淺談金門花崗岩基樁工法 順訪金門大橋深槽區大口徑基樁施工 (上)

 

花崗岩中大口徑基樁的愛恨情仇

在約一億五千萬年前,一個鮮為人知的伊邪那岐板塊,慢慢侵入古華南地塊,經過噴發、張裂、變質、沉積,金門島在古地塊邊緣的斷裂帶獨立出來,經過沖刷、侵蝕、沉澱,經過最後的冰河期後海水上漲,金門島被孤立出來。

金門島主要基盤是花崗變質岩,在張裂過程,花崗變質岩張裂縫,被輝綠岩入侵或被石英岩脈晰出,在海岸清晰可見,可見金門地質的變異非常大。

在本島火山噴發地區(如台北市士林、天母 )或玄武岩露頭地區,岩石單壓強度高;在離島地區海域中,花崗變質岩的強度不但高且具多層次的覆(間有瓷土及珪石)土層,更難捉模。由於本島或離島建設,漸朝高樓、大型結構發展,對花崗岩大口徑基樁工法,就有深刻了解的必要,不論在陸域或海域施工大口徑基樁,特別是高強度如輕度至中度風化的花崗岩,往往在岩石單壓強度 (UCS) 大於100 Mpa,慎選施工機具變成一門顯學。

晚近適用於花崗岩大口徑基樁工法,主要在鑽頭對岩盤解裂機制,歸納為壓磨或鑿擊兩大類。

壓磨類,以反循環鑽掘工法 Reverse
Circulation Drilling (RCD) 為代表;鑿擊類,則舉潛孔錘工法(DTH)Down-The-Hole Hammer。DTH潛孔錘工法,又分為單錘與群聚組合兩類,單錘適用1,000mm直徑以下的基樁,CLUSTER DRILLS群聚潛孔錘鑽掘工法適合直徑1,000mm 以上可達直徑2,000mm最適。業界稱;以CLUSTER DRILLS 群聚潛孔錘鑽掘工法,1,500mm直徑鑽掘進度功效最佳。

在金門塔山電廠輸油棧橋1,000mmΦ鋼管樁基樁,也試過十八般武藝,最後採用群聚潛孔錘鑽掘工法完成,筆者在料羅港棧橋碼頭施工600mmΦ鋼管樁基樁,以潛孔單錘鑽掘工法施工亦順利完成。金門大橋深槽區2,500mmΦ全套管基樁,採用RCD工法,如能順利完成,就會增加金門花崗岩中施工實績,以下分別介紹以 Reverse Circulation
Drilling(RCD)與CLUSTER DRILLS群聚潛孔錘鑽掘工法(DTH)兩種工法:

反循環鑽掘工法 Reverse Circulation Drilling (RCD)

RCD鑽機是適用於大口經基樁(1,000-4,000 mmΦ),特別是堅硬岩盤,硬岩鑽掘單壓強度75~250 Mpa,世界各地尤其是堅硬岩盤,深度(H)大於 50m之海域施工,RCD戰功彪炳。

RCD鑽機串是夾裝在外套鋼管頭,也稱:套管頂置鑽樁機套,所以外套鋼管是以全套管施工或螺旋鑽桿施工,把覆土層上的軟土質或風化岩層洗出。

RCD可稱為氣壓攜升[air-lift]法,與一般反循環樁不同,以水循環帶上切削泥塊,以高壓氣經中央管打入高壓,經切削頭上方噴出,帶上切削後碎料,削後碎料經另一管帶上,經過篩後循環使用,可以降低內管的水密度,啟動循環水、氣、切削混合料,經由鑽管進入儲存槽過濾,使用RCD系統,有效率、安全,對環境友善的解決方案。

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圖1 反循環鑽掘工法 Reverse Circulation Drilling (RCD) 套在鋼管樁上全貌[註1]

夾裝在鋼管外套管上設備,有Clamping Device管頭鉗箍設備。

 

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圖2 Clamping Device管頭鉗箍設備[註1]

Clamping Device管頭鉗箍,崁入鋼管外套管,方便RCD鑽機的穩定與運作,管頭鉗箍設備是2點絞接油壓,環形力量設計,可以讓承受RCD鑽機全部力量穩固並容易拆解,避免鋼管變形,鋼管要有充分足夠的厚度。

1. Power Pack能量供應總成

Power Pack能量供應總成,將鑽機引擎所需產生電力、馬力轉速、氣壓量、油壓輸出、pump等整合到一整體供應,於工區或海上施工便捷。

2. Drill String 鑽機總串

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圖3 Drill String 鑽機總串[註2]

RCD鑽機總串,由下而上總成,包括:鑽頭、BHA 鑽桿穩定器(下)、鑽桿頸圈、BHA 鑽桿穩定器(上)、十字轉接管、法蘭接頭空氣上昇鑽桿(配鑽桿穩定器)等構成。

所以RCD工法又稱pile top drill樁頂鑽掘工法,一串鑽管夾雜各式穩定器,利用鑽桿帶動鑽頭以旋轉、推刺及自重為切削機制,強力切削岩盤,以氣壓由副管打入鑽頭底部,經混合切削岩削碎粒,混合水由鑽頭底部吸口吸入,由主鑽桿上升排到過篩槽中,經篩出粒料後運棄,餘水經反循環再由副管注入鑽頭底部,循環使用。

3. Drill Bit 鑽機切削頭

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圖4 Drill Bit 鑽機切削頭[註1]

切削頭的選擇型式、數量、排列角度: 依岩盤性質、深度及強度選擇,成本考量是一個重點,細部切削頭分成:齒輪式鑽刀切削頭適用硬土及中硬岩層;齒珠紐式鑽刀切削頭適用中硬及硬岩層;碟式鑽刀切削頭尖端龕有金剛鑽,適用硬及非常硬岩層。

鑽機鑽刀切削頭使用(研發)特性

1. 減少磨耗率、增加使用年限

2. 增加鑽掘進尺率、提高使用效率

3. 降低總成本及節省工作時間

鑽機各式切削頭[註1]

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RCD鑽頭功率

RCD的鑽掘效率,絕大部分落在切削頭的耐磨、硬度高性能的提昇,當然RCD鑽機進尺效率,除了地盤花崗岩岩石單壓強度(UCS)外,還有岩石破裂角度、節理數、以及鑽頭齒珠材料本身的張力強度、磨擦度、剪力強度、磨耗度等,總和表現在岩盤可鑽掘度及鑽頭工具的耐用度。

選擇RCD工法的優勢在於:

1. 鑽桿連結頭快速及有效率。

2. 為增加進尺效率,可以在鑽桿增加壓載物提昇效率。

3. 接合鑽管或抽引鑽管以自身機具運做,不須另外吊車吊裝。

RCD工法在金門大橋深槽區大口徑基樁施工中,任重道遠。
(未完待續)

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