古詩詞大全網 - 成語故事 - 錨桿的成孔工藝

錨桿的成孔工藝

通常錨桿的成孔是錨固工程中費用最高和控制工期的作業,因而也是影響錨固工程經濟效益的主要因素。

錨桿的成孔應滿足設計要求的孔徑、長度和傾向,采用適宜的鉆孔方法確保精度,使其後續桿體插入和註漿作業能順利進行。

1.壹般要求

1)在鉆孔過程中,對錨固區段的位置和巖土分層厚度進行驗證,如計劃錨固地層過分軟弱,則要采取註漿加固或變更錨固地層。

2)根據不同的巖土條件,應選用不同的鉆機和鉆孔方法,以保證在桿體插入和註漿過程中孔壁不至於塌陷;鉆機直徑符合設計要求,以使孔壁不至於過分擾動。

3)鉆孔以清水為好,膨潤土懸濁液和泥漿水都會減弱錨桿的錨固力,應避免使用。鉆孔用水對周邊地基和錨固地層地基有不良影響時,應考慮無水鉆孔法。

4)錨固長度區段內的孔壁呈沈渣或粘土附著,會使錨桿錨固力下降,因此,要求清水充分清洗孔壁。

5)施工過程中若有地下水從鉆孔內流出,必要時采取註漿堵水,以防止錨固段漿液流出而影響錨桿的錨固力。

6)可采用透水試驗或從鉆孔送入水的回流情況判斷地層的透水強度。

7)對於滑坡整治和斜坡穩定等工程,鉆孔水會產生不良影響,可采用固結灌漿以改良地層,或采用無水鉆孔法。

2.鉆孔精度

鉆孔精度視結構物的重要程度和使用目的不同而有所不同,鈷孔過程中,應經常檢查鉆孔的準直度,壹般偏離鉆孔軸線的誤差為鉆孔長度的2%。

我國工程建設標準化協會編制的《土層錨桿設計與施工規範CECS-90)》規定:

1)鉆孔水平方向孔距誤差不應大於50mm,垂直方向孔距誤差不應大於100mm;

2)鉆孔底部的偏斜尺度不應大於錨桿長度的3%。

國際預應力混凝土協會(FIP)編制的《註漿錨桿規範(1982年)》提出的鉆孔精度如下:

1)鉆孔入口點的允許誤差為±75mm;

2)鉆孔入口點與軸線的傾角、水平角的允許誤差為±2.5°以下;

3)錨桿孔任何長度上偏離軸線的允許誤差不大於錨桿長度的1/30。

3.鉆孔機械

國內常用錨桿鉆機的類型及主要性能參數見表5-1。

表5-1 國內常用錨桿鉆機的主要性能參數

4.鉆孔方法

在錨固工程中所鉆進的巖土體絕大部分為軟弱土層和復雜破碎或堅硬不穩固地層,常常是在壹個鉆孔中出現幾種巖土層,因此,錨固工程施工成孔工藝較為復雜,往往采用綜合性成孔方法。目前常用的鉆進方法除常規正循環回轉鉆進外,大量使用的是長螺旋回轉鉆進、長螺旋沖擊回轉鉆進、風動沖擊器沖擊回轉鉆進、跟套管長螺旋回轉鉆進、跟管沖擊回轉鉆進、沖擊擠密鉆進和反循環沖擊回轉鉆進等鉆進方法。在軟土地層中,由於沖洗液循環時對孔壁的滲透作用,削弱了地層的抗剪強度,不利於錨桿的承載能力,而在硬巖石斜孔鉆進時,采用硬質合金鉆頭破碎巖石,效率低而成本增加,采用金剛石鉆頭破碎巖石時鉆頭壽命短,易產生偏斜,且成本高,所以,正循環回轉鉆進在錨固工程施工中不提倡使用。這裏介紹其他的鉆進成孔方法。

(1)長螺旋回轉鉆進

長螺旋回轉鉆進不使用沖洗介質,是在各類土層中成孔的優選方法。鉆進中土屑沿螺旋葉片在慣性離心力和向上推力作用下返出孔口。這種方法鉆進效率高,最高可達20m/h,操作簡單,要求設備功率低,轉速控制在50~80r/min之間,給進壓力小,深孔時利用鉆具回轉力和自身重力即可鉆進。無汙染、噪音小,是城市深基坑支護中土層錨桿施工成孔的主要方法。

(2)長螺旋沖擊回轉鉆進

長螺旋沖擊回轉鉆進是在土層中含有塊石、碎石或破碎的巖層中使用的成孔方法。它是將風動沖擊器安裝在長螺旋鉆桿的前端,利用風動沖擊器破碎孔內硬巖塊,而用螺旋葉片排除巖土屑。由於在土層中夾塊石、碎石時螺旋鉆進效率極低,且易發生孔內事故,而沖擊回轉鉆進時地層破碎而風量漏失後,上返氣流減少,攜帶巖粉屑能力降低,易造成埋鉆事故。將兩種方法結合起來,解決了硬巖破碎困難和排粉困難的雙重問題,由此提高成孔效率和施工質量。此種方法的技術參數只要滿足風動沖擊回轉鉆進的要求,就能滿足鉆進成孔的需要。為防止葉片在軟硬不均的地層中卡鉆,在軟地層前部,當硬巖層和軟地層厚度超過單根螺旋鉆桿長度時,慎用此法。

(3)沖擊回轉鉆進

在錨固工程施工中,多采用氣動沖擊回轉鉆進方法。沖擊回轉鉆進的主要優點是在硬巖層中成孔效率高,質量好,鉆孔偏斜小,成孔後洗孔時間短,施工工期容易保證。沖擊回轉鉆進的主要技術參數是風動沖擊器所需要的風壓、風量和轉數,給進壓力控制在10kN左右。鉆進過程中經常進行強力排粉,以達到孔內安全。所選用的風動沖擊器可根據設計的鉆孔直徑選擇。

(4)沖擊回轉擠密鉆進

沖擊回轉擠密鉆進方法主要是在軟弱土層中為了提高錨桿的承載能力,減小坍塌和孔內殘留鉆渣而使用的壹種新型成孔方法。將沖擊器安裝在鉆桿底部,沖擊器裝有特殊形狀的擠密鉆頭。鉆進時利用沖擊器的沖擊力將鉆頭擊入土層中,同時鉆機的給進力推動鉆頭壓入土層之中,並且在鉆機回轉力的作用下鉆頭轉動壹定角度對土層作剪切破碎,產生的土屑被沖擊力、給進壓力雙重作用擠到孔壁之中,並使土層結構破壞,排擠土顆粒間的結合水、孔隙水,土顆粒重新排列而密實,內聚力增加,抗剪強度增大,因此,增加了錨固體與土層的黏結力和摩擦阻力、增大錨桿的承載能力。

沖擊回轉擠密鉆進方法的優點是在鉆進中無巖屑,無汙染,鉆進效率高,成孔質量好,純鉆進時間利用率可達70%~80%。對於不同土層可適當調整給進壓力,鉆進過程中不需反復提拉鉆具。沖擊回轉擠密鉆具結構如圖5-8所示。

圖5-8 沖擊回轉擠密鉆具結構示意圖

(5)跟套管沖擊回轉鉆進

跟套管沖擊回轉鉆進成孔有3種方式:雙動力頭跟管鉆進、偏心鉆頭跟管鉆進和沖擊器跟管鉆進。在雙動力頭跟管鉆進時,地層為軟土或含碎石較小、較少時,小徑鉆具可用長螺旋鉆具;在硬巖層或含巖塊較大、較多時,多用沖擊回轉鉆具作為超前小徑鉆具。這裏主要以沖擊回轉鉆進為主進行介紹。

1)雙動力頭跟管鉆進:利用鉆機上的前動力頭和後動力頭同時回轉,同步進行跟套管護壁,套管內小徑鉆具破碎孔內巖土體,當鉆進至穩定的巖土層時,後動力頭停止轉動,並不再接套管,利用小壹級沖擊回轉鉆具鉆進至設計孔深,提出鉆具,下入錨拉桿後,起拔套管或邊灌漿邊起拔套管。雙動力頭跟管鉆進的鉆具結構如圖5-9所示。在雙動力頭跟管鉆進時必須註意:①套管必須是左螺紋連接,套管長度必須與單根鉆桿長度相匹配。②前動力頭和後動力頭的轉數要匹配,前動力頭為正向轉動,而後動力頭為反向回轉,兩者不同轉數過多時,易將套管螺紋反脫扣而造成孔內事故。③給進速度要同步,不然會造成小徑沖擊器空打或套管底部硬質合金鉆頭過早磨損。④套管最好選用內平式連接,底部鉆頭的內出刃應小於0.5mm或無內出刃,以免刮傷沖擊器。

圖5-9 雙動力頭跟套管鉆進的鉆具結構示意圖

2)偏心鉆頭跟套管鉆進:這是壹種用偏心鉆頭代替沖擊器下部的球齒型硬質合金鉆頭,在含碎石、卵礫石及破碎的硬巖層中鉆進成孔,代替雙動力頭跟套管鉆進成孔方法。潛孔錘跟管鉆進充分利用了風動沖擊潛孔錘高效率沖擊破碎巖石的優勢,在高效率碎巖鉆進的同時,同步跟入套管保護鉆孔孔壁,利用套管的剛性導向作用還可以抑制鉆孔彎曲,保證鉆孔的直線度。其工作原理是:鉆進時偏心式鉆具通過套管內孔中進入套管靴位置,當中心鉆具正轉時,偏心鉆頭在套管靴前順著回轉方向偏心張開,在潛孔錘驅動下鉆頭鉆出比套管外徑大的鉆孔。沖擊力同時還作用在套管底部的套管靴上,帶動套管與內部的小徑沖擊回轉鉆具同步前進,套管不回轉,沖擊器邊沖擊邊回轉,在破碎孔底巖土層的同時,用沖擊力帶動套管壹起進入孔內。此種方法只要有單動力頭鉆機即可,且偏心鉆頭只伸出套管靴底部150~200mm,不容易發生卡鉆事故。需要提出中心鉆具時,只要使中心鉆具反向扭轉壹定角度,偏心鉆頭便可以收攏,然後從套管內孔中提出。當到穩定地層後,提出小徑鉆具,將偏心鉆頭更換成普通鉆頭,繼續鉆進完成設計孔深,安裝好錨拉桿後,方可起拔套管。偏心鉆頭跟管鉆具結構如圖5-10所示。所用偏心鉆頭結構如圖5-11所示。導正花鍵軸壹端的花鍵直接與潛孔沖擊器相連接,另壹端的偏心孔與偏心鉆頭相配接,配接後的偏心鉆頭可繞導向花鍵軸上的偏心孔轉動壹定角度,轉動位置分別為偏心鉆頭的張開和收攏狀態。偏心鉆頭跟管鉆進時應註意:①組裝鉆具前必須仔細檢查偏心塊的活動程度、銷釘的完好度和軸的潤滑度。②套管必須采用左螺旋聯結,且內平。套管靴與鉆頭外徑是否匹配合理,能否使鉆具順利通過。③套管長度與單根鉆桿長度必須匹配,便於擰卸鉆具,增加純鉆進時間。④小徑鉆具下入套管內,鉆頭到達套管靴部位時,用人工反轉將鉆頭伸出套管靴到孔底,避免使用機械回轉。提升小徑鉆具前必須強風排渣,用人工反轉小徑鉆具,邊轉邊提,禁止用機械反轉回轉,防止將套管壹起轉動或螺紋脫扣。⑤套管在下入錨拉桿後起拔,可以在灌漿前起拔,或邊灌漿邊起拔。壹般孔壁不穩定地段為錨桿自由段,灌漿前起拔套管對錨桿承載能力影響不大。⑥選擇的套管應具有足夠的強度,最好用高頻淬火後的套管。

圖5-10 偏心鉆頭跟管鉆具結構示意圖

圖5-11 偏心鉆頭結構

3)沖擊器跟管鉆進:在無雙動力頭鉆機和偏心鉆頭的情況下,可以采用雙套沖擊器聯合使用進行跟管鉆進。這種方法適合於含碎石、塊石較小和較少的土層、松散的砂層、小礫石層和破碎帶地層使用。沖擊器跟管鉆進的鉆具結構如圖5-12所示。沖擊器跟管鉆進的操作較為復雜。首先將沖擊器與動力頭和套管連接,用沖擊器將套管打入地層進行開孔,當套管打入困難時,去掉沖擊器和套管接頭,下入小徑沖擊器鉆具,將套管內的巖屑全部排出後繼續鉆進3~5m;當排出巖渣困難時,將鉆具提升到套管底部0.2~0.3m位置,去掉超出套管上頭的鉆桿,並且用絲堵封閉鉆桿頭,將套管接頭、沖擊器接於動力頭上,送高壓空氣給進,將套管擊入到已有小孔的地層中;同樣當套管擊入困難時,去掉沖擊器及接頭,連接鉆桿,用小徑鉆具將套管內巖土屑排出後,繼續鉆進,反復上述工序,至穩定巖土層後,用小徑鉆具鉆至設計孔深,提出鉆具,下入錨拉桿,起拔套管。沖擊器跟管鉆進時要註意:①套管應采用厚壁,且強度要大,左螺紋聯結的內平式套管。②套管擊入時不能強力打擊,當進入困難時,可用人工轉動壹個角度或進行排渣及超前鉆孔。③鉆具在擊入套管時必須提至套管內,防止套管切削下的巖土屑埋住沖擊器而發生孔內事故。④套管上部鉆桿擰卸後,鉆桿頭必須封閉,以免臟物進入鉆桿內腔,堵塞沖擊器而無法工作。⑤超前鉆具鉆進時不宜過長,防止埋鉆。

圖5-12 沖擊器跟管鉆進的鉆具結構示意圖

5.錨桿孔的擴孔方法

為了增大錨桿的承載力,有時需要對鉆孔深處的端部進行擴孔處理。可通過專門的擴孔機具或在孔內放入少量炸藥進行擴孔,擴孔的方法有:機械擴孔、爆炸擴孔、水力擴孔和壓漿擴孔。

(1)機械擴孔

機械擴孔需用專門的擴孔裝置。該擴孔裝置是將壹種擴張式刀具置於壹魚雷形裝置中,這種擴張式刀具能通過機械方法隨著魚雷式裝置緩慢地旋轉而逐漸張開,直到所有切刀都完全張開完成擴孔為止。如英國Fondedile公司生產的壹種專門用於粘土層的擴孔設備,該設備能在鉆孔中同時形成幾個擴大的鈴狀體。該機械由壹系列鉸刀組成,操作時鉸刀能連續開啟,在孔中形成與擴孔點數量相同的串聯四邊形。與此同時,被鉸刀切削下來的破碎物料則通過沖洗水帶至鉆孔表面。

我國臺灣盧錫煥先生發明的保壯PCBA擴孔地錨,已在很多工程中應用,並積累了豐富的經驗,該擴大頭錨桿的構造如圖5-13所示。

機械擴孔方法適用於密實土和粘土的擴孔作業。

(2)爆炸擴孔

爆炸擴孔是把計算好的炸藥放入鉆孔內引爆,把土向四周擠壓形成球形擴大頭。此法壹般適用於砂性土。對粘性土,爆炸擴孔擾動大,易使土液化,有時反而使承載力降低。即使用於砂性土,也要防止擴孔塌落。爆炸擴孔在鉆孔灌註樁施工中已有成熟的經驗,但在錨桿施工中我國尚缺乏完整的經驗,在城市中采用要慎重。

(3)水力擴孔

水力擴孔在我國已成功地用於土層錨桿施工,用水力擴孔,當土層錨桿鉆進錨固段時,換上水力擴孔鉆頭,它是將合金鉆頭的頭端封住,只在中央留壹直徑為10mm的小孔,而在鉆頭側面按120°,與中心軸線夾角為45°開設三個直徑為10mm的射水孔。水力擴孔時,保持射水壓力為0.5~1.5MPa,鉆進速度為0.5m/min,用改裝過的直徑為150mm的合金鉆頭即可將鉆孔擴大為直徑200~300mm,如果鉆進速度再減小,鉆機直徑還可以增大。

圖5-13 擴大頭錨桿的構造

在飽和軟粘土地區用水力擴孔,如果孔內水位低,由於淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土本身呈軟塑或流塑狀態,易出現縮頸現象,甚至會出現卡鉆,使鉆桿提不出來。如果孔內保持必要的水位,鉆孔則不會產生塌孔。

壓漿擴孔在國外廣泛采用,但需用堵漿設施,我國多采用二次灌漿法來達到擴大錨固段直徑的目的。