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短螺旋鉆頭在旋挖鉆施工中的應用

人氣:413 評論:0 日期:2017-4-12 10:07:10 標簽:全部

近年來,大口徑旋挖鉆進工法在樁基礎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、漂石及風化巖層等,鉆進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節。


1 短螺旋鉆頭的結構及分類

鉆進硬地層的嵌巖短螺旋鉆頭結構,由法蘭、芯軸管、主螺旋葉片(導向螺片)和引導螺旋葉片(錐片)構成。常用的嵌巖短螺旋鉆頭在結構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(導向螺片)和引導螺旋葉片(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(導向螺片)和二組引導螺旋葉片(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(導向螺片)和二組引導螺旋葉片(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程,雙錐雙螺的葉片間距等于1/2導程。引導螺旋葉片上部有切削具,承擔鉆進碎巖和排土(石)的任務,平螺旋葉片具有導向和排土(石)的作用。切削具一般為頭部鑲焊有鎢鈷硬質合金的截齒(cutting pick)。

    

2 短螺旋鉆頭的工作原理

鉆進過程中,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,形成錐形的鉆孔,鉆進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,一般鉆進膠結較松的卵礫石層,特別是卵礫石較多較大的地層和風化巖層。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,需要用撈砂斗進行撈砂清底,一般是一鉆螺旋鉆頭,一鉆撈砂鉆斗,交替進行。很多時候螺旋鉆頭起到的是破碎或攪松孔底風化層或膠結礫石層的作用。

雙錐雙螺短螺旋鉆頭是雙錐片布齒,布齒數量是單錐單螺短螺旋鉆頭的1.5~2倍,一般適合鉆進風化巖層和卵礫石較小的礫石層。鉆進中是雙鉆齒同時刻劃,鉆進效率高,鉆進較平穩。

如果兩組引導螺旋葉片相間布齒,那么雙錐雙螺短螺旋鉆頭的鉆進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。雙錐雙螺鉆頭比雙錐單螺鉆頭的導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,一般錐角較大,螺旋線的回轉角度較小,布齒相對較少,鉆頭的制造成本也較低,可滿足強風化和礫石層鉆進。但對于中風化、弱風化等堅硬地層,則要采用小錐角鉆頭,大鉆壓進行鉆進。

鉆齒的布齒技術對鉆頭的鉆進性能也有影響,一般鉆進巖層較硬風化巖層,鉆齒的下偏角(齒和水平方向的夾角)和出刃(伸出)量宜小,而鉆進膠結較松的礫石層,鉆齒的下偏角和出刃(伸出)量可大一些,提高鉆進效率。

    

3 短螺旋鉆頭的應用實例

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,鉆進難度很大。施工中采用短螺旋鉆頭鉆進,撈砂鉆頭撈渣清底。但在施工發現螺旋鉆頭鉆進效率低,難以進尺,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,還出現下底板扭斷掉入孔中的事故。我們根據施工現象并對撈渣進行了分析,認為該地段主要是膠結較松的淤泥質卵礫石層,其中含有較多的大卵石(漂石),這些不能進入螺旋葉片之間或通過撈砂鉆斗底板的開口進入斗內,致使鉆進困難和鉆頭(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,鉆進效果明顯改善。


3.2 2004 年9月在河南南陽某工地施工中,業主采用鉆機是日本生產ED5500型旋挖鉆機鉆進直徑1500mm樁孔,當鉆進到卵礫石地層和泥頁巖地層時,采用嵌巖短螺旋鉆頭鉆進。由于鉆機動力太小,且加不上壓,鉆進效率低。我們在工地對鉆頭結構進行了改進,將鉆頭錐角由120°改成82°,提高了鉆頭鉆進的比壓。鉆頭結構形式改進后,鉆速由原先的幾乎不進尺提高到0.6m/h,順利鉆進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,地質情況較復雜,孔內有5-10米厚的中風化和弱風化巖層,要求入弱風化五米或入微風化三米后方可終孔,施工難度相當大。施工中巖層的鉆進,采用短螺旋鉆頭鉆進。根據鉆進情況,對鉆頭作出了一些改進。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。鉆頭改進后鉆進取得了理想的效果,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 結語

短螺旋鉆頭是目前旋挖鉆進施工中克服硬巖地層的主要鉆具,根據不同的地層特點設計相應的短螺旋鉆頭結構,對提高鉆進效果影響很大。對短螺旋鉆頭的制造和應用技術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的推廣使用創造好的條件。


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