不同地質(zhì)條件下旋挖樁鉆具選型及參數(shù)設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)不同地質(zhì)條件下灌注樁旋挖鉆機(jī)的鉆機(jī)選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)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(duì)中新天津生態(tài)城海天道橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)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(guān)鍵詞：旋挖鉆孔灌注樁;鉆具;參數(shù)

1" "工程背景

中新天津生態(tài)城海天道（中央大道-景盛路）橋梁工程全長(zhǎng)1.648km，其中道路長(zhǎng)度為706.648m，橋梁長(zhǎng)度為941.352m。橋梁樁基礎(chǔ)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(zhì)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(gè)可以自由開關(guān)的圓筒鉆斗周圍或者底部安裝刀鋸，圓筒中的鉆桿在旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)力作用下自行伸縮，從而帶動(dòng)刀鋸旋轉(zhuǎn)來切削土壤。切削下來的土壤會(huì)回收到圓筒鉆斗中，當(dāng)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?guī)r、花崗巖、卵礫石等特殊硬巖地層使用，具有噪聲低、振動(dòng)小、施工效率高等多種特點(diǎn)，在各類型樁基施工中應(yīng)用比較普遍[1-3]。

旋挖鉆孔施工過程中，還需要起重機(jī)、挖掘機(jī)、自卸汽車、泥漿泵等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行輔助配合施工。旋挖灌注樁施工工藝流程為：施工場(chǎng)地三通一平→場(chǎng)地測(cè)量交接樁→混凝土導(dǎo)管閉水試驗(yàn)→鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)→護(hù)筒準(zhǔn)備并添加穩(wěn)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(dǎo)管→釋放護(hù)筒。

3" "不同地質(zhì)條件下鉆具選擇

3.1" "旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

旋挖鉆機(jī)的主要由提引器、鉆桿、動(dòng)力碼頭、桅桿總成、變幅機(jī)構(gòu)、卷揚(yáng)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(dòng)力頭扭矩;桅桿總成由支腿、升降缸、鉆桅方箱、滑輪架等結(jié)構(gòu)組成，主要作用是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的自由升降;動(dòng)力頭由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、馬達(dá)、減速器等組成，主要作用是帶動(dòng)鉆桿工作;變幅機(jī)構(gòu)由動(dòng)臂、變幅缸、三腳架組成，主要作用是實(shí)現(xiàn)鉆桅的起落;卷揚(yáng)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(zhuǎn)運(yùn)的工具。

3.2" "鉆具類型及適用性分析

當(dāng)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(dǎo)式短螺旋鉆頭、前導(dǎo)式平底長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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(jiān)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(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域不太適用。在使用時(shí)應(yīng)注意轉(zhuǎn)速控制在13～32r/min，扭矩應(yīng)小于200kN·m，加壓壓力應(yīng)小于150kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于0.15m。盡量選用螺距大且削齒粗壯的鉆頭型號(hào)，當(dāng)削齒和翼片出現(xiàn)磨損時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)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(shè)計(jì)，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(shí)額定轉(zhuǎn)速為32r/min，扭矩應(yīng)控制在200kN·m以下，加壓壓力應(yīng)小于50kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于0.15m。應(yīng)在鉆頭外增加一層外護(hù)筒，以防止孔壁坍塌。邊緣部分出現(xiàn)磨損后應(yīng)及時(shí)修復(fù)以防止縮徑。

3.2.3" "無前導(dǎo)式短螺旋鉆頭

其鉆頭底部沒有安裝前導(dǎo)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?guī)r以及凍土層等各類型地層施工。使用時(shí)轉(zhuǎn)速為13～32r/min，扭矩應(yīng)控制在200kN·m以下，加壓壓力應(yīng)小于100kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于0.15m;由于此鉆頭沒有安裝前導(dǎo)鉆頭，因而導(dǎo)向性差，要注意施工時(shí)轉(zhuǎn)孔的偏角問題。

3.2.4" "前導(dǎo)式平底長(zhǎng)螺旋鉆頭

其鉆頭形式為三角形或者魚尾形，一頭為螺旋構(gòu)造，一頭為平底構(gòu)造，在鉆頭底部焊接切削齒板和硬質(zhì)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(fēng)化地層。使用時(shí)轉(zhuǎn)速為13～32r/min，扭矩應(yīng)控制在200kN·m以下，加壓壓力應(yīng)小于100kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于0.8m。更換齒座和焊接時(shí)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，在前導(dǎo)結(jié)構(gòu)上鑲嵌切削截齒，硬質(zhì)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(qiáng)風(fēng)化巖層、淤泥質(zhì)粘土以及含水率高的砂土層等。使用時(shí)額定轉(zhuǎn)速為32r/min，扭矩應(yīng)控制在200kN·m以下，加壓壓力應(yīng)小于100kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于0.16m。為節(jié)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(jìn)渣的筒形結(jié)構(gòu)，鉆筒下邊緣焊接有硬質(zhì)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(shí)轉(zhuǎn)速為13～32r/min，扭矩應(yīng)控制在200kN·m以下，加壓壓力應(yīng)小于100kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于11m。該鉆頭更適合在富水巖層中使用，從經(jīng)濟(jì)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(guān)控制裝置三部分結(jié)構(gòu)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(fēng)化軟巖等各類型地層。使用時(shí)額定轉(zhuǎn)速為32r/min，扭矩應(yīng)控制在200kN·m以下，加壓壓力應(yīng)小于100kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于0.17m。為防止掉蓋情況發(fā)生，應(yīng)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(dǎo)向鉆頭為魚尾型中心導(dǎo)向鉆頭，嵌套在鉆具主體上，底部設(shè)置硬質(zhì)合金截齒作為切削齒，適用于含水量大的淤泥質(zhì)土、砂土或者砂礫石地層。使用時(shí)額定轉(zhuǎn)速為32r/min，扭矩應(yīng)控制在200kN·m以下，加壓壓力應(yīng)小于100kN，單次進(jìn)尺應(yīng)小于0.17m。

3.3" "不同地層鉆具選擇及參數(shù)

根據(jù)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(jù)工作經(jīng)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(duì)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(shí)，采用單頭螺旋鉆頭施工;在土層有一定膠結(jié)力時(shí)，采用雙頭雙螺旋鉆頭進(jìn)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(yīng)呈上大下小形式。在此類地層施工時(shí)，建議將鉆進(jìn)壓力控制在50kN以內(nèi)，轉(zhuǎn)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(dāng)遇到淤泥和流沙層時(shí)，底盤可采用兩層或三層結(jié)構(gòu)形式;當(dāng)遇到有一定膠結(jié)力的地層時(shí)，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(yīng)適當(dāng)增大，切削齒宜選擇產(chǎn)齒。在此類地層施工時(shí)，也建議將鉆進(jìn)壓力控制在50kN以內(nèi)，轉(zhuǎn)速控制在20～50r/min。

軟巖單軸抗壓強(qiáng)度為0.5～25MPa的粉砂巖、頁巖、灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)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(jìn)行破碎;第二步采用AGR 型螺旋鉆頭進(jìn)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(jìn)行巖層破碎。如此循環(huán)往復(fù)施工，直到鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度。在此類地層施工時(shí)，建議將鉆進(jìn)壓力控制在50～100kN，轉(zhuǎn)速控制在20～30r/min。

硬巖單軸抗壓強(qiáng)度大于25MPa的砂巖、灰?guī)r、花崗巖等，也建議采用（CB型環(huán)狀鉆頭型環(huán)狀鉆頭+AGR型雙頭錐型螺旋鉆頭+BSR型旋挖鉆頭）組合鉆進(jìn)行施工。第一步先采用CB型環(huán)狀鉆頭型環(huán)狀鉆頭向巖層中鉆進(jìn)0.5～1.0m，對(duì)周圍巖體進(jìn)行切除;第二步采用AGR型雙頭錐型螺旋鉆頭對(duì)切除下來的巖石進(jìn)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(fù)循環(huán)施工，直至達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。在此類地層施工時(shí)，建議將鉆進(jìn)壓力控制在100～200kN，轉(zhuǎn)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(jìn)施工時(shí)，為減小鉆頭磨損率和鉆機(jī)的振動(dòng)，應(yīng)適當(dāng)降低回轉(zhuǎn)速率，將鉆進(jìn)壓力控制在0～50kN，轉(zhuǎn)速控制在10～20r/min。

4" "案例工程鉆具選擇及參數(shù)

根據(jù)上文分析結(jié)果，并結(jié)合本工程地質(zhì)條件，基于樁基周圍主要以粉質(zhì)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(jìn)行鉆孔灌注樁鉆孔施工。鉆進(jìn)壓力為80kN，轉(zhuǎn)速為25r/min。通過現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果顯示：鉆孔鉆進(jìn)速度可達(dá)到1.5～2.5m/h，具有較高的鉆進(jìn)效率。

5" "結(jié)語

本文以中新天津生態(tài)城海天道橋梁樁基礎(chǔ)工程為例，對(duì)旋挖鉆施工工藝進(jìn)行了總結(jié)分析，對(duì)常用旋挖磚機(jī)具的適用性進(jìn)行了探討。在總結(jié)自身工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的地質(zhì)條件，提出了相對(duì)應(yīng)的旋挖鉆機(jī)機(jī)具選擇原則和參數(shù)設(shè)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(yè)方法，取得了較好的鉆孔施工效率。

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