旋挖鉆斗形式選擇和截齒磨損失效成因分析

胡耀剛 段建榮

(山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021)

?

旋挖鉆斗形式選擇和截齒磨損失效成因分析

胡耀剛 段建榮

(山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021)

簡單介紹了旋挖鉆孔灌注樁施工工藝流程，結(jié)合佛山市南海區(qū)新交通項目施工區(qū)域的不同地層情況，選擇了旋挖鉆斗形式，并分析了截齒磨損失效的原因，提出了切入角β，最后根據(jù)不同巖石強度確定了切入角范圍。

旋挖鉆機，鉆孔灌注樁，鉆斗形式，截齒，切入角β

0 引言

1 工程簡介和施工工藝流程

1.1 工程簡介

施工地點位于廣東省佛山市南海區(qū)，項目名稱是佛山市南海區(qū)新型公共交通系統(tǒng)試驗段鉆孔灌注樁工程，該項目總投資38億元，該工程起點蟲雷崗公園站，終點林岳西站并與廣州地鐵2號線換乘，它是橫穿南海中心城區(qū)的軌道交通大動脈，其作為廣佛地鐵軌道交通的補充和服務(wù)延伸，對促進廣佛都市圈融合具有重要意義。

施工區(qū)域主要集中在櫓尾撬河引橋和主橋、黃猄涌中橋，屬于橋梁鉆孔灌注樁，有三條線路工程并行跨越櫓尾撬和黃猄涌，中間線路為新型公共交通試驗段工程(以下簡稱新交通)，左右兩側(cè)線路為市政工程。

櫓尾撬新交通工程共有19個承臺92根灌注樁，市政工程左右幅共38個承臺188根灌注樁，河道內(nèi)支護樁共28根灌注樁，樁徑主要集中在1.0 m,1.2 m,1.5 m。黃猄涌中橋新交通工程共有20個承臺104根灌注樁，市政工程左右幅共42個承臺204根灌注樁。

施工區(qū)域地貌為海沖積平原和殘丘、地形平坦，處于北回歸線以南，高溫多雨，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，巖土層條件相當(dāng)復(fù)雜，上部受到海沖積影響具有一定深度的淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粉砂、中砂，工程性質(zhì)差，極易流動。巖土層下伏白堊系沉積巖層，主要為白堊系(K)泥巖、白堊系(K)泥質(zhì)粉砂巖。泥巖，青灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，局部泥巖中含有白色透明晶體顆粒；泥質(zhì)粉砂巖，棕紅、紫紅色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)。中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為7.0 MPa～12.0 MPa，微風(fēng)化飽和抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值20.0 MPa～50.0 MPa，局部強度可達(dá)100.0 MPa～150.0 MPa。由于該地層受到附近斷裂帶的影響，巖層層厚、強度起伏變化大。

1.2 施工工藝流程

針對施工區(qū)域，旋挖鉆孔灌注樁施工工藝與傳統(tǒng)旋挖施工略有差別。該區(qū)域地層上部有0 m～12 m厚的流塑狀淤泥質(zhì)，中間是12 m～30 m的流砂層，地層結(jié)構(gòu)松散，加上沿海地區(qū)地下水位偏高、抗剪強度差，所以對泥漿來源、加工到使用做了特殊處理。具體工藝流程見圖1。

2 最佳鉆斗形式

2.1 鉆斗形式

作為一種新興的服務(wù)形式，知識服務(wù)是科技工作的重要組成部分，對一個國家的的創(chuàng)新活動有著極其重要的推動和促進作用，本文選擇科技創(chuàng)新領(lǐng)域的情報信息機構(gòu)的310篇知識服務(wù)論文進行統(tǒng)計分析，主要得到以下結(jié)論：

旋挖鉆斗在施工中扮演著鉆進和取渣的重要角色，市場上常見的鉆斗有雙鍋底撈砂斗(土層、嵌巖)、螺旋鉆斗(土層、嵌巖)、筒鉆斗、體開式鉆斗等。

2.2 鉆斗選擇

依托佛山南海新公交項目，經(jīng)過大量實踐統(tǒng)計分析得出結(jié)論，不同地層都有與之匹配的鉆斗形式。

針對素填土層、淤泥層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、粉砂層、中砂層和全風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層、強風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層，選用雙鍋底板撈砂斗(見圖2)，進尺速度快、提鉆時淤泥粉砂不會外漏、單鉆取渣多。

進入中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖層，巖層開始具有一定強度、沒有層理、節(jié)理裂隙，加之水下樁，若采用雙鍋底撈砂斗，由于軸向壓力不足，鉆齒不能破碎入巖，鉆斗容易在與巖層接觸面打滑，施工進尺慢，且鉆齒磨損快，宜采用體開式鉆斗。體開式鉆斗(如圖3所示)卸渣容易，正轉(zhuǎn)閉合鉆進、反轉(zhuǎn)體開卸渣，與撈砂斗相比，沒有中心先導(dǎo)尖，截齒V形可改變切削順序，降低阻力，提高鉆進能力。

微風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖強度明顯增加，這時不宜采用鉆齒角度大、設(shè)計進尺快的鉆斗，容易將鉆齒拉劈裂、加劇鉆斗頭部磨損。應(yīng)采用筒鉆斗(如圖4所示)和雙鍋底撈砂斗交替配合使用。先用筒鉆斗研磨，進尺30 cm～40 cm，換用雙鍋底撈砂斗打撈鉆渣，然后繼續(xù)換用筒鉆斗研磨進尺。

3 旋挖截齒失效形式和原因分析

3.1 旋挖截齒失效形式

由于施工區(qū)域巖石強度極高，旋挖截齒磨損厲害、耗材嚴(yán)重。表1是對櫓尾撬南岸市政ZLW15-3灌注樁使用截齒統(tǒng)計分析情況。

表1 ZLW15-3截齒耗材統(tǒng)計表

截齒磨損破壞形式主要有兩種：第一種與截齒軸線呈20°～25°發(fā)生劈裂破壞，第二種與截齒軸線呈70°～75°發(fā)生磨損破壞,鉆孔失效的截齒形式見圖5。

3.2 截齒破壞形式原因分析

通過對大量截齒破壞形式研究分析得出，旋挖鉆機入巖鉆進施工，截齒受到鉆斗旋轉(zhuǎn)運行阻力FX和加壓切入的巖石阻力FY在相同加壓載荷作用下(如圖6所示)，如果截齒與鉆斗底座夾角即β角偏小，截齒入巖為點接觸工作，那么截齒受到切入阻力FY急劇增大，再受到旋轉(zhuǎn)阻力FX影響極易發(fā)生劈裂，即呈現(xiàn)第一種破壞失效形式。如果β角偏大，截齒入巖為線接觸或面接觸，旋轉(zhuǎn)阻力FX急劇增大，截齒與基巖接觸面增大，截齒磨損加劇，發(fā)生第二種破壞失效形式，且該種形式入巖效果最差、功效最低。

3.3 截齒磨損改善措施

巖石破碎的方法主要有三種：沖擊破巖、磨削破巖以及剪切入巖，而根據(jù)庫侖—納維爾準(zhǔn)則，巖石的極限抗剪強度僅為極限抗壓強度的10%左右，所以破巖的最有效方法就是剪切破巖。

旋挖鉆機加壓系統(tǒng)的加壓力經(jīng)過鉆桿的傳遞，使鉆斗截齒切入巖土，鉆斗旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩使巖石產(chǎn)生剪切破碎，此時破巖效率最高。但是如果切入角β過小，截齒容易發(fā)生劈裂，確定最佳的切入角β，既能減少截齒劈裂失效，又能提高入巖效率。經(jīng)過大量市場調(diào)研和現(xiàn)場工地試驗研究，對于堅硬巖石，截齒切入角度應(yīng)適當(dāng)減小，切入角β宜在30°～45°；對于軟巖，切入角β可適當(dāng)放大，宜在45°～60°。

4 結(jié)語

旋挖鉆孔灌注樁施工工藝具有施工速度快、環(huán)境污染小、高能低耗、現(xiàn)代化技術(shù)程度高的特點，是地基處理最為廣泛采用的施工工藝。南方沿海地區(qū)氣候濕潤多雨，水系豐富，地下水位淺，地層起伏變化大、工程性質(zhì)差異懸殊，復(fù)雜的地層情況使旋挖鉆機的應(yīng)用受到了很大的限制，選擇最佳鉆斗形式、減小截齒的磨損，降低施工成本，提高旋挖鉆機入巖效率，對推廣旋挖鉆機施工工藝具有促進作用。

[1] JGJ 79—2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 劉文忠.旋挖鉆機入巖能力簡述[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理,2010(4):30-32.

On type selection for rotary drilling buckets and reasons for wear-out failure of cutting pick

Hu Yaogang Duan Jianrong

(Shanxi Huajin Geotechnical Engineering Survey Co., Ltd, Taiyuan 030021, China)

The paper introduces the construction craft of the rotary drilling bored piles, selects the rotary forms according to the various stratum in the new traffic projects of Nanhai District of Foshan City, analyzes the reasons for the wear-out failure of the cutting pick, and points out digging angle identifies the scopes of the angle according to various rock strength.

rotary driller, bored pile, rotary form, cutting pick, cutting angleβ

1009-6825(2017)08-0083-02

2017-01-08

胡耀剛(1988- )，男，助理工程師； 段建榮(1988- )，女，助理工程師

TU621

A