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 CFZ—1500型冲击反循环钻机钻孔桩施工工法 

隧道网 ( -10-23)  来源: 隧道网

    一、 前言
    CFZ－1500型冲击反循环钻机是一种将传统冲击钻进方法和反循环连续排碴技术结合在一起的新型钻孔桩施工设备。1999年1月27日经过了铁道部科技成果鉴定, 鉴定认为: CFZ－1500型冲击反循环钻机的研制是成功的, 其主要性能在国内同类产品中具有先进水平, 在钻具旋转和泵举反循环方面居国内领先水平。在总结施工经验的基础上, 形成本工法。
    二、 工法特点
    1．使用同步卷筒双绳提引冲击钻头, 有利于坚硬地层的钻进, 减少冲孔的扩孔率。
    2．采用150SBQ－30型潜水砂石泵, 实现了泵举反循环连续排碴和超深孔的钻进。
    3．操作简便, 适用地层广, 特别适于漂卵石和岩石层的钻进, 成本低, 钻孔效率高。
    三、 适用范围
    本工法适用于各种复杂地质条件(土层、 砂层、 漂卵石层、 岩石层)下铁路公路桥梁、 港口、 码头、 高层建筑的中长桩及超长桩施工, 也可用于城市大口径污水井及野外深井的开挖钻进。
    四、 CFZ－1500型冲击反循环钻机
    1．技术性能
    钻孔直径: 0.8～1.6m;
    钻孔深度: 50～100m;
    适用地层: 土层、 砂层、 漂卵石层、 岩石层;
    钻头质量: 2.5～3.2
    冲击频率: 35、 40、 45r/min;
    冲击行程: 0.7、 0.85、 1.0m;
    排渣效率: 180m3/h;
    主电机功率: 45kW;
    钻孔效率: 土层、 砂层0.5～2.0 m/h, 漂卵石层: 0.2～0.5 m/h, 岩石层: 0.1～0.3 m/h;
    钻机总质量: 11.0t(不含冲头);
    主机外形尺寸(长×宽×高): 工作时7.8m×2.0m×9.0m, 运输时5.6m×2.0m ×1.6m。
    2．工作原理
    见图1, 从钻机同步卷筒出来的两根受力相等的正反转钢丝绳, 经冲击梁和桅杆的导向滑轮, 提引冲击钻头。同步卷筒工作原理如图2所示。电动机经过传动机构驱动冲击机构, 拉动钢丝绳带动钻头作上下冲击运动, 形成瞬时冲击力破碎地层。在两根主钢丝绳之间放置由副卷扬机提引的排碴系统, 排碴管的下端在钻头中心管内, 钻头作上下冲击运动时, 排碴管除了随着钻孔进尺间歇下放外一般保持不动, 并在冲击的同时, 连续排出钻碴, 获得较高的钻进效率。

图1  钻机传动原理

图2  同步卷筒原理
    五、 施工工艺
    (一)工艺流程(见图3)

图3  工艺流程
    (二)操作要点
    1．施工准备。
    (1)陆地上钻孔, 要把场地平整好, 以便钻机安装和移位。水上钻孔, 要搭设工作平台。场地布置应根据施工组织设计, 合理安排泥浆池、 沉淀池的位置, 沉淀池的容积应满足2个孔以上排碴量的需要。
    (2)根据地质情况准备一定数量的造浆粘土。
    2．桩位测量放线。准确测量桩位并做好标记。测好的桩位必须复测, 误差控制在5mm以内。
    3．埋设护筒。护筒的作用主要是保持孔口稳定和定位, 如在陆地上钻孔, 护筒周围一定要夯实, 如在水上钻孔, 护筒下沉应有导向装置, 严防护筒倾斜、 漏水、 变形。施工中一般采用挖坑法埋设。开挖前用十字交叉法将桩中心引至开挖区外, 作4个标记点, 保持到成孔后, 埋设护筒时再将中心引回, 使护筒中心与桩中心重合。
    护筒周围土回填的好坏, 对冲击钻孔非常重要, 对于土质较差的孔口, 能够在护筒下部灌注30cm的C20级混凝土, 上部用红粘土夯填密实, 以防冲击成孔时护筒底部塌孔。
    4, 钻机就位和试机。
    (1)延长桩位前后中心线, 用100kN吊车将主机放在孔口边预定位置上, 使钻机底盘前后中心线与桩位中心线重合, 主机就位时, 需在底盘下部垫8～9根枕木, 并用水平仪将底盘调平。
    (2)安装井口装置、 桅杆和前支撑。
    (3)用吊车将冲击钻头放在孔口附近。将同步卷筒上引出的2根钢丝绳, 经过各导向滑轮与冲击钻头连接。
    (4)检查主机上各传动齿轮副啮合间隙, 调试主轴上冲击离合器和卷筒离合器间隙, 使之能正常工作。
    (5)用吊车将配电柜、 电缆卷筒放在底盘一侧, 操纵机构附近, 接通配电柜电源, 接通配电柜与主机、 电缆卷筒、 潜水砂石泵三者之间的联线。
    (6)打开主机电源, 操纵钻机卷筒离合器, 提引冲击钻头放入孔内。调节前支撑长度, 使钻头中心与护筒中心重合, 误差控制在2mm以内, 支撑角度符合支撑要求。之后, 锁定支撑丝杆位置, 用道钉在枕木上固定底盘, 防止冲击钻进时, 支撑丝杆松动, 底盘移位。
    (7)在泥浆池上架设泥浆泵。连接排碴系统, 用副卷扬机将其提引至孔口, 将排碴管下端放入冲击钻头中心管内, 待钻至一定深度后, 再在排碴管之间安装潜水砂石泵。
    (8)开动钻机进行试冲击, 检查各部位运转是否正常, 电流是否正常, 接通潜水砂石泵电源, 检查其接线方式是否正确, 发现问题及时处理。
    5．冲孔作业。
    (1)造浆、 开孔。往护筒内填制浆粘土约0.5m, 分别往护筒和泥浆池内注足水。开动钻机, 使冲击钻头上下运动, 将护筒粘土冲成泥浆, 启动泥浆泵, 循环泥浆, 直至护筒内与泥浆池内泥浆浓度一致。开始正循环钻进, 钻进时勤观察孔内浮出的钻碴, 在石质地层中, 如果从孔口浮出的钻碴粒径在5～8mm之间, 表明泥浆浓度合适, 如果浮出的钻碴粒径小又少, 表明泥浆浓度不够, 需往孔内添加粘土。加粘土时要停开泥浆泵, 形成泥浆后再开泥浆泵。正循环钻进至泵吸反循环系统能够正常工作的时候开始反循环钻进。
    (2)反循环钻进。当潜水砂石泵潜入孔内泥浆后, 若孔壁比较稳定, 停止正循环钻进, 泥浆循环约2min后停泵, 解除排碴胶管与泥浆泵的连接, 启动泵吸反循环系统, 开动钻机, 进行反循环钻进。钻进过程中, 操作者要随着进尺快慢及时放主钢丝绳, 放绳时应使钢丝绳在每次冲击过程中始终处于拉紧状态, 既不能少放, 也不能多放。放少了, 钻头落不到孔底, 打空锤, 此时冲击梁上的缓冲弹簧在一次冲击中响两声, 不但不能获得进尺, 反而会对钻机和钢丝绳造成极大的损害; 放多了, 钻头落到孔底后处于自由状态, 可能向孔壁倾斜撞击孔壁, 造成扩孔, 再提升时, 钻头突然受力, 在这种突然的冲击作用下提升装置会降低寿命甚至损坏。
    当排碴弯头下降到离孔口1m时, 需要接换排碴管。此时, 钻机停止冲击, 泥浆继续循环约1～3min, 待排碴管内钻碴排完后, 停泵, 拆除弯头与排碴管的联接螺栓, 提升弯头至一定高度, 将要接换的排碴管下端与原排碴管联接, 上端与弯头联接。
    反循环钻进时应及时补水, 始终保持孔内水位高于地下水位或河水位2m左右。
    冲击反循环钻进应针对不同的地层采用不同的泥浆比重, 以保持孔壁的稳定。砂卵石地层泥浆比重为1.2左右, 岩石层泥浆比重为1.05～1.15。
    (3)砂样的提取。提取砂样的目的是随时掌握地质的变化情况。一般每钻进0.5m提取砂样一次, 从出碴口捞取砂样用清水冲洗干净, 每次提取量为100g, 编号保存, 以便成孔时交接。
    (4)勤检查钻机、 钻头是否偏移, 防止出现斜孔。
    6．清孔。
    (1)桩深达到设计深度后, 停止钻进, 进行清孔, 用较好的泥浆将孔内含有钻碴的泥浆置换出来, 具体操作方法是: 将钻头提离孔底0.5m, 开启砂石泵, 反循环清孔, 清孔时间视孔径、 孔深和钻碴含量而定, 一般30m深、 直径1.5m含砂卵石较多的孔, 约需15min。孔内泥浆比重达到要求后, 清孔结束。
    (2)清孔后准确测量孔深和孔底沉碴厚度, 使之达到设计要求和规范规定标准。
    7．清孔之后的后续工序的施工程序及操作要点同一般钻孔桩施工方法, 这里不赘述。在吊放钢筋笼、 导管和灌注混凝土作业时可利用本机作为起吊设备。
    六、 机具设备
    除CFZ-1500型冲击反循环钻机外, 需用的附属设备见表1。
表1  CFZ—1500型冲击反循环钻机附属设备

    七、 劳动组织(见表2)
表2  劳动组织

    八、 质量控制
    1．质量标准
    (1)钻机出厂质量验收标准。
    (2)《地基与基础工程施工及验收规范》(GBJ202-83)。
    (3)《工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程》(GBJ4-80)。
    (4)施工设计图中的具体要求。
    2．质量控制措施
    (1)防止塌孔, 提高成孔质量。
    1)在表层土质量较差的情况下, 加长护筒长度至6～7m, 提高护壁的可靠性。
    2)在易塌孔地层成孔时, 及时向孔内添加粘土或火碱, 保证泥浆的质量, 增强护壁效果。
    3)钻架底盘要稳固, 防止发生移位、 偏斜, 定期检查钻头中心与桩孔中心是否一致, 发现偏差必须及时纠正。
    (2)采取有效措施, 保证钢筋笼和导管的垂直度, 杜绝导管挂笼。
    (3)灌注混凝土时, 每根桩做不少于1组试块, 28d强度不得低于设计强度, 并以此判定桩身混凝土质量。
    3．检测方法(见表3)
表3  钻孔桩质量检测方法

    九、 安全注意事项
    1．严格按操作规程施工, 交接班必须有交接记录。定期检查各部件运转情况, 定期向各润滑部位加注润滑油, 检查主电机是否过热, 冲击时最大电流不超过150A。
    2．因故停钻时, 应将钻具提离孔底1～2m, 以防埋钻, 如长时间停钻, 须将钻具提出孔外。突然停电时, 可用人工操作提升卷筒, 将钻头提离孔底。
    3．下放潜水砂石泵电缆时, 要根据进尺的快慢决定下放电缆的长度, 防止电缆与钢丝绳绕在一起, 每接一根排碴管, 应将电缆和排碴管捆在一起。
    4．冲孔过程中, 如发现离合器运转有间歇或过热现象, 说明离合器打滑, 应停机调整。
    5．经常检查钢丝绳磨损情况, 如超过有关规定, 及时更换。
    6．在软弱土层钻孔时, 注意孔口状况, 出现塌方时, 将钻机及时撤出, 以免坠入孔中。
    7．随时注意孔内有无异常情况, 桅杆是否倾斜, 各连接部位螺栓是否松动。
    8．吊放钢筋笼时, 应防止碰撞孔壁。接长钢筋笼时, 相接两节须保持顺直, 搭接长度应符合设计要求。
    9．灌注水下混凝土时提升导管用力不能过猛, 防止拉断导管或将导管提离混凝土面, 造成断桩。
    10．灌注过程中应保持泥浆沟畅通, 防止泥浆乱流。
    十、 效益分析
    实践证明, 采用冲击反循环钻机钻孔, 在同一工地, 桩径、 桩长、 地质条件相同的条件下, 钻进效率在漂卵石地层为旋转钻机的2.5倍, 为传统冲击钻的1.5倍, 在岩石层中为旋, 转钻机的1.6倍, 为普通冲击钻的2～3倍。
    CFZ-1500型冲击反循环钻机特适用于漂卵石层和岩层, 成孔质量好, 经济效益和社会效益比较显著。
    十一、 工程实例
    CFZ-1500型冲击反循环钻机研制成功后, 先后在湖北兴山县峡口大桥和西康线柞水县石砰大桥等工地进行了钻孔施工, 取得了较好的钻进施工效果。
    湖北兴山县峡口大桥的2个桥墩采用钻孔桩基础, 桩径1.5m, 桩长24～26m, 其地质条件: 0～16.5m为漂卵石层, 漂石粒径80cm左右, 卵石粒径10～30cm, 风化微弱, 性质坚硬; 16.5～26m为基岩, 层状单斜构造, 倾角25º～45º, 单轴抗压强度60～90MPa, 8d完成1根桩。
    西康线柞水县石砰大桥5号墩挖孔桩桩径1.5m, 桩长28.5m, 其中0～15.3m为漂卵石层, 15.3～28.5m为石灰岩, 单轴抗压强度为80～100MPa, 9d完成1根桩。
新闻来源: 《土木建筑-国家级工法汇编》

(张爱琴 梁统战 徐向真 黄先琪 乔亚宁)

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