论文部分内容阅读
摘 要：为了提高深长嵌岩桩的钻进效率，本文从特殊地质条件、泥浆循环系统、钻进方式等方面研究了影响冲击钻钻进效率的各种原因，并针对以上原因采取了相应的改进措施。改进后的施工方法可以有效提高钻进效率，达到了降低施工成本、确保施工进度的目的。该改进措施在深长嵌岩桩施工中，取得了良好的效果，充分发挥了冲击钻在岩层中的施工优势，解决了科技三路桥梁桩基施工中的难题，达到了预期目的。
关键词：深长嵌岩桩；碎岩原理；钻进效率；改进措施；
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02
一、工程概况
科技三路桥梁工程位于武汉市东湖新技术开发区，全桥长681.01m。主桥桥型为双拱斜拉桥，长288m，孔跨布置为（90+2×54+90）m；引桥为预应力混凝土连续箱梁。全桥共包含桩基68根，桩径分别为1.5m、1.8m，桩长为23～36m，桩基持力层为中风化泥岩（根据地勘报告，该岩石工程分级为Ⅳ级，属软岩），平均嵌岩深度为18.98m，未采取改进措施前，冲击钻平均成孔周期为13天。
二、冲击钻成孔原理
冲击钻成孔是采用卷扬机带动一定重量的冲击钻头，在设定的高度内使钻头提升，然后空放使钻头自由降落，利用冲击动能使岩石变形，在冲击荷载的多次作用下，使岩层破碎形成桩孔，再用循环液将钻渣和岩屑排出。在提拉过程中，钢丝绳受力产生一个旋转力使钻头转动一定的角度，从而使桩孔得到规则的断面和相应的孔深。
三、影响钻进效率的因素
（一）施工区域地质条件。在钻孔所揭穿的深度范围内，桥梁施工场地地基土主要由耕土、一般粘性土、老粘性土、含碎石粉质粘土及残坡积粘性土构成，沿线水塘分布地段塘底分布少量淤泥，下伏基岩为志留系泥岩。
根据设计图纸计算，科技三路桥梁工程平均桩长为25.87m，平均嵌岩深度为18.98m，平均嵌岩比为10.92，且该岩石为中风化泥岩，工程分级为Ⅳ级，属软岩，frk标准值为9.43MPa。
冲击钻机通过将钻头自身的重力势能转化为冲击动能，冲击并破碎岩石逐步成孔。而在软岩和塑性岩石中，岩层会吸收大量的冲机动能，虽被挤压变形，但破碎过程缓慢，从而降低了钻进效率。
（二）泥浆循环系统。泥浆在钻孔过程中具有护壁、携渣等功能，孔内排出的泥浆通过沉淀池沉淀钻渣后进入循环池，再由泥浆泵压入孔中继续携渣。
科技三路桥梁桩基嵌岩比很大，一方面，钻进时普通泥浆无法提供足够的托浮力，未能将钻渣及时清出孔底；另一方面，简单的沉淀处理不能完全清除循环泥浆中携带的钻渣，部分钻渣随着泥浆又进入孔中，导致孔底沉渣过厚，产生了重复钻进。
（三）钻机操作方式。钻机操作人员的经验、操作水平也是影响钻进效率的重要因素，操作手应对钻机的性能充分了解，并能结合地勘报告，迅速分析出孔底所处的地层，施工钻进时根据不同的地层岩性对钻进参数进行调整，以保证获得较高的钻进效率。
其中：表示钻头下落时的加速度（未考虑钻头在泥浆中所受的阻力），表示孔内泥浆密度，表示钻头密度，表示钻头落至孔底的时间，表示钻头落至孔底与离开孔底的时间间隔，表示钻头离开孔底到达冲程的时间，表示完成一次冲击所需时间，表示钻头产生的冲击动能。钻头在单位时间内获得的冲击动能越大，岩层的破坏变形越多，进尺速度就越快，而钻头的冲击动能和其完成一组提升下落的时间均由冲程决定，因此在钻头质量一定的情况下，要提高钻进效率，必须测算出在该岩层中的最佳冲程。
四、改进措施
（一）优化钻头。经过多次试验比对，在该岩层中选用5t重的十字冲击锤最为合理，要求钻头重心低（下部70cm的重量占总重的70%），冲击时能保持平衡，冲击过程接触岩面时不摆动。
钻齿选用含铬、镍、钼、钨、钒等金属元素的高耐磨硬质合金材料，并将钻齿与岩层的接触面优化设计为比较锐利的三角形，大大提高了钻头冲击荷载的接触应力，使钻齿可以轻易插入软岩中并产生裂隙，继而使岩石破碎剥落，获得进尺。
（二）改进泥浆循环系统。本项目桩基持力层上部的粘土层较浅，在钻进过程中，孔底沉积的大量钻渣主要为岩屑，渣土较少。而泥浆携带岩屑的能力与泥浆的密度和黏度有关，经过多次对比，确定在软岩中钻进的最佳泥浆性能为比重1.40g/cm3、黏度30Pa·s。
为避免钻渣随着循环泥浆进入孔中，在每个护筒出浆口安装一个震动过滤筛，振动过滤筛下方与泥浆池相连，出渣口与储渣坑相连。当泥浆循环时，开启振动过滤筛，钻渣沿倾斜筛网进入储渣坑，无渣泥浆流入泥浆池进入再次循环。
改进后的泥浆循环系统，既提高了泥浆的携渣能力，又有效阻止了钻渣随循环泥浆再次进入孔中，减少了孔内钻渣，使钻头可以直接作用在岩面上，降低了冲击动能的损耗。
（三）调整钻进工艺。过大的冲程会增加提钻时间，并加快钻齿的磨损；冲程不够则会降低冲击动能，无法有效的破碎岩层。在科技三路桥梁桩基施工中，入岩后采用2.0～2.5m的冲程，既能保证击碎桩底基岩，又没有消耗过多的提钻时间，获得了理想的钻进效率。
通常情况下，冲程由手工操作来控制，往往会产生较大偏差，为了精确控制冲程，并缩短钻头落至孔底与离开孔底的时间间隔，每台钻机都设置了自动控制系统。采用微机控制的自动打桩机能够根据钻进过程中各种因素的变化，自动调节并按照给定的冲程L和松弛量S进行冲击钻进，确保了每次冲击都在最佳冲程落锤，且完成冲击后能立刻提钻，缩短了其间隔时间，大大提高了钻进效率。
五、结语
本文结合科技三路桥梁的施工经验，提出了一些实用的方法，在特殊的地质条件下，通过采取相应的改进措施，提高了钻进效率，将本工程的冲击钻成孔周期缩短至7天。
随着城镇化的推进，我国也加快了市政桥梁建设的步伐，钻孔灌注桩的施工也会遇到更多的难题，希望本文中的一些措施和见解，能够对类似工程的桩基施工具有指导意义。
参考文献：
[1]东南大学主编.大直径深长嵌岩桩设计指南.2010.9.
[2]毛杰、袁奎星发明专利.自动冲击钻打桩机.2010.5.
关键词：深长嵌岩桩；碎岩原理；钻进效率；改进措施；
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02
一、工程概况
科技三路桥梁工程位于武汉市东湖新技术开发区，全桥长681.01m。主桥桥型为双拱斜拉桥，长288m，孔跨布置为（90+2×54+90）m；引桥为预应力混凝土连续箱梁。全桥共包含桩基68根，桩径分别为1.5m、1.8m，桩长为23～36m，桩基持力层为中风化泥岩（根据地勘报告，该岩石工程分级为Ⅳ级，属软岩），平均嵌岩深度为18.98m，未采取改进措施前，冲击钻平均成孔周期为13天。
二、冲击钻成孔原理
冲击钻成孔是采用卷扬机带动一定重量的冲击钻头，在设定的高度内使钻头提升，然后空放使钻头自由降落，利用冲击动能使岩石变形，在冲击荷载的多次作用下，使岩层破碎形成桩孔，再用循环液将钻渣和岩屑排出。在提拉过程中，钢丝绳受力产生一个旋转力使钻头转动一定的角度，从而使桩孔得到规则的断面和相应的孔深。
三、影响钻进效率的因素
（一）施工区域地质条件。在钻孔所揭穿的深度范围内，桥梁施工场地地基土主要由耕土、一般粘性土、老粘性土、含碎石粉质粘土及残坡积粘性土构成，沿线水塘分布地段塘底分布少量淤泥，下伏基岩为志留系泥岩。
根据设计图纸计算，科技三路桥梁工程平均桩长为25.87m，平均嵌岩深度为18.98m，平均嵌岩比为10.92，且该岩石为中风化泥岩，工程分级为Ⅳ级，属软岩，frk标准值为9.43MPa。
冲击钻机通过将钻头自身的重力势能转化为冲击动能，冲击并破碎岩石逐步成孔。而在软岩和塑性岩石中，岩层会吸收大量的冲机动能，虽被挤压变形，但破碎过程缓慢，从而降低了钻进效率。
（二）泥浆循环系统。泥浆在钻孔过程中具有护壁、携渣等功能，孔内排出的泥浆通过沉淀池沉淀钻渣后进入循环池，再由泥浆泵压入孔中继续携渣。
科技三路桥梁桩基嵌岩比很大，一方面，钻进时普通泥浆无法提供足够的托浮力，未能将钻渣及时清出孔底；另一方面，简单的沉淀处理不能完全清除循环泥浆中携带的钻渣，部分钻渣随着泥浆又进入孔中，导致孔底沉渣过厚，产生了重复钻进。
（三）钻机操作方式。钻机操作人员的经验、操作水平也是影响钻进效率的重要因素，操作手应对钻机的性能充分了解，并能结合地勘报告，迅速分析出孔底所处的地层，施工钻进时根据不同的地层岩性对钻进参数进行调整，以保证获得较高的钻进效率。
其中：表示钻头下落时的加速度（未考虑钻头在泥浆中所受的阻力），表示孔内泥浆密度，表示钻头密度，表示钻头落至孔底的时间，表示钻头落至孔底与离开孔底的时间间隔，表示钻头离开孔底到达冲程的时间，表示完成一次冲击所需时间，表示钻头产生的冲击动能。钻头在单位时间内获得的冲击动能越大，岩层的破坏变形越多，进尺速度就越快，而钻头的冲击动能和其完成一组提升下落的时间均由冲程决定，因此在钻头质量一定的情况下，要提高钻进效率，必须测算出在该岩层中的最佳冲程。
四、改进措施
（一）优化钻头。经过多次试验比对，在该岩层中选用5t重的十字冲击锤最为合理，要求钻头重心低（下部70cm的重量占总重的70%），冲击时能保持平衡，冲击过程接触岩面时不摆动。
钻齿选用含铬、镍、钼、钨、钒等金属元素的高耐磨硬质合金材料，并将钻齿与岩层的接触面优化设计为比较锐利的三角形，大大提高了钻头冲击荷载的接触应力，使钻齿可以轻易插入软岩中并产生裂隙，继而使岩石破碎剥落，获得进尺。
（二）改进泥浆循环系统。本项目桩基持力层上部的粘土层较浅，在钻进过程中，孔底沉积的大量钻渣主要为岩屑，渣土较少。而泥浆携带岩屑的能力与泥浆的密度和黏度有关，经过多次对比，确定在软岩中钻进的最佳泥浆性能为比重1.40g/cm3、黏度30Pa·s。
为避免钻渣随着循环泥浆进入孔中，在每个护筒出浆口安装一个震动过滤筛，振动过滤筛下方与泥浆池相连，出渣口与储渣坑相连。当泥浆循环时，开启振动过滤筛，钻渣沿倾斜筛网进入储渣坑，无渣泥浆流入泥浆池进入再次循环。
改进后的泥浆循环系统，既提高了泥浆的携渣能力，又有效阻止了钻渣随循环泥浆再次进入孔中，减少了孔内钻渣，使钻头可以直接作用在岩面上，降低了冲击动能的损耗。
（三）调整钻进工艺。过大的冲程会增加提钻时间，并加快钻齿的磨损；冲程不够则会降低冲击动能，无法有效的破碎岩层。在科技三路桥梁桩基施工中，入岩后采用2.0～2.5m的冲程，既能保证击碎桩底基岩，又没有消耗过多的提钻时间，获得了理想的钻进效率。
通常情况下，冲程由手工操作来控制，往往会产生较大偏差，为了精确控制冲程，并缩短钻头落至孔底与离开孔底的时间间隔，每台钻机都设置了自动控制系统。采用微机控制的自动打桩机能够根据钻进过程中各种因素的变化，自动调节并按照给定的冲程L和松弛量S进行冲击钻进，确保了每次冲击都在最佳冲程落锤，且完成冲击后能立刻提钻，缩短了其间隔时间，大大提高了钻进效率。
五、结语
本文结合科技三路桥梁的施工经验，提出了一些实用的方法，在特殊的地质条件下，通过采取相应的改进措施，提高了钻进效率，将本工程的冲击钻成孔周期缩短至7天。
随着城镇化的推进，我国也加快了市政桥梁建设的步伐，钻孔灌注桩的施工也会遇到更多的难题，希望本文中的一些措施和见解，能够对类似工程的桩基施工具有指导意义。
参考文献：
[1]东南大学主编.大直径深长嵌岩桩设计指南.2010.9.
[2]毛杰、袁奎星发明专利.自动冲击钻打桩机.2010.5.