土層螺紋旋挖灌注樁專用鉆具的設計與應用

高博，朱維新，龍利，岳大昌

土層螺紋旋挖灌注樁專用鉆具的設計與應用

高博1，朱維新2，龍利1，岳大昌2

（1.四川四海達通工程機械有限公司，四川 眉山 620564；2.成都四海巖土工程有限公司，四川 成都 610020）

基于提高成孔質量、降低施工成本的要求，自主研發了兩款適用于土層施工的螺紋旋挖灌注樁專用鉆具。詳細介紹了兩種螺紋旋挖灌注樁專用鉆具的工作原理與組成結構，并通過SolidWorks軟件對其中一款鉆具的關鍵部件建立3D模型，并進行網格劃分與有限元分析，驗證鉆具在理論極限條件下使用的安全性。螺紋旋挖灌注樁專用鉆具結構簡單、易于維護保養，在某工地試用時螺紋成孔效果良好，滿足設計要求，適用于土層螺紋旋挖灌注樁施工。

土層；螺紋樁；旋挖鉆具

傳統樁基為等截面體樁，其單樁承載力由樁側摩阻力及樁端阻力構成[1]。為提高單樁承載力，通常采取增加樁長、擴大或局部擴大樁截面積及改變樁截面形狀等方法，擴底樁、支盤樁等變截面樁廣泛應用于樁基工程[2]。螺紋旋挖灌注樁也屬于一種變截面樁，其成樁需要螺紋鉆具的升降與其旋轉速度相匹配，從而在土體中形成螺紋形樁，常規螺紋灌注樁施工時主要使用長螺旋鉆機[3]。由于常規長螺旋鉆機施工樁徑均在1 m以內，對于1 m以上樁徑進行擠擴螺紋施工需要較大的主機扭矩，為保證鉆機的穩定性需要更大的底座、占用較大的空間，給長螺旋鉆機的使用帶來了較多的限制條件，所以使用成本低、施工效率高、機動靈活的旋挖鉆機開始被廣泛采用，而與之相匹配的螺紋旋挖灌注樁[4]專用鉆具也是目前工程技術人員的主要研究方向之一。

本文研發一種針對土層施工的螺紋旋挖灌注樁專用鉆具，通過改進現有旋挖擴底鉆具[5]的結構，使其在土層實現對成孔孔壁擠擴螺紋形成螺紋樁，并且在成螺紋孔后能在不破壞孔壁的情況下對鉆具進行回收。

1 螺紋旋挖灌注樁專用鉆具

目前市場上還沒有螺紋旋挖灌注樁相關鉆具廣泛應用的案例，文獻[6]的方案是在旋挖鉆機上增加同步裝置及配套控制系統，以滿足鉆具的下鉆與回收。回收時鉆具需按原軌跡逆時針旋轉螺旋上升，相較于直接回收上提鉆具，效率大大降低，施工成本增加，不適用于大規模螺紋旋挖灌注樁作業[7]。

根據旋挖擴底鉆鉆具上下相對運動由支撐反推部件轉換為水平方向運動的原理，創新設計兩種螺紋旋挖灌注樁專用鉆具。在旋挖擴底鉆的基礎上，增加兩組上推桿，使兩側螺牙翼板能夠水平運動（伸出和回收）。根據鉆具鎖定機構的位置不同，分為內置鎖定機構鉆具和外置鎖定機構兩種形式。

兩種鉆具基本結構工作方式相同，中心套（軸）通過焊接方式與方頭連接，并跟隨方頭做回轉及上下運動；在孔外連接好鉆具后，下落鉆桿使方頭及中心套（活動滑套）下行，固定耳座與中心套（活動滑套）發生相對運動，在下部推桿的反推作用下，使螺牙翼板擴張到工作位置；在螺牙翼板鎖定后，再將鉆具提至孔口，調垂對中，順時針緩慢旋轉鉆具，使螺牙沿螺旋線方向切入土體；在兩側螺牙翼板上的螺牙均壓入孔壁后，將鉆機加壓模式改為浮動，利用鉆具及鉆桿的自重作為鉆進預壓力。

（1）內置鎖定機構鉆具

內置鎖定機構鉆具主要由方頭、中心套、螺牙翼板、推桿、內置鎖定機構、固定耳座等組成，如圖1（a）所示，其工作原理如圖1（b）所示。其鎖定機構工作原理為：螺牙翼板擴張到工作位置時順時針旋轉鉆桿，帶動鉆具本體相對于旋轉底板發生偏轉，使安裝在旋轉底板中部的鎖頭軸上的鎖頭銷卡入中心套中部鎖定窗口，鉆具鎖定，此時螺牙翼板保持在工作狀態。終孔后解鎖方式為：鉆具觸底后鉆桿逆時針旋轉1圈使鉆具鎖頭銷滑出鎖定窗口并上提解鎖，螺牙翼板在推桿拉伸作用下回收至初始狀態，初始狀態最大外徑小于孔壁直徑，可保證鉆具在上提過程中不會破壞孔壁。

（2）外置鎖定機構鉆具

外置鎖定機構鉆具主要由方頭、中心軸、筒身、活動滑套、螺牙翼板、推桿、外置鎖定機構、固定耳座等組成，如圖2（a）所示，其工作原理如圖2（b）所示。其鎖定機構工作原理為：在鎖頭支撐板與圓形支撐板接觸后，順時針旋轉方頭，使鎖頭支撐板四角鎖頭卡入鎖定機構限位板階梯口，鉆具鎖止，此時螺牙翼板保持在工作狀態。終孔后解鎖方式為：鉆桿逆時針旋轉半圈使鉆具解鎖并上提，螺牙翼板在推桿拉伸作用下回收入筒身內，筒身直徑小于孔壁直徑，可保證鉆具在上提過程中不會破壞孔壁。

圖1 土層螺紋旋挖灌注樁專用內置鎖定機構鉆具

圖2 土層螺紋旋挖灌注樁專用外置鎖定機構鉆具

兩種全螺紋灌注樁專用鉆具主要技術參數如表1所示。

表1 螺紋旋挖灌注樁專用鉆具的主要規格參數

2 主要部件結構特點

兩種鉆具的基本結構工作方式相同，但鎖定機構及扭矩傳遞途徑有很大區別。為保證鉆具能夠正常使用，必須保證鉆具的鎖定機構牢固可靠，傳遞扭矩的結構相對穩定。

2.1 內置鎖定機構鉆具主要零部件

內置鎖定機構鉆具的主要零部件有中心套、內置鎖頭軸，如圖3所示。

中心套結構如圖3（a）所示。考慮到中心套需要上下運動并傳遞鉆機扭矩，將其設置為矩形插接件結構，由兩個面板和兩個立板組成，并在外表面焊接加強筋板用于增強中心套的結構強度。矩形插接口內空尺寸與下端配合零部件預留足夠間隙，保證中心套上下運動無卡滯。

內置鎖頭軸結構如圖3（b）所示。內置鎖頭軸安裝在鉆具下部矩形插接件中部，上端通過螺帽固定在矩形插接件上方，下端連接旋轉底板。內置鎖頭軸可在旋轉底板觸地（底）時，相對鉆具主體旋轉產生摩阻力帶動鎖頭軸發生偏轉，實現螺牙翼板完全打開后繼續順時針旋轉可使鎖頭銷卡入中心套中部鎖定窗口，從而使鉆具保持鎖定狀態，反之則使鉆具解除鎖定。

圖3 內置鎖定機構鉆具的主要零部件結構示意圖

2.2 外置鎖定機構鉆具主要零部件

外置鎖定機構鉆具的主要零部件有鎖頭支撐板、限位板、筒身及活動滑套，如圖4所示。

鎖頭支撐板和限位板的結構如圖4（a）所示。鎖頭支撐板為對角線分布結構，分布在四角的鎖頭不僅能夠鎖定鉆具，還能夠傳遞鉆桿的扭矩。鎖頭支撐板通過焊接方式與方頭進行連接，鎖頭上焊接有加強筋塊，上部還有方頭筋板對其進行加固。限位板為矩形板件，內空開有階梯形卡槽，鎖頭可在階梯形卡槽內上下滑動及水平旋轉，實現鉆具的鎖定或解鎖。限位板通過焊接與筒身上部支撐板連接在一起，將鎖頭傳遞的扭矩傳遞給下部筒身。

圖4 外置鎖定機構鉆具主要零部件結構示意圖

筒身結構如圖4（b）所示。筒身為圓形筒式結構，具有較好的結構穩定性；筒身上部焊接有支撐板，用于支撐方頭；筒內部分布有傳力筋板，用于傳遞扭矩給推桿，相較于內置鎖定機構鉆具的中心套，增加了上下推桿受扭矩作用時運動的同步性，傳力筋板布置方向與推桿垂直，大大增強了傳力筋板的抗彎能力，增加了鉆具的耐用度。

活動滑套結構如圖4（c）所示。活動滑套由厚壁鋼管兩側對稱焊接兩對連接耳板組成，套裝在中心軸上，可相對于中心軸自由旋轉。中心軸中間設置有隔套對兩組活動滑套相對位置進行限制，下端設置有螺母對滑套位置進行鎖定，防止活動滑套脫落，也方便鉆具進行拆卸檢修。

3 關鍵部件強度校核

考慮到內置鎖定機構鉆具是由常規擴底鉆具改進而來，各結構相應做了加強處理，故此處不討論其結構的穩定性。而外置鎖定機構鉆具的結構相對復雜，運動機構較多，為保證鉆具使用的可靠性，需對其關鍵部件進行強度校核計算[8]。

鎖頭支撐板用于連接方頭及鎖定鉆具，是整個鉆具最關鍵的部件，需要承受旋挖鉆機通過鉆桿傳遞出的大扭矩，因此需考慮鎖頭支撐板的抗扭性能是否必須滿足設計要求，以保證鉆具能夠正常工作。在確保焊接強度的情況下，初選用40 mm厚度的低合金鋼板，材質為Q345B。鎖頭支撐板四角上端焊接有加強筋塊，中部焊接有方頭，方頭通過焊接方頭筋板與加強筋塊進行連接。查南車TR180D旋挖鉆機參數可知，鉆機動力頭最大扭矩為180 kN·m，鉆機最大加壓力為150 kN。考慮到鎖頭支撐板受彎扭作用，采用SolidWorks有限元分析進行校核，首先建立三維模型，為了簡化計算，將整個焊接件視為一個剛體。新建一個靜態算例，定義夾具及模型的受力情況，然后對模型進行網格劃分（圖5），并運行算例，得到模型的最大應力云圖（圖6）及變形量云圖（圖7）。可知：最大應力值為max＝239.8 MPa，位于鎖頭倒角位置；最大變形量為Δ＝0.309 mm，位于四角鎖頭端部。

查《機械設計手冊》機械工程材料Q345B，有σ＝470～630 MPa、σ＝335 MPa。考慮到鉆具使用環境，取安全系數為1.2，則許用應力為[]＝σ/1.2＝279.2 MPa。

有max＜[]，所以該鎖頭支撐板在鉆具受到最大扭矩作用下能夠正常工作，可以滿足設計要求。

圖5 模型網格劃分示意圖

圖6 最大應力云圖

圖7 最大變形量云圖

4 螺紋旋挖灌注樁專用鉆具施工工藝

螺紋旋挖灌注樁專用鉆具施工工藝流程如圖8所示[9-10]。

圖8 螺紋旋挖灌注樁專用鉆具施工工藝流程圖

（1）平整場地。施工前清理干凈施工場地內雜物，保證場地的平整、夯實。

（2）樁位放樣。根據施工圖紙，使用全站儀測定樁位，并多次復核樁位，樁位偏差不得大于20mm。

（3）鉆機就位。就位前，對旋挖鉆機進行施工前調試，保證鉆機工作正常。按照測量放線位置將鉆機就位，就位時保證鉆桿垂直穩固、位置準確，垂直度誤差不大于1%。

（4）旋挖鉆機成孔。根據現場條件選用合適的鉆具成孔，鉆進后及時清理鉆渣。

（5）更換螺紋旋挖灌注樁專用鉆具鉆進。螺紋旋挖灌注樁專用鉆具更換完后，在孔外將鉆具下壓使螺牙翼板伸開至工作位置，順時針旋轉鉆具方頭，使鉆具鎖頭支撐板滑入限位板階梯槽內，使鉆具鎖定在工作位置；再將鉆具提升回轉至孔位中心，緩慢下放并順時針旋轉，在兩側螺牙翼板上的螺牙均壓入孔壁后，將鉆機加壓模式改為浮動，利用該旋挖鉆具及鉆桿的重量作為鉆進預壓力。

（6）螺紋成孔檢測。檢測人員使用專業設備測量成孔的螺牙深度、螺牙直徑及螺紋完整度，確認螺紋成孔偏差是否在設計要求以內。

（7）移位施工。螺紋成孔無誤后移位至下一樁位繼續作業。

主要施工過程如圖9所示：

①更換螺紋旋挖灌注樁專用鉆具，在孔外鎖定好鉆具并提升回轉至孔位中心；

②緩慢下放鉆具并順時針旋轉鉆進；

③鉆進至設計孔深后，反轉半圈解鎖，略微上提鉆具使螺牙翼板回收至初始位置；

④提出鉆具后，檢測螺紋成孔。

圖9 主要施工過程示意圖

5 現場施工應用

螺紋旋挖灌注樁專用鉆具在某工地進行實驗性施工，通過使用發現鉆具性能穩定，螺紋成孔能滿足設計要求。

根據施工現場地勘報告，現場試驗地層覆土層主要為素回填土，已經機械夯實。現場旋挖鉆機型號為南車TR180D，配備406機鎖桿，基孔鉆取使用現場體開斗，使用雙底撈砂斗進行清底，使用螺紋旋挖灌注樁專用鉆具進行螺紋擠擴鉆進。

試驗共進行1次、共3個孔，先用體開斗鉆進至設計深度，然后利用雙底撈砂斗清理孔底沉渣并對每個孔進行編號，再更換螺紋旋挖灌注樁專用鉆具進行鉆進。最終螺紋成孔效果如圖10所示。

圖10 螺紋成孔效果

因為本次試驗為功能性試驗，故不考慮鉆進時間等條件。經檢測，所有螺紋成孔各項參數均在允差范圍內，均滿足設計要求，如表2所示。

表2 成螺紋旋挖灌注樁專用鉆具孔檢測數據表

6 結論

螺紋旋挖灌注樁專用鉆具是利用鉆具支撐反推部件將上下相對運動轉換為水平方向運動的原理實現擴張與回收；在旋挖擴底鉆的基礎上，增加兩組上推桿，使兩側螺牙翼板能夠水平運動（伸出和回收）。根據鉆具鎖定機構的位置不同，分為內置鎖定機構鉆具和外置鎖定機構鉆具兩種形式。內置鎖定機構鉆具在全螺紋樁施工作業優勢明顯；外置鎖定機構鉆具在半螺紋樁施工作業優勢明顯。

螺紋旋挖灌注樁專用鉆具結構簡單，易于維護保養，配套適用機械較為普遍，并且性能可靠，是在夯實土層實施螺紋旋挖灌注樁施工中的理想鉆具。采用旋挖鉆機配套螺紋旋挖灌注樁專用鉆具施工螺紋樁與螺桿樁鉆機施工螺紋樁相比在使用成本上和鉆進效率上將具有顯著提高[11]，具有良好的市場前景。

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Design and Application of Special Screw Pile Drill Bit in Soil Layers

GAO Bo1，ZHU Weixin2，LONG Li1，YUE Dachang2

(1.Sichuan Global Connection Construction Machinery Co.,Ltd.,Meishan 620564,China;2.Chengdu Global Geotechnical Engineering Co.,Ltd., Chengdu 610020,China)

According to the characteristics of the patented special screw pile drill bit, and based on the drilling principle and the structural characteristics of the special screw pile drill bit, two special screw pile drill bits for the construction of the screw pile in soil layers are developed to meet the requirements of improving the drilling quality and reducing the construction cost. The structure and working principle of the two kinds of drill bits are introduced in detail in this paper. The 3D model of the key component of one kind of the drill bits is established by the SolidWorks software, and the meshing and finite element analysis are carried out to verify the safety of the drill bit under theoretical extreme conditions. The special screw pile drill bit is simple in structure and easy to maintain. It has been tested on a construction site in Chengdu, which shows that the drilling quality is good, the drilling bit can meet the design requirements and is suitable for the construction of screw pile in soil layers.

soil layer；screw pile；rotary drill bit

TE921

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.11.009

1006－0316 (2021) 11－0065－07

2020－12－23

高博（1992－），男，四川眉山人，本科，助理工程師，主要從事旋挖鉆具設計與研發工作，E-mail：652497630@qq.com。