硬巖地質大直徑抗滑樁旋挖鉆機成孔施工技術

齊 栓，董紅姑，沈澤強

（中建交通建設集團有限公司河南公司，河南 鄭州 450000）

大截面抗滑樁施工通常采用人工挖孔、機械＋爆破輔助施工，但人工挖孔成孔存在速度慢、工效低，存在一定的安全隱患，且爆破施工時對周邊振動及噪聲污染大，施工能耗大等缺點。旋挖鉆施工則具有成孔快、無振動及噪聲污染小、經濟環保及自帶動力等優點，但旋挖鉆技術應用于硬巖大直徑抗滑樁施工時，存在鉆孔效率低下和鉆齒磨損嚴重，甚至是不能進尺等現象。對硬巖地質條件下采用旋挖鉆成孔所遇到的問題進行研究并找到解決辦法，將對類似工程具有重要的工程意義。本文以彝良縣第三中學項目抗滑樁成孔為例，總結了硬巖地質情況下旋挖鉆成孔技術，為該類型地質條件下旋挖鉆成孔時設備選型、鉆齒選擇、施工工藝等方面提供參考。

1 工程概況

彝良縣第三中學項目邊坡支護采用抗滑樁結構形式，樁徑為2.5m，嵌固端樁長為10～30m。其中位于硬巖地質條件下的抗滑樁共計71 根、1 330 延米。

抗滑樁樁位處地質為中風化砂巖：呈褐色、紫紅色，中風化，細砂粒狀結構，厚層狀構造，節理裂隙不發育，泥鈣質膠結，巖質堅硬，巖芯呈長柱狀，用手不易折斷，敲擊聲清脆。該巖層單軸抗壓強度平均值為49.44MPa，屬于硬質巖。

抗滑樁施工是制約本項目施工進度的主要因素。因施工工期緊，傳統的人工挖孔施工成孔進度緩慢，難以滿足項目施工進度要求。項目探索性采用旋挖鉆施工，并對旋挖鉆施工硬巖的設備選型、鉆齒選擇、施工工藝等進行研究分析和改進，達到了旋挖鉆機快速施工硬巖、大直徑抗滑樁的目的。

2 硬巖破碎理論研究成果

2.1 硬巖鉆進特性

1）可鉆性 硬質巖石由于強度和硬度較大，其鉆進難度較大。此外，巖石的可鉆性與其風化程度、礦物成分、構造結構有很大的關系。

2）鉆進速度與效率 在強風化巖層，以1.0m樁徑為例，旋挖鉆進速度大致0.5～2m／h，至中風化巖層，鉆進速度約為0.25～0.5m／h。

3）孔壁穩定性 巖層穩定性好，鉆孔孔壁穩定，巖層孔壁段一般無塌孔、剝落現象。

4）鉆進成本 巖層鉆進速度慢，油耗大，此外，鉆齒磨損嚴重、鉆桿和鉆機故障發生率較其他地層高，因此鉆進成本也是在所有地層中最大。

單軸抗壓強度為60MPa ≥fr＞30MPa 的巖石即屬于硬巖范圍，而硬質巖層的鉆進難度大、效率低，對設備配置要求高，因此對硬巖地層大直徑旋挖鉆機應用技術的研究有著十分重要的意義。

2.2 硬巖破碎理論

單軸和三軸壓縮破壞試驗中，硬質巖石都顯示出典型彈脆性材料的力學特性和本構關系。接下來將根據硬巖的這一本構關系及力學特性，進行硬巖的破壞理論研究并探討硬巖破壞的最佳邊界條件。

旋挖鉆機破巖成孔屬于機具破巖，是指通過機械驅動接觸巖石的刀具直接進行巖石破碎的技術，是一種連續、安全、高效的破巖方法。

機具破巖方法可看作是被破壞巖石的受力邊界條件。巖石的位移邊界條件是多種多樣的，與巖石受力破壞時所處的狀態有關。旋挖鉆機在圍巖內破巖成孔時的巖石位移邊界條件稱為巖石孔內位移邊界條件。當旋挖機在周圍具有自由面的巖體即孤立巖體破巖成孔的巖石位移邊界條件稱為巖石孔內自由面位移邊界條件。依據以上巖石破壞受力與位移邊界條件分析可知，旋挖鉆機破巖過程中根據鉆機實際性能來選擇巖石破壞最佳受力與位移邊界條件是高效破巖的關鍵。

2.3 破巖方式及巖石受力分析

破巖方式有切削破巖、沖擊－切削破巖和動靜荷載耦合切削破巖，根據項目巖層的實際情況，采用動靜荷載耦合切削破巖，將典型的硬脆性巖石在動靜耦合載荷作用下的載荷－侵深曲線簡化成如圖1 所示。圖1 中實線表示預加靜壓作用的載荷－侵深關系，虛線表示沖擊作用的載荷－侵深關系。將上述折線用數學式來分析靜壓＋沖擊耦合破碎巖石的載荷－侵深，曲線的斜率為

圖1 載荷—侵深曲線簡化

式中Fj——（j，j+1）載荷-侵深段j端的載荷；

Fj+1——（j，j+1）載荷-侵深段j+1端的載荷；

Uj——（j，j+1）載荷-侵深段j端的侵入深度；

Uj+1——（j，j+1）載荷-侵深段j+1 端的侵入深度。

正斜率（Kj＞0)表示巖石發生彈性變形和巖石破碎，負斜率（Kj＜0)表示巖屑的形成以及壓碎壓實體。

通過以上分析可知，應用動靜荷載耦合切削破巖是旋挖鉆機鉆進硬巖的最佳加載方式，最容易產生躍進式破壞的進尺效果，且動、靜載荷耦合作用的加載點（亦即動載的施加點)應是在巖石已發生體積破碎、巖屑已崩出、壓實體又得到充分壓實之后即載荷 侵深曲線處于負斜率（Kj＜0）段。結合圖1 可以看出，最佳加載點為圖中的（P2，h2）、（P4，h4）或（P6，h6）點。

3 旋挖鉆機選型

根據表1 試驗成果統計數據發現，抗滑樁嵌固段深度范圍內基巖主要為中風化砂巖，中風化砂巖天然單軸極限抗壓強度標準值為23.51MPa，最大值高達65.98MPa，屬于硬質地層條件，巖體天然強度較高。為此，在硬質地層條件下，如何有效把控施工技術特點，科學合理地選擇旋挖鉆機與鉆進方式，確保旋挖樁施工的成孔質量和效率就成為解決問題的關鍵。

表1 巖石主要物理力學性質統計表

根據本項目實際地質條件，選用中聯ZR360C-3 型旋挖鉆機，該鉆機參數配置表2 所示。該設備底盤穩定性更強，同時，動力頭采用三個馬達的配置，輸出扭矩更大，抗負載沖擊性更強，入巖能力更強；動力頭配置提放增速功能，在提升、下放動力頭時，運動速度更快，施工效率更高。先進的加壓系統使鉆機鉆進時桅桿的穩定性大大提高，巖層對鉆機的反作用力大部分會被加壓系統內部吸收。抗滑樁成孔如圖2 所示。

表2 旋挖鉆機選型

圖2 抗滑樁成孔圖

3.1 旋挖鉆機在硬巖工況配置的鉆桿

鉆桿和鉆斗決定了旋挖鉆機工作時傳輸的壓力和扭矩的利用率。對于單軸飽和抗壓強度為44.94MPa 的硬巖，摩阻桿鉆進已不適用，故需根據本項目的孔徑大小、孔深及鉆機性能參數配置適用的機鎖桿。

3.2 旋挖鉆機在硬巖工況配置的鉆具

旋挖鉆機破巖是通過強大的動力頭輸出壓力和扭矩，將鉆筒頂部的鉆齒壓入巖體，并旋轉驅動鉆桿，帶動鉆齒旋轉。在加壓入巖及旋轉的共同作用下，實現鉆齒剪切破巖。故選擇何種鉆具對于破巖效果的影響是非常大的，通常使用嵌巖截齒鉆和嵌巖牙輪鉆等兩種鉆具。

3.2.1 嵌巖截齒鉆

嵌巖截齒鉆采用合金作鉆頭，通過施加壓力荷載和扭矩使鉆頭與巖石產生剪切力，達到在巖層中鉆進的效果。根據旋挖鉆機破巖原理可知，鉆頭在實施剪切破巖運動時，鉆具不僅要能承受加壓荷載的壓入阻力，還要承受鉆筒轉動時產生的橫向阻力。因此需合理布設嵌巖截齒鉆，使單個齒鉆能夠承載合理，且齒間互為創造破巖自由面，提高鉆頭侵入巖體的效果，需選擇適當選擇鉆具截齒的切入角度。按切入角度在20～45°的截齒鉆在中風化砂巖地層選取2 根抗滑樁試樁，按脈沖式加載沖擊力的工藝進行施鉆，在正常情況下鉆孔平均進尺為0.32m／h。但試驗結果表明截齒鉆側面磨損嚴重，頂部合金鉆頭易脫落，平均每鉆進1.0m耗費8 個鉆頭，鉆頭更換頻率高，減少了有效工作時間，嚴重影響施工進度，經濟效益差。

3.2.2 嵌巖牙輪鉆

在同樣條件下采用牙輪鉆頭進行抗滑樁的試樁，同樣按脈沖式加載沖擊力的工藝進行施鉆，在正常情況下，鉆孔平均進尺為0.27m／h。雖然正常鉆進速度較截齒鉆慢些，但試驗結果表明牙輪鉆磨損較小，每鉆進1.0m 耗費3 個鉆頭，經濟效益超截齒鉆。因鉆機可連續工作，綜合施工進度遠超截齒鉆。因為牙輪鉆不僅能夠隨鉆桿公轉，且能繞牙掌心軸自轉，主要運動方式為滾動，鉆頭與巖石之間產生的阻力小，故鉆頭的損壞要遠小于截齒鉆。

嵌巖牙輪鉆施工進度、經濟效益均超過嵌巖截齒鉆，故本項目鉆具選用嵌巖牙輪鉆。

3.2.3 施鉆時的加壓方式

根據前述荷載施加方式的理論分析成果可知，動靜耦合（也可稱之為脈沖式)加壓方式是破硬巖時旋挖機施鉆最為有效的加壓方式（圖3）。

圖3 動靜耦合加壓曲線示意圖

圖中的t1、t3為最佳沖擊力加載時刻。即施加沖擊力時刀刃切入硬巖，鉆桿轉速降低，為鉆齒進行硬巖破壞的過程，隨后鉆桿轉速加快，扭矩變小，是將破壞硬巖后石屑掃進鉆斗的過程。

施鉆時，需根據旋挖鉆機的震動情況等細微變化來判斷巖體的受力破壞情況來準確確定沖擊力加載時機。剛開始操作時，對時機把握不準，但經過試樁的經驗總結后，能較好地把握加載時機，充分發揮了該工藝的特點，加快了掘進速度。

4 硬巖地層旋挖鉆鉆頭機械組合

旋挖鉆機施工具有自動化程度高、勞動強度低、鉆進效率高、成樁質量好、環境污染小、適用地層廣泛等諸多特點，但所施工的地層各有不同，施工具體的技術要求又有差別，所以只有通過選擇不同鉆頭來滿足上述的要求，科學地選擇鉆頭及合理地使用鉆頭，既滿足施工技術要求，又能提高施工工效、降低施工成本。對于2.5m孔徑的大直徑抗滑樁，采用一次成孔方式時，旋挖鉆難以破壞巖芯。

根據本項目特征采取三級鉆進，即采用3 種不同直徑、不同功能的鉆頭，以5m 為循環進行鉆孔施工：①首先采用直徑為0.8m 的截齒筒鉆進行開槽，可取出較為完整的巖芯；②其次采用直徑為1.5m 雙開門雙底截齒鉆孔進行鉆孔，可兼顧清渣；③最后采用直徑為2.5m 雙開門雙底截齒鉆孔進行鉆孔，可兼顧清渣。抗滑樁樁身完整性檢測成果如表3 所示。

表3 抗滑樁樁身完整性檢測成果表

5 結語

本項目嵌入硬巖抗滑樁施工時，在理論研究及分析的基礎上，通過現場實際測試，總結及創新了旋挖鉆進行硬巖鉆孔的施工工藝，該技術的應用不僅加快了施工速度，同時也降低了施工成本，提高了抗滑樁成樁質量，為旋挖鉆施工大直徑硬巖抗滑樁提供了新的思路。