锚杆的成孔工艺
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发布时间：2022-04-25 05:02
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时间：2023-10-28 02:47
通常锚杆的成孔是锚固工程中费用最高和控制工期的作业，因而也是影响锚固工程经济效益的主要因素。
锚杆的成孔应满足设计要求的孔径、长度和倾向，采用适宜的钻孔方法确保精度，使其后续杆体插入和注浆作业能顺利进行。
1.一般要求
1)在钻孔过程中，对锚固区段的位置和岩土分层厚度进行验证，如计划锚固地层过分软弱，则要采取注浆加固或变更锚固地层。
2)根据不同的岩土条件，应选用不同的钻机和钻孔方法，以保证在杆体插入和注浆过程中孔壁不至于塌陷;钻机直径符合设计要求，以使孔壁不至于过分扰动。
3)钻孔以清水为好，膨润土悬浊液和泥浆水都会减弱锚杆的锚固力，应避免使用。钻孔用水对周边地基和锚固地层地基有不良影响时，应考虑无水钻孔法。
4)锚固长度区段内的孔壁呈沉渣或粘土附着，会使锚杆锚固力下降，因此，要求清水充分清洗孔壁。
5)施工过程中若有地下水从钻孔内流出，必要时采取注浆堵水，以防止锚固段浆液流出而影响锚杆的锚固力。
6)可采用透水试验或从钻孔送入水的回流情况判断地层的透水强度。
7)对于滑坡整治和斜坡稳定等工程，钻孔水会产生不良影响，可采用固结灌浆以改良地层，或采用无水钻孔法。
2.钻孔精度
钻孔精度视结构物的重要程度和使用目的不同而有所不同，钴孔过程中，应经常检查钻孔的准直度，一般偏离钻孔轴线的误差为钻孔长度的2%。
我国工程建设标准化协会编制的《土层锚杆设计与施工规范CECS-90)》规定:
1)钻孔水平方向孔距误差不应大于50mm，垂直方向孔距误差不应大于100mm;
2)钻孔底部的偏斜尺度不应大于锚杆长度的3%。
国际预应力混凝土协会(FIP)编制的《注浆锚杆规范(1982年)》提出的钻孔精度如下:
1)钻孔入口点的允许误差为±75mm;
2)钻孔入口点与轴线的倾角、水平角的允许误差为±2.5°以下;
3)锚杆孔任何长度上偏离轴线的允许误差不大于锚杆长度的1/30。
3.钻孔机械
国内常用锚杆钻机的类型及主要性能参数见表5-1。
表5-1 国内常用锚杆钻机的主要性能参数
4.钻孔方法
在锚固工程中所钻进的岩土体绝大部分为软弱土层和复杂破碎或坚硬不稳固地层，常常是在一个钻孔中出现几种岩土层，因此，锚固工程施工成孔工艺较为复杂，往往采用综合性成孔方法。目前常用的钻进方法除常规正循环回转钻进外，大量使用的是长螺旋回转钻进、长螺旋冲击回转钻进、风动冲击器冲击回转钻进、跟套管长螺旋回转钻进、跟管冲击回转钻进、冲击挤密钻进和反循环冲击回转钻进等钻进方法。在软土地层中，由于冲洗液循环时对孔壁的渗透作用，削弱了地层的抗剪强度，不利于锚杆的承载能力，而在硬岩石斜孔钻进时，采用硬质合金钻头破碎岩石，效率低而成本增加，采用金刚石钻头破碎岩石时钻头寿命短，易产生偏斜，且成本高，所以，正循环回转钻进在锚固工程施工中不提倡使用。这里介绍其他的钻进成孔方法。
(1)长螺旋回转钻进
长螺旋回转钻进不使用冲洗介质，是在各类土层中成孔的优选方法。钻进中土屑沿螺旋叶片在惯性离心力和向上推力作用下返出孔口。这种方法钻进效率高，最高可达20m/h，操作简单，要求设备功率低，转速控制在50～80r/min之间，给进压力小，深孔时利用钻具回转力和自身重力即可钻进。无污染、噪音小，是城市深基坑支护中土层锚杆施工成孔的主要方法。
(2)长螺旋冲击回转钻进
长螺旋冲击回转钻进是在土层中含有块石、碎石或破碎的岩层中使用的成孔方法。它是将风动冲击器安装在长螺旋钻杆的前端，利用风动冲击器破碎孔内硬岩块，而用螺旋叶片排除岩土屑。由于在土层中夹块石、碎石时螺旋钻进效率极低，且易发生孔内事故，而冲击回转钻进时地层破碎而风量漏失后，上返气流减少，携带岩粉屑能力降低，易造成埋钻事故。将两种方法结合起来，解决了硬岩破碎困难和排粉困难的双重问题，由此提高成孔效率和施工质量。此种方法的技术参数只要满足风动冲击回转钻进的要求，就能满足钻进成孔的需要。为防止叶片在软硬不均的地层中卡钻，在软地层前部，当硬岩层和软地层厚度超过单根螺旋钻杆长度时，慎用此法。
(3)冲击回转钻进
在锚固工程施工中，多采用气动冲击回转钻进方法。冲击回转钻进的主要优点是在硬岩层中成孔效率高，质量好，钻孔偏斜小，成孔后洗孔时间短，施工工期容易保证。冲击回转钻进的主要技术参数是风动冲击器所需要的风压、风量和转数，给进压力控制在10kN左右。钻进过程中经常进行强力排粉，以达到孔内安全。所选用的风动冲击器可根据设计的钻孔直径选择。
(4)冲击回转挤密钻进
冲击回转挤密钻进方法主要是在软弱土层中为了提高锚杆的承载能力，减小坍塌和孔内残留钻渣而使用的一种新型成孔方法。将冲击器安装在钻杆底部，冲击器装有特殊形状的挤密钻头。钻进时利用冲击器的冲击力将钻头击入土层中，同时钻机的给进力推动钻头压入土层之中，并且在钻机回转力的作用下钻头转动一定角度对土层作剪切破碎，产生的土屑被冲击力、给进压力双重作用挤到孔壁之中，并使土层结构破坏，排挤土颗粒间的结合水、孔隙水，土颗粒重新排列而密实，内聚力增加，抗剪强度增大，因此，增加了锚固体与土层的黏结力和摩擦阻力、增大锚杆的承载能力。
冲击回转挤密钻进方法的优点是在钻进中无岩屑，无污染，钻进效率高，成孔质量好，纯钻进时间利用率可达70%～80%。对于不同土层可适当调整给进压力，钻进过程中不需反复提拉钻具。冲击回转挤密钻具结构如图5-8所示。
图5-8 冲击回转挤密钻具结构示意图
(5)跟套管冲击回转钻进
跟套管冲击回转钻进成孔有3种方式:双动力头跟管钻进、偏心钻头跟管钻进和冲击器跟管钻进。在双动力头跟管钻进时，地层为软土或含碎石较小、较少时，小径钻具可用长螺旋钻具;在硬岩层或含岩块较大、较多时，多用冲击回转钻具作为超前小径钻具。这里主要以冲击回转钻进为主进行介绍。
1)双动力头跟管钻进:利用钻机上的前动力头和后动力头同时回转，同步进行跟套管护壁，套管内小径钻具破碎孔内岩土体，当钻进至稳定的岩土层时，后动力头停止转动，并不再接套管，利用小一级冲击回转钻具钻进至设计孔深，提出钻具，下入锚拉杆后，起拔套管或边灌浆边起拔套管。双动力头跟管钻进的钻具结构如图5-9所示。在双动力头跟管钻进时必须注意:①套管必须是左螺纹连接，套管长度必须与单根钻杆长度相匹配。②前动力头和后动力头的转数要匹配，前动力头为正向转动，而后动力头为反向回转，两者不同转数过多时，易将套管螺纹反脱扣而造成孔内事故。③给进速度要同步，不然会造成小径冲击器空打或套管底部硬质合金钻头过早磨损。④套管最好选用内平式连接，底部钻头的内出刃应小于0.5mm或无内出刃，以免刮伤冲击器。
图5-9 双动力头跟套管钻进的钻具结构示意图
2)偏心钻头跟套管钻进:这是一种用偏心钻头代替冲击器下部的球齿型硬质合金钻头，在含碎石、卵砾石及破碎的硬岩层中钻进成孔，代替双动力头跟套管钻进成孔方法。潜孔锤跟管钻进充分利用了风动冲击潜孔锤高效率冲击破碎岩石的优势，在高效率碎岩钻进的同时，同步跟入套管保护钻孔孔壁，利用套管的刚性导向作用还可以抑制钻孔弯曲，保证钻孔的直线度。其工作原理是:钻进时偏心式钻具通过套管内孔中进入套管靴位置，当中心钻具正转时，偏心钻头在套管靴前顺着回转方向偏心张开，在潜孔锤驱动下钻头钻出比套管外径大的钻孔。冲击力同时还作用在套管底部的套管靴上，带动套管与内部的小径冲击回转钻具同步前进，套管不回转，冲击器边冲击边回转，在破碎孔底岩土层的同时，用冲击力带动套管一起进入孔内。此种方法只要有单动力头钻机即可，且偏心钻头只伸出套管靴底部150～200mm，不容易发生卡钻事故。需要提出中心钻具时，只要使中心钻具反向扭转一定角度，偏心钻头便可以收拢，然后从套管内孔中提出。当到稳定地层后，提出小径钻具，将偏心钻头更换成普通钻头，继续钻进完成设计孔深，安装好锚拉杆后，方可起拔套管。偏心钻头跟管钻具结构如图5-10所示。所用偏心钻头结构如图5-11所示。导正花键轴一端的花键直接与潜孔冲击器相连接，另一端的偏心孔与偏心钻头相配接，配接后的偏心钻头可绕导向花键轴上的偏心孔转动一定角度，转动位置分别为偏心钻头的张开和收拢状态。偏心钻头跟管钻进时应注意:①组装钻具前必须仔细检查偏心块的活动程度、销钉的完好度和轴的润滑度。②套管必须采用左螺旋联结，且内平。套管靴与钻头外径是否匹配合理，能否使钻具顺利通过。③套管长度与单根钻杆长度必须匹配，便于拧卸钻具，增加纯钻进时间。④小径钻具下入套管内，钻头到达套管靴部位时，用人工反转将钻头伸出套管靴到孔底，避免使用机械回转。提升小径钻具前必须强风排渣，用人工反转小径钻具，边转边提，禁止用机械反转回转，防止将套管一起转动或螺纹脱扣。⑤套管在下入锚拉杆后起拔，可以在灌浆前起拔，或边灌浆边起拔。一般孔壁不稳定地段为锚杆自由段，灌浆前起拔套管对锚杆承载能力影响不大。⑥选择的套管应具有足够的强度，最好用高频淬火后的套管。
图5-10 偏心钻头跟管钻具结构示意图
图5-11 偏心钻头结构
3)冲击器跟管钻进:在无双动力头钻机和偏心钻头的情况下，可以采用双套冲击器联合使用进行跟管钻进。这种方法适合于含碎石、块石较小和较少的土层、松散的砂层、小砾石层和破碎带地层使用。冲击器跟管钻进的钻具结构如图5-12所示。冲击器跟管钻进的操作较为复杂。首先将冲击器与动力头和套管连接，用冲击器将套管打入地层进行开孔，当套管打入困难时，去掉冲击器和套管接头，下入小径冲击器钻具，将套管内的岩屑全部排出后继续钻进3～5m;当排出岩渣困难时，将钻具提升到套管底部0.2～0.3m位置，去掉超出套管上头的钻杆，并且用丝堵封闭钻杆头，将套管接头、冲击器接于动力头上，送高压空气给进，将套管击入到已有小孔的地层中;同样当套管击入困难时，去掉冲击器及接头，连接钻杆，用小径钻具将套管内岩土屑排出后，继续钻进，反复上述工序，至稳定岩土层后，用小径钻具钻至设计孔深，提出钻具，下入锚拉杆，起拔套管。冲击器跟管钻进时要注意:①套管应采用厚壁，且强度要大，左螺纹联结的内平式套管。②套管击入时不能强力打击，当进入困难时，可用人工转动一个角度或进行排渣及超前钻孔。③钻具在击入套管时必须提至套管内，防止套管切削下的岩土屑埋住冲击器而发生孔内事故。④套管上部钻杆拧卸后，钻杆头必须封闭，以免脏物进入钻杆内腔，堵塞冲击器而无法工作。⑤超前钻具钻进时不宜过长，防止埋钻。
图5-12 冲击器跟管钻进的钻具结构示意图
5.锚杆孔的扩孔方法
为了增大锚杆的承载力，有时需要对钻孔深处的端部进行扩孔处理。可通过专门的扩孔机具或在孔内放入少量炸药进行扩孔，扩孔的方法有:机械扩孔、爆炸扩孔、水力扩孔和压浆扩孔。
(1)机械扩孔
机械扩孔需用专门的扩孔装置。该扩孔装置是将一种扩张式刀具置于一鱼雷形装置中，这种扩张式刀具能通过机械方法随着鱼雷式装置缓慢地旋转而逐渐张开，直到所有切刀都完全张开完成扩孔为止。如英国Fondedile公司生产的一种专门用于粘土层的扩孔设备，该设备能在钻孔中同时形成几个扩大的铃状体。该机械由一系列铰刀组成，操作时铰刀能连续开启，在孔中形成与扩孔点数量相同的串联四边形。与此同时，被铰刀切削下来的破碎物料则通过冲洗水带至钻孔表面。
我国台湾卢锡焕先生发明的保壮PCBA扩孔地锚，已在很多工程中应用，并积累了丰富的经验，该扩大头锚杆的构造如图5-13所示。
机械扩孔方法适用于密实土和粘土的扩孔作业。
(2)爆炸扩孔
爆炸扩孔是把计算好的炸药放入钻孔内引爆，把土向四周挤压形成球形扩大头。此法一般适用于砂性土。对粘性土，爆炸扩孔扰动大，易使土液化，有时反而使承载力降低。即使用于砂性土，也要防止扩孔塌落。爆炸扩孔在钻孔灌注桩施工中已有成熟的经验，但在锚杆施工中我国尚缺乏完整的经验，在城市中采用要慎重。
(3)水力扩孔
水力扩孔在我国已成功地用于土层锚杆施工，用水力扩孔，当土层锚杆钻进锚固段时，换上水力扩孔钻头，它是将合金钻头的头端封住，只在*留一直径为10mm的小孔，而在钻头侧面按120°，与中心轴线夹角为45°开设三个直径为10mm的射水孔。水力扩孔时，保持射水压力为0.5～1.5MPa，钻进速度为0.5m/min，用改装过的直径为150mm的合金钻头即可将钻孔扩大为直径200～300mm，如果钻进速度再减小，钻机直径还可以增大。
图5-13 扩大头锚杆的构造
在饱和软粘土地区用水力扩孔，如果孔内水位低，由于淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土本身呈软塑或流塑状态，易出现缩颈现象，甚至会出现卡钻，使钻杆提不出来。如果孔内保持必要的水位，钻孔则不会产生塌孔。
压浆扩孔在国外广泛采用，但需用堵浆设施，我国多采用二次灌浆法来达到扩大锚固段直径的目的。
