冲击钻机与回转钻机在码头嵌岩斜桩施工中的应用_彭卫东

冲击钻机与回转钻机在码头嵌岩斜桩施工中的应用_彭卫东

冲击钻机与回转钻机在码头嵌岩斜桩施工中的应用_彭卫东

２００９年１２月

第６期总第１６４期中国港湾建设Dec.，２００９Ｔｏｔａｌ１６４，Ｎｏ．６ChinaHarbourEngineering

冲击钻机与回转钻机在码头嵌岩斜桩施工中的应用 彭卫东

（广州航海高等专科学校，广东广州５１０３３０）

摘要：对灌注型嵌岩直桩，施工工艺已较为成熟，而对于斜向嵌岩桩的施工，在国内采用冲击式钻机和回转式钻机施工均有成功的实例。文章从采用不同施工设备的角度介绍了斜向嵌岩桩的施工技术，并对它们的适应性进行了分析比较，最终根据分析比较结果提出了斜向嵌岩桩施工钻机的选择建议。

关键词：斜向嵌岩桩施工；冲击钻机成孔；回转钻机成孔；导向装置；钻头选择

中图分类号：Ｕ６５５．５４４．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００３－３６８８（２００９）０６－００５９－０４ ApplicationofPercussionDrillandRotaryDrillinthe ConstructionofDockRock-socketedObliquePiles PENGWei-dong

（GuangzhouMaritimeCollege，Guangzhou510330，China） Abstract：Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏ

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ｇｙｏｆｐｅｒｆｕｓｉｏｎｔｙｐｅｒｏｃｋ－ｅｍｂｅｄｄｅｄｖｅｒｔｉｃａｌｐｉｌｅｈａｓｂｅｅｎｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｍａｔｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｕｓｉｎｇｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌａｎｄｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌｆｏｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｏｂｌｉｑｕｅｒｏｃｋ－ｓｏｃｋｅｔｅｄｐｉｌｅｂｏｔｈｈａｖｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｅｘａｍｐｌｅｓｉｎＣｈｉｎａ．Ｆｒｏｍａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｏｂｌｉｑｕｅｒｏｃｋ－ｓｏｃｋｅｔｅｄｐｉｌｅｓ，ａｎａｌｙｚｅｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｉｒａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｆｏｒｃｈｏｏｓｉｎｇｄｒｉｌｌｓｉｎｏｂｌｉｑｕｅｒｏｃｋ－ｓｏｃｋｅｔｅｄｐｉｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．

Keywords：ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｏｂｌｉｑｕｅｒｏｃｋ－ｓｏｃｋｅｔｅｄｐｉｌｅ；ｐｏｒｅｆｏｒｍｅｄｂｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌ；ｐｏｒｅｆｏｒｍｅｄｂｙｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌ；ｇｕｉｄｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｂｉｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎ

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1引言

建造在风化岩地基上的高桩梁板码头，当基岩（中风码头管桩打设

化岩）埋藏较深且其上强风化层较薄，桩仅靠锤击沉桩， 不能到达足够深度满足承载力（抗压和抗拉）的要求或不 能满足桩的最浅入土深度要求，影响结构的稳定，此时采 用灌注型嵌岩桩是一种较好的处理方法。而对于斜向嵌岩 钢管桩或PHC管桩施工，在国内采用冲击式钻机和回转式 钻机施工均有成功的应用实例。本文主要从采用不同施工 设备的角度介绍斜向嵌岩桩的施工技术，并对其应用适应 性进行分析和比较。 2

3斜向嵌岩桩的施工工艺流程斜向嵌岩桩的施工基本流程图如图1。斜向嵌岩桩钻机的概况及选择

国内主要应用于施工的斜向嵌岩桩钻机的概况见表1。 收稿日期：２００９－０２－２３

作者简介：彭卫东（１９６８—），男，广东省罗定人，讲师，注册监理工程师，从事港航工程专业施工、监理、教学与科研工作。施工平台架设钻机就位钻孔、清渣钢筋笼安放清孔检查、下导管水下混凝土浇筑图1斜向嵌岩桩施工基本流程图 ·60· 表1

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型号IHI—L3BWIRTH—B6GPS-15/18CK1500/2000/2500 钻孔直径钻孔深钻头转速 /m2.02.01.51.8 /m405010080

350～10014～605～6次/min 扭矩309520/26

（/r·min-1）（/kN·m） 中国港湾建设嵌岩桩钻机性能表

主机动力钻岩效率主机重/kW14014030/37

（/m·h-1）0.2～0.40.2～0.50.15～0.40.2～0.4 /t14219

产地日本德国中国 配空压机 3

h-1）/MPa（m· ２００９年第６期 配水泵出水口径

/mm150泵2台150泵2台 备注回转顶置式回转顶置式 15/0.815/0.8

80泥浆泵1台回转立轴式80泥浆泵1台 冲击式

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9~10中国 3.12]

斜向嵌岩桩钻进成孔用的回转式钻机[1，或反吊钢套管套在PHC管桩上，再将承重钢牛腿焊在钢抱箍或反吊钢套管套上面。5 导向的选择

码头斜桩钻孔嵌岩施工中，钻具的自重将造成钻具下垂弯曲，使管桩轴线与嵌岩部位桩轴线不在一条直线上，使成孔质量不满足设计要求。另外，在自重的作用下，回转钻机钻斜孔易发生钻具连接螺纹折断和断钻杆的事故，给施工带来一系列的问题。为防止这种现象发生需用正确的导向装置。5.1 回转钻机的导向装置

回转钻机的导向装置主要是设置钻头导正器。对于嵌岩斜桩钻孔，钻头导正器起着导向和纠偏的作用，因它不能与管桩内壁产生太大的摩擦，一般在钻杆上每隔一段距离设置一个。

回转钻机的钻杆导正器根据钻孔的实际情况，可采用两种结构型式，一种是同步旋转导正器，由宽50~100cm的钢板制成圆筒形的导正器采用肋板结构与钻杆连接，导正器外圈上安装有滚轮；另一种是异步旋转导正器，导正器与钻杆是不同步旋转的，其结构为导正器中心轴两端与钻杆连接，中心轴上安装有止推轴承，导正器中心轴随钻杆转动，同样，导正器外圈亦安设有滚轮，正常情况下中心轴随钻杆转动，导正器不转动；当导正器中心轴发生轴承损坏或卡死时，导正器则随中心轴一起转动，即与同步旋转导正器工作状态相同，导正器

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外圈上的滚轮即与管桩内壁产生滚动摩擦。

上述两种导正器在工程上，以与钻杆同步旋转的较为成功，异步旋转的导正器因结构问题会出现卡钻的现象，在应用中需采取相应的预防应对措施。5.2冲击钻机的导向装置

冲击钻机斜桩施工，则是利用较长的钢管桩或PHC管桩作为嵌岩桩护筒，适当对冲锤进行改装，使外护筒在冲锤运动中起到导向的作用。

一种是采用十字锥形冲击锤加设硬轴杆固定滚动导向系统[4]，即硬轴杆采用准280mm、壁厚15mm的无缝钢管，4m一段分节加工，节间采用法兰连接；每节硬轴杆与采用型钢、钢板、圆钢、钢套等加工而成的导向盘连接，导向盘周边设置8个以上的滚动钢套；钻机工作钻进至少设置2个以上的导向盘，使冲击锤在工作时，导向盘与外护筒相互作用，起到导向的作用。这种形式的冲击钻成孔原理见冲击钻成孔示意图（图2）。

国内成功用于工程的实例有日本产IHI-L3B型顶置式钻机、德国产的WIRTH-B6和WIRTH-B12顶置式钻机以及国产GPS-15/18型系列立轴式钻机。

日本产IHI-L3型钻机、德国产的WIRTH-B6和WIRTH-B12钻机是斜桩、直桩施工两用钻机，其特点：（1）顶置式，即钻机安装在管桩桩顶，其全部重量由管桩承担，通过液压系统抱紧管桩，钻杆与桩孔易保证同心，对位精度较高；（2）主机重量较大，即使采用液压传动，动力部分以软油管联系主机分离，主机重量也在14~28t之间；（3）

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钢管桩桩顶需高出施工作业平台面1.5m左右；（4）钻机具有较大的扭矩，能有效切割和破碎岩石层，IHI-L3最大扭矩为30kN·m，WIRTH-B6为95kN·m；（5）可用油缸对钻头加压（IHI-L3达500kN，WIRTH-B6达800kN），提高钻进效率。

国产GPS-15/18型钻机已系列生产，扭矩20/26kN·m，钻机重量8~9t，重量由施工平台承担；但此类钻机是立轴钻机，钻杆、转盘的角度不能变换，需根据桩管斜度在应用前进行改装，以满足斜桩施工的需要[3]。3.2

斜向嵌岩桩钻进成孔用的冲击式钻机

国内用于斜桩工程的冲击式钻机有国产CK1500/2000/2500系列钻机，重量在8~13t，由施工平台承担，钻架高度约7m，主卷扬机额定拉力50~100kN，冲锤重量4~10t。工程实践中通过将冲击钻机的扒杆顶前移，使扒杆顶滑轮前边缘到钢管桩顶口中心连线的倾斜度与桩的倾斜度一致，来保证斜桩施工的要求。4 施工作业平台的架设

施工作业平台一般利用已打好的管桩作为支承基础。采用顶置式回转钻机施工时，施工作业平台是采用组合式平台搁置于焊接在钢管桩直桩（或采用钢抱箍形式）的钢牛腿而成，与斜桩没有联系[2]。桩机安装在斜桩桩顶，因其重量较大（IHI-L3为14t，WIRTH-B6为21t，WIRTH-B12达28）t为防止斜桩偏位，在斜桩与直桩之间加焊支撑槽钢，并同时用多个手拉葫芦将钻机拴在中间排的直桩上，以保证钻机成孔时的稳定性。

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采用GPS-15/18型系列回转改装钻机和CK1500/2000/2500系列冲击式钻机施工时，因钻机的重量均由施工平台承担，施工作业平台相对简单，除斜桩与直桩进行夹桩加固外，可将施工组合式平台搁置于焊接在钢管桩上的钢牛腿上；当基桩为PHC管桩时，则利用预先加工好的钢抱箍

２００９年第６期彭卫东，等：冲击钻机与回转钻机在码头嵌岩斜桩施工中的应用 ·61·

有一定的旋转，保证成孔质量，并可起到配重的作用，从而加大冲锤的重量。

冲击钻缆绳管桩导向盘导向杆连接法兰 7钻机的改装与加固

顶置式回转钻机不需改装，CK1500/2000/2500系列冲 击钻机只需调整桩架的倾向角，并适当地进行加固即可。 GPS-15/18型系列回转钻机为立轴钻机，立轴钻杆、转 5]

盘的角度不能变换，需将[3，钻机底座、钢质座垫与施工平 台焊接固定，使底座、钻塔、转盘和立轴钻杆与水平的施 冲击钻钻头

工作业平台形成一个角度以满足斜桩施工的需要。钻机底座加座垫后，整个钻机都向后仰起相应的角度，对上下钻具、强力起拔等操作增加了风险，为确保安全，用安装钢管斜支撑附腿，用铰链方式连

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接，一端固定在钻塔相应的高度位置，另一端固定在钻机底座上。这样增加了钻塔的稳定性和承载力。

钻塔向后仰起后，游动滑车在升降时，由于立轴钻杆是斜的，钻杆平衡杆对滑道压力增大。为使游动滑车移动平顺和降低滑道压力，在钻塔顶部和钻机底座前部焊上连接环，两端固定钢丝绳，游动滑车和钢丝绳之间用小滑车连接，钢丝绳一方面对游动滑车进行导正，保证游动滑车的落点位置，另一方面可适当降低立轴钻杆对滑道的压 冲击锤缆绳

图2十字锤冲击钻成孔斜桩示意图

另一种是用钢板、钻齿等重新制作圆筒型的冲击锤，以其上的圆筒与外护筒相互作用作为导向系统。制作圆筒导向冲锤最大长度的依据是桩机机架高度及起重能力的限制，同时考虑导向的正确性和防止卡钻，导向冲锤须有不小于1.5m的长度留设在护筒内。筒型导向锤冲击钻成孔原理见冲击钻成孔示意图（图3）。 力。8

施工作业的流程

斜桩嵌岩桩施工流程如前所述。施工过程应重点注意 ＞150 0mm 钢管桩 以下环节。8.1 钻机就位

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斜桩嵌岩桩施工时，钻机及其相关的操作过程均需在 嵌岩桩入岩部分 冲击导向筒锤冲击锤齿

施工平台上作业、移动，钻机重量均较大，除冲击钻机可在施工平台上自行小范围移动外，其他两种钻机上平台就位时均需要起重船或起重机进行吊装就位。经过起重设备进行粗就位后，需在测量工的协助下，利用钻机自身的移架设备进行精确定位，以达到设计要求。8.2

钻孔清碴

顶置式或立轴式回转钻机施工时，用常规的压缩空气射流气举反循环或水射流反循环法清碴。当钻孔采用清水钻进时，用水射流反循环法在施工中清碴，效果不错。

冲孔钻机施工时，由于钻机的钻头形状长度的不同，常规的捞渣工艺不一定适用；用十字锥形冲击锤加设硬轴杆固定滚动导向系统施工时，则采用泥浆循环工艺，利用冲击锤与硬轴杆刚性连接，导向杆可以作为导管使用，清渣时只需接好反循环设备就可完成清孔工作[4]。钢板、钻齿等重新制作圆筒型的导向筒冲击锤施工时，则需另设置泥浆反循环管路；冲击锤在循环泥浆中适当小幅度反复提锤，使泥浆能更好地裹携沉渣，清孔效果更好。

当钻具提升、下钢筋笼后，仍需采用反循环法进行清孔，以保证施工质量达到有关规范的要求。8.3 钻具的提取与上拔

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顶置式或立轴式回转钻机施工时，因设置了钻头导正器和在钻头处设置了钢板或钢筋防挂圈，增大了钻杆及钻 图3 66.1

筒型冲击钻成孔斜桩示意图 钻头的选择与改装回转钻机钻头

采用回转钻机时，根据使用经验，对于中、微风化岩

层，宜采用牙轮滚刀式或菠萝球齿滚刀式钻头。在斜桩钢管内嵌岩、成孔，当钻具钻进通过钢管底部后，提钻时钻具凸台有可能挂住钢管底部，造成钻具拉不动或卡钻的事故。为了防止发生这类事故，钻具一般要进行适当地改进：将钻具在提钻时有可能挂住钢管底部的部位用钢板焊接斜边状的防挂圈，并焊防挂筋板。防挂圈钢板厚10~12mm，宽100mm，角度为60°。6.2 冲击钻机钻头

采用冲击钻机时，冲锤重量和尺寸一般根据桩机的起重能力和桩架尺寸来确定。但在冲锤改制锤上加设硬轴杆固定滚动导向系统的导向盘应有足够的刚度，制作时用型钢加工；采用导向筒锤时，应在导向筒外侧加焊螺旋形的钢筋，以减少冲击时摩擦力的作用和使冲锤在施工过程中 ·62·

中国港湾建设２００９年第６期

头部份的重量，故在提拔钻头时，需考虑钻机钻具提拔时所需的

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上拔力，必要时，可采用穿心式千斤顶进行提拔[2]。

采用冲击式钻机作业时，由于钻具重量及长度较大，需根据具体的情况，采用钻机自提升或起重船协助提拔钻具。8.4 吊放钢筋笼

由于钢筋笼的长度较大，且与管桩有较大的接触面，故需采用起重船进行钢筋笼的吊装安放。另外，在设置钢筋保护层时，采用与嵌岩桩混凝土同标号的水泥砂浆制作的中间带孔的车轮状保护层垫块，当钢筋笼吊放时，垫块与管桩进行滚动磨擦，以使钢筋笼顺利安装到位。8.5

水下混凝土的浇注

嵌岩灌注斜桩浇注水下混凝土时，不同于直桩，浇注混凝土导管因自重作用而会偏向下方，应采用导管锥鼓形导向定位器，以保证浇注导管下放到桩底，防止导管卡在钢筋笼上，以保证顺利地进行施工。9

三种施工工艺的适用与比较

（1）从工程应用的效果来看，顶置式回转钻机作为嵌岩斜桩的专用钻机，采用液压驱动，施工作业时与管桩连接成一体，钻机与桩的轴线对中性较好，有较大的钻进压力和扭矩，采用改进后的钻头钻杆稳定器后，有着较高的钻进效率[2]，对于强风化岩层和中风化岩层，一般是0.5～1.0m/h，在裂隙较发育且有破碎的地层最高曾达到5m/h，而对于微风化及新鲜岩层，一般为0.2～0.4m/h，在个别特别硬质的岩层中也有0.1～0.2m/h左右，从就位完毕到1根嵌岩斜桩钻

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成孔，一般在24h以内。但该型钻机国内尚未定型生产，需在国内专门订制或从国外购进，1台设备需上百万资金，一次性投入较大，且顶置式回转钻机自重较大，其就位需起重设备辅助，只适用于护筒结构承载能力较大、稳定余度较高、施工场地较大且作业范围有较大起重设备的桩基的施工，限制了该型钻机的适用范围和进一步的推广应用。

（2）GPS-15/18型系列回转立轴式回转钻机在嵌岩斜桩的施工应用有较大的优势：该类钻机在国内已定型生产，社会保有量大，钻机的应用适应性较广，单台设备的购置费较顶置钻机低；该类钻机可以对钻杆钻头施加一定的钻进压力和具有较大的扭矩，钻进速度较快；用加设钻机底座钢质座垫方式改装的钻机底盘及经加固后的钻架，可以适应嵌岩斜桩的施工要求。但机架底盘改装后，移动需要起重设施进行协助，且当一个工程中嵌岩斜桩设计斜度有多种情况时，需设置多种改装类型，增大了钻机改装的工作量。当嵌岩斜桩斜度较大时，钻塔后仰会对钻机上下钻

具、强力起拔等操作增加了风险，对钻机的安全操作及钻机的稳定性产生一定的不利影响，故需将钻机底盘与施工平台焊接固定，这样在钻机移动时亦带来一定的不便。

采用回转式钻机进行嵌岩斜桩施工时，需正确的配置钻杆的导向装置，斜桩嵌岩部份可超出管桩底部10~12m。

（3）用CK1500/2000/2500系列冲击式钻机施工时，钻机底盘不需进行大的改动，且单台钻机的采购成本相对较低，电力的需要量相

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对较小，采用7t重锤施工时，对于微风化及新鲜岩层，钻进速度一般为0.2～0.4m/h，施工作业操作较易，钻机可以在施工平台内依靠其自身的设备进行微调移动，钻机的适应性较好。但是用冲击式钻机需对钻头进行改进甚至重新设计制作，受钻机起重能力及钻架高度的限制，导向冲锤长度有限，对地质突变的适应性较差，斜桩嵌岩部份超出管桩底部大于6.5m时，需采取其他施工技术手段进行施工。10 结语

采用顶置式或立轴式回转钻机和冲击式钻机对嵌岩钢管（PHC管桩）斜桩进行嵌岩施工，均需考虑钻机吊装就位的起重能力、施工平台的承载能力及钻杆钻头稳定器（导向筒）与管桩磨擦损耗的问题，根据已实施的成功实例，建议：

）选用钻机时，在保证施工质量与进度的前提下，（1

结合施工单位现有的机械设备，尽可能采用自重轻的设备，以降低对施工起重设备、施工平台等辅助设施的要求。

（2）钢管嵌岩斜桩在设计阶段进行壁厚选择时，应适当考虑钻头及稳定导向器（导向筒）在钻进时对管桩的磨耗。

（3）PHC管桩因工艺原因，在管内腔有一定的浮浆存在，导致内径变小，影响钻机钻进作业，故沉桩前应对PHC管桩进行检查、选择，或采用小规格的导向器，以防出现卡钻。

（4）采用PHC管桩作为嵌岩斜桩，施工时，优先采用回转式钻机，尽可能不用冲击式钻进行施工作业。参考文献： [1]JTJ285-2000，海港工程嵌岩桩设计与施工规范[S].

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1999，（5）：[2]陈颂潮.海上嵌岩灌注桩施工技术[J].中国港湾建设， 41-46.

[3]李兴宇.大口径钢管斜桩嵌岩施工技术与措施[J].探矿工程， 2004，（6）：16-18.[4]

刘忠友，王振红.冲击钻在斜孔嵌岩钻孔中的开发利用[J].水运工程，2007，（12）：131-134.

[5]宋健东.PHC管桩斜桩嵌岩桩施工技术与措施[J].水运工程， 2008，（1）：106-108.

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