論海外施工中如何提高旋挖鉆機嵌巖效率

劉宗寶

（中交第三航務工程局有限公司，浙江 315200）

1 對旋挖鉆機嵌巖施工情況進行分析

1．1 工況概述

該項目位于馬來西亞吉隆坡市區東南部，共計1557根樁，樁基部分的計劃工期為13個月。由當地合作公司Econpile和我方聯合實施。本項目最大樁長為55m，嵌巖深度為1.5～8m之間。由于地質條件為花崗巖且嵌巖較深，現場處于居民區，只能白天鉆孔，有效作業時間短，因此要求鉆機配置數量要多,且工效高。

1．2 旋挖鉆機對不同巖層嵌巖進尺情況

表1 旋挖鉆機對不同巖層進尺情況表

1．3 旋挖鉆機目前巖層實際進尺情況

表2 三一重工鉆機工效表（以CA3項目工地實際效率為例）

2 分析影響旋挖鉆機嵌巖工效的主要因素

目前施工的旋挖鉆機大多數以普通地層的施工為主，普通地層施工能夠充分顯現旋挖鉆機施工效率與成孔質量優勢。但在進行硬巖施工時，由于旋挖鉆機施工以旋轉切削運動為主，在其有限的加壓載荷下，無法形成對巖層的有效沖擊，從而導致旋挖鉆機進行硬巖施工中效率低下，而不能真正顯示旋挖鉆機的成孔優勢，下面就影響旋挖鉆機嵌巖工效的原因逐一做出分析。

2．1 從巖石破碎入巖機理分析影響旋挖鉆機嵌巖鉆進效率的因素

2．1．1 巖石破碎形式劃分

傳統巖石破碎理論將巖石隨軸壓增加而呈現出的不同破碎形式分成3 個分區段:研磨破碎區段-疲勞破碎區段-躍進破碎區段。

圖1 不同軸壓下巖石破碎的3 個區段

由以上可以得出，一是加壓方式：不同形式的加壓方式，巖石破碎則有不同的形式。有研磨或疲勞破碎；有躍進式破碎。二是地質條件：不同的地質條件則相應用不同的加壓方式；不同硬度的巖石，則應該選用更加合理的轉矩和軸壓匹配。三是轉速變化：鉆桿轉速快慢之間互相交替變化,則有利于提高對巖石的破碎效率。鉆桿轉速會在快慢之間交替變化,此時截齒沖擊鑿削巖面可迅速提高破碎效率。四是巖石強度：當加壓力大于巖石的抗壓強度極限的30%～50%時，則會呈現出嵌巖最高效的破碎形式—躍進式破碎。五是鉆頭的使用：不同鉆頭的交替使用,對嵌巖效果有至關重要的影響。

2．2 通過對旋挖鉆機實際工效對比分析查找影響設備嵌巖工效原因

2．2．1 旋挖鉆機設備技術能力分析

根據項目實際地質情況，采用SR365RC/SR360RC旋挖鉆機施工。SR365RC旋挖鉆機的加壓系統是采用卷揚加壓，其可為鉆機提供更大的加壓力，能夠使鉆機鉆進普通鉆機無法鉆進的巖層，另外先進的加壓系統使鉆機鉆進時候桅桿的穩定性大幅度提高，使得巖層對鉆機的反作用力大部分會被加壓系統內部吸收。

（1）旋挖鉆機的入巖條件

旋挖鉆機入巖的能力和工效取決于多種因素，既與旋挖鉆機加載在鉆具上的有效載荷有關，也與鉆具上截齒的具體布置方式有密切關系，同時也會受巖石硬度的影響。概括來說，旋挖鉆機要實現順利入巖，必須具備以下3個方面的能力：一是大扭矩、大加壓力，二是加壓力的有效傳遞，三是鉆具截齒的合理布置。

（2）馬來西亞工地，屬于花崗巖地層，嵌巖深度較大，施工效率主要取決于入巖能力，入巖能力主要體現在扭矩和設備加壓能力（鉆機+鉆桿重量）。

扭矩方面：三一SR365RC10＞三一SR360RC10＞寶峨BG30。

加壓能力方面：三一SR365RC10＞三一SR360RC10＞寶峨BG30。

(3)公司購買的SR365旋挖鉆機與馬來西亞當地市場樁基專業公司普遍使用的寶峨BG30旋挖鉆機進行的使用功效對比分析得出結論：從實際BG30和SR365旋挖鉆機實際單根樁入土效率對比，單根樁的平均入土效率相差為 0.03 h，相差不大；但是單根樁入巖效率對比，單根樁的平均入巖效率相差為 18.01 h;SR365C10嵌巖效率較高。故設備的加壓方式和加壓力及扭矩大小對嵌巖效率的影響比較大。

2．2．2 技術數據分析對比

旋挖鉆機作為項目大型關鍵設備，為此在設備日常運行過程中，為了更好的了解設備實際使用情況，對其使用中的工效情況，易損件消耗及油耗等情況詳細記錄和統計，并和設備供應廠商投標時遞交的工效調查情況表做大量詳細的技術數據對比，進一步分析設備使用過程中的嵌巖工效情況，通過大量現場數據和各單位調查數據的相對比，綜合對比后查原因，想辦法，不斷提高設備的嵌巖工效。

項目地層硬度變大，鉆機實際鉆進為0.9m筒鉆配合1.5m筒鉆分級鉆進，且需要取芯以及撈渣操作，相對于理論數據較慢（理論為單級鉆進)，新采購旋挖鉆機在實際嵌巖工效沒有達到投標文件嵌巖效率。為此項目組織相關技術人員查原因，找不足，想辦法解決問題并結合實際地層情況合理選用鉆具，對施工工法進一步優化，例如有分級鉆進變更為單級鉆進后效率明顯提高等，對旋挖鉆機手的操作水平及熟練程度進行培訓考核評比等多方面進行改進提高，從而不斷提高鉆機嵌巖工效。

2．2．3 結論分析

綜上所述在入巖機理理論和旋挖鉆機實際工效對比結論的支持下，總結出影響旋挖鉆機嵌巖鉆進效率的因素有：設備技術能力、機手的操作水平、孔深、孔徑、地層情況、鉆具選配及鉆桿型式，施工工法優化等。項目施工過程中經過不斷的實踐創新，優化改進，針對不同地質條件的情況，切實尋找出一個適合設備性能和當地巖層情況的施工工法等方面的最佳合理配置是全面提升旋挖鉆機入巖能力和工效的最好辦法。

3 提高旋挖鉆機嵌巖工效的方法措施

3．1 采用合理的鉆具和正確的操作方法

3．1．1 合理選用鉆具，保證施工效率

不同地層條件應采用不同的鉆具，例如：

在地層極限承載力不足400kpa時，采用斗齒撈沙鉆頭；在地層承載力大于400kpa時采用截齒撈沙鉆頭；在鉆進致密巖層時則可采用取芯筒鉆或牙輪鉆。

3．1．2 鉆桿的形式和合理選擇

當巖層狀況不是很復雜且易鉆進時（地層承載力小于600kpa)，可采用摩阻鉆桿，由于摩阻鉆桿操作方便，故可以提高作業效率；當巖層狀況比較復雜且很難鉆進時（地層承載力大于600kpa)，則可采用機鎖鉆桿；鉆進單軸飽和抗壓強度30MPa以上的硬質巖層，其地基承載力一般高于600KPa，已不適合摩阻桿鉆進，需根據孔徑、孔深及鉆機的情況配備相應機鎖桿鉆進。

3．1．3 硬巖地層旋挖鉆進鉆具選擇

根據硬巖破碎理論研究可知：當旋轉鉆頭附近存在自由面時，鉆頭侵入時巖石會產生側邊的破碎，這樣有利于提高鉆頭入巖效率。例如：在鉆進花崗巖困難時組合使用筒鉆開槽、螺旋破碎、截齒撈砂斗撈砂是保證旋挖鉆機高速鉆進的最優鉆進方式。所以，硬巖地層旋挖鉆機嵌巖所需鉆具一般為：筒鉆、單頭單螺螺旋、截齒撈砂斗。

3．2 硬巖地層采用合理工法施工

施工中，當孔徑較小時，旋挖鉆機所需最佳鉆進方式為一次性鉆進：筒鉆開槽—螺旋破碎巖柱—截齒撈砂斗撈渣。而在鉆孔孔徑較大時，需分二級或三級鉆進：即先在鉆孔中心打小孔，最后再使用筒鉆及撈砂斗擴孔至設計尺寸。下面以SR365RC旋挖鉆機為例，參考單軸抗壓能力為30～60 MPa的較硬花崗巖地層，依據項目實際工程施工經驗所列出針對不同孔徑鉆孔所需得鉆進方式。

例如：項目施工B2區域，采用旋挖鉆施工嵌巖工效較慢，經過分析討論認為該處巖層硬度高，埋置深，鉆進相對困難，所以選擇合適的鉆斗及鉆進工藝至關重要。分析討論后決定采用短螺旋鉆斗加雙底撈砂鉆斗交替配合鉆進，采用短螺旋鉆頭先以低速、低扭矩、先浮動后加壓的方式鉆進；同時更換為耐磨的合金鋼斗齒，在鉆進過程中及時檢查，發現斗齒破損進行焊接修補或更換。短螺旋鉆頭鉆進后及時換雙底撈砂鉆頭撈取孔底沉渣，結果顯示：鉆進效果顯著提高。

表3 不同孔徑的鉆孔所需得鉆進方式及鉆進效率統計表

3．3 提升機手操作技能和素質

（1）增強旋挖鉆機手的技能創新水平,提高工法施工。機手的技能水平對旋挖鉆機工效的發揮始終占據50%以上，是最核心的因素。因此機手的技能水平和工作經驗非常重要，只有經過長時間的積累經驗才能提高技能;要清楚的明白旋挖鉆機的設備性能，了解施工工法的重點組成：地質、護壁、鉆具和操作，能夠隨著地質和地下水文情況變化而變化。

（2）對項目使用旋挖鉆機設備進行星級設備評選，增強設備操作手的責任心和榮譽感，提高其工作效率，大大提高設備的利用率和完好率，對管好、用好設備非常有益。旋挖鉆機設備操作人員技能水平的嫻熟程度對其工效的影響很大,所以要加強對技能操作人員的選拔和考核及培養,逐步培養屬于自己的樁基設備人才。

3．4 不斷改進施工工藝

（1）進一步提高大型設備的使用效能。在旋挖鉆機直徑1.5m鉆進過程中，發現入巖的鉆進速度比理論的低，通過咨詢生產商，發現對于直徑1.5m的鉆孔，旋挖鉆機可以單級鉆進，而現場實際情況機手多采用雙級鉆機，效率較低，為此后續施工過程中，項目部嘗試單級鉆進，以進一步提高設備功效。采用化學泥漿劑、單（分）級鉆進相結合等工藝提高了鉆機的工效。針對拋石層施工，項目部自制了一種簡易的護筒驅動器，并對鋼護筒進行改進，采用旋挖鉆機直接下放鋼護筒，解決了施工場地狹窄和穿越拋石層的難題。在筒鉆頭內加焊勁板，實現巖心的整體提取。對撈渣斗進行改裝，提高了清孔效率等諸多工藝改進。

（2）由于巖石的多樣性和復雜性，入巖工法也是多樣和復雜的。要將一些好的實踐經驗進行總結推廣，一些有效的、針對性的措施要總結歸納；一些意外事件的分析與探討，相關行業有效措施的借鑒與發揮等等。這些都可以不斷改進施工工藝，提高設備工作效率。

4 結語

本文從“硬巖破碎理論”闡述開始結合項目嵌巖實際工效情況綜合對比分析查找原因后從“鉆具合理選擇”，“優化施工工藝”及“鉆進工法研究”和“機手操作技能”四個方面系統了闡述了“硬巖高效鉆進”，最后提出適用于硬巖的鉆進方法，鉆具配置，施工工法等，并通過項目工程實踐予以驗證。從工程實踐情況來看，硬巖鉆進技術對實際工程指導作用十分明顯，從而大大提高了嵌巖工效。