長螺旋鉆機的發展趨勢探析

摘 要 隨著城市化進程的快速發展，對建筑基礎樁的施工設備要求也越來越高，適應于復雜地質條件、成樁質量高、施工成本低、施工效率高的樁型受到建筑開發和施工單位的青睞。螺旋鉆孔成樁在近30年來已被人們認可，在施工軟地層、中軟地層和較硬地層中顯現出很強的優勢，為了更好地適應建筑基礎市場的要求，對長螺旋鉆機發展進行論述，以供參考。

關鍵詞 長螺旋鉆機；復雜地質條件；發展趨勢

中圖分類號：P634 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0089-02

1 背景

現代建筑樁基礎施工中，成樁設備很多，各有各的特點。不同的設備具有不同的成孔方法及匹配的成樁工藝，同時還具有不同的最佳適應范圍。

旋挖鉆機鉆孔深度一般不超過80 m，鉆孔直徑800 mm-2500 mm，動力頭通過可伸縮鉆桿帶動鉆斗旋轉，切削并收集巖土，卷揚提升并出土，多次反復而成孔，需泥漿做護壁，防止孔壁塌落，可以挖鉆軟質巖石，對含有卵石、碎石的地層施工有很強的優勢。

沖擊正反循環鉆機適應于孔深一般不超過70 m，成孔直徑600 mm-2000 mm，通過沖擊錘擊碎巖土，利用正反循環泥漿泵排渣，需要泥漿做護壁和排渣液，對硬巖的施工有很強的優勢。

回轉正循環鉆機鉆孔深度一般不超過50 m，鉆孔直徑400 mm-2500 mm，回轉反循環鉆機鉆孔深一般不超過150 m，鉆孔直徑400 mm-4000 mm，回轉正反循環鉆機是通過底驅大轉矩轉盤帶動鉆桿鉆頭做回轉切削運動，利用正反循環泥漿泵排渣，需要泥漿做護壁和排渣液，利用牙輪鉆頭可在硬質巖層內施工，在粘土，黃土，砂土等軟地層施工有很強的優勢，但對漂石，孤石地層的施工有一定的難度。

長螺旋鉆機鉆孔深度一般不大于30 m，鉆孔直徑300 mm-1200 mm，通過頂驅動力頭帶動螺旋鉆具旋轉進行鉆削和排運巖土，在粘土、黃土、粉土、砂土等軟質層有很強的優勢，在碎石土、軟質巖石和風化巖石中施工有一定的難度。

夯擴樁機，成孔深度一般不超過20 m，樁徑300 mm-600 mm，通過夯擴錘反復做自由落體錘擊巖土，護筒跟隨沉入護壁而成，在粘土，黃土，粉土等軟質地層施工有很強優勢，在密實砂土、軟質巖石、風化巖石中施工有一定難度。

人工挖孔樁，成孔深度一般不超過40 m，樁徑800 mm-4000 mm，通過護板護壁，人工作業成孔，對中間有礫石夾層、地下水位以下的地層處理有一定難度。

振動沉管成樁機，成孔深度一般不超過35 m，成孔直徑300 mm-700 mm，通過頂驅高頻振動錘帶動的鋼樁管和樁頭沉入地層里，適用于粘土、黃土、粉土等軟質地層，對密實砂土、中間有硬夾層的地層施工有一定的難度。

靜壓樁機，壓樁深度一般不超過70 m，樁徑300 mm-600 mm，通過液壓夾持器將高強度預制樁沉入地層里，在粘土、黃土、粉土、淤泥質土等軟質地層施工有很強優勢，在砂土、中間有硬夾層的地層施工有一定難度。

上述這幾種施工設備及方法中，旋挖鉆機、沖擊正反循環鉆機、回轉正反循環鉆機的施工中需泥漿護壁及排渣，施工過程需水下澆灌混凝土，現場需排污處理；夯擴樁機、振動沉管成樁機在施工過程中具有振動和噪聲，同時對密實砂土、軟質巖石施工都有一定難度；人工挖孔施工安全性差，現行業部門已有所限制；靜壓樁機，搬遷費用高，在砂土、中間有硬夾層等硬地層的施工有難度；長螺旋鉆機既無泥漿護壁而造成污染，又無振動和噪聲而造成擾民，同時搬遷運輸方便，缺點是對深樁（樁長大于30 m）大徑（直徑大于1200 mm），硬巖（巖石抗壓強度值大于600 kPa）的施工有一定難度。改善和突破長螺旋鉆機在硬巖層的施工成樁，有利于降低施工成本，提高施工效益，值得研究和實施。

2 建筑市場現狀

改革開放30多年來，國內營建了大型城市群，大型基礎設施的建筑，為樁基礎施工帶來了巨大的市場，同時也帶動了樁基礎施工設備的開發與制造。隨著城市建設規模的增大，逐漸形成了一線城市，二線城市。大城市向外擴張式發展已受到一定的局限性，一是加大了大城市與邊遠農村地區發展的不平衡，二是占用大量耕地。近幾年國家調整了發展政策，加大了中小城市和邊遠地區的發展，逐漸改善和提高不發達和欠發達地區人們的生活水平，幸福指數。實行農村城鎮化，小城市化，中小城市群的改革方向，這給基礎建筑樁施工帶來了商機。中小城市及城鎮的地理位置多在山區地帶，地質條件比較復雜，回填入巖樁，穿越礫石夾層及碎石層樁，是建筑樁基礎的主體，隨著城市建設用地控制使用，樓房建設越來越高，要求樁基礎承載能力也越來越高，端載入巖樁是比較適合山區建筑樁基礎的一種樁型，現在的入巖施工設備中，都有一定的不足之處，泥漿護壁和排渣，造成環境的污染，振動沖擊，不僅噪聲大，而且會影響和破壞周圍建筑物。研制和改進一種既能入巖又環保的樁基礎施工設備是當前建筑市場的需要。

3 長螺旋鉆機破巖機理

3.1 巖石破碎機理

通過彈性力學的研究結果來分析巖石內部的應力狀態，巖石在受軸向壓力單獨作用時，彈性半無限體內等應力線的分布是均勻的、對稱的，巖石內部會出現應力集中區，此集中區是巖石破碎的突破點。巖石在軸向力和切向力共同作用時，巖石內部的應力狀態發生改變，如圖1所示。巖石內部的應力狀態特征分為三個區：在接觸面上切向力作用的前方將產生壓應力，形成正應力區。在切向力的后方將產生拉應力，形拉應力區。在正應力區和拉應力區之間形成過渡區。軸向力和切向力共同作用的結果，可以看作是破巖工具對巖石表面以某一角度施加作用力，巖石破碎效果由此作用力的大小和方向決定。正應力區是隨著軸向力的增加而擴大，隨切向力的增加而減小，拉應力區則是隨著軸向力增加而縮小，隨切應力的增加而擴大。根據巖石各種強度比例關系可知（見表1），巖石的抗剪切強度極限遠遠小于抗壓強度極限，可見巖石采取剪切方式破碎是比較合理的。endprint

表1 不同受載方式下的巖石強度相對值

巖石 不同受載方式下的巖石強度相對值

抗壓 抗拉 抗彎 抗剪

花崗巖 1 0.02-0.04 0.08 0.09

砂 巖 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12

石灰巖 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15

3.2 巖石的破碎過程

巖石在不同的軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖2所示，巖石的破壞分三個階段，即研磨破碎階段，疲勞破碎階段和躍進破碎階段。研磨破碎階段，在較小軸壓的作用下，巖石的破碎是靠旋轉的巖石刀具與巖石表面接觸所產生的摩擦力的作用導致巖石表面磨損，這個階段巖石破碎速度很慢，破碎的巖石顆粒小，但巖石刀具磨損大、損耗大。疲勞破碎階段，軸壓繼續加大，但還沒有達到巖石的抗壓強度極限值或壓入硬度值，巖石的破碎只要是靠破巖刀具多次與巖石沖擊接觸，使巖石產生微裂紋，隨著沖擊次數的增多，裂紋也增多。當巖石強度降到某一程度時，便形成大顆粒巖屑，導致巖石疲勞破碎。此階段巖石的破碎速度較研磨破碎階段有所提高，但刀具的損壞還是比較嚴重。躍進破碎階段，軸壓繼續加大，達到巖石的抗壓強度極限值或壓入硬度值時，旋轉的破巖刀具主要以剪切的方式進行破巖，此時鉆頭損耗小，破碎效果最佳。隨著軸壓的繼續增大，破碎速度呈線性增加。由此可知，軸壓的大小是能否快速破巖的關鍵，此剪切方式破巖是效率最高，效益最好。

3.3 影響長螺旋鉆機入巖的因素

1）巖石的類型。不同的巖石的抗壓強度或壓入硬度值不同，抗壓強度或壓入硬度值越大，入巖所需的軸壓越高，入巖難度也越高，反之亦然。各種地層的抗壓強度值見表2。

表2 幾種常見巖石的抗壓強度值 （Mpa）

巖石種類 頁巖 泥灰巖 砂巖 石灰巖 片麻巖

抗壓強度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196

巖石種類 干板巖 凝灰巖 云母片巖 石英片巖 白云巖

抗壓強度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245

2）入巖鉆頭的結構形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，根據自由面巖石破碎的理論，相鄰截齒同時侵入巖石時，會互相為對方創造自由面，相鄰截齒間的距離為10 cm-12 cm為最佳，入巖鉆頭的形狀采用錐形結構，采取錐頭尖部小徑入巖，逐漸擴孔的方式。先入巖的截齒為后入巖的截齒創造自由面。截齒與巖面的傾角一般選擇45?-65?之間，巖石硬度越高，傾角越大。截齒隨入巖鉆頭做公轉的同時也做自轉，有利于巖石的破碎。

3）長螺旋鉆機軸向加壓能力和動力頭輸出轉矩的影響。由巖石破碎過程可知，躍進破碎階段是最理想的，這就要求軸壓達到所破巖石的抗壓強度極限或壓入硬度值。普通長螺旋沒有加壓裝置，只靠鉆具的自重和動力頭的重量作為加壓，很難達到入巖軸壓，導致研磨破碎或疲勞破碎，破巖效率很低，耗材大。

鉆頭切削巖土所產生的阻力矩M與鉆進速度V，鉆頭直徑D，巖石強度δ及轉數n有關。

M=F·D/2=0.12D2Vδ/n

式中：F-螺旋鉆頭阻力。

螺旋鉆具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp

式中：D-鉆頭直徑；L-螺旋長度；ρ-巖土容重；Kp-巖土松散度系數，Kp=1.1-1.2。

由此可知，長螺旋鉆機的動力頭輸出扭矩和軸向加壓能力是能否破碎巖石的關鍵因素，增加長螺旋鉆機的加壓功能，加大動力頭輸出扭矩能擴大長螺旋鉆機的施工成孔能力。

4 實踐現場

沈陽鉆探機械研制中心，研制了JUS120長螺旋鉆機，動力頭輸出額定轉矩為250 kN·m，額定加壓力為400 kN，在遼寧省凌源市龍泰豪府小區1-5號樓施工，滿足了樁基礎設計要求，地質勘探報告：第一層雜填土0.8 m-5.0 m；第二層粉土0.4 m-1.10 m；第三層礫砂0.4-4.40 m ；第四層圓礫3.2 m-6.90 m；第五層強風化安山巖；3.3 m-5.70 m；樁基礎設計要求，樁端持力層強風化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。樁徑為3種，Φ800單樁豎向抗壓承載力特征值為2250 kPa；Φ1000單樁豎向抗壓承載力特征值為3250 kPa；Φ1200單樁豎向抗壓承載力特征值為4500 kPa；通過與同現場的6-10號樓旋挖鉆施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。

5 結束語

長螺旋鉆機的升級改造，不僅給設備的生產制造商帶來效益，而且給施工單位和建筑開發單位帶來更大的收益，在建筑樁基礎市場中會得到越來越多的應用和發展。

參考文獻

[1]高大釗，朱小林.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.

[2]余靜，徐小荷.巖土破碎學[M].北京：煤炭工業出版社，1984.

[3]沈保漢.樁基與深基坑支護技術發展[M].北京：知識產權出版社，2006.

[4]松崗，李技.多功能旋挖鉆機長螺旋鉆具的研制[J].探礦工程，2010，38（5）.

作者簡介

劉守進（1965-），男，遼寧沈陽人，總工程師，大學畢業，從事機械設計及制造工作。endprint

表1 不同受載方式下的巖石強度相對值

巖石 不同受載方式下的巖石強度相對值

抗壓 抗拉 抗彎 抗剪

花崗巖 1 0.02-0.04 0.08 0.09

砂 巖 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12

石灰巖 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15

3.2 巖石的破碎過程

巖石在不同的軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖2所示，巖石的破壞分三個階段，即研磨破碎階段，疲勞破碎階段和躍進破碎階段。研磨破碎階段，在較小軸壓的作用下，巖石的破碎是靠旋轉的巖石刀具與巖石表面接觸所產生的摩擦力的作用導致巖石表面磨損，這個階段巖石破碎速度很慢，破碎的巖石顆粒小，但巖石刀具磨損大、損耗大。疲勞破碎階段，軸壓繼續加大，但還沒有達到巖石的抗壓強度極限值或壓入硬度值，巖石的破碎只要是靠破巖刀具多次與巖石沖擊接觸，使巖石產生微裂紋，隨著沖擊次數的增多，裂紋也增多。當巖石強度降到某一程度時，便形成大顆粒巖屑，導致巖石疲勞破碎。此階段巖石的破碎速度較研磨破碎階段有所提高，但刀具的損壞還是比較嚴重。躍進破碎階段，軸壓繼續加大，達到巖石的抗壓強度極限值或壓入硬度值時，旋轉的破巖刀具主要以剪切的方式進行破巖，此時鉆頭損耗小，破碎效果最佳。隨著軸壓的繼續增大，破碎速度呈線性增加。由此可知，軸壓的大小是能否快速破巖的關鍵，此剪切方式破巖是效率最高，效益最好。

3.3 影響長螺旋鉆機入巖的因素

1）巖石的類型。不同的巖石的抗壓強度或壓入硬度值不同，抗壓強度或壓入硬度值越大，入巖所需的軸壓越高，入巖難度也越高，反之亦然。各種地層的抗壓強度值見表2。

表2 幾種常見巖石的抗壓強度值 （Mpa）

巖石種類 頁巖 泥灰巖 砂巖 石灰巖 片麻巖

抗壓強度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196

巖石種類 干板巖 凝灰巖 云母片巖 石英片巖 白云巖

抗壓強度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245

2）入巖鉆頭的結構形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，根據自由面巖石破碎的理論，相鄰截齒同時侵入巖石時，會互相為對方創造自由面，相鄰截齒間的距離為10 cm-12 cm為最佳，入巖鉆頭的形狀采用錐形結構，采取錐頭尖部小徑入巖，逐漸擴孔的方式。先入巖的截齒為后入巖的截齒創造自由面。截齒與巖面的傾角一般選擇45?-65?之間，巖石硬度越高，傾角越大。截齒隨入巖鉆頭做公轉的同時也做自轉，有利于巖石的破碎。

3）長螺旋鉆機軸向加壓能力和動力頭輸出轉矩的影響。由巖石破碎過程可知，躍進破碎階段是最理想的，這就要求軸壓達到所破巖石的抗壓強度極限或壓入硬度值。普通長螺旋沒有加壓裝置，只靠鉆具的自重和動力頭的重量作為加壓，很難達到入巖軸壓，導致研磨破碎或疲勞破碎，破巖效率很低，耗材大。

鉆頭切削巖土所產生的阻力矩M與鉆進速度V，鉆頭直徑D，巖石強度δ及轉數n有關。

M=F·D/2=0.12D2Vδ/n

式中：F-螺旋鉆頭阻力。

螺旋鉆具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp

式中：D-鉆頭直徑；L-螺旋長度；ρ-巖土容重；Kp-巖土松散度系數，Kp=1.1-1.2。

由此可知，長螺旋鉆機的動力頭輸出扭矩和軸向加壓能力是能否破碎巖石的關鍵因素，增加長螺旋鉆機的加壓功能，加大動力頭輸出扭矩能擴大長螺旋鉆機的施工成孔能力。

4 實踐現場

沈陽鉆探機械研制中心，研制了JUS120長螺旋鉆機，動力頭輸出額定轉矩為250 kN·m，額定加壓力為400 kN，在遼寧省凌源市龍泰豪府小區1-5號樓施工，滿足了樁基礎設計要求，地質勘探報告：第一層雜填土0.8 m-5.0 m；第二層粉土0.4 m-1.10 m；第三層礫砂0.4-4.40 m ；第四層圓礫3.2 m-6.90 m；第五層強風化安山巖；3.3 m-5.70 m；樁基礎設計要求，樁端持力層強風化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。樁徑為3種，Φ800單樁豎向抗壓承載力特征值為2250 kPa；Φ1000單樁豎向抗壓承載力特征值為3250 kPa；Φ1200單樁豎向抗壓承載力特征值為4500 kPa；通過與同現場的6-10號樓旋挖鉆施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。

5 結束語

長螺旋鉆機的升級改造，不僅給設備的生產制造商帶來效益，而且給施工單位和建筑開發單位帶來更大的收益，在建筑樁基礎市場中會得到越來越多的應用和發展。

參考文獻

[1]高大釗，朱小林.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.

[2]余靜，徐小荷.巖土破碎學[M].北京：煤炭工業出版社，1984.

[3]沈保漢.樁基與深基坑支護技術發展[M].北京：知識產權出版社，2006.

[4]松崗，李技.多功能旋挖鉆機長螺旋鉆具的研制[J].探礦工程，2010，38（5）.

作者簡介

劉守進（1965-），男，遼寧沈陽人，總工程師，大學畢業，從事機械設計及制造工作。endprint

表1 不同受載方式下的巖石強度相對值

巖石 不同受載方式下的巖石強度相對值

抗壓 抗拉 抗彎 抗剪

花崗巖 1 0.02-0.04 0.08 0.09

砂 巖 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12

石灰巖 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15

3.2 巖石的破碎過程

巖石在不同的軸壓作用下破碎速度是不同的，如圖2所示，巖石的破壞分三個階段，即研磨破碎階段，疲勞破碎階段和躍進破碎階段。研磨破碎階段，在較小軸壓的作用下，巖石的破碎是靠旋轉的巖石刀具與巖石表面接觸所產生的摩擦力的作用導致巖石表面磨損，這個階段巖石破碎速度很慢，破碎的巖石顆粒小，但巖石刀具磨損大、損耗大。疲勞破碎階段，軸壓繼續加大，但還沒有達到巖石的抗壓強度極限值或壓入硬度值，巖石的破碎只要是靠破巖刀具多次與巖石沖擊接觸，使巖石產生微裂紋，隨著沖擊次數的增多，裂紋也增多。當巖石強度降到某一程度時，便形成大顆粒巖屑，導致巖石疲勞破碎。此階段巖石的破碎速度較研磨破碎階段有所提高，但刀具的損壞還是比較嚴重。躍進破碎階段，軸壓繼續加大，達到巖石的抗壓強度極限值或壓入硬度值時，旋轉的破巖刀具主要以剪切的方式進行破巖，此時鉆頭損耗小，破碎效果最佳。隨著軸壓的繼續增大，破碎速度呈線性增加。由此可知，軸壓的大小是能否快速破巖的關鍵，此剪切方式破巖是效率最高，效益最好。

3.3 影響長螺旋鉆機入巖的因素

1）巖石的類型。不同的巖石的抗壓強度或壓入硬度值不同，抗壓強度或壓入硬度值越大，入巖所需的軸壓越高，入巖難度也越高，反之亦然。各種地層的抗壓強度值見表2。

表2 幾種常見巖石的抗壓強度值 （Mpa）

巖石種類 頁巖 泥灰巖 砂巖 石灰巖 片麻巖

抗壓強度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196

巖石種類 干板巖 凝灰巖 云母片巖 石英片巖 白云巖

抗壓強度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245

2）入巖鉆頭的結構形式。入巖鉆頭選擇截齒作為刀具，根據自由面巖石破碎的理論，相鄰截齒同時侵入巖石時，會互相為對方創造自由面，相鄰截齒間的距離為10 cm-12 cm為最佳，入巖鉆頭的形狀采用錐形結構，采取錐頭尖部小徑入巖，逐漸擴孔的方式。先入巖的截齒為后入巖的截齒創造自由面。截齒與巖面的傾角一般選擇45?-65?之間，巖石硬度越高，傾角越大。截齒隨入巖鉆頭做公轉的同時也做自轉，有利于巖石的破碎。

3）長螺旋鉆機軸向加壓能力和動力頭輸出轉矩的影響。由巖石破碎過程可知，躍進破碎階段是最理想的，這就要求軸壓達到所破巖石的抗壓強度極限或壓入硬度值。普通長螺旋沒有加壓裝置，只靠鉆具的自重和動力頭的重量作為加壓，很難達到入巖軸壓，導致研磨破碎或疲勞破碎，破巖效率很低，耗材大。

鉆頭切削巖土所產生的阻力矩M與鉆進速度V，鉆頭直徑D，巖石強度δ及轉數n有關。

M=F·D/2=0.12D2Vδ/n

式中：F-螺旋鉆頭阻力。

螺旋鉆具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp

式中：D-鉆頭直徑；L-螺旋長度；ρ-巖土容重；Kp-巖土松散度系數，Kp=1.1-1.2。

由此可知，長螺旋鉆機的動力頭輸出扭矩和軸向加壓能力是能否破碎巖石的關鍵因素，增加長螺旋鉆機的加壓功能，加大動力頭輸出扭矩能擴大長螺旋鉆機的施工成孔能力。

4 實踐現場

沈陽鉆探機械研制中心，研制了JUS120長螺旋鉆機，動力頭輸出額定轉矩為250 kN·m，額定加壓力為400 kN，在遼寧省凌源市龍泰豪府小區1-5號樓施工，滿足了樁基礎設計要求，地質勘探報告：第一層雜填土0.8 m-5.0 m；第二層粉土0.4 m-1.10 m；第三層礫砂0.4-4.40 m ；第四層圓礫3.2 m-6.90 m；第五層強風化安山巖；3.3 m-5.70 m；樁基礎設計要求，樁端持力層強風化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。樁徑為3種，Φ800單樁豎向抗壓承載力特征值為2250 kPa；Φ1000單樁豎向抗壓承載力特征值為3250 kPa；Φ1200單樁豎向抗壓承載力特征值為4500 kPa；通過與同現場的6-10號樓旋挖鉆施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。

5 結束語

長螺旋鉆機的升級改造，不僅給設備的生產制造商帶來效益，而且給施工單位和建筑開發單位帶來更大的收益，在建筑樁基礎市場中會得到越來越多的應用和發展。

參考文獻

[1]高大釗，朱小林.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.

[2]余靜，徐小荷.巖土破碎學[M].北京：煤炭工業出版社，1984.

[3]沈保漢.樁基與深基坑支護技術發展[M].北京：知識產權出版社，2006.

[4]松崗，李技.多功能旋挖鉆機長螺旋鉆具的研制[J].探礦工程，2010，38（5）.

作者簡介

劉守進（1965-），男，遼寧沈陽人，總工程師，大學畢業，從事機械設計及制造工作。endprint