AQK嵌巖擴底鉆頭的結構特點

宋秋鋒，靳益民，朱彩華，張新華，張 建

(1.河北建勘鉆探機械有限公司，河北 石家莊050031;2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊065000)

1 概述

為了增大樁基礎的單樁承載力，采用鉆孔擴底灌注樁是一種經濟有效的辦法。在保障鉆孔擴底灌注樁質量的措施中，采用性能良好的擴底裝置及可靠的施工方法是至關重要的。目前國內外已先后研制出許多類型的擴底鉆頭，大多都適合在覆蓋層中鉆擴，適用于在基巖中鉆擴的擴底鉆頭很少。河北建勘鉆探機械有限公司研制的AQK大直徑嵌巖擴底鉆頭采用滾刀破巖，在結構設計上全面滿足滾刀的破巖原理，施工應用中的擴底直徑已達到了3.6 m，在嵌巖鉆孔擴底施工中獲得了良好的效果。

2 AQK嵌巖擴底鉆頭的結構特點

常用擴底鉆頭的擴翼開合方式可分為上開式、下開式、滑降式。上開式結構簡單，易于制造，切削扭矩小，但擴角大，主要用于穩定地層，對于在松散土層、砂層等膠結性差的地層中成孔時可靠性差。下開式結構簡單，易加工，適應地層范圍廣，成孔可靠性好。滑降式結構比較復雜，擴角小，成孔可靠，但擴底鉆頭長度較大。擴翼的開閉驅動分為自重式和液壓式。

圖1 擴底鉆頭結構原理示意圖

目前國內使用的擴底鉆頭多數為機械下開式。圖1是常用擴底鉆頭的結構原理示意圖，該類鉆頭的擴翼上鉸鏈全部為移動式，連桿為固定式。法蘭、傳動桿和轉動臂為一整體部件，上部連接鉆桿傳遞扭矩和上、下移動。連桿一端鉸接底座，另一端鉸接擴翼，擴翼的上端鉸接轉動臂。在鉆桿的轉動和重力作用下，轉動臂邊旋轉邊向下移動。這時的擴翼在轉臂和連桿的運動和重力下開始向下和向外側移動。從圖1擴翼的不同位置可以看出擴翼的運動軌跡從A點到B點，是一復合運動軌跡。擴翼的下端若象圖1左部所示的結構，在擴底或孔的過程中，將有一部分未切削到的巖層8留在孔底，因此直接影響了擴底樁的擴底質量。另外，由于破巖滾刀的結構形狀，在該結構形式的擴翼上布置滾刀時不能使擴翼底部拐角處形成連續切削刃。由于擴翼上鉸鏈向下移動時，擴翼沿孔壁有位移，這對擴翼上圖1的滾刀受力情況是非常不利的。

為了克服擴翼上鉸鏈移動式擴底鉆頭的缺點，AQK擴底鉆頭設計為擴翼上鉸鏈固定式(見圖2)。

圖2 上鉸鏈固定式擴底鉆頭結構原理示意圖

AQK擴底鉆頭主要由傳動桿、轉動臂、擴翼、連桿、支承座、排渣管和連接筒組成。連接筒將轉動臂和支承座連接成一個高度不變的承載轉動部件。擴翼的上端鉸連在轉動臂上。傳動桿為一方形桿件，它在轉動臂的方孔中上、下移動并傳遞扭矩給轉動臂。連桿的一端鉸連傳動桿，另一端鉸連擴翼。傳動桿在鉆桿的轉動和重力的作用下，邊旋轉邊向下移動，并且推動連桿向下移動，連桿推動擴翼繞上鉸固定軸心向外側轉動，擴翼的平面運動轉變為從A點到B點的一段圓弧。由結構原理可以看出，AQK大直徑嵌巖擴底鉆頭的結構設計有以下幾個特點:

(1)擴翼上鉸固定為圓心，連桿滑移并推動擴翼繞上鉸軸心轉動，運動軌跡單一，減小切削阻力。

(2)能夠實現各種破巖刀具的布置，特別是不受滾刀結構的限制，可任意布置滾刀，達到切削巖層的目的。

(3)不受結構的限制，可滿足擴底形狀的要求。

(4)破巖刀具沿孔壁沒有相對位移，有利于孔壁穩定，提高成孔的可靠性。

(5)由于擴底切削時通過裝置作用在孔底的壓力很大，為了不使擴底鉆頭底部和孔底巖層產生相對轉動切削，支承座內裝有一組軸承，保證擴底鉆頭的轉動靈活可靠。

(6)擴翼的徑向位置可調，用來調節擴底鉆頭直徑。

(7)部件采用積木式設計，通用程度高，增大擴底鉆頭直徑的范圍。

3 擴底鉆頭制造中的關鍵問題

(1)兩個擴翼的鉸接銷軸尺寸精度和位置精度必須給予保證，以達到運動靈活的目的。

(2)兩個連桿的銷孔尺寸的精度和位置精度必須給予保證，使其傳動準確，靈活可靠。

(3)各組焊件的焊接方法要滿足強度要求，焊接后要消除應力，以防止結構件變形。

(4)支承座組裝后用手轉動應靈活。

(5)擴底鉆頭總裝后靠本身的自重使擴翼開、合靈活，無阻卡現象。

4 施工過程中的關鍵問題

在深圳市蛇口工業區灣廈花園二期鉆孔擴底灌注樁工程中，使用AQK大直徑嵌巖擴底鉆頭進行了擴底成孔的施工，獲得了良好的效果。

該工程均在中風化花崗巖中進行擴底，最大樁徑達到了1.8 m擴到3.6 m。通過工程實踐，我們體會到在鉆孔擴底施工中要完全使孔形達到設計要求，擴底鉆頭的設計要特別注意以下幾個問題。

(1)機械式擴底鉆頭的擴底直徑主要是靠控制機上鉆桿的行程來進行的。由于擴底鉆頭是靠鉆桿的配重通過連桿實現擴翼張開，并對巖層有足夠的壓力進行破巖，此時作用在鉆頭底部支座上的垂直力也很大，很容易對孔底產生破巖切削，機上鉆桿行程在這種情況下就不是擴底時的行程了。為了防止上述情況，鉆頭底部支座必須安裝轉動靈活并且具有密封功能良好的軸承裝置。

(2)在含有風化核或孤石巖層中進行擴底施工時，一定要將擴底鉆頭進行可靠的徑定位，以防止遇到風化核或孤石時使擴底部分產生位移，以保證直孔段和擴底段的同軸度。

(3)為了使隱蔽在孔內的擴底鉆頭工作可靠，避免發生孔內事故，擴底鉆頭的主要零件一定要有足夠的強度和剛度，不能產生變形，以保證動作靈活可靠。

(4)為了更好的控制孔底沉渣，必須采用反循環排渣工藝。擴底鉆頭的吸渣口要根據不同的巖層和直徑來確定徑向位置和高度位置。

5 結語

在城市、交通、水電、工礦和國防等建設工程中，樁基礎愈來愈向大型化發展。在灌注樁工程施工中，為提高單樁承載力，節省材料，降低工程費用，擴底灌注樁是一種很有發展前途的樁型，近些年來應用范圍正在擴大。目前擴底灌注樁仍有相當多的采用人工挖孔擴底施工，由于人工挖孔擴底灌注樁施工受到地層、地下水、深度等條件的約束，擴底灌注樁的推廣應用受到很大的影響。因此，應深入研究鉆孔擴底灌注樁施工方法和擴底裝置，使其功能更加完善，以替代人工挖孔擴底灌注樁施工，提高施工效率和安全性，使鉆孔擴底灌注樁得到更廣泛的應用。

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