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短螺旋鑽頭在旋挖钻施工中的应用

人氣:435 評論:0 日期:2017-4-12 10:07:10 标签:全部

近年来,大口径旋挖钻进工法在桩基础施工中得到广泛的推广。在大口径旋挖钻施工中,硬地层钻进是施工中遇到的主要难题之一。通常旋挖施工的硬地层主要有河床(故道)、山地丘陵的含卵砾石、漂石及风化岩层等,钻进这些较硬地层主要采用短螺旋鑽頭。短螺旋鑽頭的选择和使用是影响施工效率的重要环节。


1 短螺旋鑽頭的结构及分类

钻进硬地层的嵌岩短螺旋鑽頭结构,由法兰、芯轴管、主螺旋叶片(导向螺片)和引导螺旋叶片(锥片)构成。常用的嵌岩短螺旋鑽頭在结构形式又可分为单锥单螺短螺旋鑽頭和双锥单螺短螺旋旋鑽頭,双锥双螺短螺旋鑽頭。


单锥单螺短螺旋鑽頭是指由一组主螺旋叶片(导向螺片)和引导螺旋叶片(锥片)组合而成的螺旋鑽頭,双锥双螺是指由二组主螺旋叶片(导向螺片)和二组引导螺旋叶片(锥片)组合而成。双锥单螺短螺旋鑽頭则是由一组主螺旋叶片(导向螺片)和二组引导螺旋叶片(锥片)组合而成。其它还有非整螺整锥的鑽頭形式,一般较少采用。单锥单螺的叶片间距等于导程,双锥双螺的叶片间距等于1/2导程。引导螺旋叶片上部有切削具,承担钻进碎岩和排土(石)的任务,平螺旋叶片具有导向和排土(石)的作用。切削具一般为头部镶焊有钨钴硬質合金的截齿(cutting pick)。

    

2 短螺旋鑽頭的工作原理

鑽進過程中,首先在鑽壓下,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,形成錐形的鑽孔,鑽進中鑽齒形成的軌迹線在孔底的投影是一組同心圓。岩屑和土、石等沿螺旋葉片反向上升,充滿螺旋葉片之間後,被提鑽帶出孔,或落入孔中後,用撈砂鑽鬥撈出。


短螺旋鑽頭的主要参数有螺距、螺旋线长度、螺旋鑽頭锥角、切削具布齿间距、切削具布齿到径的螺旋线回转角度、钻齿的布齿角度及长度、合金头的大小等。


单锥单螺短螺旋鑽頭布齿相对较少,一般钻进胶结较松的卵砾石层,特别是卵砾石较多较大的地层和风化岩层。由于单锥单螺鑽頭叶片间距较大,提钻过程岩屑、土块和碎石易掉落孔中,需要用捞砂斗进行捞砂清底,一般是一钻螺旋鑽頭,一钻捞砂钻斗,交替进行。很多时候螺旋鑽頭起到的是破碎或搅松孔底风化层或胶结砾石层的作用。

双锥双螺短螺旋鑽頭是双锥片布齿,布齿数量是单锥单螺短螺旋鑽頭的1.5~2倍,一般适合钻进风化岩层和卵砾石较小的砾石层。钻进中是双钻齿同时刻划,钻进效率高,钻进较平稳。

如果两组引导螺旋叶片相间布齿,那么双锥双螺短螺旋鑽頭的钻进轨迹线比单锥单螺短螺旋鑽頭相对较密,适宜在大钻压下下钻进。双锥双螺鑽頭比双锥单螺鑽頭的导向性和携带岩土更好一些,由于叶片间距较小,易被岩土挤紧,但是对于取出尺寸较大的砾石不利。

螺旋鑽頭锥角的锥角是螺旋鑽頭的重要指标,一般锥角较大,螺旋线的回转角度较小,布齿相对较少,鑽頭的制造成本也较低,可满足强风化和砾石层钻进。但对于中风化、弱风化等坚硬地层,则要采用小锥角鑽頭,大钻压进行钻进。

钻齿的布齿技术对鑽頭的钻进性能也有影响,一般钻进岩层较硬风化岩层,钻齿的下偏角(齿和水平方向的夹角)和出刃(伸出)量宜小,而钻进胶结较松的砾石层,钻齿的下偏角和出刃(伸出)量可大一些,提高钻进效率。

    

3 短螺旋鑽頭的应用实例

3.1 2004 年7月在吉林通化某工地施工中,地层中有一层卵砾石层,钻进难度很大。施工中采用短螺旋鑽頭钻进,捞砂鑽頭捞渣清底。但在施工发现螺旋鑽頭钻进效率低,难以进尺,捞砂斗捞渣困难。强行加压、增大扭矩造成螺旋鑽頭叶片撕裂,钻齿及座磨损或丢失,捞砂钻斗底板撕裂,还出现下底板扭断掉入孔中的事故。我们根据施工现象并对捞渣进行了分析,认为该地段主要是胶结较松的淤泥质卵砾石层,其中含有较多的大卵石(漂石),这些不能进入螺旋叶片之间或通过捞砂钻斗底板的开口进入斗内,致使钻进困难和鑽頭(斗)损坏。改用单锥单螺短螺旋鑽頭后,较大尺寸的卵石(漂石)先被螺旋鑽頭带出钻孔,钻进效果明显改善。


3.2 2004 年9月在河南南阳某工地施工中,业主采用鑽機是日本生产ED5500型旋挖鑽機钻进直径1500mm桩孔,当钻进到卵砾石地层和泥页岩地层时,采用嵌岩短螺旋鑽頭钻进。由于鑽機动力太小,且加不上压,钻进效率低。我们在工地对鑽頭结构进行了改进,将鑽頭锥角由120°改成82°,提高了鑽頭钻进的比压。鑽頭结构形式改进后,钻速由原先的几乎不进尺提高到0.6m/h,顺利钻进卵砾石层和泥页岩地层

 

3.3 2004年7月在广州某工地施工中,该工地处于原珠江河床,地质情况较复杂,孔内有5-10米厚的中风化和弱风化岩层,要求入弱风化五米或入微风化三米后方可终孔,施工难度相当大。施工中岩层的钻进,采用短螺旋鑽頭钻进。根据钻进情况,对鑽頭作出了一些改进。原鑽頭为双锥单螺,起锥0.5叶片到径,且齿尖前出刃6cm,下出刃6cm;改进后鑽頭为双锥双螺,起锥1.5叶片到径,齿尖前出刃3cm,下出刃2cm。鑽頭改进后钻进取得了理想的效果,耗时4-8小时,即完成一根桩,而用冲击钻最快需要 7天,而且钻出了花岗闪长岩岩样,理论强度为25兆帕。

    

4 结语

短螺旋鑽頭是目前旋挖钻进施工中克服硬岩地层的主要钻具,根据不同的地层特点设计相应的短螺旋鑽頭结构,对提高钻进效果影响很大。对短螺旋鑽頭的制造和应用技术的深入研究以及和岩石筒钻、捞砂钻斗等的较好组合使用,可为旋挖鑽機在硬岩地层的钻进的推广使用创造好的条件。


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