土層擴大頭錨桿擴孔鉆具的研制

張麗君，王德龍，毛 軍

(1.無錫鉆探工具廠，江蘇 無錫214174;2.無錫金帆鉆鑿設備股份有限公司，江蘇 無錫214112;3.中國地質(zhì)大學〈武漢〉，湖北 武漢430074)

1 問題的提出

錨桿是一種把鋼筋或鋼絞線與注漿體設置在錨桿鉆孔內(nèi)，端部深入到穩(wěn)定的地層中的受拉桿件。其一端與工程構(gòu)筑物相連，另一端則錨固于地層當中，并且通過向其施加不同的預應力，使其能夠承受不同荷載所產(chǎn)生的拉力，以達到穩(wěn)定構(gòu)筑物或巖土工程的目的。巖土錨固技術能夠充分地利用和提高巖土體自身強度和自穩(wěn)能力，簡化結(jié)構(gòu)體系，提高結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。巖土錨固技術在我國的壩體錨固、深基坑支護、邊坡錨固、結(jié)構(gòu)抗浮及抗傾覆力的基礎工程中得到了廣泛的應用。

衡量錨桿的一個重要工作指標是錨桿的抗拔力。如何有效地提高單根錨桿的抗拔力一直以來都是錨固施工關注的焦點，提高單根錨桿抗拔力對于降低施工成本和擴大使用范圍都有著重要的意義。端部擴大型錨桿也稱為擴大頭錨桿，由于在錨桿的底端經(jīng)過特殊的施工處理形成擴大頭，這種錨桿能夠大大地提高錨桿的抗拔力。擴大頭錨桿的抗拔力由錨固體與巖土體間的摩阻力和端頭擴大頭的承載力所共同決定，因此在相同的條件下，這類錨桿能在較軟弱的粘土層及對錨桿長度有限制的土層中使用，克服了圓柱形錨桿僅有錨固體與巖土體間的摩阻力的這一弱點。連續(xù)球體形錨桿也是擴大頭錨桿之一，是通過對錨固段進行多次擴孔，使錨固段形成多個串聯(lián)著的球狀體，以達到提高錨桿錨固體與周圍巖土體的錨固強度。一般應用于淤泥、淤泥質(zhì)粘土等極軟土層和對錨桿錨固力要求較高的土層施工。

擴大頭錨桿有以下特點。

(1)抗拔力高，相同地質(zhì)條件下，比圓柱形錨桿抗拔力可以提高3倍以上;

(2)自由段長，錨固段短;

(3)錨頭位移小，特別適合于位移限制要求高的地方;

(4)可靠性高，離散性小，質(zhì)量穩(wěn)定;

(5)可制做可回收錨桿;

(6)錨桿長度短，施工工期短，可降低成本。

目前土層擴大頭錨桿常用的擴孔方法有高壓射流切割和機械切削擴孔2種。高壓射流切割法因其需要配置高壓注漿泵，及需要增加置換切削下來的廢渣工序，帶來初期投入大，因此一般不作為施工單位首選方法;而機械切削擴孔不僅解決了上述缺陷，還因為其工藝簡單，初期投入小，而容易被施工單位接受。隨著錨固技術的發(fā)展，種類眾多的錨桿擴孔機具不斷的出現(xiàn)，工程實踐表明，有些擴孔機具存在著不易控制擴孔質(zhì)量，操作繁瑣及收放不順等缺點，因此，我們研制了一種工作可靠和操作簡便的錨桿擴孔機具。

2 國外幾種擴大頭錨桿擴孔機具

擴大頭錨固技術的思路源自擴底樁。機械擴孔法是應用最早、工藝較成熟的一種巖土擴孔方法，它具有簡便、有效、易控制、易實現(xiàn)等特點。目前市場上該類產(chǎn)品較多，例如：英國Fondedile公司的多段錐體擴孔錨桿、法國Soletanche公司的圓桶形擴孔錨桿、瑞典Atlas公司的膨脹擴體錨桿、澳大利亞Freyssinet公司的旋噴擴體錨桿等。現(xiàn)簡要介紹以下2種錨桿擴孔機具。

圖1是英國通用錨桿公司(UAC)發(fā)明的專利產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。該產(chǎn)品主要采用機械下壓擴張方式打開刀翼，刮刀作為切削工具，操作擴孔時一次可同時形成2個直徑為300 mm的擴孔錐，孔內(nèi)的切屑由壓氣沖洗排出。該鉆具優(yōu)點是可以同時形成2個擴孔錐，但不能保證擴孔鉆具在井下的打開程度，對擴孔質(zhì)量有影響。

圖1 UAC擴孔鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

日本SSL永久性地錨工法中，也采用了專門的擴孔鉆具，如用于SSP型、M型擴孔支壓式地錨的SSR系列擴徑鉆具(圖2)。擴孔形狀為梯形，直徑可達原錨孔直徑的1～13倍。該鉆具的特點是采用高壓氣或高壓水來驅(qū)動削刀的開啟和關閉并排屑。

圖2 SSR系列擴孔鉆具示意圖

3 刀翼擴張法的選擇

上述幾種機械式擴徑的裝置在進行擴孔時一般都需要使用外力把擴孔刀翼打開，而打開刀翼的方法主要有鉆機加壓式擴張法和水力(或壓氣)活塞擴張法。

3.1 鉆機加壓擴張法

鉆機加壓擴張法是利用鉆機加壓使擴孔刀具在孔底張開，并且實現(xiàn)擴孔的機械方法。這種方法在原理上同UAC擴孔機具原理(見圖1)是一致的。

該方法是先用普通的鉆頭成孔后換上擴孔機具，下至孔底，下鉆時因鉆頭端部不受力，內(nèi)管不動，擴刀閉合;當鉆機加壓后，內(nèi)外管產(chǎn)生相對移動，內(nèi)管上移，擴刀打開，鉆具同時回轉(zhuǎn)，開始擴孔。隨著鉆壓的增加，擴刀打開角度也越大，直擴至最大直徑處。撤去鉆壓，提鉆，擴刀在重力作用下收縮(其間也有孔壁給予擴刀的部分擠壓力)，提出孔外，完成擴孔。排渣的方式可以用沖洗液，也可用螺旋鉆桿。

這種方法的優(yōu)點在于操作過程方便，機具結(jié)構(gòu)簡單，擴孔有效。目前，在大多數(shù)大孔徑鉆進的擴孔中都是采用這種擴孔方式，使其在孔底形成一個突出的擴孔體。由于是通過鉆機加壓來控制擴刀翼的張開與閉合，因此必須要給擴孔鉆具與鉆機加壓反方向的支撐力，這種機具一般用于孔底擴孔。

3.2 水力(或壓氣)活塞擴張法

水力(或壓氣)活塞擴張法是利用沖洗介質(zhì)推動活塞向下移動并壓縮彈簧，通過連桿把擴刀張開，回轉(zhuǎn)擴孔。在擴孔結(jié)束后，停止輸送沖洗介質(zhì)，壓縮彈簧的反作用力推動活塞上移，收回擴刀，其最大優(yōu)點在于可以在任意深度擴孔，因此可以擴出多個錐形體。連續(xù)多個擴孔錐的形成，對獲得更高的抗拔力將是非常有利的。但是，由于是通過活塞的運動來控制刀翼的張開與收縮，因此沖洗液的循環(huán)方式只能采用正循環(huán)。另外沖洗介質(zhì)是通過阻尼孔流至孔底，沖洗液相對于正常循環(huán)要少，因此不利于排屑。同時擴孔刀板的張開程度難以保證，有時會影響到擴孔質(zhì)量。從結(jié)構(gòu)設計上看，由于采用沖洗介質(zhì)作為動力及采用活塞作為傳遞動力的中間裝置，結(jié)構(gòu)相對較為復雜，且加工精度要求較高，這就意味著出現(xiàn)問題的可能性增加。

3.3 方案的比較與選擇

為了能夠盡可能的設計出理想的土層錨桿擴底鉆具，我們對上述2種方法進行對比分析。

(1)鉆機加壓法在可靠性方面明顯優(yōu)于水力活塞式，主要體現(xiàn)在鉆機加壓法易于控制，擴孔質(zhì)量易于保證。

(2)鉆機加壓法鉆具的結(jié)構(gòu)較水力活塞擴張法要簡單，易于制造。

(3)水力活塞式鉆具往往需要配備較大壓力的泥漿泵，而鉆機加壓法對泵的要求較低。

本著要求擴底鉆具設計結(jié)構(gòu)簡單、易于控制和擴孔效果明顯的原則，結(jié)合上述的分析，鑒于機械式擴徑裝置的特點，可以明顯看出鉆機加壓擴張法要優(yōu)于水力活塞擴張法，新型土層錨桿擴底鉆具將選用鉆機加壓擴張法實現(xiàn)擴刀張開。

4 鉆具結(jié)構(gòu)設計

擴底鉆具的結(jié)構(gòu)設計主要解決擴孔機構(gòu)及動力傳遞機構(gòu)的設計，結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)鉆孔直徑及擴孔直徑進行強度設計，最后確定鉆具零件尺寸。

新型土層擴孔鉆具采用連桿機構(gòu)，通過內(nèi)外套相對運動，實現(xiàn)擴刀張開與收攏。結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 土層擴底鉆具的結(jié)構(gòu)示意圖(張開狀態(tài))

圖4 土層擴底鉆具的結(jié)構(gòu)示意圖(收攏狀態(tài))

4.1 新型土層擴孔鉆具結(jié)構(gòu)

該擴底鉆具主要由前鉆頭、擴孔刀板、支撐板、回收管、傳扭軸、鉆桿接頭、銷軸等零件組成。其中擴孔刀板一端與前鉆頭相連，另一端與支撐板相連;支撐板一端與擴孔刀板相連，另一端與回收管相連;前鉆頭與傳扭軸焊接在一起(如圖3所示)。

4.2 新型土層擴孔鉆具工作原理

鉆桿加壓時推動回收管相對傳扭軸下移，支撐板推動擴孔刀板張開。當回收管與傳扭軸臺肩接觸時達到最大張開角度，此時擴孔直徑最大。

回收時上提鉆桿，前鉆頭及傳扭軸在自重下相對禁止，回收管拖動支撐板上移，支撐板拉動擴孔刀板回收，最終擴孔刀板全部收回，鉆具從原鉆孔中提拉出。

傳扭軸為多邊形，與回收管相配合，扭矩通過多邊形由回收管傳到傳扭軸及前鉆頭，前鉆頭與回收管一起將扭矩傳到擴孔刀板及支撐板;推進力通過回收管與傳扭軸臺肩傳遞。擴孔刀板張開后，擴孔鉆具位置固定，一起回轉(zhuǎn)、給進，實現(xiàn)擴孔鉆進。

5 擴孔鉆具施工工藝

土層擴孔鉆具可與各種鉆機配套，為提高鉆進效率，錨固孔施工中最好選用動力頭式鉆機。鉆機應能進行套管鉆進，便于在易坍塌地層中鉆孔。另外根據(jù)排渣要求配備合適的泥漿泵，用于清除孔內(nèi)泥沙，一般選用BW200型泥漿泵，另配污水泵用于往泥漿池供水。

施工前除認真檢查鉆機、泥漿泵及擴孔鉆具的完好程度外，還要根據(jù)鉆孔情況準備好護壁套管、鉆桿。

套管根數(shù)=〔(錨桿設計長度－擴孔段長度)/套管有效長度〕+1。

鉆桿根數(shù)=(錨桿設計長度/鉆桿有效長度)+1～2。

套管和鉆桿配齊后應整齊地擺放在鉆機旁邊，不允許開鉆后零星地從別處搬來，以防鉆孔深度計量錯誤。

擴大頭錨桿施工工藝流程：

(1)用普通鉆頭在擴孔段以上部位鉆小孔，或用套管鉆進至錨桿非擴孔段。

(2)換裝擴孔鉆具，下鉆至孔底，施加鉆壓，邊鉆邊回轉(zhuǎn)。同時啟動泥漿泵，置換切削下來的渣土。

(3)鉆完擴孔段后，停止鉆進，繼續(xù)送清水置換泥漿，等返回泥漿含泥量達到要求時，停止送漿。

(4)提出鉆桿，下入錨桿，注漿管應同時下入。用套管鉆進的鉆孔，起出套管。

(5)立即壓注水泥漿，直至孔口返漿為止。

(6)2 h后檢查孔內(nèi)水泥漿位置，若水泥漿漏失，應補漿。

(7)必要時采用二次注漿，提高抗拔力。

本設計擴孔鉆具在深圳某工地深基坑擴大頭錨桿施工中取得顯著效果，出色完成擴大頭錨桿施工任務。

圖5為施工現(xiàn)場鉆具照片。

圖5 施工現(xiàn)場鉆具

6 結(jié)語

由于擴大頭錨桿在施工過程中具有操作簡單，性能可靠，適應性強，擴孔質(zhì)量容易控制等優(yōu)點，已被廣泛地應用在各類擴孔錨固施工中，很好地解決了土層擴大頭錨桿的施工難題，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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