李宏偉

摘要：文章針對硬巖地質(zhì)的鉆孔樁，以服務(wù)施工生產(chǎn)為出發(fā)點，提出了旋挖鉆初步選型的方法，并結(jié)合實際案例進行了應(yīng)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(guān)鍵詞：硬巖;旋挖鉆;選型;施工

中圖分類號：U291A421474

0 引言

當(dāng)前，隨著旋挖鉆機性能的逐步提高，它的適應(yīng)范圍越來越廣闊，其速度快、質(zhì)量好、污染小等優(yōu)越性也更加突出，即使在硬巖地質(zhì)鉆孔樁中使用程度已經(jīng)非常普遍。針對硬巖地質(zhì)條件的有關(guān)旋挖鉆入巖問題，學(xué)者和科研人員也做了大量的理論研究，但多是基于設(shè)備生產(chǎn)廠家對旋挖鉆的改進和科研機構(gòu)對旋挖鉆破巖機理的理論研究，如何以施工生產(chǎn)企業(yè)為服務(wù)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(yè)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(fā)點，提出了一種針對硬巖地質(zhì)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(shù)f≥8（f=R/100，R為巖石標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)驗也較少，克服這種特殊的基巖對旋挖鉆的應(yīng)用具有重要意義。

1 硬巖條件鉆機選型傳統(tǒng)做法

自20世紀80年代旋挖鉆機被引進國內(nèi)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(shè)計及應(yīng)用才有了一定的發(fā)展，在不斷的實踐總結(jié)中，施工單位對旋挖鉆的選型開始具備一定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

目前，對于機型參數(shù)選用方面，施工方主要看重扭矩和額定功率，對鉆桿材質(zhì)、鉆桿結(jié)構(gòu)、卷揚單繩提拔力研究很少，且多是以經(jīng)驗數(shù)據(jù)為主。傳統(tǒng)做法如下：施工單位拿到設(shè)計圖及地質(zhì)勘查報告以后，首先根據(jù)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(dāng)基巖強度在20 MPa左右時，對于樁在60 m以內(nèi)，樁徑在1.2 m以下，一般200型的旋挖鉆基本都可以使用，當(dāng)樁徑達到1.2 m以上時，樁徑每增加100 mm，按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)，扭矩相應(yīng)增加15～20 kN/m;當(dāng)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(dāng)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(jīng)驗較少，很難有一個明確的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)致出現(xiàn)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(xiàn)高效破巖的一個必要條件[2]，但軸壓選取與巖石強度性質(zhì)的關(guān)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(jù)當(dāng)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(xué)和巖土力學(xué)分析和應(yīng)用的過程，試著將這些研究原理進行綜合，能推導(dǎo)出旋挖鉆初步選型的相關(guān)方法，具體方法如下：

（1）先查詢地質(zhì)勘查報告中基巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)庫倫納維爾理論的推導(dǎo)，得出鉆齒軸向壓力與切削力的關(guān)系，如式（1）：

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

式中，F(xiàn)x、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(shù)、巖石內(nèi)摩擦系數(shù)和巖石內(nèi)摩擦角;α和β表示與鉆齒傾斜角度有關(guān)的參數(shù)。

由于截齒破巖相對其他類型鉆齒經(jīng)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(jù)上述關(guān)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(guān)系，并根據(jù)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(zhì)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(jù)第一次選型型號可以初步選定鉆桿型號（如果市場調(diào)查詳細，可以多選定幾種型號和材質(zhì)的鉆桿），根據(jù)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(yù)防卡鉆的作用，從鉆桿材質(zhì)上進行扭矩的一次估算，從而實現(xiàn)旋挖鉆的再一次選型。

（4）當(dāng)選定鉆桿扭矩不滿足要求時，一般情況可以改進鉆桿的設(shè)計或材質(zhì);當(dāng)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(shè)備，需要考慮的因素還有很多，如發(fā)動機功率、底盤總重、主副卷揚拉力、筒鉆鉆齒設(shè)計等，但上述壓力和扭矩是最關(guān)鍵的參數(shù)，因此本文所述選型只是一種初步選型的方法。

3 工程應(yīng)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(jié)構(gòu)前期全部為地連墻結(jié)構(gòu)，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(zhì)情況為底部位于散體狀強風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強風(fēng)化花崗巖，大里程段樁底部分進入中風(fēng)化花崗巖。經(jīng)地質(zhì)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(jīng)驗總結(jié)基礎(chǔ)上，對硬巖地質(zhì)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(shù)

根據(jù)所給地質(zhì)情況，查表：中風(fēng)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(shè)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(jù)第三章中第一步推導(dǎo)，代入上面的基本參數(shù)，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(fēng)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(dāng)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(jù)破巖強度理論Fy≥Sσc，則Fy≥10.83 kN，F(xiàn)≥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(xiàn)≥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(lián)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(zhì)進一步選型

根據(jù)上述初步選型，選擇中聯(lián)ZR280，以此匹配鉆桿的技術(shù)參數(shù)：鉆桿采用Q345B無縫鋼管，鉆桿長度配置為4×22 m，第一節(jié)鉆桿直徑D=500 mm，t=10 mm，第二節(jié)鉆桿直徑D=380 mm，t=12 mm，見圖2鉆桿截面圖，第三節(jié)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(jié)和第二節(jié)鉆桿為檢算對象。當(dāng)鉆桿選用當(dāng)實際采用不一致時，可以根據(jù)鉆桿參數(shù)同理修正。

查表可知，允許剪應(yīng)力[τ]=170 MPa，允許扭轉(zhuǎn)角[Ψ]=0.5°/m。

（1）深度20 m以內(nèi)時（只使用第一節(jié)鉆桿），根據(jù)上述材料型號和設(shè)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(dāng)剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)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(jié)時鉆桿的材質(zhì)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(jié)和第二節(jié)鉆桿），根據(jù)上述材料型號和設(shè)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(dāng)剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)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(yīng)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(xiàn)場實際配置中聯(lián)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(xiàn)場實際施工情況。

3.3 取得的效果

根據(jù)現(xiàn)場實際統(tǒng)計情況，對1 400 mm的鉆孔樁進度指標(biāo)進行跟蹤分析，取得以下實際進度指標(biāo)，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(jié)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(dǎo)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(chǎn)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(jīng)過與廠家進行調(diào)查獲取。

4 結(jié)語

旋挖鉆破碎入巖到現(xiàn)在還是一個世界性難題，目前多是理論方面和設(shè)備改進性的研究，如何將理論研究變?yōu)橛袃r值的應(yīng)用值得思考。本文以從施工選型的角度出發(fā)對旋挖鉆的應(yīng)用做了一次較大的研究，總結(jié)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(yīng)用，具有一定的應(yīng)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(fā)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(shù)應(yīng)用前必須進行認真調(diào)查，有時需要多方對比，參數(shù)的準(zhǔn)確是保證可靠選型的關(guān)鍵。

參考文獻：

[1]賈學(xué)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