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鉆頭打撈的有效方法
閱讀：1369 發(fā)布時(shí)間：2017-10-23依靠摩察力打撈福州尤溪洲閩江大橋KPG3000A型鉆機(jī)鉆頭的方法及工作原理，提出了鉆頭打撈新方法。實(shí)踐證明此種方法是行之有效的，可供處理同類問(wèn)題時(shí)參考。福州尤溪洲閩江大橋主橋?yàn)?0+120+80m空腹式剛架拱，15#、16#墩為主墩其基礎(chǔ)采用8根Φ2.2m鉆孔樁。鉆孔樁采用水上平臺(tái)加KPG3000A型鉆機(jī)施工。正橋15#墩Y15-1樁終孔提鉆后，發(fā)現(xiàn)鉆鋌距法蘭盤1.46m處斷裂，鉆頭及鉆鋌、8塊半圓配重、6塊圓配重、風(fēng)包總重約40t，總高度5.24m留在孔內(nèi)。
該樁護(hù)筒頂口標(biāo)高+9.3m，微風(fēng)化巖面-62.78m，終孔標(biāo)高為-64.78m，孔深74.08m。施工水位為+5.5m。由于該鉆頭重，掉鉆位置深，給打撈工作帶來(lái)不小的難度，本文詳細(xì)介紹了鉆頭打撈方法、原理。
1、鉆頭打撈方案
根據(jù)文獻(xiàn)[1]鉆頭打撈可選用下列方法：套繩法、鉤取法、平鉤法、打撈鉗法、撈錐器法、電磁打撈法。根據(jù)本例特點(diǎn)初步提出：套繩法、人工打撈法、打撈器法。
1.1套繩法
用3根直徑為Φ28長(zhǎng)80m的鋼絲繩，沿直徑Φ2.0m長(zhǎng)7.2m的鋼護(hù)筒均布，下口做成圓圈形用鐵絲固定在護(hù)筒底口。垂直、平穩(wěn)吊放鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒套住鉆鋌，逐根拉緊鋼絲繩迫使鋼絲繩勒緊鉆鋌托盤。zui后利用KPG—3000A型鉆機(jī)水（1200KN提升力）同時(shí)提升3根鋼絲繩，提升鉆頭。
由于鉆頭重，掉鉆深度深，反復(fù)試驗(yàn)時(shí)都無(wú)法套住鉆鋌托盤，zui后棄用此方案。
1.2人工打撈法
由潛水員下潛到圓配重頂面，在鉆桿上端開一圓孔，穿鋼絲繩，將鋼絲繩雙頭引出護(hù)筒，然后提升鉆頭。
由于該橋泥層及砂層較厚，易塌孔，潛水員下潛近-65m左右，考慮壓力過(guò)大且停鉆后易塌孔，潛水員下潛時(shí)極不安全，故此方案作為當(dāng)其它方案*失效時(shí)再考慮此方案。本橋未采用此方案。
1.3打撈器法
根據(jù)力學(xué)原理，利用斜面內(nèi)外磨擦差，當(dāng)打撈器插入鉆鋌內(nèi)往上提升時(shí)，打撈器撐緊鉆鋌內(nèi)壁，然后將其整體提升。
2、打撈器工作原理
2.1打撈器結(jié)構(gòu)
打撈器由導(dǎo)向裝置、主體工作結(jié)構(gòu)及連接裝置三大部分組成。詳見圖2。
2.1.1導(dǎo)向裝置
由于鉆鋌內(nèi)徑為Φ300㎜在Φ2.2米鉆孔樁內(nèi)打撈器極不容易對(duì)準(zhǔn)鉆鋌孔，為方便打撈器插入鉆鋌內(nèi)，打撈器前端設(shè)導(dǎo)向裝置。導(dǎo)向裝置呈上大下小的圓錐形，圓錐底部直徑Φ280㎜高1.2m。
2.1.2主體工作結(jié)構(gòu)
主體工作結(jié)構(gòu)由工字型滑道、滑塊及加勁板組成。主體工作結(jié)構(gòu)上端與連接裝置焊接，下端與導(dǎo)向裝置焊接。詳見圖3
滑道上小下大，外表面磨光，保證滑塊能順利地上下滑動(dòng)。
滑塊卡在滑道上，滑塊內(nèi)側(cè)與滑道同坡度，內(nèi)側(cè)亦需磨光。滑塊外側(cè)按Φ300圓弧加工，外側(cè)表面加工成粗糙面以增大磨擦系數(shù)。
加勁板焊在工字型滑道兩側(cè)，增加滑道穩(wěn)定性和增加上下連接強(qiáng)度。
2.1.3連接裝置
連接裝置下端與主體結(jié)構(gòu)焊接，上端設(shè)法蘭盤與鉆桿連接。
3、打撈器工作原理
當(dāng)打撈器下放時(shí)，用細(xì)繩將滑塊收緊，使其滑塊外徑為Φ296㎜小于鉆鋌內(nèi)徑。待打撈器插入鉆鋌一定深度后，松開滑塊連接繩，滑塊在重力作用下略為下滑與鉆鋌內(nèi)壁接觸。當(dāng)提升打撈器時(shí)，滑道向上滑動(dòng)，由于滑塊與滑道的磨擦力小于滑塊與鉆鋌內(nèi)壁的磨擦力，滑道繼續(xù)上滑，滑塊外徑逐漸加大，對(duì)鉆鋌內(nèi)徑產(chǎn)生環(huán)向壓力，同時(shí)由于鉆鋌內(nèi)徑約束滑塊，使滑塊外徑增大到一定程度后無(wú)法繼續(xù)增大，使得滑塊在滑道上停止滑動(dòng)，滑塊與鉆鋌間產(chǎn)生提升鉆頭所需的磨擦力，從而達(dá)到打撈鉆頭的目的。
4、打撈器受力分析
鉆頭及配重等總重400KN，設(shè)荷載G作為鉆頭提升的啟動(dòng)力來(lái)設(shè)計(jì)打撈器。
4.1打撈器受力
打撈器受力圖詳見圖4。提升打撈器的必要條件
T=G ———（1）
4.2鉆鋌受力
提升鉆頭時(shí)*靠滑塊與鉆鋌內(nèi)壁間的磨擦力來(lái)起動(dòng)鉆頭，詳見圖5。其方程為：
N2μ2≥G———（2）
N2：滑塊與鉆鋌間的正壓力
μ2：滑塊與鉆鋌的磨擦系數(shù)
4.3滑塊受力
滑塊受到鉆鋌內(nèi)壁的約束力和滑道對(duì)滑塊產(chǎn)生的正壓力和摩察力，見圖6。其在水平方向平衡方程為：
N2=N1cosθ- N1μ1 sinθ———（3）
4.4滑道受力
滑塊對(duì)滑道產(chǎn)生的正壓力和摩察力，詳見圖7。其在豎直方向平衡方程為：
T=N1μ1cosθ+ N1 sinθ ———（4）
由（1）、（2）、（4）得：
N2μ2≥N1（μ1cosθ+ sinθ） ——（5）
4.5打撈器必須滿足的力學(xué)條件
由（3）、（5）得：
N1（cosθ-μ1 sinθ）μ2≥N1（μ1cosθ+ sinθ）—（6）
由式（6）得
μ2≥（μ1cosθ+ sinθ）/（cosθ-μ1 sinθ）——（7）
式（7）中：
根據(jù)設(shè)計(jì)的滑道斜面其傾角θ=1.1679弧度
滑道及滑塊均磨光摩察系數(shù)為μ1=0.05
則μ2≥0.07
由于滑塊外表面粗糙，其摩擦系數(shù)µ2＞＞0.07，因此在理論上無(wú)論鉆頭多重，只要鉆桿提升力足夠即可保證打撈器與鉆鋌的摩察力大于鉆頭啟動(dòng)荷載，從而將鉆頭打撈出來(lái)。
4.6滑道上滑過(guò)程中滑塊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)
由圖6知滑道上滑過(guò)程中滑塊向下合力F為：
F= N2μ2- N1μ1cosθ- N1sinθ ———（8）
將（3）式代入（8）式得
F=（N1cosθ- N1μ1 sinθ）μ2- N1μ1cosθ- N1sinθ
= N1（μ2cosθ-μ1μ2sinθ-μ1cosθ- sinθ）
式中：
θ=1.1679弧度
μ1=0.05
μ2=0.10
F=0.0295N1＞0
故當(dāng)滑道上滑時(shí)，滑塊合力向下，滑塊不會(huì)隨滑道上滑。當(dāng)鉆桿逐步提升時(shí)滑塊與鉆鋌內(nèi)壁的摩察力逐步增大，zui后達(dá)到平衡，使滑道、滑塊、鉆頭無(wú)相對(duì)滑動(dòng)成為整體。
5．打撈器加工要求
根據(jù)力學(xué)計(jì)算，為確保提升鉆桿時(shí)滑塊不隨滑道上升，打撈器加工時(shí)，滑塊與滑道接觸面應(yīng)盡量光滑以減小摩察系數(shù)μ1，使μ1＜0.05，同時(shí)將與鉆鋌內(nèi)壁接觸的滑塊面作成粗糙面以增大μ2值。
6．鉆頭打撈方法
打撈前鉆渣已沉入孔底將鉆頭埋住，先用φ2.0m鋼護(hù)筒做成上小下大的鍾型吸泥罩。吸泥罩上端與鉆桿相連，下端插入沉渣內(nèi)，利用鉆機(jī)進(jìn)行反循環(huán)清渣，直至鉆頭露出沉渣外，然后取下吸泥罩，換上打撈器。
在原掉鉆位置附近下放打撈器，至鉆頭標(biāo)高，緩慢移動(dòng)打撈器，當(dāng)打撈器碰到鉆鋌后，下插打撈器，若打撈器未插入鉆鋌內(nèi)，則調(diào)整位置再下放打撈器，當(dāng)打撈器插入鉆鋌內(nèi)后，松開滑塊，使滑塊在重力作用下下滑與鉆鋌內(nèi)壁接觸，逐步提升鉆桿，滑塊外徑逐漸變大直至與鉆鋌內(nèi)壁撐緊產(chǎn)生足夠的摩察力。
當(dāng)打撈器插入鉆鋌內(nèi)后，提升鉆桿時(shí)，其負(fù)荷明顯加大，由于負(fù)壓太大，致使鉆機(jī)無(wú)法啟動(dòng)鉆頭，因此在鉆桿兩側(cè)焊牛腿，用兩臺(tái)1000KN千斤頂同時(shí)頂升鉆桿，以松動(dòng)鉆頭，然后再利用鉆機(jī)提升鉆頭。
7．施工體會(huì)
本橋利用力學(xué)原理，采用此方法在不到7天的時(shí)間內(nèi)，較為簡(jiǎn)便、快速、有效地將大直徑、重噸位（400KN）的鉆頭及其配重從74.08m深處整體打撈上來(lái)，無(wú)論在打撈方法、打撈速度還是打撈重量上，在類似情況下都創(chuàng)下了新的記錄。實(shí)踐證明此種方法投入小且行之有效，可以作為打撈鉆頭的一種推廣方法。
由于打撈器靠摩察力將鉆頭提升，因此對(duì)鉆鋌環(huán)向應(yīng)力較大，施工時(shí)應(yīng)注意。鉆頭埋置后再提升時(shí)，負(fù)壓較大，宜在打撈器前端開孔以邊提升時(shí)利用鉆桿壓縮空氣進(jìn)入鉆頭，以減小負(fù)壓。