嵌岩斜桩冲击钻管锤系统及嵌岩斜桩冲击施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁、码头建造设备领域，具体地指一种嵌岩桩施工管锤系统。

本发明还涉及一种适用于码头、桥梁等工程的嵌岩桩施工方法，特别适用 于嵌岩斜桩施工方法。

背景技术

钢管桩斜桩内钻孔嵌岩施工是高桩码头工程中应用较广泛的一种桩基施工 工艺，适用于覆盖层较薄，钢管桩无法一次施打到位，且桩基承载力要求高的 工程中。现有的嵌岩桩多采用梅花形冲击钻头施工，而这种钻头在嵌岩斜桩中 不适用。目前斜桩嵌岩施工多采用回旋钻机施工，钻头为牙轮钻头，此种成孔 工艺有其局限性，实际达到的效果与理想值相差较大，且效率较低。无论是梅 花形冲击钻还是回旋钻都不能适应现代的施工进程和施工要求。

目前的嵌岩施工中，一般的冲击钻钻头的长度都不大，同时嵌岩施工主要 是靠钻头的重量来满足冲击岩石的要求，所以在嵌岩斜桩中不但要满足冲击能 量的要求，同时还要保证成孔与套筒的轴线相同或相近。

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。也就是说，在斜桩嵌岩施工中，如何保证在完成钻孔任务时 钻头的导向性和钻头的轴线不产生较大的偏差，如何提高冲击成孔的质量，是 目前困扰斜桩嵌岩施工的量大难题。

发明内容

针对背景技术中的不足，本发明的目的在于提供一种嵌岩斜桩冲击钻管锤 系统以及利用该冲击钻管锤系统进行施工的嵌岩斜桩冲击施工方法，以解决现 有冲击钻无法满足现代嵌岩冲击施工的要求，同时解决成孔过程中冲击钻和套 筒轴线不一致的问题，并且大大提高了成孔的质量和效率。

为达到第一个目的，本发明采用以下技术方案：

一种嵌岩斜桩冲击钻管锤系统，包括管状锤身，其特征在于：所述管状锤 身一端设有锤头，另一端设有锤吊；所述锤头包括环形锤头座，所述环形锤头 座内设有多个连接梁，多个所述连接梁交错连接在环形锤头座的内壁上；所述 环形锤头座和多个所述连接梁的表面均布多个锤牙；所述锤吊包括与管状锤身 内壁连接的锤吊座，所述锤吊座上设有吊环；所述管状锤身的外壁上间隔设有 多个导向杆；所述导向杆两端与所述管状锤身两端平齐，所述管状锤身轴线在 其外壁上的投影与所述导向杆之间呈锐角夹角。

进一步地，所述管状锤身轴线在其外壁上的投影与所述导向杆之间的夹角 为α，且5°≤α≤8°。这样，当管锤在冲击成孔时能够起到很好的导向的作 用，防止卡钻。

进一步地，所述连接梁之间设有加强肋，所述加强肋成圆盘状。这样，增 加连接梁交错处的强度。

进一步地，所述环形锤头座表面沿其外圆周设有加强环。这样，增加锤头 的刚性。

更进一步地，所述环形锤头座、连接梁、加强肋和加强环为一体成型铸钢 结构。这样，利用铸钢的力学特性，使得锤头较重，对岩层的破坏力强，大大 提高成孔速率。

进一步地，所述锤吊座包括吊座本体，连接吊座本体和管状锤身内壁的连 接支架；所述吊环包括吊环本体，与吊环本体连接的活动杆，以及与所述活动 杆下部连接的限位板；所述活动杆一端伸入所述吊座本体内与位于吊座本体内 的限位板连接。这样，吊环在冲击成孔的过程中可以转动，从而起到了转向的 作用，防止提升钢丝绳打结。

进一步地，所述管状锤身内壁沿圆周方向均布多个径向设置的加劲直板， 所述管状锤身内壁沿径向均布多个加劲环板；所述加劲直板的高度等于所述加 劲环板的宽度。

为达到第二个目的，本发明采用以下技术方案：

一种嵌岩斜桩冲击施工方法，包括以下步骤：

a)建立泥浆循环系统；

b)沉钢管桩；

c)利用沉放的钢管桩作支撑搭建水上施工平台；

d)按照成孔孔径和嵌岩深度制作嵌岩斜桩冲击钻管锤系统，并在所述嵌岩 斜桩冲击钻管锤系统内部设置泥浆管；

e)安装嵌岩斜桩冲击钻管锤系统，使其轴线与钢管桩轴心重合，通过卷扬 机提拉嵌岩斜桩冲击钻管锤系统反复冲击岩层；

f)达到设计要求的入岩深度后，立即进行清孔；

g)下钢筋笼，并保证钢筋笼的斜率与基桩斜率一致；

h)安装导管，并进行二次清孔，通过二次清孔使孔底沉降厚度、泥浆含砂 率、相对密度和粘度均满足砼浇筑要求；

i)水下混凝土浇筑。

进一步地，所述步骤a)中泥浆比重按照：粘土层：1.2-1.25g/cm³，岩石层： 1.30-1.35g/cm³，终孔清孔：小于1.2g/cm³。

进一步地，所述步骤b)中的钢管桩沉桩点采用全站仪测出桩的中心线，并 在沉桩操作平台上标注桩号，同时在沿岸设置至少两个控制点；在埋设钢管桩 时采用全站仪极坐标法确定正确的桩位，并利用设置的控制点进行复核。

进一步地，所述步骤d)中的管锤系统的长度比嵌岩深度长2.5米至4米。 这样，可以有效的防止卡锤的发生，从而避免影响成孔质量和施工的进度。

进一步地，所述步骤f)中清孔时将管锤提离孔底10厘米-15厘米，采用泵 吸正循环换浆清孔。

进一步地，所述步骤h)中的二次清孔采用泥浆泵泵吸正循环工艺。

进一步地，所述步骤h)中的导管中部设有梭形导向包。这样，可以有效避 免导管在下方或提升的过程中卡在钢筋笼上，从而保证导管鞥那个下放到桩底， 混凝土能够顺利浇筑。

进一步地，所述步骤i)中混凝土浇筑过程中，导管提升速度与混凝土的上 升速度相适应，并始终保持导管在混凝土中的在埋深2-6米之间。

本发明的有益效果是：利用本发明的冲击钻管锤系统大大减小了卡锤，且 锤身具有导向的作用，其不仅具有梅花冲击钻的高效性和回旋钻的导向性，不 但要满足冲击能量的要求，同时还要保证成孔与护筒轴线相同或相近；在施工 过程中能够很好的保证锤身轴线和桩基轴线的一致性，大大提高了成孔质量； 铸造一体成型的铸钢锤头大大提高的成孔的速率；本发明设计的嵌岩斜桩施工 方法相对于现有的斜桩嵌岩斜桩施工工法具有操作简单，施工成本低，每台桩 机的操作人员只需5人，具有较好的经济效益，并且成孔的时间也有所缩短， 且成孔的效率和质量也大大提高。

附图说明

图1是本发明嵌岩斜桩冲击钻管锤系统的立体结构爆炸示意图，

图2是本发明嵌岩斜桩冲击钻管锤系统锤身的立体结构剖视示意图，

图3是本发明嵌岩斜桩冲击钻管锤系统锤身展开后的导向杆处的结构示意 图，

图4是本发明嵌岩斜桩冲击钻管锤系统锤头的立体示意图，

图5是本发明嵌岩斜桩冲击钻管锤系统锤吊的立体结构示意图；

图6是本发明嵌岩斜桩冲击施工方法的工艺流程图，

图7是本发明嵌岩斜桩冲击施工方法水上施工平台的搭设示意图，

图8是本发明嵌岩斜桩冲击施工方法水上施工平台的走道示意图，

图9是是本发明嵌岩斜桩冲击施工方法导向包的结构示意图

图中：管状锤身1、锤头2锤吊3、导向杆4、钢管桩5、牛腿板6、贝雷片 7、钢板8、导管9、导向包10；

其中：加劲直板1.1、加劲环板1.2、环形锤头座2.1、连接梁2.2、锤牙2.3、 加强肋2.4、加强环2.5、锤吊座3.1、吊座本体3.11、连接支架3.12、吊环3.2、 吊环本体3.21、活动杆3.22、限位板3.23。

具体实施方式

如图1所示，本发明设计的一种嵌岩斜桩冲击钻管锤系统，包括管状锤身1， 所述管状锤身1一端设有锤头2，另一端设有锤吊3；所述锤头2包括环形锤头 座2.1，所述环形锤头座2.1内设有多个连接梁2.2，多个所述连接梁2.2交错连 接在环形锤头座2.1的内壁上；所述环形锤头座2.1和多个所述连接梁2.2的表 面均布多个锤牙2.3；所述锤吊3包括与管状锤身1内壁连接的锤吊座3.1，所 述锤吊座3.1上设有吊环3.2；所述管状锤身1的外壁上间隔设有多个导向杆4； 所述导向杆4两端与所述管状锤身1两端平齐，所述管状锤身1轴线在其外壁 上的投影与所述导向杆4之间呈锐角夹角。

如图2所示，进一步地，所述管状锤身1内壁沿圆周方向均布多个径向设 置的加劲直板1.1，所述管状锤身1内壁沿径向均布多个加劲环板1.2；所述加 劲直板1.1的高度a等于所述加劲环板1.2的宽度b。

如图3所示，进一步地，所述管状锤身1轴线在其外壁上的投影与所述导 向杆4之间的夹角为α，且5°≤α≤8°。这样，当管锤在冲击成孔时能够起 到很好的导向的作用，防止卡钻。

如图4所示，进一步地，所述连接梁2.2之间设有加强肋2.4，所述加强肋 2.4成圆盘状。这样，增加连接梁2.2交错处的强度。进一步地，所述环形锤头 座2.1表面沿其外圆周设有加强环2.5。这样，增加锤头2的刚性。更进一步地， 所述环形锤头座2.1、连接梁2.2、加强肋2.4和加强环2.5为一体成型铸钢结构。 这样，利用铸钢的力学特性，使得锤头2较重，对岩层的破坏力强，大大提高 成孔速率。

如图5所示，进一步地，所述锤吊座3.1包括吊座本体3.11，连接吊座本体 3.11和管状锤身1内壁的连接支架3.12；所述吊环3.2包括吊环本体3.21，与吊 环本体3.21连接的活动杆3.22，以及与所述活动杆3.22下部连接的限位板3.23； 所述活动杆3.22一端伸入所述吊座本体3.11内与位于吊座本体3.11内的限位板 3.23连接。这样，吊环3.2在冲击成孔的过程中可以转动，从而起到了转向的作 用，防止提升钢丝绳打结。所述限位板3.23与活动杆3.22之间采用焊接固定。

如图6所示，为本发明公开的嵌岩斜桩冲击施工方法的工艺流程图，下面 进行详细说明。

一种嵌岩斜桩冲击施工方法，包括以下步骤：

a)建立泥浆循环系统；现场准备适当的优质粘土，利用钢板焊接泥浆箱并 建立泥浆循环系统；进一步地，泥浆比重按照：粘土层：1.2-1.25g/cm³，岩石 层：1.30-1.35g/cm³，终孔清孔：小于1.2g/cm³；

b)沉钢管桩；

钢管桩沉桩点采用全站仪测出桩的中心线，并在沉桩操作平台上标注桩号， 同时在沿岸设置至少两个控制点；在埋设钢管桩时采用全站仪极坐标法确定正 确的桩位，并利用设置的控制点进行复核。

钢管桩沉桩选用全回转打桩船，GPS测量定位。吊桩时，桩架旋转到运桩驳 一侧，采用四点吊吊桩。桩吊起后，旋转到船首部，立桩，同时将桩架立直。 抱桩器抱住桩，提升桩使桩顶套进替打。

桩就位后，将打桩船及运桩驳的定位桩插下，以保持桩位和船体稳定。桩 自沉稳桩，同时监测桩位的变化，如果桩位变化超过允许的误差范围，立即停 止桩的下沉，将桩拔起，查明原因，重新定位。

稳桩后压锤，待桩不再下沉后，查看桩位是否符合要求，如果桩位变化超 过允许的误差范围，立即停止桩的下沉，将桩拔起，查明原因，重新定位。

桩在压锤稳定后，松开抱桩器，启动液压锤，沉桩。在沉桩过程中，如出 现贯入度异常、桩身突然下降、过大倾斜、移位等现象，应立即停止沉桩，及 时查明原因，采取有效措施。

c)利用沉放的钢管桩作支撑搭建水上施工平台；

水上施工前需要搭设施工平台，平台搭设利用已沉放的钢管桩5作支撑， 在钢管桩5顶部焊接牛腿板6，搁置横向工字钢及纵向贝雷片7；再在由贝雷片 7组成的贝雷架上铺设工字钢，然后在满铺1厘米厚的钢板8，如此形成是施工 平台和走道，如图7和图8所示；

d)按照成孔孔径和嵌岩深度制作上述技术方案中的所述的冲击钻管锤系 统，并在所述冲击钻管锤系统内部设置泥浆管；

①、根据斜桩嵌岩最大桩径、最大嵌岩深度以及最大斜率选择符合要求的 冲击钻；

②、制作冲击钻管锤系统

管锤系统的长度一般为比设计图纸要求的桩基嵌岩深度长2.5米至4米，可 以有效的防止卡锤的发生，从而避免影响成孔质量和施工的进度。现以孔径直 径1.8米，嵌岩深度7米的嵌岩斜桩为例，则管锤系统则选长11米，直径为1.65 米的空心管锤；管状锤身1用20毫米厚钢板卷成，管状锤身1顶部连接锤吊3， 锤吊3包括与管状锤身1内侧焊接的40毫米厚的十字型钢板形成的锤吊座3.1， 并在锤吊座3.1其上焊吊环3.2。管状锤身1外侧均布焊接螺纹钢作为导向杆4。 管状锤身1内侧沿圆周方向均布8个径向设置的10厘米高，1厘米厚的加劲直 板1.1，加劲直板1.1与管状锤身1的轴线平行且与管状锤身1通长布置；且在 管状锤身1内侧垂直于管状锤身1加焊1厘米厚，10厘米高的加劲环板1.2，加 劲环板1.2管状锤身1的长度方向焊接，相邻的加劲环板1.2之间的间隔为2米； 管状锤身1底部连接锤头2，锤头2是整体铸造，其具体的结构已作描述，在此 不赘述；锤头2的连接梁2.2的形状为“米”字形，可在该“米”字支撑后面立 焊50厘米高2厘米厚的钢板，从而加强“米”字形支撑；环形锤头座2.1、连 接梁2.2表面均布加焊多个大小不等的铸钢锤牙2.3。

完成冲击钻管锤系统后，在该管锤内部焊接一直径为10厘米，长10.8米的 泥浆管；

e)安装冲击钻管锤体统，使其轴线与钢管桩轴心重合，通过卷扬机提拉冲 击钻管锤系统反复冲击岩层；

采用浮吊船将履带吊、钻机、管锤系统等设备吊上水上施工平台，进行钻 机就位。调整钻机机架轴心线使其和钢管桩轴心线重合。确保偏差控制在允许 范围内，误差不大于20毫米，并将钻机与钢平台进行固定。钻机就位后，使用 履带吊将管锤吊入孔内，用卷扬机钢丝绳连接钻头，使得管锤轴心与钢管桩轴 心重合；

通过卷扬机，慢慢将管锤(也即是钻头)放入钢管桩底部，再提升钻头， 利用钻头自重，沿着钢管桩内壁滑下，反复冲击桩底部岩层进行成孔；

冲孔达到岩面时，捞渣取岩样，根据岩样确定基岩面。桩基成孔入岩判定 标准：现场采集岩样，若采集的岩样比较新鲜，棱角分明，岩样体大小均匀， 质地坚硬；

判定入岩后，须通过测绳，量出孔深，然后继续冲孔至设计标高，待成孔 完成后再一次测量孔深，当后者与前者只差不小于设计值时，则判定嵌岩深度 达到了设计要求，方可停止锤击成孔；

在此过程中泥浆采用原土造浆工艺，泥浆比重根据各施工阶段的需要调整， 我们初步按照粘土层：1.2-1.25g/cm³，岩石层：1.30-1.35g/cm³，终孔清孔：1.2 g/cm³以内控制，在施工过程中对泥浆比重进行定期检测；泥浆在泥浆沉淀池内 自然沉淀后流进储浆池，泵送至桩孔底部，桩孔内的泥浆携带渣土自孔口溢出。

f)达到设计以前的入岩深度后，立即进行清孔；

嵌岩深度达到设计要求入岩深度后，立即进行清孔；清孔时将钻头提离孔 底10-15厘米，采用泵吸正循环换浆清孔，将孔内石渣清除；通过换浆清孔，清 孔泥浆性能指标：泥浆比重小于1.20g/cm³，粘度小于28秒，含砂率小于5％， 胶体率大于98％；

g)下钢筋笼，并保证钢筋笼的斜率与基桩斜率一致；

钢筋笼根据每根桩的实际长度在后场制作完成，水运至钻孔桩平台，用履 带吊起吊下放；下放前调整钢筋绳的长短，以保证起吊后的钢筋笼斜率与基桩 斜率一致；钢筋笼在桩内的偏位采用安装圆饼型保护层垫块进行调节；

h)安装导管，并进行二次清孔，通过二次清孔使孔底沉降厚度、泥浆含砂 率、相对密度和粘度均满足砼浇筑要求；

导管采用Φ280毫米钢管，导管9分为底节管、定长管和标高调节管，管接 间采用螺纹接头连接；为保证导管9在混凝土浇筑过程中不偏移方向，在导管9 上预先焊接梭形(橄榄球型)导向包10，导向包10的设置避免了导管9下放或 者提升过程中卡在钢筋笼上，保证导管9能够下放到桩底，混凝土能够顺利浇 筑；导向包采用δ＝3毫米的薄铁皮加工，导向包10长1米，如图9所示；

安装完导管9即可进行二次清孔和砼浇筑准备；二次清孔采用泥浆泵泵吸 正循环工艺，通过二次清孔，使孔底沉降厚度、泥浆含砂率、相对密度和粘度 均满足砼浇筑要求；两次清孔时遵循“一次清孔为主，二次清孔为铺”的原则 进行操作；

i)水下混凝土浇筑。

砼运至现场前，停止泥浆循环，迅速调节导管9高度、安装好料斗，准备 浇筑混凝土；导管9入孔后，导管9底部与孔底距离取300-500毫米；

水下混凝土一次浇筑完成，每斗间隔时间控制在15分钟之内；首批浇筑的 混凝土量应保证导管底端埋入混凝土内深度在0.8米以上，并应保持导管内的混 凝土压力不小于1.5倍井孔水深的压力；

混凝土浇筑过程中，导管提升速度与混凝土的上升速度相适应，并始终保 持导管在混凝土中的插入深度不小于1.5米(埋深2-6米为宜)；

控制最后一次灌注量，一般浇筑完成后标高比设计标高高出0.5--0.8米，以 便凿除桩顶部的泛浆层后达到设计标高的要求；

在桩身砼强度大于75％后，对成桩进行超声波检测以检查桩身完整性。

在本发明公开的嵌岩斜桩施工施工方法中，为了保证施工质量，还应注意：

(1)开孔时，采用低锤密击开孔，根据不同的土层选择合适的冲程。

(2)进入基岩后，采用低垂冲击或间断冲击，发现偏孔，及时回填片石至 偏孔上方300-500毫米处，然后重新冲孔。

(3)采用分级成孔，第一级成孔直径为设计桩径的96.1％，第二级成孔直 径为设计桩径的91.7％。

(4)遇到孤石时，采用高低冲锤交替冲击。

(5)对导管进行水密、承压试验和接头抗拉试验，确认合格后方可使用。

(6)定期检测泥浆质量，观察孔内泥浆高度，及时补充泥浆，确保筒内泥 浆水头高度高于施工水位2米以上，以确保孔内外水压差，防止塌孔事故。

(7)集料斗的容量，根据桩长、桩径计算确定，确保导管底端埋入封底混 凝土内深度在0.8米以上。

(8)导管入孔后，管底与孔底距离取300-500毫米。混凝土浇筑过程中， 导管提升速度与混凝土的上升速度相适应，并始终保持导管在混凝土中的在埋 深2-6米之间。

(9)水下混凝土一次浇筑完成，每斗间隔时间控制在15分钟内，确保整 桩混凝土初凝前灌注完成。

(10)控制最后一次灌注量，一般浇筑完成后标高比设计标高高出0.5-0.8 米，以便凿除桩顶部的泛浆层后达到设计标高的要求。

相比于现有的嵌岩斜桩施工方法，本发明具有：

(1)在钢管桩斜桩内混凝土浇筑时导管上设导向包防止了导管卡在钢筋笼 上，在导管拔出时将钢筋笼带出，保证了桩基质量，提高了混凝土浇筑效率。

(2)锤头选用管锤，大大减小了卡锤的可能。锤头前面加焊铸钢造的锤牙， 铸钢的力学性能好，锤头较重，对岩石的破坏力很强。由于冲击钻对岩层的冲 击力可达到40千牛，很容易击碎岩石，大大提高成孔速率。

(3)冲击钻钻进中稳定性好，利于孔内安全。

(4)保证嵌岩深度，工程质量可靠。锤头选用管锤，施工人员也就完全可 以按设计要求钻进到预定的嵌岩深度，提高了桩端承载力，也就为保证桩的施 工质量提供了前提条件。

(5)操作简单，降低施工成本，提高经济效益。本功法相对于牙轮钻法操 作简单，每台桩机的操作人员只需配5个，节省了人工成本。成孔时间相比也 有所缩短，大大的提高了成孔效率。