我国的城市人口比例已经达到了47%，城市人口越来越多，房子越建越高，对桩基础的承载力要求也越来越高，所以嵌岩桩必将成为桩基础的一个重要发展趋势。目前桩基嵌岩的施工方法主要有：冲孔桩、牙轮钻头、滚刀钻头、钢粒钻进以及人工挖孔桩。这些常规的冲击或者回转钻进工艺在嵌岩桩施工中钻进效率不高，通常要几天才能完成一根桩。人工挖孔桩出效率低外，还有较大安全隐患，是一些大城市属于限制使用的成孔方法。

 

　　风动潜孔锤技术的提出是在上世纪初，设备最最初出现于上世纪50年代，80年代广为发展的。最先开发的是小直径潜孔锤，主要应用在钻凿爆破孔、水井基岩孔、地质勘探孔以及锚索钻孔等。近年来随着潜孔锤在桩基础施工中的拓展应用，国内外已经研制出了各种大直径潜孔锤，如吉林大学的贯通式潜孔锤直径1.5m，香港汉机的HD1000RC潜孔锤钻孔最大可达1.8m，集束式潜孔锤最大直径超过了1.9m。

 

　　目前潜孔锤的种类还不是很多，特别是成孔能力超过600mm的超大直径潜孔锤。市场上常见的潜孔锤品牌有美国录码（NUMA），香港汉机（HD），韩国国际钻石（KUKJE），德国阿特拉斯（QL系列）等；国产品牌有上海金泰（贯通式潜孔锤），长沙天河钻具（TH\TG\TS系列）、河北宣风（XFC系列）、宣化苏普曼公司（SPM系列），北京三仁宝业等

 

　　随着潜孔锤在嵌岩桩施工中优势的凸显，会有越来越多的人选择这种新的工艺，使这种工艺更加成熟完善。

 

　　2潜孔锤的分类及各类潜孔锤的施工特点

 

　　2.1潜孔锤的分类

 

　　2.2各类潜孔锤的施工特点

 

　　1）小直径潜孔锤：

 

　　小直径潜孔锤发展比较早，技术也比较成熟，广泛应用与矿山凿岩爆破孔、地质勘探孔、边坡锚杆锚索钻孔等。与之配合的钻机设备也是多种多样，如XY100勘察钻机、多功能履带式锚杆钻机等。较早使用潜孔锤的水井钻孔所采用的潜孔锤也多是直径200mm左右的小直径潜孔锤。

 

　　小直径的潜孔锤一般为低风压的，排渣方式是采用正循环排渣，而且是无冲洗液钻进。压缩空气通过潜孔锤做工后，经锤头排出，将钻渣吹出钻孔。

 

　　2）大直径潜孔锤：

 

　　大直径潜孔锤按其直径不同也有不同的用途：直径小于500mm的潜孔锤多用于管桩引孔和锚碇桩工程，与之配合的钻机一般为动力头式的长螺旋钻机或者类似的履带式（步履式）多功能桩架，钻孔排渣方式多为正循环排渣，与小直径的类似；直径大于500mm的潜孔锤则直接用在钻孔灌注桩嵌岩施工中，与之配合的钻机多为转盘钻机，或者型号较大的动力头钻机，近年来随着旋挖钻机的的发展，也有采用旋挖钻机与大直径潜孔锤配合嵌岩桩施工的。

 

　　3大直径潜孔锤与桩机组合分析

 

　　与桩机配合进行大直径嵌岩桩施工的潜孔锤多为高风压、无阀的大直径潜孔锤，其中有贯通式潜孔锤也有非贯通式潜孔锤。

 

　　3.1非贯通式潜孔锤与长螺旋钻机组合

 

　　与长螺旋配合使用的潜孔锤供风系统直接利用螺旋钻杆的内空。钻杆外的螺旋翼片可以起到减小钻杆与孔壁之间环空的作用，降低正循环返渣的风量需求，也就减少了风压机的台数。同时螺旋翼片还可以将落在其上的钻渣送到地面，防止钻渣落到孔底造成重复破碎，影响钻进。

 

　　另外，长螺旋钻机的转速一般20r/min以上，更高的甚至100r/min以上，而潜孔锤钻进的转速要求不高，与冲击功大小、冲击频率、以及钻头形式有关。关于转速的经验数据：覆盖层40~60r/min；软岩层30~50r/min；中硬岩层20~40r/min；硬岩层10~30r/min。转速过快可能导致钻头外围的刃齿过快磨损。而转速过慢又会使每次的破碎点与前次的破碎点重合，影像钻速。一般说来岩石越硬或者钻头直径越大，要求的转速越低。

 

　　所以目前长螺旋配套使用潜孔锤的钻孔直径不大，多用于管桩引孔工程。

 

　　3.2贯通式潜孔锤与转盘钻机组合

 

　　转盘式钻机是利用转盘带动主动钻杆回转，主动钻杆一般为方钻杆。转盘、波箱和电机等安装在钻机底座上，重心低，比较稳定。而大直径贯通潜孔锤一般重量较大，比较适合此类桩机。

 

　　贯通式潜孔锤与转盘钻机配合使用，可以利用转盘钻机原有的水龙头等反循环设施，钻杆为专门制作的四通道钻杆。在非硬岩层钻进时采用普通钻头（笼式、刮刀、牙轮等），用小风压小风量气举反循环排渣，钻进速度明显降低时换用潜孔锤钻头，增大风压风量，利用潜孔锤钻进的同时，排渣方式不变。

 

　　这种组合方式更换钻头时须将拆卸全部钻杆和钻头，辅助作业时间较长，并且工人的劳动强度很大。

 

　　3.3非贯通式潜孔锤与旋挖钻机组合

 

　　非贯通式潜孔锤的种类多，成孔直径范围大，从89mm~1800mm，可以和很多桩机组合使用。潜孔锤和旋挖机组合时，充分利用了旋挖机转速低、扭矩大、运移方便、起下钻迅速、辅助作业时间少等优点，又能克服旋挖机硬岩钻进效率不高的缺点。集合了两种设备的优点，是一种新型高效的成孔施工工艺。

 

　　若旋挖钻机采用伸缩钻杆，则上部土层及软岩层钻进时，仍采用原筒式钻头。至筒式钻头钻进困难时，直接将筒式钻头换成潜孔锤钻头。潜孔锤的供风管路采用高压软管，临时固定在伸缩钻杆上，随钻杆伸长可以增加风管。采用这种方案虽然难以形成同一方向连续钻进，但针对嵌岩桩硬岩段的桩端入岩钻进还是很有效的。在抗拔钢管桩中施工锚碇桩也有成功的案例。

 

　　当嵌岩桩径大或者基岩较深时，须及时排渣，避免重复破碎。非贯通式潜孔锤与旋挖机组合时可采用正循环方式排渣，为减少钻渣对风管的冲刷，可将风管设置在钻杆内空。

 

　　4大直径潜孔锤与桩机配合应用工程实例

 

　　4.1贯通式潜孔锤与转盘钻机配合应用实例

 

　　1）工程概况

 

　　工程名称：北海某原油码头桩基础工程

 

　　施工时间：2006年7月

 

　　主要设备：1.5m直径贯通式潜孔锤，GPS20转盘式钻机，四通道潜孔锤专用钻杆。

 

　　桩径1.5m，孔深约21m，地层特点是上部为珊瑚礁岩、黏土层、强风化玄武岩，持力层为中风化玄武岩，岩石强度150Mpa以上。而在持力层下存在软弱下卧层，采用冲孔桩施工时不可避免对持力层的影响，现有持力层厚度将不能满足设计要求，必须采用对持力层影响最小的施工工艺。最终确定采用1.5m直径的潜孔锤进行桩端嵌岩施工，上部采用常规回转钻进工艺。

 

　　2）施工情况

 

　　潜孔锤采用的是贯通式潜孔锤，直径1.5m；转盘钻机是GPS-20钻机，特制的四通道钻杆，其中一个通道专供反循环的高压空气，钻杆中心空作为反循环出渣通道。

 

　　以其中一条114#桩施工记录为例：上部软岩地层采用笼式钻头，纯钻时间32小时，进尺7.73m，时效进尺0.24m；当笼式钻头不能钻进时改用潜孔锤钻进，纯钻时间21小时，进尺4.27m，时效进尺0.20m，而在同样的地层采用牙轮钻头钻进时一个台班进尺不到0.4m。

 

　　4.2非贯通式潜孔锤与旋挖钻机配合应用实例

 

　　1）工程概况

 

　　工程名称：广州花都某房地产冲孔桩工程

 

　　施工时间：2011年4月

 

　　主要设备：HNDD-18潜孔锤（直径600mm），BG18宝峨旋挖钻机，特制反循环钻杆。

 

　　该工程本是灰岩地区进行的冲孔桩施工，但局部地区因灰岩溶蚀造成的斜岩、溶槽等较为严重，而且岩石强度极高，个别有60Mpa以上。冲孔桩施工时不但进度缓慢，而且多次回填块石和混凝土都未能解决斜岩偏孔问题。针对这几个桩孔采用了旋挖机带潜孔锤的施工工艺处理。

 

　　2）施工情况

 

　　采用的潜孔锤直径500mm，1.9Mpa的空压机两台；旋挖钻机是宝峨的BG15，钻杆是非伸缩的反循环钻杆，潜孔锤供风系统是利用钻杆内部设置高压软管实现。潜孔锤锤体外设置略大于锤头直径的钢套管，以防止塌孔埋锤。施工4-54#孔30分钟进尺2m，2-9#孔则是20分钟进尺了2m。

 

　　5大直径潜孔锤与桩机配合应用的优势

 

　　在大直径嵌岩桩施工过程中潜孔锤与传统施工方法相比具有相当大的优势，主要表现在：1）钻进效率高，同样的中风化灰岩地层，冲孔桩施工8个小时，进尺仅40公分，而采用直径稍小一点的潜孔锤施工时，20分钟就完成了2m的进尺；2）潜孔锤是孔底冲击，而且回转速度低，对孔壁的影响小，减少孔壁的坍塌；3）潜孔锤是利用活塞的高频冲击碎岩，孔底岩石的破碎是一种疲劳破碎，对深层岩土影响很小，特别是一些持力层相对较薄的地层，这一特点尤为重要；4）潜孔锤钻进可以采用干孔作业，没有泥浆排放，不污染环境，而且在缺水地区进行施工时可以解决没有泥浆循环的难点；5）因为潜孔锤主要靠活塞的高频冲击碎岩，所以其对钻机的钻压和扭矩要求比回转钻进要低，设备的重量和成本也相对较低。

 

　　6大直径潜孔锤与桩机配合应用中的几个问题探讨

 

　　6.1贯通式潜孔锤的使用寿命

 

　　贯通式潜孔锤与GPS20转盘钻机的组合可以反循环连续钻进，所以可以向更大直径发展，锤头直径增大后，要保证单个球齿上分配的破碎功，可从两个方面考虑。一是减少球齿数量，二是研发更大直径的潜孔锤锤体。对转盘钻机来说，重心低，机座较稳定，转速较低，所以采用大直径潜孔锤体更为有利。根据目前大直径潜孔锤的使用情况，需要解决的是潜孔锤连续使用时间问题，即如何保证长时间的施工情况下，施工效率不降低。

 

　　6.2潜孔锤与旋挖钻机配合的连续钻进

 

　　大直径潜孔锤与旋挖机配合使用时要实现连续钻进，避免风管被高压空气携带着钻渣冲刷，需要将风管布置在钻杆中心，因此就要放弃使用伸缩钻杆，采用普通钻杆。这样一来旋挖钻机不需要装拆钻杆的优势不能充分发挥，辅助作业时间增长，影响钻进。可以考虑改进潜孔锤的供风管路，使供风管路能随着钻杆伸缩，这样就可以充分发挥旋挖钻机辅助作业时间少的优势。

 

　　6.3潜孔锤钻进正循环排渣问题

 

　　1）孔口捕尘

 

　　采用空气正循环返渣工艺时，孔口的密封和捕尘设施在小直径的潜孔锤施工时已有成功的先例，但大直径潜孔锤施工的类似设施还需进一步完善。

 

　　2）孔底排渣

 

　　正循环的孔底排渣靠潜孔锤头排出的压缩空气吹起岩屑，然后靠气流上返将岩屑排出钻孔，要保证一定的上返流速，空压机提供的空气压力须随着孔深和孔径增大而增大，潜孔锤的施工成本也会增大。

 

　　孔底排渣不净，则孔底钻渣重复破碎，不但加快锤头磨损，而且严重影响钻进速率。提高排渣效率的方法有如下几种：

 

　　a）潜孔锤采用跟管钻进，锤头外的钢套管不但可以减少钻渣对孔壁的冲刷，而且可以降低钻渣与孔壁的摩阻力，进而提高排渣效率。

 

　　b）增大钻杆外径，则钻杆与孔壁之间的环状空间减小，同样的压力条件下，气流上返流速增大，排渣速度也更快。

 

　　c）钻杆外增加螺旋翼片，这样不但减小了钻杆与孔壁之间的环空，而且使下落的钻渣不会沉到孔底，而是沿螺旋翼片沉淀下来，不影响孔底钻进。