不同地質條件下旋挖樁鉆具選型及參數設計

摘要：對不同地質條件下灌注樁旋挖鉆機的鉆機選擇和參數設計進行總結和分析，提出采用AGR 型螺旋鉆頭與BSR型旋挖鉆頭配合使用的鉆孔方法，對中新天津生態城海天道橋梁樁基礎進行鉆孔施工，并取得了良好的施工效果，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：旋挖鉆孔灌注樁;鉆具;參數

1" "工程背景

中新天津生態城海天道（中央大道-景盛路）橋梁工程全長1.648km，其中道路長度為706.648m，橋梁長度為941.352m。橋梁樁基礎采用鉆孔灌注樁施工，樁基除14#、15#為Φ1500mm鉆孔灌注樁，其余均為Φ1200mm，共476根。橋位所處地層主要為粉質黏土及粉砂、粉土等軟巖，地下水以裂隙水為主。

2" "旋挖鉆施工工藝

旋挖鉆的工作原理如下：在一個可以自由開關的圓筒鉆斗周圍或者底部安裝刀鋸，圓筒中的鉆桿在旋轉鉆機驅動力作用下自行伸縮，從而帶動刀鋸旋轉來切削土壤。切削下來的土壤會回收到圓筒鉆斗中，當圓筒鉆斗中裝滿土壤之后，再拔出來把土壤倒在指定位置，從而完成旋挖鉆孔施工。旋挖鉆適用于填土、黏土、粉土、沙土等軟土地層，也可以在砂巖、灰巖、花崗巖、卵礫石等特殊硬巖地層使用，具有噪聲低、振動小、施工效率高等多種特點，在各類型樁基施工中應用比較普遍[1-3]。

旋挖鉆孔施工過程中，還需要起重機、挖掘機、自卸汽車、泥漿泵等機械設備進行輔助配合施工。旋挖灌注樁施工工藝流程為：施工場地三通一平→場地測量交接樁→混凝土導管閉水試驗→鉆機對準→護筒準備并添加穩定劑→鉆孔施工→鉆孔淤泥清理→吊放鋼筋籠→混凝土灌注→底盤清洗→釋放導管→釋放護筒。

3" "不同地質條件下鉆具選擇

3.1" "旋挖鉆機結構

旋挖鉆機的主要由提引器、鉆桿、動力碼頭、桅桿總成、變幅機構、卷揚裝置以及鉆具等。提引器的主要為鉆桿與鋼絲繩之間的連接過渡裝置[4];鉆桿的主要作用是傳遞動力頭扭矩;桅桿總成由支腿、升降缸、鉆桅方箱、滑輪架等結構組成，主要作用是實現動力頭的自由升降;動力頭由回轉機構、馬達、減速器等組成，主要作用是帶動鉆桿工作;變幅機構由動臂、變幅缸、三腳架組成，主要作用是實現鉆桅的起落;卷揚裝置主要作用是控制鉆桿升降;鉆具的主要是作為料渣切削和轉運的工具。

3.2" "鉆具類型及適用性分析

當前，常用的旋挖鉆具類型包括鑲齒錐型螺旋鉆頭、套齒短螺旋鉆頭、無前導式短螺旋鉆頭、前導式平底長螺旋鉆頭、撈砂鉆頭、無隔板式鉆頭、底開式鉆頭、雙底撈砂鉆頭。每種鉆具都有其結構特性和適用性[5]見表1。

3.2.1" "鑲齒錐形螺旋鉆頭

其鉆頭的螺旋直徑由上到下逐漸減小，螺旋周圍分布有堅硬的削齒，適用于含水率低、硬度適中且直徑不大的地層，在地層構造復雜的區域不太適用。在使用時應注意轉速控制在13～32r/min，扭矩應小于200kN·m，加壓壓力應小于150kN，單次進尺應小于0.15m。盡量選用螺距大且削齒粗壯的鉆頭型號，當削齒和翼片出現磨損時應及時調整，以防止鉆孔直徑減小。

3.2.2" "套齒短螺旋鉆頭

其擁有魚尾型的頂部設計，底部平整且焊接有削齒板，適用于含水率低的凍土層施工。使用時額定轉速為32r/min，扭矩應控制在200kN·m以下，加壓壓力應小于50kN，單次進尺應小于0.15m。應在鉆頭外增加一層外護筒，以防止孔壁坍塌。邊緣部分出現磨損后應及時修復以防止縮徑。

3.2.3" "無前導式短螺旋鉆頭

其鉆頭底部沒有安裝前導鉆頭，呈雙頭螺旋型布置，螺旋的底邊焊接有切削齒板，切削齒板的角度為20°～35°，適用于軟巖、粉砂巖、黏土、泥灰巖以及凍土層等各類型地層施工。使用時轉速為13～32r/min，扭矩應控制在200kN·m以下，加壓壓力應小于100kN，單次進尺應小于0.15m;由于此鉆頭沒有安裝前導鉆頭，因而導向性差，要注意施工時轉孔的偏角問題。

3.2.4" "前導式平底長螺旋鉆頭

其鉆頭形式為三角形或者魚尾形，一頭為螺旋構造，一頭為平底構造，在鉆頭底部焊接切削齒板和硬質合金截齒，適用于干土和凍土層，也可用于粒徑較小的砂礫土層以及含水率低的風化地層。使用時轉速為13～32r/min，扭矩應控制在200kN·m以下，加壓壓力應小于100kN，單次進尺應小于0.8m。更換齒座和焊接時必須注意受力角度問題。

3.2.5" "撈砂鉆頭

其采用魚尾形前導結構，在前導結構上鑲嵌切削截齒，硬質合金截齒安裝在底部作為切削截齒，適用于砂礫石、大卵石、凍土、強風化巖層、淤泥質粘土以及含水率高的砂土層等。使用時額定轉速為32r/min，扭矩應控制在200kN·m以下，加壓壓力應小于100kN，單次進尺應小于0.16m。為節約工程成本，增加耐磨性，切削截齒建議選用S01齒。

3.2.6" "無隔板式鉆頭

為底部敞開式進渣的筒形結構，鉆筒下邊緣焊接有硬質牙輪齒作為切削齒，適用于卵石、孤石較多的軟硬或者中硬巖層。使用時轉速為13～32r/min，扭矩應控制在200kN·m以下，加壓壓力應小于100kN，單次進尺應小于11m。該鉆頭更適合在富水巖層中使用，從經濟和耐磨性考慮，建議選擇S01 截齒。

3.2.7" "底開式鉆頭

其由雙扇形底板、開口盛料桶體以及開關控制裝置三部分結構組成，兩排切削齒板開口盛料桶體底端，適用于淤泥、砂土、砂礫層以及風化軟巖等各類型地層。使用時額定轉速為32r/min，扭矩應控制在200kN·m以下，加壓壓力應小于100kN，單次進尺應小于0.17m。為防止掉蓋情況發生，應定期檢查底蓋與桶體相鉸接的部位。

3.2.8" "雙底撈砂鉆頭

導向鉆頭為魚尾型中心導向鉆頭，嵌套在鉆具主體上，底部設置硬質合金截齒作為切削齒，適用于含水量大的淤泥質土、砂土或者砂礫石地層。使用時額定轉速為32r/min，扭矩應控制在200kN·m以下，加壓壓力應小于100kN，單次進尺應小于0.17m。

3.3" "不同地層鉆具選擇及參數

根據上文可知，不同的鉆具有各自適用的地層類型，為方便分析，筆者根據工作經歷，將地層劃分為不含地下水的松軟地層、含地下水的松軟地層、軟巖、硬巖以及特殊的卵礫石地層五種地層情況，見表2。

對于不含地下水的松軟地層，建議采用螺旋鉆頭。在土層非常松軟時，采用單頭螺旋鉆頭施工;在土層有一定膠結力時，采用雙頭雙螺旋鉆頭進行鉆孔施工。單層底盤帶活門的旋挖鉆頭也可用于不含水的地層施工，其筒身應呈上大下小形式。在此類地層施工時，建議將鉆進壓力控制在50kN以內，轉速控制在20～50r/min。

含地下水的松軟地層，建議選用雙底盤旋挖鉆頭。當遇到淤泥和流沙層時，底盤可采用兩層或三層結構形式;當遇到有一定膠結力的地層時，宜采用AGS型雙頭雙螺直型螺旋鉆頭。為有效提升鉆孔效率，鉆頭的安裝角度應適當增大，切削齒宜選擇產齒。在此類地層施工時，也建議將鉆進壓力控制在50kN以內，轉速控制在20～50r/min。

軟巖單軸抗壓強度為0.5～25MPa的粉砂巖、頁巖、灰巖、強風化砂巖等，建議采用AGR 型螺旋鉆頭與BSR型旋挖鉆頭配合使用的鉆孔方法。第一步先采用AGR 型螺旋鉆頭將巖石進行破碎;第二步采用AGR 型螺旋鉆頭進行撈渣處理，將大部分巖屑取出后;第三步再使用AGR 型螺旋鉆頭進行巖層破碎。如此循環往復施工，直到鉆孔達到設計深度。在此類地層施工時，建議將鉆進壓力控制在50～100kN，轉速控制在20～30r/min。

硬巖單軸抗壓強度大于25MPa的砂巖、灰巖、花崗巖等，也建議采用（CB型環狀鉆頭型環狀鉆頭+AGR型雙頭錐型螺旋鉆頭+BSR型旋挖鉆頭）組合鉆進行施工。第一步先采用CB型環狀鉆頭型環狀鉆頭向巖層中鉆進0.5～1.0m，對周圍巖體進行切除;第二步采用AGR型雙頭錐型螺旋鉆頭對切除下來的巖石進行破碎，將大塊巖石破碎成小塊巖石;第三步再利用BSR 型旋挖鉆頭將破碎后的巖屑取出。如此往復循環施工，直至達到設計孔深。在此類地層施工時，建議將鉆進壓力控制在100～200kN，轉速控制在15～20r/min。

卵礫石地層建議選用BSG 型旋挖鉆頭。在此類特殊地層鉆進施工時，為減小鉆頭磨損率和鉆機的振動，應適當降低回轉速率，將鉆進壓力控制在0～50kN，轉速控制在10～20r/min。

4" "案例工程鉆具選擇及參數

根據上文分析結果，并結合本工程地質條件，基于樁基周圍主要以粉質黏土及粉砂、粉土等軟巖為主，地下水不豐富，決定采用AGR 型螺旋鉆頭與BSR型旋挖鉆頭配合使用的鉆孔方法，進行鉆孔灌注樁鉆孔施工。鉆進壓力為80kN，轉速為25r/min。通過現場施工結果顯示：鉆孔鉆進速度可達到1.5～2.5m/h，具有較高的鉆進效率。

5" "結語

本文以中新天津生態城海天道橋梁樁基礎工程為例，對旋挖鉆施工工藝進行了總結分析，對常用旋挖磚機具的適用性進行了探討。在總結自身工程經驗基礎上，針對不同的地質條件，提出了相對應的旋挖鉆機機具選擇原則和參數設置原則，最終確定了AGR 型螺旋鉆頭與BSR型旋挖鉆頭配合施工的鉆孔作業方法，取得了較好的鉆孔施工效率。

參考文獻

[1] 代忠.旋挖鉆孔灌注樁施工技術在公路建設中的應用[J].黑龍江交通科技，2021，44（6）：91+93.

[2] 吳占濤.高速公路橋梁鉆孔灌注樁施工技術要點[J].工程機械與維修，2021（03）：150-151.

[3] 邵吉成，占運，駱嘉成，等.含砂地層大直徑旋挖鉆孔灌注樁孔底沉渣分析[J].路基工程，2021（2）：82-86.

[4] 車霞.旋挖鉆帶鉆桿倒桅智能控制系統研究[J].建筑機械，2021（7）：45-49.

[5] 李騰飛.旋挖鉆在巖石地質鉆孔灌注樁施工中的應用[J].公路交通科技（應用技術版），2018，14（1）：215-216.