冲击反循环钻成孔灌注桩(上)

    基本原理
    冲击反循环钻进工艺如下，是使用2根钢丝绳通过提引盘对称地提引冲击钻头，提引盘可在钻头中心管体上相对转动。在冲击液压缸的作用下，通过同步卷筒的自动调节机构，2根钢丝绳在工作状态时始终受力相等，在2根钢丝绳中空处设置排渣管，通过钻头中心管下入孔底，在钻头上下往复运动冲击破碎岩石时，用地表的砂石泵实现泵吸反循环。这样，钻头在孔底进行冲击钻进的同时，通过泵吸反循环将钻渣由孔底经排渣管、砂石泵排到地表的泥浆池中，钻渣沉淀完成渣浆分离后泥浆经过泥浆槽返回孔内继续循环排渣钻孔。它是将冲击碎岩效率高和反循环排渣快两方面优点有机地结合在一起的钻进方法。
    施工现场
    适用地层
    从应用范围来看，冲击反循环钻进是一种适应任何地层的钻进方法。冲击反循环成孔适用范围根据冲击钻与反循环钻机两方面特性进行划分，它适用于黏质土，砂土，粒径小于钻杆内径2/3且含砂量少于20%的碎石、砾石、松散卵石等地层。该工艺主要应用在回转钻进无法正常进行的各种复杂地层，如卵砾石层，泥岩，砂岩层，强、中风化的各类岩石层。该工艺除了在个别的弱风化、微风化坚硬岩石层钻进效率较低外，其他绝大多数地层都适合采用该种钻进工艺，特别是在卵砾石层、泥岩层和各类强风化岩石层及其各类不同地层共生的软硬互层，钻进效率较其他钻进方法要高出几倍。
    冲击反循环钻进工艺的特点
    在冲击钻进过程中，关键是冲击钻进和吸渣量是否匹配，这也是确保孔壁稳定及正常钻进的最基本、最重要的条件。在钻进过程中吸渣工作应根据钻进地层和情况而定，不应过量吸渣，以免造成孔壁失稳坍孔及发生埋钻事故。
    钻进技术参数
    钻进技术参数的确定是冲击反循环钻进工艺的关键。钻进速度关系式可通过以下公式推导求得：
    单位时间内的冲击功A可按(1)式求得
    从式(3)不难看出：当孔径和单位体积破碎功一定时，冲击碎岩速度与钻具的质量、钻具冲击时的加速度、冲击高度和单位时间冲击次数成正比。
    另外，钻具质量Q可通过(4)式表达:
    同时，从式(2)也可以看出：冲击功是影响钻进效率的最主要因素。由式(4)可知，增加钻具质量要通过增加钻具的平均直径和长度来实现，但钻具长度受到桅杆高度的限制，钻具平均直径受到孔径的限制。
    同样，冲击高度越大，其冲击能量也就越大，碎岩效果也就越高，因此，实际应用中一般应尽可能采用钻机的最大行程冲击。
    分析表明，冲击次数与冲击高度是一种相互制约的关系，n增加，s就相应地减小。而增大s时n减小的幅度不大；增大n时，s减小的幅度较大。因此，在实际工作中，提高s比提高n有利，它有利于增大冲击功从而提高碎岩的效率。由于钻机的冲击频次是固定的，所以也就不存在n的选择和优化的问题。
    行程(即冲击高度)的选择
    行程的选择因岩、土地层不同而异，在碎石黏土、残积黏土等松软地层冲击钻进时，采用较小的行程，一般为0.6m；在强、中、微风化辉绿岩和粉砂质泥岩及灰岩、硅质岩等硬岩冲击钻进时，采用较大的行程，即0.8～1.0m。
    悬距的选定
    悬距是指钻头在孔内静止时，其底部到孔底的距离，合理的悬距取决于岩土的性能、孔深等因素。一般悬距可在1～4cm范围内，当在碎石黏土、残积黏土等松软地层冲击钻进时，采用较小的悬距或不留悬距；当在强、中、微风化辉绿岩硬岩冲击钻进时，采用较大的悬距，取2～4cm。
    排渣方式
    可选用正循环和泵吸反循环2种循环排渣方式，用反循环排渣能获得较高的钻进速度。当地层为较黏的土层时，为避免糊钻，必要时可采用正循环排渣；当钻进至强、中、微风中化辉绿岩，灰岩及硅质岩、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩等硬岩层时，岩渣相对较少，视具体情况可选择采用反循环或间断反循环的排渣方式。
    砂石泵流量
    砂石泵流量应能保证及时排出孔内岩渣，冲击反循环钻进硬地层时，排渣不是主要问题，砂石泵的流量不必太大，因为流量太大，容易出现孔壁坍塌、孔内水位下降等诸多问题。
    国产冲击反循环钻机技术参数一览表
    注：1.西安探矿机械厂研制出FCZ～6型强制式冲击反循环钻机。
    2.山东省地质探矿机械厂生产的CJF～2型冲击反循环钻机的技术参数未列入本表。
    优缺点
    优点
    适应性强 冲击反循环钻进工艺可解决回转钻进工艺无法克服的复杂地层钻进难题，又较其他冲击钻进工艺大大提高了钻进效率。冲击反循环钻进工艺不仅可以解决大粒径卵砾石层、溶洞性灰岩层及不完整硬岩层等复杂地层钻进，就是在黏土、砂层等软地层中也有很高的钻进效率。因此，该种工艺方法对绝大多数复杂地层都具有很高的钻进效率，显示出极大的优越性。
    效率高 在激烈竞争的桩工机械市场，施工效率是关系到一个企业生存的头等大事。冲击反循环钻进工艺在复杂地层中充分体现了效率高的特点。现以长余高速松花江大桥桩基工程为例，孔径2000mm，孔深50m，施工地层为：20m以上为黏土、粉细砂，其中有6m卵砾石、下部是强—微风化泥岩夹砂岩层，采用回转反循环施工工期为28天，冲击反循环施工工期为12天。
    孔底沉渣少 采用冲击反循环工艺施工的钻孔，由于钻进中始终进行连续的反循环排渣，钻渣被及时携带出孔内，在泥浆池中沉淀下来，因此孔底始终比较干净，不像回转钻进那样形成大量泥皮挂在孔壁上，所形成的钻孔极有利于水下混凝土灌注。
    钻孔垂直度高 该工艺采用2根钢丝绳提动钻头，行程为0.5～1.2m，一般为0.8m，行程较小，钻进中钻头工作平稳，每一次提拉又都是对钻头所作的一次垂直度较正，因此钻孔的垂直度很高。
    市场占有率高 当前的公路、铁路都是采用贷款或由投资商投资形式建设，建设单位十分注重回款速度，对施工工期的要求很严格，冲击反循环钻进工艺正是以它相对较高的钻进效率和较强的适应性赢得复杂地层的施工需要，也越来越多地受到建设单位的青睐。
    缺点
    需要专用钻机设备，不能与回转钻机直接配套应用；配套钻机较笨重；成本较高；冲击振动噪声大，对周围产生较大影响；钻机功率大，耗电量高；钻机结构复杂，体积大。
    施工机械与设备
    钻机
    基本情况冲击型反循环钻机，是将传统的钢丝绳冲击钻进方式和反循环连续排渣技术结合起来的新型钻桩施工设备，这种设备既保留了传统冲击式钻机成本低、适应地层广等特点，又克服了其不能连续排渣、重复钻进多、钻进效率低等不足，可大大提高钻进效率，使冲击钻进技术发展到一个新的水平。表1为国产冲击反循环钻机技术参数一览表。
    分类
    目前，冲击反循环钻机使用的冲击反循环钻机主要有两类：一类是卷扬机式冲击反循环钻机，另一类是曲柄连杆游梁式冲击反循环钻机。
    这2种类型的冲击反循环钻机均以机械传动为主。卷扬机式冲击反循环钻机通过卷扬机交替正转和反转，经钢丝绳和钻塔提动钻头上升和下降，实现冲击作业。卷扬机的正、反转切换通过离合器来完成。由于离合器需要频繁的接合和脱离，离合器易发热烧损，卷筒和钢丝绳也较易磨损，钻机的冲击频率一般为5～10次/min，自动控制程度较低。
    曲柄连杆游梁式冲击反循环钻机是通过曲柄连杆机构将齿轮的旋转运动变为游梁的上下摆动，经钻塔由钢丝绳带动钻头上下运动，实现冲击工作。钻头放入钻孔和提出钻孔由卷扬机来完成。该类钻机由于在传动链上主要采用了齿轮、链轮和链条等机械零件，比卷扬机式冲击反循环钻机结构简单，钢丝绳磨损小，易于实现自动冲击。在设计中，通常采用大齿轮兼作曲柄，从而改善大齿轮轴的受力状态；通过合理设计机构的几何参数，充分利用4杆钻塔机构的“急回”作用，使该机构的上升角比下落角大28°左右，能较好地解决“慢提快放”问题；适当加大冲击梁的重量，使电机的负载较为均匀，并节省动力。
    传动方式可分为机械和液压2种类型。以机械传动为主的钻机，自动化程度低，操作较费力，钻机结构复杂，易损件多，由于受结构的影响，工作能力受到限制，钻机配备的冲击钻头质量一般都小于5000kg，无法满足大直径钻孔灌注桩的施工要求。全液压冲击反循环钻机，如表1中的YCJF～25型钻机，可改变机械式冲击反循环钻机的上述缺点，钻头质量可达8000kg，可满足大直径钻孔灌注桩的施工要求。
    主要机构
    机械传动式的冲击反循环钻机主要由传动系统、冲击机构、提引系统、冲击钻头、排渣系统、钻架及底盘和电气控制柜等7部分组成。液压传动式冲击反循环钻机(如YCJF-25型钻机)主要由液压动力站，液压步履，液压操作台，主、副卷扬机，导绳架，钻塔，液压缸冲击机构，缓冲机构，冲击钻头及排渣系统等组成。
    CJF系列冲击反循环钻机
    工作原理 CJF系列冲击反循环钻机为双绳冲击、泵吸反循环排渣、钻头压岩角度自旋的冲击反循环工程钻机。
    CJF钻机工作原理是借助一定质量的钻头，通过自动提升一定的高度，周期性地冲击孔底，造成岩石的脆性破碎，出现崩离体而获取进尺。每冲击一次之后，钻头由钢丝绳提起，并变换一定角度，同时，利用泵吸反循环吸出岩屑，清洁孔底，减少重复破碎，从而保证钻孔园形断面的形成。
    碎岩机理是利用冲击载荷碎岩，钻头冲击点的接触应力瞬间可达极高值，应力较集中。虽然理论上岩石的动硬度比静压度大，但仍然可达极高值，极易产生裂纹，而且冲击速度越大，岩石的脆性也增大，更有利于裂隙发育。
    工作特点 该机主要应用于深桩基施工、大直径钻孔灌注桩施工以及地下连续墙施工；应用于基岩，尤其在卵砾石层和中硬岩地层中施工具有较高的钻进效率。参数选择合理，以机械传动为主，结构简单，布局紧凑，操作方便，性能稳定，标准化通用程度高，维修便利；钻头载荷质量大，行程大，频率高，能形成较大冲击功；反循环排渣工艺排渣效率高，碎岩效果较好。采用同步双筒卷扬机结构，钻头提升两根左右旋向钢丝绳能严格同步，利用压梁冲击，通过缓冲机构在往复工作中突然变化的冲击力吸收缓冲，以保证钻头的平衡起落，延长钢丝绳寿命，实现工作性能稳定可靠；同时，钻机设有液压步履结构，整机调整水平和多方位移位方便，省时省力，钻塔液压起落安全、平稳，组装方便。
    YCJF-20冲击反循环钻机
    主要机构 如图2所示，钻机的冲击动作由液压缸冲击机构来完成。该机构由特殊设计的液压缸和带有导向装置的冲击轮组组成，液压缸冲击机构安装在钻塔的上部，从液压动力站来的液压油进入冲击液压缸下腔，推动液压缸活塞杆上升并通过钢丝绳带动钻头上升，当达到预定高度时，用手动或自动控制使液压缸换向，液压缸下腔的液压油能快速排出，钻头带动液压缸活塞杆下落并冲击孔底。
    缓冲机构用来吸收液压缸冲击机构的冲击力和导正钻塔前后的钢丝绳，使钻塔垂直受力。其上设有传感器，当钻孔加深、钻头的冲击力不能完全使用在孔底时，传感器将发出信号，卷扬机将自动放绳给进。
    主、副卷扬机由液压马达驱动，工作速度可无级调整。主卷扬机用以提升或下放钻头，该卷扬机为双绳双卷筒，设有差动机构。在液压缸冲击机构工作时，卷扬机由抱闸抱死，在差动机构的作用下，可使两根钢丝绳的拉力保持平衡，以保证钻头不发生倾斜。副卷扬机用于提动排渣管。
    钻机性能特点 ①钻机为全液压传动，传动平稳，噪声低，功率消耗小，过载保护好，钻机质量轻。②该机实现了机、电、液一体化，自动冲击采用了单板微机控制，因此操作集中、方便、省力、可靠，可任意选择自动冲击或手动冲击，冲击行程、冲击频率可无级调整，能适应多种工况。③具有自动给进功能，在冲击过程中，根据冲击钻头进尺情况，可适时、适量自动放绳，能有效地提高钻进效率。④冲击方式独特，钻头能平稳提升，而冲击时由于液压缸下腔排油阻力非常小，同时活塞杆与钻头的行程有倍增关系，钻头以比活塞杆快近1倍的速度下落，所以钻头能以自由状态下落，冲击力大。因该钻机配备的钻头质量大，钻头工作平稳，所以能适应大口径施工，成孔质量好。在冲击工作中钻机运动件少，工作惯性小，因此钻机易损件少，工作寿命长。⑤配有液压步履，在施工现场可方便移位，液压步履与钻机可一体运输。⑥钻塔起、落为液压控制，平稳、安全、操作方便。