近年來,大口徑旋挖鉆進(jìn)工法在樁基礎(chǔ)施工中得到廣泛的推廣。在大口徑旋挖鉆施工中,硬地層鉆進(jìn)是施工中遇到的主要難題之一。通常旋挖施工的硬地層主要有河床(故道)、山地丘陵的含卵礫石、漂石及風(fēng)化巖層等,鉆進(jìn)這些較硬地層主要采用短螺旋鉆頭。短螺旋鉆頭的選擇和使用是影響施工效率的重要環(huán)節(jié)。
1 短螺旋鉆頭的結(jié)構(gòu)及分類
鉆進(jìn)硬地層的嵌巖短螺旋鉆頭結(jié)構(gòu),由法蘭、芯軸管、主螺旋葉片(導(dǎo)向螺片)和引導(dǎo)螺旋葉片(錐片)構(gòu)成。常用的嵌巖短螺旋鉆頭在結(jié)構(gòu)形式又可分為單錐單螺短螺旋鉆頭和雙錐單螺短螺旋旋鉆頭,雙錐雙螺短螺旋鉆頭。
單錐單螺短螺旋鉆頭是指由一組主螺旋葉片(導(dǎo)向螺片)和引導(dǎo)螺旋葉片(錐片)組合而成的螺旋鉆頭,雙錐雙螺是指由二組主螺旋葉片(導(dǎo)向螺片)和二組引導(dǎo)螺旋葉片(錐片)組合而成。雙錐單螺短螺旋鉆頭則是由一組主螺旋葉片(導(dǎo)向螺片)和二組引導(dǎo)螺旋葉片(錐片)組合而成。其它還有非整螺整錐的鉆頭形式,一般較少采用。單錐單螺的葉片間距等于導(dǎo)程,雙錐雙螺的葉片間距等于1/2導(dǎo)程。引導(dǎo)螺旋葉片上部有切削具,承擔(dān)鉆進(jìn)碎巖和排土(石)的任務(wù),平螺旋葉片具有導(dǎo)向和排土(石)的作用。切削具一般為頭部鑲焊有鎢鈷硬質(zhì)合金的截齒(cutting pick)。
2 短螺旋鉆頭的工作原理
鉆進(jìn)過程中,首先在鉆壓下,位于芯軸管底端的中心齒在孔底中心“掏槽”,形成破碎自由面,位于螺旋錐片上的切削具跟進(jìn),形成錐形的鉆孔,鉆進(jìn)中鉆齒形成的軌跡線在孔底的投影是一組同心圓。巖屑和土、石等沿螺旋葉片反向上升,充滿螺旋葉片之間后,被提鉆帶出孔,或落入孔中后,用撈砂鉆斗撈出。
短螺旋鉆頭的主要參數(shù)有螺距、螺旋線長度、螺旋鉆頭錐角、切削具布齒間距、切削具布齒到徑的螺旋線回轉(zhuǎn)角度、鉆齒的布齒角度及長度、合金頭的大小等。
單錐單螺短螺旋鉆頭布齒相對較少,一般鉆進(jìn)膠結(jié)較松的卵礫石層,特別是卵礫石較多較大的地層和風(fēng)化巖層。由于單錐單螺鉆頭葉片間距較大,提鉆過程巖屑、土塊和碎石易掉落孔中,需要用撈砂斗進(jìn)行撈砂清底,一般是一鉆螺旋鉆頭,一鉆撈砂鉆斗,交替進(jìn)行。很多時候螺旋鉆頭起到的是破碎或攪松孔底風(fēng)化層或膠結(jié)礫石層的作用。
雙錐雙螺短螺旋鉆頭是雙錐片布齒,布齒數(shù)量是單錐單螺短螺旋鉆頭的1.5~2倍,一般適合鉆進(jìn)風(fēng)化巖層和卵礫石較小的礫石層。鉆進(jìn)中是雙鉆齒同時刻劃,鉆進(jìn)效率高,鉆進(jìn)較平穩(wěn)。
如果兩組引導(dǎo)螺旋葉片相間布齒,那么雙錐雙螺短螺旋鉆頭的鉆進(jìn)軌跡線比單錐單螺短螺旋鉆頭相對較密,適宜在大鉆壓下下鉆進(jìn)。雙錐雙螺鉆頭比雙錐單螺鉆頭的導(dǎo)向性和攜帶巖土更好一些,由于葉片間距較小,易被巖土擠緊,但是對于取出尺寸較大的礫石不利。
螺旋鉆頭錐角的錐角是螺旋鉆頭的重要指標(biāo),一般錐角較大,螺旋線的回轉(zhuǎn)角度較小,布齒相對較少,鉆頭的制造成本也較低,可滿足強風(fēng)化和礫石層鉆進(jìn)。但對于中風(fēng)化、弱風(fēng)化等堅硬地層,則要采用小錐角鉆頭,大鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)。
鉆齒的布齒技術(shù)對鉆頭的鉆進(jìn)性能也有影響,一般鉆進(jìn)巖層較硬風(fēng)化巖層,鉆齒的下偏角(齒和水平方向的夾角)和出刃(伸出)量宜小,而鉆進(jìn)膠結(jié)較松的礫石層,鉆齒的下偏角和出刃(伸出)量可大一些,提高鉆進(jìn)效率。
3 短螺旋鉆頭的應(yīng)用實例
3.1 2004 年7月在吉林通化某工地施工中,地層中有一層卵礫石層,鉆進(jìn)難度很大。施工中采用短螺旋鉆頭鉆進(jìn),撈砂鉆頭撈渣清底。但在施工發(fā)現(xiàn)螺旋鉆頭鉆進(jìn)效率低,難以進(jìn)尺,撈砂斗撈渣困難。強行加壓、增大扭矩造成螺旋鉆頭葉片撕裂,鉆齒及座磨損或丟失,撈砂鉆斗底板撕裂,還出現(xiàn)下底板扭斷掉入孔中的事故。我們根據(jù)施工現(xiàn)象并對撈渣進(jìn)行了分析,認(rèn)為該地段主要是膠結(jié)較松的淤泥質(zhì)卵礫石層,其中含有較多的大卵石(漂石),這些不能進(jìn)入螺旋葉片之間或通過撈砂鉆斗底板的開口進(jìn)入斗內(nèi),致使鉆進(jìn)困難和鉆頭(斗)損壞。改用單錐單螺短螺旋鉆頭后,較大尺寸的卵石(漂石)先被螺旋鉆頭帶出鉆孔,鉆進(jìn)效果明顯改善。
3.2 2004 年9月在河南南陽某工地施工中,業(yè)主采用鉆機是日本生產(chǎn)ED5500型旋挖鉆機鉆進(jìn)直徑1500mm樁孔,當(dāng)鉆進(jìn)到卵礫石地層和泥頁巖地層時,采用嵌巖短螺旋鉆頭鉆進(jìn)。由于鉆機動力太小,且加不上壓,鉆進(jìn)效率低。我們在工地對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),將鉆頭錐角由120°改成82°,提高了鉆頭鉆進(jìn)的比壓。鉆頭結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)后,鉆速由原先的幾乎不進(jìn)尺提高到0.6m/h,順利鉆進(jìn)卵礫石層和泥頁巖地層
3.3 2004年7月在廣州某工地施工中,該工地處于原珠江河床,地質(zhì)情況較復(fù)雜,孔內(nèi)有5-10米厚的中風(fēng)化和弱風(fēng)化巖層,要求入弱風(fēng)化五米或入微風(fēng)化三米后方可終孔,施工難度相當(dāng)大。施工中巖層的鉆進(jìn),采用短螺旋鉆頭鉆進(jìn)。根據(jù)鉆進(jìn)情況,對鉆頭作出了一些改進(jìn)。原鉆頭為雙錐單螺,起錐0.5葉片到徑,且齒尖前出刃6cm,下出刃6cm;改進(jìn)后鉆頭為雙錐雙螺,起錐1.5葉片到徑,齒尖前出刃3cm,下出刃2cm。鉆頭改進(jìn)后鉆進(jìn)取得了理想的效果,耗時4-8小時,即完成一根樁,而用沖擊鉆最快需要 7天,而且鉆出了花崗閃長巖巖樣,理論強度為25兆帕。
4 結(jié)語
短螺旋鉆頭是目前旋挖鉆進(jìn)施工中克服硬巖地層的主要鉆具,根據(jù)不同的地層特點設(shè)計相應(yīng)的短螺旋鉆頭結(jié)構(gòu),對提高鉆進(jìn)效果影響很大。對短螺旋鉆頭的制造和應(yīng)用技術(shù)的深入研究以及和巖石筒鉆、撈砂鉆斗等的較好組合使用,可為旋挖鉆機在硬巖地層的鉆進(jìn)的推廣使用創(chuàng)造好的條件。
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