硬質巖層中長大樁基快速成孔設備改造分析

中建三局城建有限公司，吉林 長春 130000

橋梁工程鉆孔樁直徑以0.8～2.0m最為常見，近年來隨著橋梁建設的迅猛發展，橋梁跨度也不斷增大，因而上部結構對基礎的承載力要求也越來越高，直徑大于2.0m的長大樁基也變得較為普遍。旋挖鉆機、反循環鉆機、沖擊鉆機是橋梁樁基較為普遍的施工設備，適用于不同的地質情況；而硬質巖層中長大樁基施工對鉆機性能要求較高，因此在硬質巖層中常規鉆機往往無法滿足要求，只能選擇性能更高的鉆機設備，以此來提高施工效率、降低施工成本。

1 樁位地質概況

該工程樁基地質情況如下：粉質黏土（0～1.8m、σ0=100kPa），粉質黏土（1.8～9.2m、σ0=180kPa），礫砂（9.2～18.1m、σ0=280kPa），泥質砂巖（18.1～18.9m、σ0=350kPa），泥質砂巖（18.9～20.4m、σ0=420kPa），泥質砂巖（20.4～91.9m、σ0=600kPa）。

2 鉆機選型

2.1 設備比選

在實際鉆機選型過程中，通過其他類型和型號設備的比較，優選施工成本最低、對施工工期影響最小的鉆機型號，根據地質情況計算出的結果，項目部前期對CK2500沖擊鉆機、550旋挖鉆機、FXZ-450型反循環鉆機進行了參數對比，參數對比如表1所示。

表1 設備比選參數對比

通過對比CK2500沖擊鉆機、550旋挖鉆機、FXZ-450型三種不同設備型號的反循環鉆機，發現CK2500沖擊鉆機和550旋挖鉆機雖然能夠滿足施工要求，但施工進度太慢、施工成本較高，FXZ-450型反循環鉆機性能參數較低，作為此類鉆孔樁施工需進行部分性能的改進。

2.2 鉆機扭矩和功率計算

大型鉆孔灌注樁所用鉆機應根據樁徑、樁長、地質條件等因素條件確定，項目技術部門依據相關地質和樁基設計參數，對該橋鉆孔樁鉆機所需的扭矩M和功率N進行了計算，主要使用的計算公式包括鉆機扭矩和功率計算經驗公式：

式中：M為鉆機的扭矩，N·m；N為鉆機的功率，kW；D為鉆頭直徑，cm；P為軸壓力，kN；n為鉆頭回轉速度，r/min；K為巖石特性系數。具體情況如表2所示。

表2 巖石特性系數表

根據該工程樁基所處地質情況，選取參數為D=220cm，K=8×10-5；鉆頭組裝質量約為G=27.5t；鉆壓P=4～6G，取P=1100kN；動力頭鉆速取n=4r/min。

通過公式計算所需鉆機扭矩M=195.54kN·m，所需鉆機功率N=77.97kW。

2.3 鉆機設備改造方案

根據計算結果，項目部就決定主要增加FXZ-450型反循環鉆機的扭矩和功率，其次增加鉆桿的厚度、鉆頭的形式、刀齒的材料、鉆桿的壓力，以便實現大動力的情況下施工工效的再次提高，并改善設備的支腿，以滿足設備在運轉過程中的穩定性，將雙排支架改為雙排支架，并設置限位凹槽保證鉆孔垂直度。

（1）提升動力。加強型FXZ-450型反循環鉆機增加2個動力組，在44kW的基礎上增加至88kW，有效輸出動力得到了大幅度的提升，更加適合此類長大鉆孔樁的施工。

（2）增加鉆桿厚度。由于大直徑超長鉆孔樁鉆桿受力比較復雜，因此鉆機的鉆桿在傳遞動力時，鉆桿的上段受拉、下段受壓，同時還應以受彎應力和扭曲應力來驗算鉆桿截面是否安全，以免在鉆進過程中鉆桿因被扭斷而引起掉鉆事故。鉆桿的抗拉、抗壓、抗扭以及抗彎強度應根據鉆壓、鉆桿及鉆頭重量、鉆機扭矩等分別計算，并以此確定鉆桿厚度。在此基礎上，項目決定增加鉆桿的壁厚，由普通2cm壁厚的351/2000mm增加至3cm壁厚，提高鉆桿受力性能。

（3）增加鉆頭壓力。在鉆機動力增大的情況下，增加40t的鉆桿液壓壓力，同時增加鉆桿的壁厚，以此有效增大鉆頭的壓力。

（4）增加鉆頭刀片數量和強度。鉆頭刀片材料由合金刀齒改為金剛石復合片刀齒，硬度顯著提高，以避免鉆孔過程中耗費時間對鉆頭進行補強，有效節約時間，并且鉆頭由普通兩翼改為四翼，從而增加了鉆頭的數量。各鉆頭型號適用范圍如表3所示。

表3 反循環鉆機鉆頭適用范圍

（5）加強設備穩定性。通常動力的增加會導致設備工作狀態下整體穩定性變差，為了解決此問題，在設備四條主支腿的前提下，在鉆桿支架下方增加了4個次支腿，以解決因設備失穩造成的鉆孔孔位偏差較大的問題。

（6）保障鉆桿垂直度。鉆桿支架由單排改裝為雙排，在支架間增加鉆桿提升限位槽道，以便在更換鉆桿后，保證鉆桿垂直度，使孔位傾斜度誤差在允許范圍內。

3 改造成果

經過對FXZ-450型常規反循環鉆機改造，各項參數匯總如表4，效果圖如圖1所示。

表4 改造后反循環鉆機參數表

圖1 加強FXZ-450型四動力反循環鉆機示意圖

改造后的反循環鉆機不僅能夠提高施工效率加快施工進度，還可以節約施工成本，將此設備與SWDM550旋挖鉆進行比較，以已實施項目施工中的一根長75m、樁徑為2.2m的樁基為例，各項數據對比數據匯總如表5所示。

表5 施工進度和施工成本對比表

4 結束語

四動力改進型FXZ-450型反循環鉆機施工通過增加兩組22kW動力機組來增加鉆機動力，并通過增加鉆桿的厚度，增大鉆頭的作用壓力，靠鉆頭的轉動帶動增加后的刀齒數量和改善后的刀齒材質，不斷有效切削巖土，提高施工工效。文章以實際大跨度硬質巖層中長大樁基工程施工為例，介紹了常規型FXZ-450型反循環鉆機的改造，可知在重難點控制性樁基施工前，結合項目地質情況對鉆機進行選型，能夠在保證樁基施工質量的前提下，減少施工成本和提高施工效率，從而使項目的保質保量地完成。