硬巖地質(zhì)大直徑抗滑樁旋挖鉆機(jī)成孔施工技術(shù)

齊 栓，董紅姑，沈澤強(qiáng)

（中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司河南公司，河南 鄭州 450000）

大截面抗滑樁施工通常采用人工挖孔、機(jī)械＋爆破輔助施工，但人工挖孔成孔存在速度慢、工效低，存在一定的安全隱患，且爆破施工時(shí)對(duì)周邊振動(dòng)及噪聲污染大，施工能耗大等缺點(diǎn)。旋挖鉆施工則具有成孔快、無振動(dòng)及噪聲污染小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保及自帶動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，但旋挖鉆技術(shù)應(yīng)用于硬巖大直徑抗滑樁施工時(shí)，存在鉆孔效率低下和鉆齒磨損嚴(yán)重，甚至是不能進(jìn)尺等現(xiàn)象。對(duì)硬巖地質(zhì)條件下采用旋挖鉆成孔所遇到的問題進(jìn)行研究并找到解決辦法，將對(duì)類似工程具有重要的工程意義。本文以彝良縣第三中學(xué)項(xiàng)目抗滑樁成孔為例，總結(jié)了硬巖地質(zhì)情況下旋挖鉆成孔技術(shù)，為該類型地質(zhì)條件下旋挖鉆成孔時(shí)設(shè)備選型、鉆齒選擇、施工工藝等方面提供參考。

1 工程概況

彝良縣第三中學(xué)項(xiàng)目邊坡支護(hù)采用抗滑樁結(jié)構(gòu)形式，樁徑為2.5m，嵌固端樁長為10～30m。其中位于硬巖地質(zhì)條件下的抗滑樁共計(jì)71 根、1 330 延米。

抗滑樁樁位處地質(zhì)為中風(fēng)化砂巖：呈褐色、紫紅色，中風(fēng)化，細(xì)砂粒狀結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙不發(fā)育，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖芯呈長柱狀，用手不易折斷，敲擊聲清脆。該巖層單軸抗壓強(qiáng)度平均值為49.44MPa，屬于硬質(zhì)巖。

抗滑樁施工是制約本項(xiàng)目施工進(jìn)度的主要因素。因施工工期緊，傳統(tǒng)的人工挖孔施工成孔進(jìn)度緩慢，難以滿足項(xiàng)目施工進(jìn)度要求。項(xiàng)目探索性采用旋挖鉆施工，并對(duì)旋挖鉆施工硬巖的設(shè)備選型、鉆齒選擇、施工工藝等進(jìn)行研究分析和改進(jìn)，達(dá)到了旋挖鉆機(jī)快速施工硬巖、大直徑抗滑樁的目的。

2 硬巖破碎理論研究成果

2.1 硬巖鉆進(jìn)特性

1）可鉆性 硬質(zhì)巖石由于強(qiáng)度和硬度較大，其鉆進(jìn)難度較大。此外，巖石的可鉆性與其風(fēng)化程度、礦物成分、構(gòu)造結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。

2）鉆進(jìn)速度與效率 在強(qiáng)風(fēng)化巖層，以1.0m樁徑為例，旋挖鉆進(jìn)速度大致0.5～2m／h，至中風(fēng)化巖層，鉆進(jìn)速度約為0.25～0.5m／h。

3）孔壁穩(wěn)定性 巖層穩(wěn)定性好，鉆孔孔壁穩(wěn)定，巖層孔壁段一般無塌孔、剝落現(xiàn)象。

4）鉆進(jìn)成本 巖層鉆進(jìn)速度慢，油耗大，此外，鉆齒磨損嚴(yán)重、鉆桿和鉆機(jī)故障發(fā)生率較其他地層高，因此鉆進(jìn)成本也是在所有地層中最大。

單軸抗壓強(qiáng)度為60MPa ≥fr＞30MPa 的巖石即屬于硬巖范圍，而硬質(zhì)巖層的鉆進(jìn)難度大、效率低，對(duì)設(shè)備配置要求高，因此對(duì)硬巖地層大直徑旋挖鉆機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研究有著十分重要的意義。

2.2 硬巖破碎理論

單軸和三軸壓縮破壞試驗(yàn)中，硬質(zhì)巖石都顯示出典型彈脆性材料的力學(xué)特性和本構(gòu)關(guān)系。接下來將根據(jù)硬巖的這一本構(gòu)關(guān)系及力學(xué)特性，進(jìn)行硬巖的破壞理論研究并探討硬巖破壞的最佳邊界條件。

旋挖鉆機(jī)破巖成孔屬于機(jī)具破巖，是指通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)接觸巖石的刀具直接進(jìn)行巖石破碎的技術(shù)，是一種連續(xù)、安全、高效的破巖方法。

機(jī)具破巖方法可看作是被破壞巖石的受力邊界條件。巖石的位移邊界條件是多種多樣的，與巖石受力破壞時(shí)所處的狀態(tài)有關(guān)。旋挖鉆機(jī)在圍巖內(nèi)破巖成孔時(shí)的巖石位移邊界條件稱為巖石孔內(nèi)位移邊界條件。當(dāng)旋挖機(jī)在周圍具有自由面的巖體即孤立巖體破巖成孔的巖石位移邊界條件稱為巖石孔內(nèi)自由面位移邊界條件。依據(jù)以上巖石破壞受力與位移邊界條件分析可知，旋挖鉆機(jī)破巖過程中根據(jù)鉆機(jī)實(shí)際性能來選擇巖石破壞最佳受力與位移邊界條件是高效破巖的關(guān)鍵。

2.3 破巖方式及巖石受力分析

破巖方式有切削破巖、沖擊－切削破巖和動(dòng)靜荷載耦合切削破巖，根據(jù)項(xiàng)目巖層的實(shí)際情況，采用動(dòng)靜荷載耦合切削破巖，將典型的硬脆性巖石在動(dòng)靜耦合載荷作用下的載荷－侵深曲線簡化成如圖1 所示。圖1 中實(shí)線表示預(yù)加靜壓作用的載荷－侵深關(guān)系，虛線表示沖擊作用的載荷－侵深關(guān)系。將上述折線用數(shù)學(xué)式來分析靜壓＋沖擊耦合破碎巖石的載荷－侵深，曲線的斜率為

圖1 載荷—侵深曲線簡化

式中Fj——（j，j+1）載荷-侵深段j端的載荷；

Fj+1——（j，j+1）載荷-侵深段j+1端的載荷；

Uj——（j，j+1）載荷-侵深段j端的侵入深度；

Uj+1——（j，j+1）載荷-侵深段j+1 端的侵入深度。

正斜率（Kj＞0)表示巖石發(fā)生彈性變形和巖石破碎，負(fù)斜率（Kj＜0)表示巖屑的形成以及壓碎壓實(shí)體。

通過以上分析可知，應(yīng)用動(dòng)靜荷載耦合切削破巖是旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)硬巖的最佳加載方式，最容易產(chǎn)生躍進(jìn)式破壞的進(jìn)尺效果，且動(dòng)、靜載荷耦合作用的加載點(diǎn)（亦即動(dòng)載的施加點(diǎn))應(yīng)是在巖石已發(fā)生體積破碎、巖屑已崩出、壓實(shí)體又得到充分壓實(shí)之后即載荷 侵深曲線處于負(fù)斜率（Kj＜0）段。結(jié)合圖1 可以看出，最佳加載點(diǎn)為圖中的（P2，h2）、（P4，h4）或（P6，h6）點(diǎn)。

3 旋挖鉆機(jī)選型

根據(jù)表1 試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，抗滑樁嵌固段深度范圍內(nèi)基巖主要為中風(fēng)化砂巖，中風(fēng)化砂巖天然單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為23.51MPa，最大值高達(dá)65.98MPa，屬于硬質(zhì)地層條件，巖體天然強(qiáng)度較高。為此，在硬質(zhì)地層條件下，如何有效把控施工技術(shù)特點(diǎn)，科學(xué)合理地選擇旋挖鉆機(jī)與鉆進(jìn)方式，確保旋挖樁施工的成孔質(zhì)量和效率就成為解決問題的關(guān)鍵。

表1 巖石主要物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際地質(zhì)條件，選用中聯(lián)ZR360C-3 型旋挖鉆機(jī)，該鉆機(jī)參數(shù)配置表2 所示。該設(shè)備底盤穩(wěn)定性更強(qiáng)，同時(shí)，動(dòng)力頭采用三個(gè)馬達(dá)的配置，輸出扭矩更大，抗負(fù)載沖擊性更強(qiáng)，入巖能力更強(qiáng)；動(dòng)力頭配置提放增速功能，在提升、下放動(dòng)力頭時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度更快，施工效率更高。先進(jìn)的加壓系統(tǒng)使鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)桅桿的穩(wěn)定性大大提高，巖層對(duì)鉆機(jī)的反作用力大部分會(huì)被加壓系統(tǒng)內(nèi)部吸收?？够瑯冻煽兹鐖D2 所示。

表2 旋挖鉆機(jī)選型

圖2 抗滑樁成孔圖

3.1 旋挖鉆機(jī)在硬巖工況配置的鉆桿

鉆桿和鉆斗決定了旋挖鉆機(jī)工作時(shí)傳輸?shù)膲毫团ぞ氐睦寐省?duì)于單軸飽和抗壓強(qiáng)度為44.94MPa 的硬巖，摩阻桿鉆進(jìn)已不適用，故需根據(jù)本項(xiàng)目的孔徑大小、孔深及鉆機(jī)性能參數(shù)配置適用的機(jī)鎖桿。

3.2 旋挖鉆機(jī)在硬巖工況配置的鉆具

旋挖鉆機(jī)破巖是通過強(qiáng)大的動(dòng)力頭輸出壓力和扭矩，將鉆筒頂部的鉆齒壓入巖體，并旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿，帶動(dòng)鉆齒旋轉(zhuǎn)。在加壓入巖及旋轉(zhuǎn)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)鉆齒剪切破巖。故選擇何種鉆具對(duì)于破巖效果的影響是非常大的，通常使用嵌巖截齒鉆和嵌巖牙輪鉆等兩種鉆具。

3.2.1 嵌巖截齒鉆

嵌巖截齒鉆采用合金作鉆頭，通過施加壓力荷載和扭矩使鉆頭與巖石產(chǎn)生剪切力，達(dá)到在巖層中鉆進(jìn)的效果。根據(jù)旋挖鉆機(jī)破巖原理可知，鉆頭在實(shí)施剪切破巖運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆具不僅要能承受加壓荷載的壓入阻力，還要承受鉆筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的橫向阻力。因此需合理布設(shè)嵌巖截齒鉆，使單個(gè)齒鉆能夠承載合理，且齒間互為創(chuàng)造破巖自由面，提高鉆頭侵入巖體的效果，需選擇適當(dāng)選擇鉆具截齒的切入角度。按切入角度在20～45°的截齒鉆在中風(fēng)化砂巖地層選取2 根抗滑樁試樁，按脈沖式加載沖擊力的工藝進(jìn)行施鉆，在正常情況下鉆孔平均進(jìn)尺為0.32m／h。但試驗(yàn)結(jié)果表明截齒鉆側(cè)面磨損嚴(yán)重，頂部合金鉆頭易脫落，平均每鉆進(jìn)1.0m耗費(fèi)8 個(gè)鉆頭，鉆頭更換頻率高，減少了有效工作時(shí)間，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)效益差。

3.2.2 嵌巖牙輪鉆

在同樣條件下采用牙輪鉆頭進(jìn)行抗滑樁的試樁，同樣按脈沖式加載沖擊力的工藝進(jìn)行施鉆，在正常情況下，鉆孔平均進(jìn)尺為0.27m／h。雖然正常鉆進(jìn)速度較截齒鉆慢些，但試驗(yàn)結(jié)果表明牙輪鉆磨損較小，每鉆進(jìn)1.0m 耗費(fèi)3 個(gè)鉆頭，經(jīng)濟(jì)效益超截齒鉆。因鉆機(jī)可連續(xù)工作，綜合施工進(jìn)度遠(yuǎn)超截齒鉆。因?yàn)檠垒嗐@不僅能夠隨鉆桿公轉(zhuǎn)，且能繞牙掌心軸自轉(zhuǎn)，主要運(yùn)動(dòng)方式為滾動(dòng)，鉆頭與巖石之間產(chǎn)生的阻力小，故鉆頭的損壞要遠(yuǎn)小于截齒鉆。

嵌巖牙輪鉆施工進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)效益均超過嵌巖截齒鉆，故本項(xiàng)目鉆具選用嵌巖牙輪鉆。

3.2.3 施鉆時(shí)的加壓方式

根據(jù)前述荷載施加方式的理論分析成果可知，動(dòng)靜耦合（也可稱之為脈沖式)加壓方式是破硬巖時(shí)旋挖機(jī)施鉆最為有效的加壓方式（圖3）。

圖3 動(dòng)靜耦合加壓曲線示意圖

圖中的t1、t3為最佳沖擊力加載時(shí)刻。即施加沖擊力時(shí)刀刃切入硬巖，鉆桿轉(zhuǎn)速降低，為鉆齒進(jìn)行硬巖破壞的過程，隨后鉆桿轉(zhuǎn)速加快，扭矩變小，是將破壞硬巖后石屑掃進(jìn)鉆斗的過程。

施鉆時(shí)，需根據(jù)旋挖鉆機(jī)的震動(dòng)情況等細(xì)微變化來判斷巖體的受力破壞情況來準(zhǔn)確確定沖擊力加載時(shí)機(jī)。剛開始操作時(shí)，對(duì)時(shí)機(jī)把握不準(zhǔn)，但經(jīng)過試樁的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后，能較好地把握加載時(shí)機(jī)，充分發(fā)揮了該工藝的特點(diǎn)，加快了掘進(jìn)速度。

4 硬巖地層旋挖鉆鉆頭機(jī)械組合

旋挖鉆機(jī)施工具有自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、鉆進(jìn)效率高、成樁質(zhì)量好、環(huán)境污染小、適用地層廣泛等諸多特點(diǎn)，但所施工的地層各有不同，施工具體的技術(shù)要求又有差別，所以只有通過選擇不同鉆頭來滿足上述的要求，科學(xué)地選擇鉆頭及合理地使用鉆頭，既滿足施工技術(shù)要求，又能提高施工工效、降低施工成本。對(duì)于2.5m孔徑的大直徑抗滑樁，采用一次成孔方式時(shí)，旋挖鉆難以破壞巖芯。

根據(jù)本項(xiàng)目特征采取三級(jí)鉆進(jìn)，即采用3 種不同直徑、不同功能的鉆頭，以5m 為循環(huán)進(jìn)行鉆孔施工：①首先采用直徑為0.8m 的截齒筒鉆進(jìn)行開槽，可取出較為完整的巖芯；②其次采用直徑為1.5m 雙開門雙底截齒鉆孔進(jìn)行鉆孔，可兼顧清渣；③最后采用直徑為2.5m 雙開門雙底截齒鉆孔進(jìn)行鉆孔，可兼顧清渣。抗滑樁樁身完整性檢測(cè)成果如表3 所示。

表3 抗滑樁樁身完整性檢測(cè)成果表

5 結(jié)語

本項(xiàng)目嵌入硬巖抗滑樁施工時(shí)，在理論研究及分析的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場實(shí)際測(cè)試，總結(jié)及創(chuàng)新了旋挖鉆進(jìn)行硬巖鉆孔的施工工藝，該技術(shù)的應(yīng)用不僅加快了施工速度，同時(shí)也降低了施工成本，提高了抗滑樁成樁質(zhì)量，為旋挖鉆施工大直徑硬巖抗滑樁提供了新的思路。