淺議摩擦式鉆桿在硬質地層中的成孔改進

趙娜 楊亞軍

摘 要：本文介紹了摩擦桿施工機理，基于高強度地層的力學特性，針對硬質地層使用摩擦桿鉆進時遇到的打滑等問題進行深入分析，提出了鉆齒和操作等方面的支持理論，對于拓展摩擦桿使用范圍和提高鉆進效率大有益處。

關鍵詞：摩擦桿；硬質；旋挖鉆機

1 引言

近年來，為了滿足高速鐵路對基礎沉降的限定，有關部門對高鐵樁基承載力的要求越來越高，從而出現了大樁徑，深孔樁。而機鎖式鉆桿受到鉆孔深度的限制，深孔樁（>60m）只能選擇摩擦式鉆桿施工。然而較機鎖式鉆桿而言，摩擦式鉆桿能夠提供的加壓力較小，對硬質地層的鉆進能力較弱，而且從已有實例來看，摩擦式鉆桿在硬質地層的鉆進過程中常常遇到打滑，不能進尺的現象。實際上，對于硬質地層中部分全-強風化巖（包括花崗巖，泥-鈣質砂巖，砂質泥巖等）或是密實度較高的粘土層而言，如果選用恰當的鉆具并配合適當的操作方法，采用摩擦式鉆桿是能夠高效鉆進的。

2 摩擦式鉆桿施工機理分析

摩擦式鉆桿的進尺加壓力由未被動力頭托住的鉆桿重量，鉆斗的重量以及可變加壓力f三部分組成。由于鉆桿和鉆斗在制作時其質量已經確定，因此提高鉆機的進尺加壓力，只能從可變加壓力f入手。可變加壓力f與地層提供的反扭矩有關，其形成過程如圖1所示。

圖1 鉆機加壓力關系示意圖

其值可以通過下式計算：f=f摩=kN=k（M/R），其中k為鉆桿鍵條間的摩擦系數；R為扭矩傳遞半徑（鉆桿半徑）；f摩為桿間的摩擦力。由于f摩小于加壓力F，因此在桿上施加大小為F的加壓力時，其能傳遞的有效加壓力大小與f摩相等。

從上面的分析可以看出，負載反扭矩M和加壓力F是可變加壓力f形成必要條件，兩者缺一不可。其中加壓力F通過人為操作可以實現，但負載反扭矩的形成則與鉆進的地層有關：對于較松軟的泥沙層，由于其結構較為破碎，極易鉆進，所以不能形成多大的反扭矩；而對于硬質地層，如果避免了鉆斗在地層上邊的打滑，則可以形成較大的反扭矩，進而產生較大的可變加壓力。但在硬質地層的實際鉆進過程中，鉆斗常常打滑，幾乎不能產生反扭矩。因此解決鉆斗的打滑，則是解決摩擦式鉆桿鉆進硬質地層的關鍵[1]。

3 鉆斗在硬質地層打滑的原因分析

鉆斗在硬質地層打滑的實質就是鉆斗斗齒不能有效嵌入地層中，而造成此種現象的原因與地層的承載力和鉆斗有關。由于地基承載力為不可控因素，下面具體分析鉆斗對硬質地層鉆進的影響。

3.1 雙底撈砂鉆斗在硬質地層中打滑的機理分析

（1）斗齒的布置個數要盡可能少，而且要盡可能切削到整個鉆進面。摩擦式鉆桿在最初接觸地層時，由于不能建立可變加壓力f，這時的進尺加壓力實際為一恒定值，作用在單個斗齒上的加壓力與斗齒的個數成反比。這樣，斗齒個數越少，作用在單個斗齒上的加壓力越大，鉆齒也更易嵌入地層中。但是斗齒個數過少會導致鉆具不能切削到整個鉆進面，在切削過程中鉆進面必然會被切削成多個環形體，這時鉆斗將被這些不能切削到的地方托住，而斗齒則在切削過的凹槽中空鉆，導致不能鉆進。

（2）斗齒角度應設置在50°～53°之間。較大的斗齒角度能夠提高加壓力，但過大的角度必然會導致“掰齒”現象的產生。

（3）適當減小定位錐刀的高度，其高度最好略低于斗齒高度。定位錐刀起到導向的作用，避免斜孔的產生，正常其高度高出斗齒約50mm。但在硬質地層中，定位錐刀與鉆進面接觸后，由于鉆桿與鉆斗重力不能克服地層的阻力，鉆斗會被定位錐刀托起，導致斗齒始終不能與鉆進面接觸，不能鉆進。

（4）對于大樁徑硬質地層的鉆進，為保證單個斗齒壓力，應加長合理位置處的齒長，讓其獲取更大的加壓力，從而更易嵌入地層。大樁徑鉆進時，由于斗齒個數較多，如果同時讓全部的斗齒接觸地層，可能會出現單齒壓力較小，不能達到嵌入地層的壓力值。因此可考慮加長某些斗齒，使其長度超過定位錐刀10～20mm，讓其先嵌入地層。邊齒是受剪力最大的齒，對于大樁徑樁孔，如果讓其先吃土會有“掰齒”的可能，所以考慮加長受剪力較小處的斗齒。

3.2 錐螺旋鉆斗在硬質地層中打滑的機理分析

錐螺旋鉆斗主要用于輔助中風化及以上巖層的鉆進，需配合雙底撈砂斗或筒鉆使用。其特殊的錐形構造使鉆斗頭部的截齒能夠獲取較大的初始加壓力，從而能夠較快的鉆入巖層；而且隨著鉆頭的鉆進，鉆頭的其它截齒也開始鉆進地層，由于有前期截齒制造的自由面，其鉆進也相對較易。

但由于此類“硬質”地層粘性大，彈性大，且被壓實后硬度增大，采用錐螺旋鉆頭鉆進時，其特殊的錐形構造，反而使鉆頭頭部極易被糊住，而造成鉆齒失效，整個螺旋鉆頭被托住的現象。不能持續鉆進后，水或泥漿便進入鉆斗與鉆進面之間而潤滑，便形成打滑。應當來說，錐螺旋鉆頭并不適合此類“硬質”地層的鉆進。但是由于其鉆進的初始阻力較小，如果能在鉆進面上制造若干自由面，就可以有效減少糊鉆，實現鉆進[2]。

4 摩擦式鉆桿在“硬質”地層施工驗證

4.1 砂質泥巖巖層的鉆進

此處樁徑1.5m，樁深約80m，采用SR280R旋挖鉆機鉆進。由于鉆深較大，采用6×15摩擦式鉆桿配合Φ1.5m的土層雙底撈砂鉆斗施工。現場40m處遇強風化泥質砂巖，其平均單軸抗壓強度在10MPa左右，鉆進出現打滑進尺慢現象。

經過現場觀察，發現鉆斗的定位錐刀過長，而且斗齒磨損嚴重，建議按照3.1所述的鉆斗布齒原則進行改進。改進后，鉆機順利鉆進，鉆進時間由最長的6天縮短為13小時，為創造了極大的經濟效益。

4.2 強風化花崗巖巖層的鉆進

此處樁徑1.5m，樁深約71m，采用SR250R旋挖鉆機鉆進。由于樁深較大，采用5×15摩擦式鉆桿配合Φ1.5m的土層雙底撈砂鉆斗施工。鉆進約50m即遇強風化花崗巖，但直至70m后，才出現打滑不進尺現象。實際上，打滑除了與70m后的地層承載力可能變高有關以外，還與鉆桿的長度有關。5×15摩擦式鉆桿的有效鉆進長度約為71.4m（包含鉆斗高度約2.3m），鉆進約69m時，整個鉆桿均被動力頭托住，這樣鉆進初期的加壓力實際僅為鉆斗的重量。

通過現場觀察，雖然鉆斗上布置的全為新齒，但鉆斗的定位錐刀過長，對鉆進起到了阻礙作用，建議將定位錐刀割短至與斗齒高度平齊。改進后，順利成孔。

在移至下一樁位時，采用改進后的鉆斗依然不能進尺，建議采用6×15摩擦式鉆桿配合Φ1.5m的土層雙底撈砂鉆斗施工，施工順利進行

5結束語

摩擦式鉆桿越來越多的用于深孔樁的鉆進，而且對于大多數深孔樁而言，一般不會入至基巖，屬摩擦樁類。這樣，鉆進中遇到的硬質地層大多屬于本文涉及的全-強風化巖（包括花崗巖，泥-鈣質砂巖，砂質泥巖等）或是密實度較高的粘土層等。采用摩擦式鉆桿在此類硬質地層的鉆進時，應遵循兩個思路，其一是增加單齒加壓力，其二是在鉆進面處制造自由面。當然，由于摩擦式鉆桿自身的設計因素，其不能用于鉆進中風化及以上的土層。

參考文獻

[1]黎中銀，王宏偉，解大鵬. 旋挖鉆機入巖機理和鉆巖效率的分析 [J].建筑機械， 2008， 1

[2]朱迪斯，黃玉文，史新慧. 旋挖鉆機巖石鉆進試驗[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）， 2008.