旋挖钻斗形式选择和截齿磨损失效成因分析

胡耀刚 段建荣

(山西华晋岩土工程勘察有限公司，山西 太原 030021)



旋挖钻斗形式选择和截齿磨损失效成因分析

胡耀刚 段建荣

(山西华晋岩土工程勘察有限公司，山西 太原 030021)

简单介绍了旋挖钻孔灌注桩施工工艺流程，结合佛山市南海区新交通项目施工区域的不同地层情况，选择了旋挖钻斗形式，并分析了截齿磨损失效的原因，提出了切入角β，最后根据不同岩石强度确定了切入角范围。

旋挖钻机，钻孔灌注桩，钻斗形式，截齿，切入角β

0 引言

1 工程简介和施工工艺流程

1.1 工程简介

施工地点位于广东省佛山市南海区，项目名称是佛山市南海区新型公共交通系统试验段钻孔灌注桩工程，该项目总投资38亿元，该工程起点虫雷岗公园站，终点林岳西站并与广州地铁2号线换乘，它是横穿南海中心城区的轨道交通大动脉，其作为广佛地铁轨道交通的补充和服务延伸，对促进广佛都市圈融合具有重要意义。

施工区域主要集中在橹尾撬河引桥和主桥、黄猄涌中桥，属于桥梁钻孔灌注桩，有三条线路工程并行跨越橹尾撬和黄猄涌，中间线路为新型公共交通试验段工程(以下简称新交通)，左右两侧线路为市政工程。

橹尾撬新交通工程共有19个承台92根灌注桩，市政工程左右幅共38个承台188根灌注桩，河道内支护桩共28根灌注桩，桩径主要集中在1.0 m,1.2 m,1.5 m。黄猄涌中桥新交通工程共有20个承台104根灌注桩，市政工程左右幅共42个承台204根灌注桩。

施工区域地貌为海冲积平原和残丘、地形平坦，处于北回归线以南，高温多雨，属于亚热带季风气候，岩土层条件相当复杂，上部受到海冲积影响具有一定深度的淤泥、淤泥质粘土、粉砂、中砂，工程性质差，极易流动。岩土层下伏白垩系沉积岩层，主要为白垩系(K)泥岩、白垩系(K)泥质粉砂岩。泥岩，青灰色，泥质胶结，中厚层状构造，局部泥岩中含有白色透明晶体颗粒；泥质粉砂岩，棕红、紫红色，粉砂状结构，中厚层状构造，泥质胶结。中风化泥岩、泥质粉砂岩饱和抗压强度标准值为7.0 MPa～12.0 MPa，微风化饱和抗压强度标准值20.0 MPa～50.0 MPa，局部强度可达100.0 MPa～150.0 MPa。由于该地层受到附近断裂带的影响，岩层层厚、强度起伏变化大。

1.2 施工工艺流程

针对施工区域，旋挖钻孔灌注桩施工工艺与传统旋挖施工略有差别。该区域地层上部有0 m～12 m厚的流塑状淤泥质，中间是12 m～30 m的流砂层，地层结构松散，加上沿海地区地下水位偏高、抗剪强度差，所以对泥浆来源、加工到使用做了特殊处理。具体工艺流程见图1。

2 最佳钻斗形式

2.1 钻斗形式

作为一种新兴的服务形式，知识服务是科技工作的重要组成部分，对一个国家的的创新活动有着极其重要的推动和促进作用，本文选择科技创新领域的情报信息机构的310篇知识服务论文进行统计分析，主要得到以下结论：

旋挖钻斗在施工中扮演着钻进和取渣的重要角色，市场上常见的钻斗有双锅底捞砂斗(土层、嵌岩)、螺旋钻斗(土层、嵌岩)、筒钻斗、体开式钻斗等。

2.2 钻斗选择

依托佛山南海新公交项目，经过大量实践统计分析得出结论，不同地层都有与之匹配的钻斗形式。

针对素填土层、淤泥层、淤泥质粉质粘土层、粉砂层、中砂层和全风化泥岩、泥质粉砂岩层、强风化泥岩、泥质粉砂岩层，选用双锅底板捞砂斗(见图2)，进尺速度快、提钻时淤泥粉砂不会外漏、单钻取渣多。

进入中风化泥岩、泥质砂岩层，岩层开始具有一定强度、没有层理、节理裂隙，加之水下桩，若采用双锅底捞砂斗，由于轴向压力不足，钻齿不能破碎入岩，钻斗容易在与岩层接触面打滑，施工进尺慢，且钻齿磨损快，宜采用体开式钻斗。体开式钻斗(如图3所示)卸渣容易，正转闭合钻进、反转体开卸渣，与捞砂斗相比，没有中心先导尖，截齿V形可改变切削顺序，降低阻力，提高钻进能力。

微风化泥岩、泥质砂岩强度明显增加，这时不宜采用钻齿角度大、设计进尺快的钻斗，容易将钻齿拉劈裂、加剧钻斗头部磨损。应采用筒钻斗(如图4所示)和双锅底捞砂斗交替配合使用。先用筒钻斗研磨，进尺30 cm～40 cm，换用双锅底捞砂斗打捞钻渣，然后继续换用筒钻斗研磨进尺。

3 旋挖截齿失效形式和原因分析

3.1 旋挖截齿失效形式

由于施工区域岩石强度极高，旋挖截齿磨损厉害、耗材严重。表1是对橹尾撬南岸市政ZLW15-3灌注桩使用截齿统计分析情况。

表1 ZLW15-3截齿耗材统计表

截齿磨损破坏形式主要有两种：第一种与截齿轴线呈20°～25°发生劈裂破坏，第二种与截齿轴线呈70°～75°发生磨损破坏,钻孔失效的截齿形式见图5。

3.2 截齿破坏形式原因分析

通过对大量截齿破坏形式研究分析得出，旋挖钻机入岩钻进施工，截齿受到钻斗旋转运行阻力FX和加压切入的岩石阻力FY在相同加压载荷作用下(如图6所示)，如果截齿与钻斗底座夹角即β角偏小，截齿入岩为点接触工作，那么截齿受到切入阻力FY急剧增大，再受到旋转阻力FX影响极易发生劈裂，即呈现第一种破坏失效形式。如果β角偏大，截齿入岩为线接触或面接触，旋转阻力FX急剧增大，截齿与基岩接触面增大，截齿磨损加剧，发生第二种破坏失效形式，且该种形式入岩效果最差、功效最低。

3.3 截齿磨损改善措施

岩石破碎的方法主要有三种：冲击破岩、磨削破岩以及剪切入岩，而根据库仑—纳维尔准则，岩石的极限抗剪强度仅为极限抗压强度的10%左右，所以破岩的最有效方法就是剪切破岩。

旋挖钻机加压系统的加压力经过钻杆的传递，使钻斗截齿切入岩土，钻斗旋转产生的扭矩使岩石产生剪切破碎，此时破岩效率最高。但是如果切入角β过小，截齿容易发生劈裂，确定最佳的切入角β，既能减少截齿劈裂失效，又能提高入岩效率。经过大量市场调研和现场工地试验研究，对于坚硬岩石，截齿切入角度应适当减小，切入角β宜在30°～45°；对于软岩，切入角β可适当放大，宜在45°～60°。

4 结语

旋挖钻孔灌注桩施工工艺具有施工速度快、环境污染小、高能低耗、现代化技术程度高的特点，是地基处理最为广泛采用的施工工艺。南方沿海地区气候湿润多雨，水系丰富，地下水位浅，地层起伏变化大、工程性质差异悬殊，复杂的地层情况使旋挖钻机的应用受到了很大的限制，选择最佳钻斗形式、减小截齿的磨损，降低施工成本，提高旋挖钻机入岩效率，对推广旋挖钻机施工工艺具有促进作用。

[1] JGJ 79—2012,建筑地基处理技术规范[S].

[2] 刘文忠.旋挖钻机入岩能力简述[J].建设机械技术与管理,2010(4):30-32.

On type selection for rotary drilling buckets and reasons for wear-out failure of cutting pick

Hu Yaogang Duan Jianrong

(Shanxi Huajin Geotechnical Engineering Survey Co., Ltd, Taiyuan 030021, China)

The paper introduces the construction craft of the rotary drilling bored piles, selects the rotary forms according to the various stratum in the new traffic projects of Nanhai District of Foshan City, analyzes the reasons for the wear-out failure of the cutting pick, and points out digging angle identifies the scopes of the angle according to various rock strength.

rotary driller, bored pile, rotary form, cutting pick, cutting angleβ

1009-6825(2017)08-0083-02

2017-01-08

胡耀刚(1988- )，男，助理工程师； 段建荣(1988- )，女，助理工程师

TU621

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