大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法与流程

1.本发明专利涉及桩基础施工技术领域，具体而言，涉及大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法。


背景技术：

2.目前桩基工程中，大多采用泥浆护壁+旋挖钻机成孔的方法施工工程桩。在桩身下部需要嵌岩的工程桩施工同样如此，如所施工的钻孔灌注桩上部为土层，下部为坚硬的岩石，钻进时则一般拌制泥浆进行护壁，然后采用旋挖钻机安装牙轮筒钻在岩石内研磨钻进取芯的工艺进行成孔。由于一般岩石强度较高，比如常见的花岗岩，无侧限抗压强度普遍在80
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150mpa之间，采用硬质合金牙轮钻头在坚硬岩石内研磨取芯，所以钻进效率极其低下，如一般直径1.8m的嵌岩钻孔灌注桩，采用旋挖钻机安装牙轮钻头在坚硬岩石内研磨1m深度，要花整整2
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3天的时间，且耗用的柴油惊人，施工成本极高。
3.但是受制于现有机械制造工艺，目前采用潜孔锤在岩石内可施工的最大孔径一般在1000mm以下，因为更大直径的潜孔锤需要更大的高压空气才能驱动冲击器活塞，因此一般采用气动潜孔锤施工直径600mm以上的孔径时，需要至少3台大功率空压机相互并联来供应压缩空气，要施工直径1000mm的孔径需要更多的空压机并联才能供应可以驱动冲击器活塞所需要的空气，空压机越多，则施工每米的耗油量越大，施工成本越高；由于桩孔的孔径过大，空压机通过钻杆送入桩孔底部的高压空气在钻杆外侧上返过程中，因为桩孔孔径过大，难以产生较大的向上的浮力，难以将较大颗粒的岩屑吹出孔外，导致难以继续向下冲击成孔施工。
4.针对以上问题，本发明提出了大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法，该施工方法利用多个不同口径小直径潜孔锤在坚硬岩石内快速冲击成孔，形成中心一个较大孔径，周边环状分布的多个较小孔径，然后通过在周边小孔内置入气体致裂筒，通过二氧化碳气体致裂工艺将岩石破碎，最终达到成孔的目的，相比传统的旋挖嵌岩牙轮钻头研磨的岩层成孔方式，该方法施工效率极高，且施工成本较低，解决了背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法，包括以下施工步骤：
7.s100：采用旋挖钻机配置捞砂钻头开始在土层内钻进成孔，旋挖钻机捞砂钻头进至土岩界面附近，即钻进至坚硬岩石顶部停止钻进；
8.s200：旋挖钻机拆卸土层捞砂钻头，安装组合式潜孔锤，并在钻杆上接通空压机，启动空压机，驱动潜孔锤内的活塞往复运动冲击锤头击打并破碎岩石，经过潜孔锤钻头的剩余空气从潜孔锤钻头底部进入泥浆；
9.s300：除了桩孔的中心大孔以外，在所有周边小孔内，每个周边小孔置入一根水下
二氧化碳气体致裂筒，致裂筒顶端的导线全部引出到孔外连接电源；
10.s400：接通电源，二氧化碳气体致裂筒加热，周边小孔内的致裂筒因筒内气体膨胀而破裂，气体膨胀力爆发将周边小孔至中心大孔之间的岩石爆破碎裂；
11.s500：旋挖钻机更换入岩牙轮筒钻在岩石范围内旋转钻进；
12.s600：旋挖钻机更换捞砂斗钻头将孔底岩石碎块取出桩孔。
13.进一步地，针对步骤s200中的施工步骤如下：
14.s201：启动空压机，空压机产生的高压空气通过钻杆中心的总送风管到达组合式潜孔锤顶部，再通过各个分送风管到达潜孔锤，驱动潜孔锤内的活塞往复运动冲击锤头击打并破碎岩石；
15.s202：组合式潜孔锤冲击破碎岩石，将岩石破碎为较小颗粒的岩屑，岩屑在泥浆的桩孔内与泥浆混合在一起；
16.s203：经过潜孔锤的剩余空气从潜孔锤钻头底部进入泥浆，形成大量气泡，由于气泡密度小于泥浆，因此在泥浆内迅速上浮，进而携带泥浆和岩屑混合物上升而流出桩孔；
17.s204：采用组合式潜孔锤每次冲击钻进深度在2～3m左右，然后提出组合式潜孔锤。
18.进一步地，针对步骤s204中，若每次潜孔锤钻进2
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3m深度后仍未达到设计深度，则旋挖钻机继续更换组合式潜孔锤继续钻进，并植入气体致裂筒破裂岩石，再分别用入岩牙轮筒钻修整桩孔孔壁，再用捞砂斗取出岩石碎块。
19.进一步地，潜孔锤钻头包括上接头和安装在上接头下端的外壳，外壳的内部安装有活塞，钻杆的内部设置有总送风管，总送风管的下端设置有分送风管，钻杆的下端安装有中心大口径潜孔锤和安装在中心大口径潜孔锤外表面的周边小口径潜孔锤，中心大口径潜孔锤和周边小口径潜孔锤组成为组合式潜孔锤，中心大口径潜孔锤和周边小口径潜孔锤依靠上部钢板连接在一起，上部钻杆中心位置的总送风管在组合式潜孔锤顶部与多个分送风管相连接，钻杆的内部设置有排渣口。
20.进一步地，中心大口径潜孔锤和周边小口径潜孔锤的底端均安装有硬合金齿。
21.进一步地，中心大口径潜孔锤的直径为500～600mm，周边小口径潜孔锤的直径为150～250mm。
22.进一步地，地面结构包括上层段和处于上层段下端的嵌岩段，上层段为土层结构，嵌岩段内部形成坚硬岩石，嵌岩段内部通过中心大口径潜孔锤形成中心大孔，中心大孔周边均匀形成周边小孔，周边小孔通过周边小口径潜孔锤形成，中心大孔的直径为500～600mm，周边小孔的直径为150～250mm。
23.进一步地，除屑机构包括电源和与电源一端连接的导线，导线的另一端安装有致裂筒，致裂筒处于周边小孔的内部。
24.进一步地，中心大孔中间存在直径500～600mm的孔洞临空面，周边小孔的外端存在有桩孔边界。
25.进一步地，致裂筒内部充斥有二氧化碳气体。
26.本发明提出的大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法，在充满泥浆的桩孔内采用潜孔锤施工，依靠泥浆+空气形成的气水混合物上浮而携带岩渣涌出桩孔，相比单纯依靠空气返渣的方式，利用流体的气水混合物进行返渣，效率更高，可以将更大颗粒的岩渣返
出孔外，因此在充满泥浆的岩石层内潜孔锤作业，因为返渣速度快、返渣颗粒大，返渣效率高，因此成孔效率也更高，利用组合式潜孔锤形成的中心大孔和多个周边小孔，置入二氧化碳气体致裂筒进行微振动爆破的方式，可以实现快速破碎岩石的目的，同时由于桩孔中心有较大孔洞，因此为周边小孔气体致裂提供了良好的临空面，使得周边小孔爆破向桩孔中心方向进行，保证了桩孔周边和中心大孔之间的岩石被破碎，而桩孔周边以外的岩石不会被破碎。
附图说明
27.图1为本发明的工艺流程图；
28.图2为本发明的潜孔锤钻头施工流程图；
29.图3为本发明的捞砂钻头结构示意图；
30.图4为本发明的潜孔锤钻头局部结构示意图；
31.图5为本发明的潜孔锤钻头平面内部构造图；
32.图6为本发明的图5中a
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a断面图；
33.图7为本发明的图5中b
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b断面图；
34.图8为本发明的潜孔锤钻头成孔剖面图；
35.图9为本发明的潜孔锤钻头成孔返渣原理示意图；
36.图10为本发明的二氧化碳气体致裂原理剖面示意图；
37.图11为本发明的二氧化碳气体致裂原理平面示意图；
38.图12为本发明的二氧化碳气体致裂方向示意图。
39.图中：1、捞砂钻头；2、潜孔锤钻头；21、上接头；22、外壳；23、活塞；24、钻杆；25、总送风管；26、分送风管；27、中心大口径潜孔锤；28、周边小口径潜孔锤；29、硬合金齿；2a、排渣口；3、地面结构；31、上层段；32、嵌岩段；33、坚硬岩石；34、中心大孔；35、周边小孔；36、桩孔边界；37、孔洞临空面；4、除屑机构；41、电源；42、导线；43、致裂筒；5、组合式潜孔锤。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.参阅图1、图2和图3，大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法包括以下施工步骤：
42.s100：采用旋挖钻机配置捞砂钻头1开始在土层内钻进成孔，旋挖钻机捞砂钻头1进至土岩界面附近，即钻进至坚硬岩石33顶部停止钻进；
43.s200：旋挖钻机拆卸土层捞砂钻头1，安装组合式潜孔锤5，并在钻杆24上接通空压机，启动空压机，驱动潜孔锤内的活塞23往复运动冲击锤头击打并破碎岩石，经过潜孔锤钻头2的剩余空气从潜孔锤钻头2底部进入泥浆；
44.s300：除了桩孔的中心大孔34以外，在所有周边小孔35内，每个周边小孔35置入一根水下二氧化碳气体致裂筒43，致裂筒43顶端的导线42全部引出到孔外连接电源41；
45.s400：接通电源41，二氧化碳气体致裂筒43加热，周边小孔35内的致裂筒43因筒内气体膨胀而破裂，气体膨胀力爆发将周边小孔35至中心大孔34之间的岩石爆破碎裂；
46.s500：旋挖钻机更换入岩牙轮筒钻在岩石范围内旋转钻进；
47.s600：旋挖钻机更换捞砂斗钻头将孔底岩石碎块取出桩孔。
48.针对步骤s200中的施工步骤如下：
49.s201：启动空压机，空压机产生的高压空气通过钻杆24中心的总送风管25到达组合式潜孔锤5顶部，再通过各个分送风管26到达潜孔锤，驱动潜孔锤内的活塞23往复运动冲击锤头击打并破碎岩石；
50.s202：组合式潜孔锤5冲击破碎岩石，将岩石破碎为较小颗粒的岩屑，岩屑在泥浆的桩孔内与泥浆混合在一起；
51.s203：经过潜孔锤的剩余空气从潜孔锤钻头2底部进入泥浆，形成大量气泡，由于气泡密度小于泥浆，因此在泥浆内迅速上浮，进而携带泥浆和岩屑混合物上升而流出桩孔；
52.s204：采用组合式潜孔锤5每次冲击钻进深度在2～3m左右，然后提出组合式潜孔锤5。
53.针对步骤s204中，若每次潜孔锤钻进2
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3m深度后仍未达到设计深度，则旋挖钻机继续更换组合式潜孔锤5继续钻进，并植入气体致裂筒43破裂岩石，再分别用入岩牙轮筒钻修整桩孔孔壁，再用捞砂斗取出岩石碎块。
54.参阅图3
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9，潜孔锤钻头2包括上接头21和安装在上接头21下端的外壳22，外壳22的内部安装有活塞23，钻杆24的内部设置有总送风管25，总送风管25的下端设置有分送风管26，钻杆24的下端安装有中心大口径潜孔锤27和安装在中心大口径潜孔锤27外表面的周边小口径潜孔锤28，中心大口径潜孔锤27和周边小口径潜孔锤28依靠上部钢板连接在一起，上部钻杆24中心位置的总送风管25在组合式潜孔锤5顶部与多个分送风管26相连接，周边小口径潜孔锤28的底端安装有硬合金齿29，钻杆24的内部设置有排渣口2a，由各分送风管26将高压风输送至各个小潜孔锤，输送到各个潜孔锤的高压风驱动潜孔锤内的活塞23往复运动，冲击潜孔锤头，潜孔锤头反复冲击岩石起到冲击破碎的目的，经过潜孔锤的剩余空气从潜孔锤锤头底部进入泥浆，形成大量气泡，由于气泡密度小于泥浆，因此在泥浆内迅速上浮，进而携带泥浆和岩屑混合物上升而流出桩孔。
55.参阅图8，地面结构3包括上层段31和处于上层段31下端的嵌岩段32，上层段31为土层结构，嵌岩段32内部形成坚硬岩石33，坚硬岩石33采用旋挖钻机配置入岩牙轮筒钻头研磨钻进的方式极其低效，改为组合式潜孔锤5+二氧化碳气体致裂的方式破碎坚硬岩石33，极大地提高了岩石层的成孔效率，与前者相比，效率提高了3
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5倍以上，嵌岩段32内部通过中心大口径潜孔锤27形成中心大孔34，中心大孔34周边均匀形成周边小孔35，周边小孔35通过周边小口径潜孔锤28形成，组合式潜孔锤5采用500
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600mm的较小直径的中心孔+周边150～250mm的周边小孔35，避免了中心大口径潜孔锤27难以施工及空压机过多的难题，在现有的机械制造工艺下，属于成熟且较为高效的工艺。
56.参阅图10
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12，除屑机构4包括电源41和与电源41一端连接的导线42，导线42的另一端安装有致裂筒43，致裂筒43处于周边小孔35的内部，通过致裂筒43上端导线42接通电源41，致裂筒43加热而温度升高，其内的液态二氧化碳瞬间气化膨胀600倍以上，产生300mpa以上的膨胀力将岩石破碎，中心大孔34中间存在直径500～600mm的孔洞临空面37，
周边小孔35的外端存在有桩孔边界36，因此周边小孔35将桩孔周边至桩孔中心范围的岩石破裂，桩孔周边范围以外的岩石不会破裂，将桩孔底部中心大口径潜孔锤27和周边小口径潜孔锤28成孔后残留的岩石全部破碎，最后通过旋挖钻机嵌岩筒钻头将岩屑捞出孔外并进行修孔，即可达到岩石成孔的目的，该破碎工艺相比普通的水下火工爆破工艺振动极小，其爆破振动指标为普通水下火工爆破的1/8～1/10，因此二氧化碳气体致裂工艺属于微振动爆破工艺，不会将岩石孔壁破碎扰动，避免了存在降低灌注桩侧壁摩擦力的风险，本次组合钻头采用较小直径的潜孔锤，因此需要的空压机数量更少，施工成本更低。
57.工作原理：采用旋挖钻机配置捞砂钻头1开始在土层内钻进成孔，同时在桩孔内灌入调配好的泥浆进行护壁，防止塌孔，当采用泥浆护壁+旋挖钻机在土层内常规钻进至坚硬岩面以后，将改装后的周边小口径潜孔锤28安装在旋挖钻机上，连接1～2台空压机，空压机的高压空气通过钻杆24输送到潜孔锤，潜孔锤在岩石内往复冲击钻进，周边小口径潜孔锤28的底端安装有硬合金齿29不断冲击岩石，最终达到破碎岩石的目的，冲击的岩屑被潜孔锤钻头2的空气和泥浆向上翻腾而携带出桩孔，中心大口径潜孔锤27和周边小口径潜孔锤28每次钻进深度在2～3m之间，这样在桩孔中部形成一个直径500～600mm的中心大口径潜孔锤27外表面的周边小口径潜孔锤28，在周边均匀形成多个150～250mm直径的周边小孔35，然后在周边小孔35内置入二氧化碳气体致裂筒43，通过致裂筒43上端导线42接通电源41，致裂筒43加热而温度升高，其内的液态二氧化碳瞬间气化膨胀600倍以上，产生300mpa以上的膨胀力将岩石破碎，由于桩孔中间存在直径500～600mm的孔洞临空面37，因此周边小孔35将桩孔周边至桩孔中心范围的岩石破裂，桩孔周边范围以外的岩石不会破裂，将桩孔底部中心大口径潜孔锤27和周边小口径潜孔锤28成孔后残留的岩石全部破碎，最后通过旋挖钻机嵌岩筒钻头将岩屑捞出孔外并进行修孔，即可达到岩石成孔的目的，如果每次钻进深度2～3m后仍未达到设计入岩深度，则重复上述步骤，直至到设计深度为止。
58.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
59.1.本发明提出的大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法，坚硬岩石采用旋挖钻机配置入岩牙轮筒钻头研磨钻进的方式极其低效，改为组合式潜孔锤+二氧化碳气体致裂的方式破碎坚硬岩石，极大地提高了岩石层的成孔效率，受制于现状潜孔锤难以成孔较大直径800mm以上的桩孔，或者直径800mm的大直径桩孔需要配置较多空压机的难题，组合式潜孔锤采用500
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600mm的较小直径的中心大孔+周边150～250mm的周边小孔，避免了中心大口径潜孔锤难以施工及空压机过多的难题，在现有的机械制造工艺下，属于成熟且较为高效的工艺。
60.2.本发明提出的大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法，在充满泥浆的桩孔内采用潜孔锤施工，依靠泥浆+空气形成的气水混合物上浮而携带岩渣涌出桩孔，相比单纯依靠空气返渣的方式，利用流体的气水混合物进行返渣，效率更高，可以将更大颗粒的岩渣返出孔外，因此在充满泥浆的岩石层内潜孔锤作业，因为返渣速度快、返渣颗粒大，返渣效率高，因此成孔效率也更高，利用组合式潜孔锤形成的中心大孔和多个周边小孔，置入二氧化碳气体致裂筒进行微振动爆破的方式，可以实现快速破碎岩石的目的，同时由于桩孔中心有较大孔洞，因此为周边小孔气体致裂提供了良好的临空面，使得周边小孔爆破向桩孔中心方向进行，保证了桩孔周边和中心大孔之间的岩石被破碎，而桩孔周边以外的岩石不会被破碎。
61.3.本发明提出的大直径灌注桩坚硬岩层组合式成孔施工方法，潜孔锤成孔后剩余的岩石采用二氧化碳气体破碎，该破碎工艺相比普通的水下火工爆破工艺振动极小，其爆破振动指标为普通水下火工爆破的1/8～1/10，因此二氧化碳气体致裂工艺属于微振动爆破工艺，不会将岩石孔壁破碎扰动，避免了存在降低灌注桩侧壁摩擦力的风险，本次组合钻头采用较小直径的潜孔锤，因此需要的空压机数量更少，施工成本更低。
62.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
63.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。