潜孔锤组合钻具凿岩成孔工法的优化研究(陈晋华)第三版doc资料

潜孔锤组合钻具凿岩成孔工法的优化研究(陈晋华)第三版一、问题的提出风动式潜孔锤凿岩成孔技术很早就被广泛应用于矿区开采、凿岩钻孔、小直径桩基引孔、场地勘察、岩层加固、山体边坡及基坑支护锚固、特殊的地下钻进以及地热井钻进等领域。但早期的潜孔锤成孔技术局限于配套设备单一,直径小，稳定性差，直径一般都在Ф110㎜～Ф250㎜之间，深度也受到机械设备落后的限制。远远不能满足现代发展的需求和高层建筑以及其它特殊工程领域桩基础的需求。现状改革开放以来，广东各地乃至于全国大量采用埋入式管桩和嵌岩桩作为桩基础，但若遇上粒径大、层位厚的卵砾石层、炸山填海地层、坚硬地层、基岩地层、夹层多而厚以及灰岩各类复杂地层，锤击灌注桩、长螺旋CFG嵌岩桩，尤其是埋入式预制管桩基础都无法穿过或嵌入岩层内。存在问题这无疑影响了各类桩基础的应用与发挥，存在一定的局限性，不能满足设计所需要的要求；很大程度桎梏了桩基础的广泛运用与发展空间。研究大直径潜孔锤凿岩引孔和嵌岩深度，攻克其技术难关，让大直径嵌岩桩最大限度的发挥其优势，满足和适应于市场的需求，显得十分的必要。二、潜孔锤组合钻具凿岩成孔技术的形成二、潜孔锤组合钻具凿岩成孔技术的形成无论是土层岩层钻井成孔，较普遍的一般作法是“研磨、克取、冲击凿岩”三种。研磨、克取的方法在较软的土、岩层应用较多，硬岩层就显得极其困难，效率极低。我公司为顺应市场，根据当时工程领域的现状以及桩基础施工的需要，从2003年开始利用原有的机械设备，采用步履或履带式多功能打桩机（旋挖钻机）与大直径潜孔锤组合嵌岩引孔技术，在施工实践中不断摸索探讨，不断的改进，积累了一套较为成熟的大直径垂直凿岩深孔嵌岩引孔作业技术，解决了桩基础需要穿透大粒径、不规则块石、漂石、孤石以及卵砾石等复杂地层的嵌岩引孔技术难题。成孔方法分类我们的创新：1、多功能打桩机2、钻杆3、冲击器（潜孔锤）创新探索利用原有的多功能打桩机（旋挖钻机）能减少投入，降低成本，一机多用，其优点在于灵活性好，机体可360度回转，起拔力大，电动、液压双配套，机架高，不用拆换钻具就能一次性满足深孔作业，行走灵活方便，适应性强，稳定性好，加减压装置简便可调；特别是该机配备的大扭矩动力头，回转速度平稳适中，输出扭矩功率大，始终保持良好的工作性能。1、多功能打桩机

在钻杆选择上是根据不同的地层条件、不同的岩层硬软、不同的作业条件，不同的孔径和深度，选择不同的钻杆、杆衣。分别有：单管、双管、三管以及跟管。连接都采用内六方快速接头连接。六方快速接头连接，其优点是稳定性好，连接速度快，垂直度有保障，抗扭矩力强。2、钻杆

我们采用的都是单管单动的潜孔锤（相对价格低，操作简便，事故率低，本地适应范围广），直径由Φ300㎜～Φ800㎜不等。3、冲击器（潜孔锤）随着国内外潜孔锤生产厂家产品技术的不断提高与成熟，产品的多样化，无疑给施工单位提供了选择产品和比较产品的便利与空间。选择高、中、低压的潜孔锤，完全取决于不同的地层条件、不同的软硬岩层、不同的作业条件，不同的孔径和深度，根据需要选择不同的潜孔锤。

选择配备高、中、低压的空压机也同样是要根据不同的地层条件、不同的岩层硬软、不同的作业条件，不同的孔径和深度，选择不同型号的空压机。4、空压机潜孔锤合理组合钻具凿岩成孔技术，真正要做到安全、保质、高效、低耗，全面的对付复杂多变的地层，除了以上提到的几个设备器具组合方面以外，十分重要的还有施工技术参数的合理确定。如施工设备型号的选定，组合钻具和冲击器的选型配套，还有风压、风量，转速、钻压等等一系列的指导性技术参数。

怎么样才能最大可能的做出合理的选择呢？多年来，我们致力于这一方面的研究与探讨，领导层“热爱劳动”，经常下工地，科学理论与实践相结合研究处理发现遇到的难题，在长期的施工实践中也积累了宝贵经验，在不同的地层条件、不同的软硬岩层、不同的作业条件，不同的孔径和深度，我们都有新的突破。三、潜孔锤组合钻具凿岩成孔技术的优化设计潜孔锤凿岩成孔技术发展至今天已非常成熟，但普及范围并非很广，不尽人意。就其快速高效凿岩成孔方面，到目前为止，还没有任何机械器具和工法能替代于它。但不能回避的是其施工成本很高。换句话说：“技术成熟，成本高而市场小”。成本高是因为柴油消耗量很大（若使用两台1070型高风压机，每小时耗柴油160升～200升），潜孔锤及钻具售价偏高（尤其是进口的），还有空压机租赁费用高。因此，成本高就意味着施工收费高，令很多项目望而却步，宁慢而选择省钱。这不仅影响了该项技术的发展，更谈不上该项技术的广泛推广。解决的办法只有一个，那就是：降低成本！

直径逐步扩大碳酸盐地区风化层厚度不均风化岩成孔炸山块石填土层岩石夹层风化孤石卵砾石层成本降低降低成本要从两个方面着手：1、潜孔锤组合钻具凿岩成孔技术的理论优化设计；2、优化简捷施工流程与方法。

降低成本的尝试和探索1、潜孔锤组合钻具凿岩成孔技术的优化设计使用ANSYSDesignModeler模块对PTCCreo模型进行处理，分别生成用于流体分析和结构分析的三维仿真模型。

模型被导入Meshing进行网格划分，分别得到流体、结构分析所用的网格模型。计算等比例应力幅值作用下长螺旋桩机潜孔锤的疲劳寿命特性。

利用流-固耦合的方法导入CFD流场分析结果，以考虑内-外壁面风压分布不均的影响，同时加载一定的转矩和实际的约束条件，计算转矩、内外风压共同作用下长螺旋桩机潜孔锤的整体响应。

用PTCCreo建立钻杆和钻头的三维CAD几何模型。

钻头壁面静压分布

工作状态：空气入口（引孔）压力分别为0.8MPa、1.2MPa、1.8MPa，钻机转速为23r/min分析钻头壁面静压分布情况钻头附近流道纵截面空气速度分布钻杆内螺旋区域壁面静压分布

钻杆内螺旋区域壁面静压分布钻头附近流道流线分布

钻头附近速度矢量和流道流线分布此项研究决定出渣能力钻杆内螺旋区域流线图500mm潜孔锤系统流-固耦合分析过程ANSYS模拟研究分两部分800mm潜孔锤系统流-固耦合分析过程ANSYS模拟研究分两部分

长螺旋桩机潜孔锤机械系统钻头等效变形

长螺旋桩机潜孔锤机械系统中钻头、底部套管以及前段潜孔锤驱动装置的变形量均在1mm以下。（其中钻头：0.0165mm，潜孔锤系统：0.0935mm）长螺旋桩机潜孔锤（500mm）机械系统钻头等效变形有、无杆衣的工况模拟有、无杆衣的工况模拟长螺旋桩机潜孔锤机械系统等效应力

长螺旋桩机潜孔锤机械系统的应力分布较为连续，最大应力发生在中部变形量最大的钻杆与其上部钻杆连接的位置，最大应力约为144MPa，远远小于一般结构钢的应力屈服极限（235MPa）。因此，整个系统不会因为单次的载荷加载而发生破坏，其主要的破坏还是由于实际运行过程中的疲劳累计引起。长螺旋桩机潜孔锤机械系统等效应力压力为1.8MPa无杆衣的计算结果

无杆衣长螺旋桩机潜孔锤机械系统在入口风压为1.8MPa，转速为23r/min，转矩为48kN.m的作用下整体发生了变形，最大变形量发生在整机中部钻杆位置，最大等效变形量约为78mm，其中主要的变形趋势在水平方向，符合实际长螺旋桩机潜孔锤机械系统的变形趋势；压力为1.8MPa无杆衣的计算结果2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果（方法与500相同）（1）带杆衣的长螺旋桩机潜孔锤机械系统入口分别为1.8MPa、1.2MPa、0.8MPa的风压，其在钻杆内部压力损失较小，基本能保持原有压力。但是在钻头部分因为存在弯曲流道的问题，导致风压下降的比较厉害；2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果（2）带杆衣的长螺旋桩机潜孔锤机械系统在考虑内-外壁面流体压力、转速、转矩作用下，最大变形量分别约为21.485mm、15mm、10.743mm，最大应力分别约为60MPa、59.23MPa、59.4MPa。这样的应力峰值不可能导致结构在一次运行中发生破坏，因此需要对整个系统进行疲劳寿命及安全性分析；长螺旋桩机潜孔锤机械系统第3根钻杆等效应力2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果（3）带杆衣的长螺旋桩机潜孔锤机械系统在进行疲劳寿命分析，可以发现在钻头配合处和静力分析变形量最大的钻杆位置，最小的安全系数约为1.45，这个数值已经大于工程中一般要求的安全系数（1.2~1.4）；2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果（4）无杆衣的长螺旋桩机潜孔锤机械系统在入口分别为1.8MPa、1.2MPa、0.8MPa的风压下，最大变形量分别约为89mm、62.69mm、44.78mm，最大应力分别约为109MPa、109MPa、110MPa。2.800mm潜孔锤系统流-固耦合分析结果

流体压力对长螺旋潜孔锤钻进效果的影响

流体压力(MPa)0.81.21.8最大应力(MPa)143144144最大等效变形量(钻杆中部)(mm)18.220.7828.16钻头变形(mm)<0.0010.0040.0165潜孔锤系统(mm)<0.0010.0300.0935直径对长螺旋潜孔锤钻进效果的影响直径有杆衣时应力（MPa）无杆衣时应力（MPa有杆衣时应变（mm）无杆衣时应变（mm）500mm1443452878800mm601092189直径对长螺旋潜孔锤钻进效果的影响杆衣对长螺旋潜孔锤系统的变形量的影响(孔径800mm)风压杆衣设置1.8MPa1.2MPa0.8MPa无杆衣时系统的变形（mm）89.0062.6944.78有杆衣时系统的变形（mm）21.4815.0010.74杆衣对长螺旋潜孔锤系统的变形量的影响(孔径800mm)

杆衣对长螺旋潜孔锤系统的应力的影响

(孔径800mm)风压杆衣设置1.8MPa1.2MPa0.8MPa无杆衣时系统的应力（MPa）109109110有杆衣时系统的应力（MPa）6059.2359.4杆衣对长螺旋潜孔锤系统的应力的影响(孔径800mm)常言道：“工欲善其事，必先利其器。”指的是想做好一件事，首先要将自己最好的工具准备好。潜孔锤组合钻具凿岩成孔这一技术，目前在国内各地都在一定范围内使用。据我们的了解，使用的设备有别，器具不一，方法各异，技术参数的确定有很大程度上的盲目性和随意性，由没有通过专业培训的普通工人自由发挥，土层岩层同一气压和风量完成。很大程度上存在不必要的能源浪费和求大求全的现象。2、优化简捷施工流程与方法设备器具的组合选型不一定要追求“原装原配，或进口的洋枪洋炮”。在保证安全的前题下，采用“土枪土炮或小米加步枪”，同样起到快速成孔的效果。例如我们使用的设备就是原有的长螺旋钻机，根据地层岩性，直径500mm～600mm的引孔完全可以采用中风压空压机和中风压潜孔锤。这一配备及做法无疑降低了很大的成本。再比如，在使用双台高风压空压机的同时，土层完全可以先开动单台送风，到岩层后再起动第二台凿岩，同样能大幅度降低成本。还有是潜孔锤的维护与保养。购置大直径高风压潜孔捶价格很高（进口的更高），且有使用时限的限制。维护与保养得好，做到合理使用，按出厂说明书中规定加入润滑油，当然会延长使用时限，延长了使用时限，也就降低了成本。还有要说明的是钻杆的选用和配备。简单的说，能用单管的为什么要用双管？能用双管的为什么要用跟管？显然越是简单的成本就越低。（一）工程实例：广东省惠州市大亚湾中海壳牌A地块部分桩基础引孔工程。设计单位:中石化设计院。检测单位:广东省建筑工程质量检测中心。施工日期：（1）2003、06月（2）2005、08月。完成引孔工作量：（1）9863m；（2）10886m。日平均完成工作量：210m。引孔孔径：Φ480㎜～Φ580㎜。地层情况:炸山填海地层，石块大小不一，硬度形状各异，填海厚度：12m～23m经过强夯。四、工程实例桩基参数:Φ500㎜～Φ600㎜桩；设计埋入式管桩长19m～25m，引孔深度：13m～23m。检测情况:合格率100%。广东省惠州市大亚湾中海壳牌A地块基础引孔工程设计单位：清远市建筑设计院检测单位：清远市建筑工程质检中心施工日期：2005年12月～2006年01月。完成引孔工作量：6863m单机日平均完成工作量：230m。工程实例2：广东清新财政局综合大楼工程引孔孔径：Φ380㎜～Φ480㎜。地层情况：卵砾砂层6m～18m,见石灰岩层深度：8m～23m，地下水位1m。粒径大于30㎝的卵砾砂层占45%，地层中有不规则的漂石，最大有80㎝以上。桩基参数:Φ400㎜～Φ500㎜桩，设计长螺旋CFG桩，桩长12m～25m。引孔深度：12m～25m。检测情况:合格率100%。工程实例2：广东清新财政局综合大楼工程Page

42工程实例3：连州市现代国际广场建筑概况建筑物规模：1#~7#楼为30层高层建筑，地下为二层地下室；最大单柱荷载预计在15000kN。

地质条件地基为山区岩土混合地基，石灰岩出露浅，第四层覆盖层薄，岩溶等不良地质作用发育，选用中风化（破碎岩）灰岩或微风化灰岩为基础持力层

嵌岩桩冲孔嵌岩桩应嵌入微风化灰岩全岩面不少于0.5m，且桩底必须有3d或不少于5m的完整基岩持力层。

微风化灰岩层面标高等值线图地基中溶洞分布平面图连州市现代国际广场地质条件Page

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46连州市现代国际广场潜孔锤施工现场Page

47工程实例4：湛江钢铁工程（30层）建筑概况建筑物规模：1#~7#楼为30层高层建筑，地下为二层地下室；最大单柱荷载预计在15000kN。

地质条件上部4-14米含块石杂填土、淤泥，覆盖层下有1-5米厚破碎玄武岩，下部软塑、可塑、硬塑粘性土。试验桩采用800mm灌注桩，或600mm管桩，分别进行试桩。湛江钢铁Page

48施工现场工程实例5：中石化茂名聚丙烯装置项目建筑概况聚丙烯项目，工程占地面积约130.00×251.50m2，拟建建(构)筑物有聚合反应框架、丙烯精制框架、压缩机、其它框架及设备、挤压造粒厂房等。地质条件场地钻孔揭露的地基土岩层自上而下有第四系人工填土层、残积层、寒武纪变质岩等，局部含强风化碎块或大块孤石。嵌岩桩长螺旋嵌岩灌注桩茂名聚丙烯全风化层顶板标高等值线图茂名聚丙烯成桩钻进效果茂名聚丙烯成桩效果检验1#单桩抗压载荷试验Page

54工程实例6：清远市碧海云天花园工程（28层）地质概况石灰岩地区，覆盖层7-15m，长螺旋素砼桩复合地基承载力