黃玉文， 馮美貴， 翁 煒， 徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 問題的提出

旋挖鉆機灌注樁施工是近年來迅速發(fā)展起來的先進樁基施工工藝，該成孔工藝技術已被廣泛地應用于樁基工程施工中，具有鉆進效率高、噪聲低、環(huán)境污染小、成孔質量好、機械化程度高、勞動強度低等諸多優(yōu)點，與之配套的旋挖鉆具也得到了普遍應用。隨著鉆進地層的復雜程度不斷增加，對旋挖鉆具綜合性能的要求也不斷提高，鉆進施工過程中出現的問題也隨之增多，嚴重制約和影響了鉆進效率和施工成本。旋挖鉆斗是旋挖鉆機施工中應用最為廣泛的鉆具之一，在不同地層特性條件下鉆進時，旋挖鉆斗的先導定心尖與切削齒的布齒方式、數量和入巖角度的設計合理與否直接影響施工進度和鉆進成本。

浙江義烏某樁基工程，設計樁徑1 m，樁孔深度約10 m，要求樁孔孔底為凹弧面樁形。鉆進地層為中風化泥巖地層，采用的鉆具為?1000 mm雙底截齒撈砂鉆斗，切削齒為頭部鑲焊有鎢鈷硬質合金的截齒。其底部的結構形式如圖1所示。

鉆進過程中發(fā)現其存在如下問題：

(1)由四套切削齒焊接組成的先導定心尖定心導向性差，鉆進時易打滑晃動，影響施工進度和鉆進效率；

(2)先導定心尖與引土板之間的間隙內渣土不能有效收集到鉆斗內；

(3)邊齒齒座易磨損，邊齒齒尖易斷裂；

圖1 改進前鉆斗底部的結構形式

(4)齒數過多，鉆進效率低；

(5)孔底和孔壁沉渣較多，鉆進效率相對較低，鉆速僅為16 m/h；

(6)平底結構形式的引土板，滿足不了工程要求，需人工下井開挖凹弧面樁形并清孔，加大了工人的勞動強度。

為此，我們開展了旋挖鉆斗切削結構的研究和優(yōu)化設計工作。

2 旋挖鉆斗鉆進機理研究

根據鉆進施工現場存在的問題，開展了旋挖鉆斗鉆進機理的研究。旋挖鉆斗的主要參數有鉆斗直徑、鉆斗高度、底板層數、底板進土口數、進土口開口位置及其角度以及先導定心尖、引土板、切削齒結構、形式、角度及數量。其中先導定心尖及其上切削齒的數量和角度、引土板上切削齒的布齒方式及數量和入巖角度是旋挖鉆斗的關鍵參數，直接關系到成孔鉆進效率及切削齒的磨損消耗程度[1-5]。

從巖石破碎機理可知[6-7]，自由面有利于巖石破碎。鉆進過程中，旋挖鉆斗在鉆壓作用下，位于底部的先導定心尖在孔底中心“掏槽”[8-10]，形成破碎自由面；位于底板引土板上的切削齒跟進，鉆進中切削齒形成的軌跡線在孔底的投影是一組同心圓。巖屑和土、石等鉆渣沿引土板進入筒體，隨后被提鉆帶出孔。

3 旋挖鉆斗切削結構研究與優(yōu)化分析

根據鉆進施工現場存在的問題，開展了旋挖鉆斗切削結構的研究。根據鉆進地層特性，對先導定心尖的結構形式、切削齒數量、布齒方式[11]和入巖角度[12]進行結構優(yōu)化設計，有利于高效切削巖石，快速形成自由面，并能及時將產生的鉆渣順利導入鉆斗內。

3.1 先導定心尖結構形式

常用先導定心尖的結構形式如下：板式三角形或五邊形定心尖；旋轉式魚尾定心尖；四分頭式定心尖；多邊形多孔式定心尖；拼焊式定心尖(齒數根據情況而定，可有2～8套；外形也有一字形和S形等各種不同的形狀)。

3.2 切削齒數量

根據鉆進地層特性，合理交叉布置引土板上的切削齒，以使切削齒間創(chuàng)造互補自由面。而從齒與巖石自身力學、強度及相互間作用力等方面考慮，齒的數量應相對合理[13]，以避免出現下列情況：(1)齒數過少時，單個齒上所承受的鉆壓過大，導致齒折斷；齒間距過大，所產生的自由面不能互補，切削過程中遺留的巖脊過寬，不能實現高效碎巖；每個齒所產生的體積破碎穴彼此不相連，不能實現全斷面碎巖；(2)齒數過多時，單位比壓下降，碎巖能力下降，導致鉆進效率下降。

3.3 切削齒布齒方式

布置切削齒時尤其要注意邊齒的焊接位置、入巖角度、自身強度、重復系數[14]，這是因為：(1)邊齒處于鉆斗切削單元的最外層，其不但切削下方的巖石，并且長期與孔壁接觸、保持孔徑，所處環(huán)境最為惡劣，磨損消耗最大，因此有必要對其焊接位置及角度進行優(yōu)化設計；(2)邊齒所處回轉半徑較大，回轉阻力臂較大，孔壁阻力較大，回轉線速度也較大，所承受的載荷、扭矩相應也是最大的，因此有必要注意其自身強度；(3)綜合考慮上述兩方面因素，同時為保證切削齒的同步磨損，需考慮其重復系數；一般采用對稱布置2套邊齒、其他齒交錯布置、齒間距從內向外逐漸減小的方式進行設計、制造，從而提高碎巖效果和鉆進效率。

3.4 切削齒入巖角度

鉆進過程中旋挖鉆機輸出的加壓力和扭矩集中在鉆斗底部的先導定心尖和切削齒上，由此產生鉆斗的回轉阻力主要來源于先導定心尖和切削齒，因此可根據地層特性設計先導定心尖、切削齒的上述各種參數，以降低回轉阻力，實現高效、低耗鉆進。

鉆進過程中切削齒前端的齒刃對地層進行切削，切削齒角度的大小影響齒尖切削地層鋒利程度：小角度增加接觸面，降低比壓，降低切入力，降低切削阻力；大角度減少接觸面，提升比壓，提升切入力，但增加切削阻力，同時鉆齒易折斷。

大量試驗結果表明：鉆進硬度較小的第四系地層、強風化層和少冰凍土層等地層時，切削齒刃后角選取25°～45°；鉆進比較硬的泥巖、砂巖、凝灰?guī)r、灰?guī)r和花崗巖等地層時，切削齒刃后角選取45°～65°；根據鉆進地層特性對切削齒的角度進行及時調整和變化[15]，對提高鉆進速度、延長鉆斗壽命和降低使用成本等，具有重要意義。

4 旋挖鉆斗切削結構優(yōu)化改進

針對旋挖鉆進過程中存在的上述問題，并根據旋挖鉆斗鉆進機理，北京探礦工程研究所派出相關技術人員在現場對該旋挖鉆斗的結構形式進行了如下6個方面的優(yōu)化改進：

(1)將由四套切削齒拼焊組成的先導定心尖優(yōu)化為由二套切削齒拼焊組成的先導定心尖，減小先導定心尖寬度，并將先導定心尖截齒角度由原來的較小角度加大到65°，使得先導定心尖與巖石間由原來的面接觸變?yōu)榫€接觸，減少了接觸面積，降低了回轉阻力；同時，將其高度調整到比引土板上最高點處截齒高出50 mm，以產生提前“掏槽”作用。

(2)原來的先導定心尖與引土板間隙較大，導致鉆進過程中不能將間隙內渣土有效收集并攜帶到鉆斗內；改進后將先導定心尖與引土板之間改為平滑過渡，消除了間隙，使得鉆渣能夠快速進入鉆斗內。

(3)改進前引土板與邊齒伸出鉆斗筒體外徑較多，切削阻力過大，導致邊齒齒座易磨損，邊齒齒尖易斷裂；改進后縮小了引土板與邊齒伸出鉆斗筒體外徑的尺寸。

(4)改進前切削齒數量為13套，單位比壓小，碎巖能力低；改進后切削齒數量為12套，減少了齒的數量，有效增加了單位比壓，提高了鉆進效率。

(5)改進前側爪較小，無法與邊齒有效配合，導致鉆渣在旋挖鉆進過程中受離心力作用而被擠壓在孔壁處打轉，孔底和孔壁沉渣較多；改進后將側爪軋弧，并適當加大側爪，使其包覆邊齒齒座。

(6)根據短螺旋鉆頭鉆進機理，將引土板平底結構形式優(yōu)化改進為錐底結構形式，鉆進時使得孔底直接鉆成凹弧面樁形，無需人工清孔和開挖，既可提高鉆進效率，又可降低工人的勞動強度。

優(yōu)化改進后鉆斗底部的三維示意圖及其結構形式分別如圖2和圖3所示。

圖2 優(yōu)化改進后鉆斗底部的三維示意圖

圖3 改進后鉆斗底部的結構形式

5 優(yōu)化改進后應用效果

優(yōu)化改進后的旋挖鉆斗，應用效果如下：

(1)先導定心尖導向性能好，鉆進平穩(wěn)，增強了攜土能力；

(2)改進后鉆速為28.8 m/h，鉆進效率提高了80%；

(3)降低了邊齒齒座的磨損程度，避免了邊齒齒尖斷裂現象，能有效將擠壓在孔壁處的鉆渣收集到鉆斗內；

(4)鉆進時孔底成凹弧面樁形，無需人工清孔和開挖樁底。

上述改進，不僅提高了鉆進速度、延長了鉆斗壽命，降低了施工成本，有效減輕了工人的勞動強度，并贏得了施工單位和業(yè)主的一致好評。

6 結語

針對旋挖鉆斗現場施工過程中存在的問題，開展了旋挖鉆斗鉆進機理及切削結構形式研究，并在現場對該旋挖鉆斗的結構形式進行了優(yōu)化改進，改進后效果良好，為今后旋挖鉆斗的結構設計及其應用提供了理論依據與經驗借鑒。