旋挖鉆機的鉆具、截齒分析

鄭 林，劉凱華，李海峰，蘇魯坡，劉賢鋒

中國新興建筑工程有限責任公司，北京 100000

旋挖鉆機是一種用于灌注樁施工的大型機械設備，是地基基礎、市政路橋工程中泥漿護壁成孔、干成孔施工的重要設備，廣泛用于支護樁、基礎樁等工程施工。施工單位對鉆挖施工工藝、機械、鉆機、鉆齒（牙輪）等，以及其與不同地層、巖層的配合選型的了解不能僅浮于表面管理。在石景山區(qū)魯谷路銀河商務區(qū)L地塊項目支護樁施工中，該地區(qū)地質(zhì)情況比較復雜，因此其支護樁施工采用旋挖鉆機成孔施工工藝。

1 旋挖鉆機概述

房屋建筑工程從某種程度上講仍然是一個勞動密集型產(chǎn)業(yè)。然而，作為單項工程中的第一個分部分項工程——地基基礎工程，一定程度上是房屋建筑施工過程中機械化程度最高的部分。

地基基礎工程中，成樁施工受設計參數(shù)、地質(zhì)水文、使用功能、成本工期等因素影響，延伸出多種多樣的工藝和配套的機械設備。如果將成樁施工設備按照適用的廣泛程度進行排序，排在前兩位的應為沖擊鉆機和旋挖鉆機。

旋挖鉆機是利用鉆桿加壓、動力頭提供扭矩，通過鉆具迎土面旋轉(zhuǎn)削切土（巖）體，將破碎的土（巖）體直接裝入鉆具，通過伸縮鉆桿提出棄土成孔。

旋挖鉆機主要由鉆機主機、鉆桿、鉆具三部分構(gòu)成。主機主要分為德國進口鉆機和國產(chǎn)鉆機。鉆桿分為摩擦桿和機鎖桿。廣義上的鉆具是由鉆筒和截齒兩部分構(gòu)成，鉆具是施工作業(yè)中最重要的部分，其選型、調(diào)整、控制應適應施工項目獨特的地質(zhì)和設計情況。截齒質(zhì)量、安裝的正確與否直接影響施工效果。因此，截齒是旋挖鉆機的最關鍵的部件。

2 截齒的定義、結(jié)構(gòu)與分類

2.1 定義

截齒是安裝在掘進設備工作部上，用來直接破碎巖體的刀具。從工藝角度而言，截齒是一種刀具，是鉆具對土（巖）體的削切部。截齒最早的發(fā)明和應用可以追溯到20世紀40年代。當時的英國和蘇聯(lián)為了提高煤礦開采效率，發(fā)明了一種鏈式采煤機，在截鏈上安裝有被稱為截齒的專用截煤工具。

2.2 結(jié)構(gòu)

截齒主要由三部分組成，即齒尖（合金刀頭）、齒體（托體）、卡簧（卡環(huán)）。齒座是固定在鉆具上，將截齒與鉆具連接的部件，如圖1、圖2所示。

圖1 截齒

圖2 齒座

（1）齒尖。齒尖是一枚硬質(zhì)合金頭，也是刀具的刀頭，常用材質(zhì)為碳化鎢-鈷硬質(zhì)合金（WC-Co合金）。在旋挖機施工作業(yè)過程中，截齒以沖擊回轉(zhuǎn)的方式在巖層中推進切割，需要同時承受較高的壓應力、剪切力和彎曲應力，而且是周期性與交變性并存的沖擊荷載。在挖掘過程中，截齒與土（巖）層會發(fā)生劇烈的摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，在整個研磨鉆進過程中還可能伴隨局部屈服、接觸疲勞、腐蝕、斷裂等多種力學行為。這要求合金頭具有極高的硬度、韌性、耐磨性、耐熱性等。根據(jù)實際施工用途和施工參數(shù)的不同，齒尖的設計思路也有所差異。常用的合金頭包括錐柱形、蘑菇形、帽形等。

（2）齒體。齒體需要有一定的硬度、韌性和綜合性能，一般采用低合金鋼鑄造，常用材質(zhì)為42CrMo鋼、35CrMnSi鋼、Si-Mn-Mo系準貝氏體鋼等。事實上，在理想工作狀態(tài)下，齒體并不是作為磨耗部件而存在的，而是以齒尖合金頭作為工作部，沖擊削切巖層。在更換截齒時，齒尖磨平，齒體少量磨損。然而，在實際工作中，受制于巖層性質(zhì)、截齒焊接角度、操作方式等因素，齒體常常參與破碎巖層。較嚴重的結(jié)果是工作過程中齒體側(cè)磨損過大，合金頭未達到耐用極限便脫落。

（3）卡簧?？ɑ捎直环Q為卡環(huán)，一般用彈簧鋼制作，其主要作用如下：一是為了方便安拆，防止截齒與齒座抱死。安裝采用承插方式，直接嵌入齒座，拆卸可采用專用工具通過卡住齒體卸載槽拔出（或用鋼釬通過齒座后孔打出）。二是旋挖工作過程中截齒能夠一定程度上自由轉(zhuǎn)動，避免截齒剛性連接，導致偏磨或折斷。

2.3 分類

截齒大致分為掘進機用掘進齒，采煤機用鎬型截齒、刀型截齒，旋挖鉆機用旋挖齒，銑刨機用銑刨齒及挖掘機斗齒等。

（1）旋挖截齒。在建筑施工中，排樁（樁基）成孔直徑一般為800～3000mm，鉆進深度為8～80m。常用截齒為3050型、3055型、3060型。例如，3055-20型號的截齒代表截齒與底座承插部直徑為30mm，齒身最寬處直徑為55mm，齒尖合金頭直徑為20mm。

常用國產(chǎn)合金頭（齒尖）直徑一般為22mm、25mm、30mm；進口（比特克、山特維克、凱南邁特等）合金頭直徑一般為19mm、20mm、22mm。截齒的齒尖直徑越大，其耐磨程度越高、耐用性越強，但是入巖效率將降低。

（2）其他截齒。在國內(nèi)，煤截齒的型號大致分為S系列和U系列，其中S系列截齒用于掘進機，常用型號包括S100～S300等；U系列截齒，即鎬型截齒，常用型號包括U82～U170等。原則上，82、84等數(shù)字代表齒尖到齒靴的長度，但是目前國內(nèi)由于沒有統(tǒng)一的標準，而各生產(chǎn)廠家又對截齒進行了再創(chuàng)新等，導致數(shù)字與尺寸并不一定對應，下同。

銑刨齒的常用規(guī)格型號為19～22mm型。銑刨齒又名銑刨機刀頭、公路齒，是路面銑刨機的工作部件。銑刨機通過刀盤（帶）上的銑刨齒削切路面磨耗層，達到銑刨路面的目的。銑刨路面的目的是將瀝青路磨耗層剝離，這也是銑刨齒直徑偏小的原因。

3 常用的旋挖鉆具

旋挖鉆機鉆具的選擇依據(jù)主要有成孔直徑、地層情況等。常用鉆具包括撈沙斗（雙層底鉆頭）、筒鉆（巖心鉆頭、取芯鉆筒）、開瓣鉆斗（兩瓣鉆）、短螺旋鉆頭、擴底鉆以及其他特殊鉆頭。

3.1 撈沙斗（雙層底鉆頭）

撈沙斗是旋挖鉆機施工中最常用，也是必備的鉆具，由一個鉆筒、一個固定雙扇形底、一個活動雙扇形底組成。工作時，通過鉆桿正轉(zhuǎn)開啟活門，削切并將巖體撈入筒體，通過鉆桿反轉(zhuǎn)控制底部封閉，提鉆出渣。房屋建筑施工中最常用的是土層雙開門截齒撈沙斗，在其他領域還包括嵌巖撈沙斗等。

撈沙斗具有進土量大、施工效率高等特點，主要適用于土層和含有一定卵石的地層。撈沙斗底部有固定截齒齒座，僅需安裝、更換截齒即可，一般不需要也不能調(diào)整截齒角度。無論面對任何地層，使用任何鉆具施工，是干作業(yè)還是濕作業(yè)，撈沙斗都是必備鉆具，通常承擔著開孔，土層及卵石層的成孔、清孔等工作。因此，撈沙斗用截齒的力學性能要求一般低于其他鉆具。

3.2 筒鉆（巖心鉆、取芯鉆筒）

筒鉆是巖層成孔普遍應用的鉆具，由一個鉆筒構(gòu)成，筒體側(cè)壁布置導條，防止吸鉆、抱鉆。鉆筒偶爾需現(xiàn)場進行二次加工，依據(jù)實際施工需求，在鉆筒底部割槽鑲嵌齒座。作業(yè)時利用沿筒底環(huán)狀分布的截齒切割巖體成孔。

齒座角度是決定施工結(jié)果的重要因素。齒座沿筒底等距布置，角度一般分為外齒、中齒、內(nèi)齒。3種角度循環(huán)布置，確保作業(yè)面均勻受力。在大直徑鉆筒中會分4種角度布齒。筒鉆直徑和截齒角度是影響施工效果的直接因素。

筒鉆具有筒體結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、改造空間大等特點，可以安裝各種輪、齒，主要適用于碎石、塊石、地層，以及各種硬度、種類的巖石地層。常規(guī)筒鉆的筒體直徑一般比設計孔徑小50～80mm。例如，設計1000mm樁，成孔筒鉆筒體直徑一般為920mm，這是由于需考慮外齒的安裝。根據(jù)前文所述，筒鉆截齒分3個或4個角度布置，其中外齒向外角度受合金頭直徑、設計成孔直徑、筒體直徑影響。

外齒齒座焊接完成，安裝上截齒后的最大齒距（即兩個對稱外齒齒尖的距離）應為設計樁直徑。在實際施工過程中，如果發(fā)現(xiàn)外齒齒體磨損過大，或者成孔直徑偏差較大，則需依據(jù)實際情況調(diào)整外齒角度。

3.3 開瓣鉆斗（開體鉆頭）

開瓣鉆筒體整體被分割成為兩瓣，端部成斗笠狀。采用大進土口設計，體開式筒體結(jié)構(gòu)，筒體周圍布置導條，防止吸鉆。鉆進時鉆筒閉合，出土時兩瓣分開，取土出土效率高。

開瓣鉆的特點是能高效卸渣，以提高鉆進效率，適用于黏土層、淤泥層、強風化巖層。開瓣鉆解決了旋挖鉆面對紅黏土等高黏性土層時卸渣困難的問題，面對風化程度高的軟巖進尺、取土效率均高于撈沙斗。另外，還有一種上下式的開體鉆斗，俗稱組合鉆。原理和特點與上述類似，不再贅述。

3.4 短螺旋鉆頭

短螺旋鉆頭是一種形狀類似于螺桿，螺葉直徑向下逐漸減小的鉆頭。截齒（斗齒）安裝在螺旋外側(cè)。在面對砂卵石、強風化巖層等，使用撈沙斗、開瓣鉆取土效率較低時，可采用短螺旋鉆頭作業(yè)，將樁渣排出。

3.5 擴底鉆

擴底鉆是專為軟基施工擴底樁設計的鉆具，其鉆體可以控制外伸。在常規(guī)鉆進過程中，內(nèi)筒前伸，外擴部收回，到達樁底時內(nèi)筒收回，外擴部伸出，在樁底旋轉(zhuǎn)將樁端削切成擴大頭。軟弱地基樁施工采用擴底樁設計，用旋挖擴底鉆施工，成樁能有效降低沉降量。

4 鉆齒安裝

4.1 截齒安裝

（1）固定齒座鉆具安裝截齒。常規(guī)鉆具中，撈沙斗、開瓣鉆、短螺旋鉆頭、組合鉆、擴底鉆等的齒座均為固定狀態(tài)，不存在角度問題，可以隨著截齒磨損正常拆裝更換。在施工過程中，因意外造成固定齒座、鉆具磨損的，都可以現(xiàn)場加工修復。

需要注意的是，旋挖鉆具大多采用Q345鋼制作，硬度較高，施工現(xiàn)場的簡單修補可用釬焊、鋼筋填補等，但是磨損過大的鉆具需要返廠維修或者報廢。

（2）筒鉆安裝截齒。一般截齒角度按a、b、c一組3個角度排列，即內(nèi)齒→中齒→外齒排列。對于一些大直徑鉆筒，截齒角度也會按a、b、c、d一組4個角度排列，原則上也是由內(nèi)齒到外齒循環(huán)往復。

在鉆筒出場時，會安裝好齒座，調(diào)整好角度。然而，閉門造車，未閉合轍，具體到施工時，齒座角度還要現(xiàn)場調(diào)整。其影響因素一般包括鉆筒筒徑、截齒和齒座型號、地層情況、干濕作業(yè)工藝。因此，筆者認為齒座角度是一個需要通過計算和試鉆來確定的非常重要的施工參數(shù)。例如，成孔直徑為1m的旋挖樁，筒徑為970mm，選用3060-25型截齒，干成孔作業(yè)。目標外齒齒距1m，單側(cè)齒尖到筒壁間距為15mm，齒長70.5mm。通過正玄函數(shù)計算，可得出外齒角度為15°，即截齒軸線與筒壁母線夾角為15°。中齒軸線與鉆筒母線平行，內(nèi)齒角度與外齒相同，沿筒壁對稱。常規(guī)齒間距宜為23～28cm，鉆筒周長范圍內(nèi)安裝10～12個截齒。這是一個比較理想的理論計算模型。然而，實際施工過程中，這項分析計算工作通常由班組后臺焊工依靠經(jīng)驗自行確定，造成了成孔直徑偏差、截齒耗損量、施工效率等重要施工參數(shù)及效果均依賴于工人的經(jīng)驗和能力的現(xiàn)象，不具備科學性和可控性。

4.2 牙輪安裝

牙輪的工作部是一個圓錐形的輪體，上面布置有合金頭，其材質(zhì)與截齒的合金頭近似。輪體與座體連接部內(nèi)部有軸承，使輪體可以轉(zhuǎn)動。實際作業(yè)時，隨著鉆機鉆桿帶動鉆筒旋轉(zhuǎn)，牙輪像車輪一樣在底部沿樁孔邊線滾動，一方面可以削切巖石，另一方面可以避免局部過熱。

從大的分類來看，牙輪也是鉆齒的一種。但是，牙輪一般只用于筒鉆。牙輪筒鉆具有較好的穩(wěn)定性，在成孔過程中能有效控制鉆孔的垂直度。牙輪可以由廠家直接安裝在鉆具上出廠，也可以施工現(xiàn)場安裝。

安裝時，將筒體切割出方槽，將牙輪的座體焊接到槽內(nèi)。A輪（合金頭向內(nèi)）的座體的背面與鉆筒外壁水平對齊，使背面合金頭能夠有效避免孔壁磨損座體。B輪（合金頭向外）的座體安裝時需要控制牙輪齒尖間距，兩對稱外輪齒間距應為孔徑。

從現(xiàn)在施工的反饋中可知，截齒牙輪的調(diào)試改造還處于以經(jīng)驗和廠家出廠設置為依據(jù)的階段，在應對具體施工情況時，往往是有了嚴重磨損和施工偏差才會依靠經(jīng)驗調(diào)試。這一方面增加了成本，另一方面降低了工效，不利于項目的管控。

5 結(jié)束語

地基基礎工程是建設工程的重點，而樁施工又是地基基礎的重點。因此，可以預見，未來基礎施工，尤其是野外基礎施工的主流是旋挖鉆機成孔工藝。文章對旋挖鉆機的鉆具、截齒等做了一定的總結(jié)和分析，有利于在今后的施工管理中有效提高管控能力，降低施工成本，提高專業(yè)素質(zhì)水平。