一種嵌巖樁的鑽進成孔工藝的製作方法

2023-12-10 23:09:27

本發明涉及港口碼頭管樁施工技術領域，具體涉及一種嵌巖樁的鑽進成孔工藝。

背景技術：

在碼頭工程結構中，為滿足承載能力的要求，經常使用到嵌巖樁技術，嵌巖樁是較常用的樁基工程之一，主要是直樁，也有部分斜樁。鑽進成孔工藝是斜嵌巖樁施工最重要的一環，由於超長斜嵌巖樁採用衝擊鑽進施工容易發生偏位，卡錘等問題，目前在超長斜嵌巖樁鑽進成孔工藝中採用迴旋鑽機施工效果更佳。但是在迴旋鑽機施工過程中，鑽具的自重將造成鑽具下垂彎曲，鑽頭的導向性和鑽頭的軸線會產生較大的偏差，使得鑽頭斜率與鋼套管斜率無法保持一致，影響成孔質量，特別是在嵌巖樁嵌巖深度大於10m，部分嵌巖樁傾斜度較大時，易出現成孔傾斜不順直的問題，施工難度較大，現有的鑽進成孔工藝無法滿足施工的要求。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種嵌巖樁的鑽進成孔工藝，能夠保證斜向嵌巖樁施工中鑽頭斜率與鋼套管斜率保持一致，提高成孔質量和效率，滿足施工設計要求。

為了解決上述技術問題，本發明提供的技術方案如下：

一種嵌巖樁的鑽進成孔工藝，包括以下步驟：

1）在鋼套管內部安裝第一導向器和第一鑽頭，並在鋼套管和第一導向器的導向作用下，對嵌巖樁有鋼套管部分進行鑽孔；

2）將第一鑽頭更換為第二鑽頭，並在第二鑽頭後端安裝第二導向器，在第二導向器和第一導向器的共同導向作用下，對無鋼套管嵌巖段進行導向孔鑽進，鑽進過程中，第一導向器始終位於鋼套管內部，第二導向器跟隨第二鑽頭逐漸進入導向孔中，所述導向孔的鑽進深度大於設計嵌巖深度；

3）導向孔鑽進完成後，拆除第二導向器並將第二鑽頭更換為第三鑽頭，在第三鑽頭前端安裝第三導向器，並在第三導向器和第一導向器的共同導向作用下，進行最終成孔的鑽進，鑽進過程中第三導向器始終位於所述導向孔中，第一導向器始終位於鋼套管內部。

所述第一導向器的直徑與鋼套管內徑相同，第二導向器的直徑和第三導向器的直徑均與導向孔內徑相同。

所述第一鑽頭直徑與鋼套管的內徑相同，第二鑽頭直徑與導向孔的直徑相同，第三鑽頭直徑與最終成孔的直徑相同。

所述步驟1）、步驟2）和步驟3）的鑽進過程均採用反循環迴旋鑽進工藝，所述反循環迴旋鑽進工藝，具體為：迴旋鑽機旋轉加壓，使鑽頭破碎巖面進行鑽進，再利用泵機將破碎巖面產生的石塊或石粉從中空的鑽杆中吸出。

所述鋼套管內部設置多個第一導向器。

所述第一導向器呈等間距布置。

所述第一導向器、第二導向器和第三導向器均通過軸承與鑽杆相連接。

所述第一導向器、第二導向器以及第三導向器的上端和下端均加工有倒角。

所述第一鑽頭、第二鑽頭以及第三鑽頭的上端和下端均加工有倒角。

所述步驟2）中導向孔的鑽進分多次施工完成。

本發明具有以下有益效果：本發明的鑽進成孔工藝，對無鋼套管嵌巖段採用先鑽導向孔再進行成孔鑽進的方式，利用導向孔和鋼套管的導向限位，並配合第一導向器、第二導向器和第三導向器的使用，能夠很好地保證斜向嵌巖樁施工中鑽頭斜率與鋼套管斜率保持一致，提高了成孔質量,使孔壁光滑完整、順直度高，滿足施工要求，提高了施工效率；該工藝操作簡單，施工成本低，具有較好的經濟效益。

附圖說明

圖1是嵌巖樁有鋼套管部分的鑽進原理圖；

圖2是無鋼套管嵌巖段導向孔鑽進原理圖；

圖3是無鋼套管嵌巖段最終的成孔鑽進原理圖；

圖中：1、第一鑽頭，2、第一導向器，3、鑽杆，4、鋼套管，5、第二鑽頭，6、第二導向器，7、第三鑽頭，8、第三導向器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好地理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

本發明應用於原油泊位中的系纜墩建設工程，涉及系纜墩建設工程中的嵌巖樁施工工藝，具體涉及全斷面斜向嵌巖樁施工中的鑽進成孔工藝。

系纜墩處的覆蓋層厚度情況為：前沿選擇散體狀強風化凝灰巖作為樁基持力層，後沿選擇中等風化凝灰巖作為樁基持力層。覆蓋層自上至下分別為：①1.9～2.8m厚的灰色含碎石淤泥；0.1～5.1m厚的雜色含碎石黏性土；②4.6～7.6m厚的灰黃～灰綠色粉質粘土；③0.8～7.8m厚的散體狀強風化凝灰巖，此為前沿樁基持力層；④2.6～4.2m厚的碎裂狀強風化凝灰巖；⑤底層為中等風化凝灰巖，此為後沿樁基持力層。

本工程的系纜墩由八根嵌巖樁支撐，嵌巖樁持力層主要為強風化凝灰巖，部分為中風化凝灰巖，持力層標準貫入擊數N均大於50。根據地質資料顯示，系纜墩附近的ZK15孔飽和單軸抗壓強度為30.56MPa，ZK16孔飽和單軸抗壓強度為87.05MPa。飽和單軸抗壓強度大於60MPa的巖石為堅硬巖，旋挖鑽機難以施工。由於嵌巖樁直徑較大，嵌巖深度達18m，部分嵌巖樁斜度達5:1，若採用衝擊鑽機容易發生偏位，卡錘等問題，因此本工程配置一臺反循環迴旋鑽機進行施工作業。

本實施例中鑽杆3為每2m一節，可接長。相鄰鑽杆之間採用螺紋連接。

本實例中鋼套管4的內徑為1.8m。

配備三種鑽頭，第一鑽頭1的直徑為1.8m，用於鋼套管4內鑽進；第二鑽頭5的直徑為1m，用於鑽進導向孔（直徑1m）；第三鑽頭7的直徑為1.6m，與設計嵌巖樁直徑一致,也即與最終成孔（直徑1.6m）的直徑相同。

配備三種導向器，第一導向器2的直徑與鋼套管4的內徑一致，每隔8m布置一個；第二導向器6的直徑與第二鑽頭5的直徑一致，均為1m，第二導向器6長度為2.4m，第三導向器8的直徑為1m，長度為0.8m，第二導向器6和第三導向器8均用於導向孔中導向。

嵌巖樁的鑽進成孔工藝，包括以下步驟：

1）嵌巖樁有鋼套管部分的鑽進：

如圖1所示，在鋼套管4內部設置第一導向器2和第一鑽頭1，在鋼套管4和第一導向器2的導向作用下，對嵌巖樁有鋼套管部分進行鑽孔。

其中第一導向器2與鑽杆3相連接，鑽杆3與第一鑽頭1相連接。

第一鑽頭1採用三翼刮刀鑽頭。

2）無鋼套管嵌巖段導向孔的鑽進：

如圖2所示，將第一鑽頭1更換為第二鑽頭5，並在第二鑽頭5的後端連接有第二導向器6，在第二導向器6和第一導向器2的共同導向作用下，對無鋼套管嵌巖段進行導向孔鑽進，使得鑽進過程中第二鑽頭5始終沿直線方向前進；鑽進過程中，第一導向器2始終位於鋼套管4內部，第二導向器6逐漸進入導向孔中，導向孔的鑽進深度大於設計嵌巖深度。

其中導向孔的直徑為1m，第二導向器6與鑽杆3相連接，鑽杆3與第一導向器2相連接。

第二鑽頭5採用刮刀鑽頭。

優選的，第二鑽頭5與第二導向器6內的鑽杆通過法蘭連接，使得連接更加牢固可靠。

導向孔的鑽進過程可以一次施工完成，優選的，為減少第二鑽頭5的偏移量，導向孔的鑽進過程分兩次施工，第一次鑽10m，剩餘長度第二次鑽進完成。

3）無鋼套管嵌巖段最終成孔的鑽進

如圖3所示，導向孔鑽進完成後，將第二鑽頭5更換為第三鑽頭7，並在第三鑽頭7前端連接有第三導向器8，並在第三導向器8和第一導向器2的共同導向作用下，進行最終成孔(直徑為1.6m)鑽進。在最終成孔鑽進過程中，第三導向器8始終保持在導向孔中，第一導向器2始終位於鋼套管內部，使得在第三導向器8和第一導向器2的共同導向和限位作用下，保證最終成孔鑽進的順直度。

最終成孔的直徑為1.6m。

第三鑽頭7採用刮刀鑽頭。

優選的，第三鑽頭7與第三導向器8內的鑽杆通過法蘭連接，以使連接更加牢固可靠，第三鑽頭7與鑽杆3相連接，鑽杆3與第一導向器2相連接。

上述步驟1）、步驟2）和步驟3）的鑽進過程均採用反循環迴旋鑽進工藝。

反循環迴旋鑽進工藝是利用迴旋鑽機旋轉加壓，使鑽頭前端設置的刮刀或牙輪破碎與之接觸的巖面，再利用泵機將破碎巖面產生的石塊或石粉從中空的鑽杆中吸出，鑽進過程要一直向孔內補充清水使孔內液面保持在較高水位，使孔內保持一定的水壓以保持孔壁穩定。

進一步的，鋼套管4內部的第一導向器2的布置間距和數量可根據具體鑽進情況進行調整，第一導向器2之間既可以採用等間距布置，也可採用非等間距布置。相鄰的第一導向器2之間通過鑽杆連接。

優選的，第一導向器2、第二導向器6和第三導向器8均通過軸承與鑽杆相連接，使得鑽杆旋轉時，第一導向器2、第二導向器6和第三導向器8均不會隨鑽杆旋轉，防止因上述各個導向器與導向孔或鋼套管的接觸摩擦而磨損，從而防止因導向器磨損而無法實現其導向和限位作用。

優選的，第一導向器2的上端和下端均加工有倒角,第二導向器6的上端和下端均加工有倒角,第三導向器8的上端和下端均加工有倒角，且第一鑽頭1的上端和下端均加工有倒角、第二鑽頭5的上端和下端均加工有倒角、第三鑽頭7的上端和下端均加工有倒角，在導向器和鑽頭設置倒角可以防止鑽孔或提鑽頭時發生卡錘現象。

本實施例在進行嵌巖樁有鋼套管部分的鑽進時，通過將鋼套管4對第一導向器2的導向限位以及鋼套管4對第一鑽頭1的導向限位相結合，對第一鑽頭1的鑽進進行共同導向，可保證鑽進過程中鑽頭斜率和鋼套管斜率一致，另外鋼套管4還起到護壁作用；在進行導向孔（直徑1m）鑽進時，通過將第二導向器6的導向限位和鋼套管4對第一導向器2的限位相結合，對第二鑽頭5的鑽進進行共同導向，可保證鑽頭斜率和鑽孔中心位置與設計值一致；在最終成孔（直徑為1.6m）鑽進時，通過使第三導向器8始終保持在導向孔中，使得導向孔對第三導向器8起到很好地限位作用，再結合鋼套管4對第一導向器2的限位作用，最終對第三鑽頭7的鑽進過程起到較好的導向作用，能夠保證最終成孔鑽進的順直度，另外由於第三導向器8設置在第三鑽頭7的前端，因此在之前進行導向孔鑽進時，導向孔的鑽進深度要大於設計嵌巖深度1m，以確保第三鑽頭7所鑽進的最終成孔的鑽進深度能達到設計值。

本實施例中導向孔主要起到導向和限位的作用，防止鑽頭在鑽進斜樁過程中受重力作用影響導致成孔向重力方向傾斜成弧線，從而避免引發卡錘、鋼筋籠無法下放、嵌巖樁承載力下降等問題。

本實施例的鑽進成孔工藝採用清水反循環，反循環清孔後基本無沉渣，清渣效果較好，相較於使用泥漿進行反循環，更利於施工現場的環境保護；成孔後，孔壁光滑完整，順直度高，斜率控制好，便於下鋼筋籠過程順利進行。

在鑽進過程中，根據鑽孔深度進行鑽機轉速調整，具體為：在鑽頭即將出鋼套管4的底部時減慢轉速，防止轉速過快造成孔壁不穩發生塌孔、卡錘等事故；鑽頭入巖4m以上且孔壁穩定的情況下可提高轉速加快鑽進效率；基巖較完整孔壁穩定的情況下可提高轉速，基巖破碎裂隙較發育孔壁不穩定的情況下應降低轉速，防止孔壁坍塌。

鑽進過程如遇鑽進困難可採取增加配重或更換鑽頭的措施：

1、增加配重，需要增加配重時將焊接了配重塊的鑽杆連接到普通鑽杆上即可。增加配重的重力通過鑽頭傳遞到巖面，相當於鑽頭對巖面的一個加壓，適當加壓可提高鑽進效率。

2、替換鑽頭，本工藝配置了兩種類型的鑽頭，一種為刮刀鑽頭，一種為滾刀鑽頭，刮刀鑽頭對巖層的破碎主要是通過鑽頭前端布置的刮刀對巖層進行切割，刮刀鑽頭的鑽進效率高，適用於強度較低的巖層；對於強度較高刮刀鑽頭難以切割的巖層，採用滾刀鑽頭進行鑽進，滾刀鑽頭對巖層的破碎主要是通過鑽頭前端布置的牙輪對巖層的進行研磨，滾刀鑽頭鑽進效率較低，但是能將強度較大的巖層磨碎。

鑽進過程中如果遇到呈斜坡狀的基巖面，會導致施工不利，容易導致鑽頭在鑽進過程中偏移中軸線、巖面破碎發生擴孔、甚至鋼護筒下沉等情況。因此在遇到斜坡狀的基巖面時，可減小鑽壓、降低鑽機轉速，待斜坡狀基巖面磨平後再繼續施工。

以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護範圍不限於此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍以權利要求書為準。