述潜孔锤成孔导向器(6)装入护筒(5)中；

所述潜孔锤成孔导向器(6)，包括多个导向管(2)、上定位器(1)和下定位器(3)；

上定位器(1)和下定位器(3)，上下平行设置；

多个导向管(2)竖向设置，穿过各自对应的上定位器孔和下定位器孔，与上定位器(1)和下定位器(3)固定；

气动潜孔锤依次在多个导向管(2)内完成潜孔锤引孔(9)操作至设定深度；

旋挖钻机使用牙轮筒钻(12)，钻头推进至桩孔内，对硬质岩层进行二次成孔。

3.根据权利要求2所述的一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法，其特征在于包括下列步骤：

在截齿钻头挖至基岩面，旋挖机更换牙轮筒钻(12)，向下钻进一段，然后再将潜孔锤成孔导向器(6)放入。

4.根据权利要求2所述的一种硬质岩桩的潜孔锤-旋挖联合成孔方法，其特征在于包括下列步骤：

护筒(5)为多段连接；

上定位器(1)和下定位器(3)均为圆形平板；

导向管(2)均为圆管；

上定位器(1)上固定两个吊环(4)。

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