高強度硬巖樁基旋挖鉆初步選型應用分析

李宏偉

摘要：文章針對硬巖地質的鉆孔樁，以服務施工生產為出發點，提出了旋挖鉆初步選型的方法，并結合實際案例進行了應用分析，解決了困擾施工單位旋挖鉆初步選型的難題，為今后的旋挖鉆快速施工提供參考和借鑒。

關鍵詞：硬巖;旋挖鉆;選型;施工

中圖分類號：U291A421474

0 引言

當前，隨著旋挖鉆機性能的逐步提高，它的適應范圍越來越廣闊，其速度快、質量好、污染小等優越性也更加突出，即使在硬巖地質鉆孔樁中使用程度已經非常普遍。針對硬巖地質條件的有關旋挖鉆入巖問題，學者和科研人員也做了大量的理論研究，但多是基于設備生產廠家對旋挖鉆的改進和科研機構對旋挖鉆破巖機理的理論研究，如何以施工生產企業為服務對象，重點研究旋挖鉆機的選型，仍然沒有一個明確的定論，不少施工企業為此多走了不少彎路，不光造成資金的浪費，也耽誤了工期，本文以此為研究的出發點，提出了一種針對硬巖地質條件下旋挖鉆初步選型的簡單方法。

本文所指硬巖，主要是指強度較高的基巖，用巖石單軸極限抗壓強度表示是指R≥80 MPa或堅固性系數f≥8（f=R/100，R為巖石標準試樣的單向極限抗壓強度值）的基巖，旋挖鉆鉆孔這樣的巖石并不常見，可以依靠的經驗也較少，克服這種特殊的基巖對旋挖鉆的應用具有重要意義。

1 硬巖條件鉆機選型傳統做法

自20世紀80年代旋挖鉆機被引進國內算起的30多年時間里，旋挖鉆大部分的施工對象都是土層、砂礫和軟巖等，近幾年越來越多的旋挖入巖要求被提出[1]，旋挖鉆入巖的設計及應用才有了一定的發展，在不斷的實踐總結中，施工單位對旋挖鉆的選型開始具備一定理論和應用基礎。

目前，對于機型參數選用方面，施工方主要看重扭矩和額定功率，對鉆桿材質、鉆桿結構、卷揚單繩提拔力研究很少，且多是以經驗數據為主。傳統做法如下：施工單位拿到設計圖及地質勘查報告以后，首先根據基巖的軸心抗壓強度來判定基巖等級，然后查看樁基的樁長和樁徑，選擇機械類型。當基巖強度在20 MPa左右時，對于樁在60 m以內，樁徑在1.2 m以下，一般200型的旋挖鉆基本都可以使用，當樁徑達到1.2 m以上時，樁徑每增加100 mm，按照經驗數據，扭矩相應增加15～20 kN/m;當強度達到50 MPa左右時，大扭矩旋挖鉆組合截齒筒鉆或牙輪筒鉆勉強也能鉆進。該做法在成本和工期沒有嚴格要求下一般都能適用，但當遇到強度>80 MPa的硬巖時（通常這種類型基巖也較少），選擇就比較費勁，盡管市面上旋挖鉆機型較多，由于經驗較少，很難有一個明確的指導標準，最后選擇的機型常常不是進度太慢，就是成本較高，甚至還有由于盲目操作導致出現鉆頭磨損過快、鉆桿卡鉆或斷桿的情況，大大影響了施工安排，也造成巨大的損失。

在提高入巖效率問題方面，通常認為增加軸向壓力可以提高入巖效率，選取合理的軸壓是實現高效破巖的一個必要條件[2]，但軸壓選取與巖石強度性質的關系方面卻鮮有研究。

2 考慮破巖方式的旋挖鉆選型方法

根據當前對旋挖鉆破巖機理的主流研究，旋挖鉆破巖主要是一個材料力學和巖土力學分析和應用的過程，試著將這些研究原理進行綜合，能推導出旋挖鉆初步選型的相關方法，具體方法如下：

（1）先查詢地質勘查報告中基巖的相關力學參數，根據庫倫納維爾理論的推導，得出鉆齒軸向壓力與切削力的關系，如式（1）：

FX=4Fyπσc（tanα+tanβ）（cosφ-f1sinφ）12sinφ+12+1（tanα+tanβ）tanφ）σ+Fyf ? （1）

式中，Fx、Fy分別表示鉆齒切削力與軸向壓力;σ、f、f1和ψ分別表示巖石抗剪強度、切削具與巖石摩擦系數、巖石內摩擦系數和巖石內摩擦角;α和β表示與鉆齒傾斜角度有關的參數。

由于截齒破巖相對其他類型鉆齒經濟、適用性廣、安裝方便，本文主要以截齒鉆來做研究對象。

（2）根據上述關系及扭矩公式T=FXmD2和加壓力公式F=mFy 計算出選型鉆機需要配置的壓力、扭矩的關系，并根據破巖強度理論Fy≥Sσc，大致計算出最低需要配置的加壓力和扭矩，完成第一次初步選型。

破巖強度理論公式中：σc表示巖石的單軸抗壓強度;S表示截齒硬質合金頭侵入一定深度后與巖石接觸面在水平面的投影面積。

（3）根據第一次選型型號可以初步選定鉆桿型號（如果市場調查詳細，可以多選定幾種型號和材質的鉆桿），根據旋挖鉆鉆進過程中的鉆桿約束條件，計算鉆桿能承受的扭矩，同時將鉆桿約束算出的扭矩與上述選出的型號進行比較，可以判定最終的扭矩大小，考慮大扭矩預防卡鉆的作用，從鉆桿材質上進行扭矩的一次估算，從而實現旋挖鉆的再一次選型。

（4）當選定鉆桿扭矩不滿足要求時，一般情況可以改進鉆桿的設計或材質;當加壓力不滿足要求時，一般采用小筒鉆引小孔，然后采用大筒鉆完成二次取芯。

（5）由于旋挖鉆是一個自動化程度較高的機械設備，需要考慮的因素還有很多，如發動機功率、底盤總重、主副卷揚拉力、筒鉆鉆齒設計等，但上述壓力和扭矩是最關鍵的參數，因此本文所述選型只是一種初步選型的方法。

3 工程應用實例

3.1 工程概述

湖濱東路站為廈門地鐵3號線第二個車站，圍護結構前期全部為地連墻結構，由于巖層較厚、強度較高，成槽困難，后部分變更成圍護樁，總共49根，樁徑D=1 400 mm、深度為38～44 m，樁范圍地質情況為底部位于散體狀強風化花崗巖、碎裂狀強風化花崗巖，大里程段樁底部分進入中風化花崗巖。經地質補勘，圍護樁基巖部分最小入巖深度為3 m，最小強度為70 MPa，最高強度為130 MPa。

3.2 選型過程

施工單位在對前期的圍護樁施工經驗總結基礎上，對硬巖地質鉆機選型做了充分研究，具體選型過程如下：

3.2.1 施工工況

鉆孔樁直徑D=1 400 mm，成孔最深h=42 m;

旋挖鉆最大加載及扭力情況下的碎巖能力;

鉆桿為機鎖式，鉆桿最不利受力情況取最外層鉆桿。

3.2.2 基本參數

根據所給地質情況，查表：中風化花崗巖σ=0.09 Rc=11.7 MPa，f=0.5（有泥漿），f1=0.4，ψ=55°。

鉆具截齒按照1.4 m樁基設計，一般配置16個鉆齒，即m=16;各種鉆具截齒具有一定的相似性，本次截齒頭錐角可以取90°，鉆頭切入角θ取30°，則α=15°，β=75°，鉆頭直徑與實際采用不一致時，可予同理修正。

3.2.3 第一次選型

根據第三章中第一步推導，代入上面的基本參數，有FX=0.44 Fy。

將FX=0.44 Fy代入第三章第二步中，有T=0.308 F。

計算單個截齒鉆的壓力，需要先計算出截齒鉆的與巖石的接觸面積，下面以適用中風化硬巖的3066-22型合金截齒鉆為模型，截齒鉆鉆頭最大侵深模型圖如圖1所示。

旋挖鉆合金頭為主要切削硬巖的接觸部分，當鉆頭AB面全部進入巖層時，侵巖深度最深，此時d=12.88 mm，按此要求配置旋挖鉆可以達到快速進尺的目的?？紤]到對鉆頭的保護，一般取最大侵深的80%，此時d=10.3 mm，S=83.28 m2。再按照公式Fy=Sσc，根據破巖強度理論Fy≥Sσc，則Fy≥10.83 kN，F≥16Fy=173.3 kN，T≥53.4 kN·m。從上面可知，按照動力頭傳遞壓力占總壓力的80%～90%算（取85%算），F≥16 Fy=203.8 kN，T≥62.8 kN·m，可以初步選擇最大加壓壓力接近203 kN的旋挖鉆，這里選擇中聯ZR280，最大出入扭矩280 kN·m，最大壓力210 kN。

3.2.4 通過鉆桿材質進一步選型

根據上述初步選型，選擇中聯ZR280，以此匹配鉆桿的技術參數：鉆桿采用Q345B無縫鋼管，鉆桿長度配置為4×22 m，第一節鉆桿直徑D=500 mm，t=10 mm，第二節鉆桿直徑D=380 mm，t=12 mm，見圖2鉆桿截面圖，第三節和芯管一般采用35 CrMo或27 SiMn的合金鋼，強度至少是普通鋼材的5倍以上，可以抵消截面變小的抗扭損失，因此主要以第一節和第二節鉆桿為檢算對象。當鉆桿選用當實際采用不一致時，可以根據鉆桿參數同理修正。

查表可知，允許剪應力[τ]=170 MPa，允許扭轉角[Ψ]=0.5°/m。

（1）深度20 m以內時（只使用第一節鉆桿），根據上述材料型號和設計情況，可以查表得出G=80 GPa，Wp=πD316（1-α4）=3 697 591 mm3，Ip=924 397 920 mm4。

最大扭矩T的確定：

當剪應力和扭轉角均達到允許值時最大。

Tmax1=WP·[τ]=628.59 kN·m

Tmax2=[Ψ]·G·Ip·π/180=644.74 kN·m

Tmax=Min{Tmax1，Tmax2}=629 kN·m

目前市面上最大的旋挖鉆型號為山河智能SWDM600W，最大扭矩600 kN·m，可見，使用第一節時鉆桿的材質都能滿足目前市面上的旋挖鉆型號。

（2）深度20 m以上時（使用第一節和第二節鉆桿），根據上述材料型號和設計情況，可以查表得出G=80 GPa，WP=πD316（1-a4）=2 474 699 mm3，Ip=470 192 960 mm4。

最大扭矩T的確定：

當剪應力和扭轉角均達到允許值時最大。

Tmax1=WP·[τ]=420.7 kN·m

Tmax2=[Ψ]·G·Ip·π/180=328.2 kN·m

Tmax=Min{Tmax1，Tmax2}=329 kN·m

Tmax=329 kN·m>T=62.832 9 kN·m

鉆桿扭矩滿足要求，但考慮到大扭矩在卡鉆、偏孔等情況下的應用，一般扭矩不超過允許扭矩的85%算，則最大輸出扭矩T=329×0.85=279.6 kN·m≈280 kN·m。

至此，旋挖鉆通過兩次選型，旋挖鉆加壓力和扭矩均推算出來，旋挖鉆最低配置機型為加壓力F≥210 kN，扭矩T≥280 kN·m，現場實際配置中聯ZR280和ZR360C兩種旋挖鉆，能夠滿足要求。深度40 m以上的1 400 mm樁基有效扭矩較小，對鉆桿損傷較大，此時需要小筒鉆引孔方式打入，剩下部分再大筒鉆一次鉆巖擴孔提取，這完全符合現場實際施工情況。

3.3 取得的效果

根據現場實際統計情況，對1 400 mm的鉆孔樁進度指標進行跟蹤分析，取得以下實際進度指標，見表1，鉆進速度是前期的1.5～2.0倍，效率明顯，大大加快了施工進度。

3.4 注意事項

（1）本選型方法以主要針對硬度在80 MPa以上的硬巖，碎巖方式為截齒筒鉆，強度100 MPa以上時，為了保護鉆頭，節省成本，最好采用更高強度的牙輪鉆具完成。

（2）本選型全部以更快施工進度為主要導向，盡量采取大扭矩大軸力的旋挖鉆一次碎巖、一次取出的方法，因此沒有對旋挖鉆其他方法（如短螺旋鉆頭、雙管筒鉆）進行比較。

（3）上述選定的鉆桿為國產大扭矩鉆機的一般型號，各個廠家情況略有不同，具體型號需要經過與廠家進行調查獲取。

4 結語

旋挖鉆破碎入巖到現在還是一個世界性難題，目前多是理論方面和設備改進性的研究，如何將理論研究變為有價值的應用值得思考。本文以從施工選型的角度出發對旋挖鉆的應用做了一次較大的研究，總結如下：

（1）提出了一套較完整的旋挖鉆初步選型的方法，并通過工程實例進行了演示應用，具有一定的應用價值。

（2）由于旋挖鉆需要考慮因素較多，本次選型只是提供一種比較簡單、適用的選型方法，其他因素如發動機功率、底盤總量還可以進一步研究進行深化。

（3）鉆機和易損部件所有的參數應用前必須進行認真調查，有時需要多方對比，參數的準確是保證可靠選型的關鍵。

參考文獻：

[1]賈學強，張繼光.旋挖鉆機碎巖計算方式的分析探討[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2017（9）：23.

[2]黎中銀，王宏偉，解大鵬.旋挖鉆機入巖機理和鉆巖效率的分析[J].建筑機械上半月刊，2008（1）：76.

收稿日期：2020-04-09