擠石鉆的破石機理與效能

郝長明

北京東方新星石化工程公司 北京 100070

圖1 專利資料

1 鉆頭的發明過程

在地基與基礎工程中，常會遇到填方施工單位因工期緊，不將石頭拉走，草草平整的情況。這種情況下，施工單位由于擔心強夯錘受損，往往不會認真強夯，僅敷上一層土，用小錘輕拍一遍即交工，給樁基工程留下了很多難題。

中石化普光天然氣凈化廠樁基工程開工前夕，筆者奉命踏勘現場。用錘子敲打了一天，就是覺得無計可施。

圖2 普光天然氣凈化廠樁基工程現場

為此，項目部召開了幾次專題會議，一致的意見是旋挖鉆機不適用。但選用沖擊鉆則需要考慮漏漿、塌孔、孔內石料的取出等問題，試鉆的結果是一星期打一個孔，充盈系數超過了2.1。在這個項目中，每個標段幾千根樁，如此的效率和充盈系數，顯然也不適用。

如要追求鉆孔效率，只能再考慮旋挖鉆機，而使用旋挖鉆機又要面對開孔、跑偏、卡鉆等等難題。

石化建設的地基與基礎工程是我公司最為重要的業務，不能逃避，這是企業的榮譽問題。為此，我們將研制新型鉆頭作為最緊要的任務開始了工作。

當時項目部留給研制新型鉆頭的時間不多，并明確指示，若不能在規定時間內研制成功，項目將決定采用沖擊鉆的方式進行樁基工程。

在項目部規定時間的最后一刻，我們拿出了研制的新型鉆頭。試鉆中，僅用了4h 鉆出了第一個孔，打破了很多人之前認為鉆桿會擰斷的疑慮，堅定了項目部使用旋挖鉆機的信心。

2 鉆頭結構

鉆頭由五個部（零）件組成（見圖3）。分別為：接頭、本體側刀、鍵、中軸和擴孔錐。

2.1 接頭

圖3 鉆頭裝備圖

用來連接旋挖鉆機主動鉆桿。

2.2 本體

各部件通過本體相連接，如圖4 所示。

圖4 鉆頭本體設計圖

2.3 側刀

用來擴孔和保徑的零件，如圖5 所示。

圖5 鉆頭側刀設計圖

2.4 鍵

用來驅動擴孔錐。

2.5 中軸

用作前導鉆具并驅動擴孔錐和側刀，如圖6 所示。

2.6 擴孔錐

用于第一次擴孔，如圖7 所示。

圖6 鉆頭中軸設計圖

圖7 鉆頭擴孔錐設計圖

3 擠石以及破石機理

3.1 開孔“點”破碎

開孔鉆頭先導部分觸地，機器的力量相對集中，無論單石中部還是多石之間，都很容易突破。

3.2 先導鉆具扶正

鉆具的擴孔部觸地時先導鉆具已經鉆入地面70mm，就是扎在大地的一個軸，鉆具軸向已經不會偏移。故而鉆具可以擠走石頭，石頭不能擠動鉆具，鉆出的孔是正的。

3.3 攻旋破石效應

鉆頭的擴孔部破石效應類似于絲錐攻螺紋。使旋挖鉆機巨大的扭矩與正壓力協調發揮作用，把擠動以后仍楔入鉆孔的毛石絞碎、刮掉。

4 適用范圍

擠石鉆先后運用于寧夏煤制烯烴項目、普光天然氣凈化廠、川維AVC 項目、日照商儲項目等重要項目的樁基工程。其中日照項目的難度非常大，其原因在于：日照項目填方工程混雜的花崗巖毛石單軸抗壓強度近百兆帕。這樣的巖石硬度是擠石鉆運用極限了。近百兆帕及百兆帕以上的巖石應使用其他種類硬巖鉆頭破碎。

5 經濟效益及社會效益

普光天然氣凈化廠樁基工程的進度問題一度是廠建工作的焦點。領導們采取了最為嚴厲的措施抓進度，收效甚微。擠石鉆的運用消除了這個進度瓶頸。

圖8 開孔時的使用。否則鉆頭會高頻度的跳鉆，很難孔。

圖9 毛石富集區域的擠石鉆進

圖10 擠石效應與絞石效應共存

圖11 這個護筒座在石頭上，普通鉆具無法鉆進。調來擠石鉆，破石很快解決

圖12 鉆成的成孔

圖13 開挖時顯露的樁頭

運用擠石鉆成孔遠比沖擊鉆成孔質量好。樁孔的垂直度與孔底沉渣指標正常，與正常土層成孔很接近。沒有塌孔的情況發生（試樁時使用沖擊鉆，塌孔時有發生），安全裕度大幅提高。充盈系數也由試樁時的2.1 減至1.4。

北京東方新星石化工程公司的普光天然氣凈化廠樁基工程是一個爭榮譽的工程，并不期望盈利。原來的想法是能夠堅持做下來，捍衛了企業的尊嚴就很滿意了。使用了擠石鉆進度加快，安全環境方面的投入減少，充盈系數大幅度降低等也使項目盈利豐厚。不僅如此，“塊石填充地層擠石鉆成孔施工工法”被評為中石化優秀工法并由中石化進一步申報國家施工工法；普光天然氣凈化廠樁基工程項目獲國慶60 周年“十佳勘察與巖土工程”大獎——企業的創新工作得到了很好的回報。

1 《樁基工程》，作者：段新勝、顧湘。

2 《巖土工程施工概論》，作者：黃生根。

3 《鉆探設備概論》，作者：張西堯。

4 《現代基礎處理用鉆掘設備》，作者：宋翔雁。

5 《大型旋挖鉆機設計中幾個問題的討論》，作者：黃志文。