AQK嵌巖擴底鉆頭的結(jié)構(gòu)特點

宋秋鋒，靳益民，朱彩華，張新華，張 建

(1.河北建勘鉆探機械有限公司，河北 石家莊050031;2.中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000)

1 概述

為了增大樁基礎(chǔ)的單樁承載力，采用鉆孔擴底灌注樁是一種經(jīng)濟有效的辦法。在保障鉆孔擴底灌注樁質(zhì)量的措施中，采用性能良好的擴底裝置及可靠的施工方法是至關(guān)重要的。目前國內(nèi)外已先后研制出許多類型的擴底鉆頭，大多都適合在覆蓋層中鉆擴，適用于在基巖中鉆擴的擴底鉆頭很少。河北建勘鉆探機械有限公司研制的AQK大直徑嵌巖擴底鉆頭采用滾刀破巖，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上全面滿足滾刀的破巖原理，施工應(yīng)用中的擴底直徑已達到了3.6 m，在嵌巖鉆孔擴底施工中獲得了良好的效果。

2 AQK嵌巖擴底鉆頭的結(jié)構(gòu)特點

常用擴底鉆頭的擴翼開合方式可分為上開式、下開式、滑降式。上開式結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，切削扭矩小，但擴角大，主要用于穩(wěn)定地層，對于在松散土層、砂層等膠結(jié)性差的地層中成孔時可靠性差。下開式結(jié)構(gòu)簡單，易加工，適應(yīng)地層范圍廣，成孔可靠性好。滑降式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，擴角小，成孔可靠，但擴底鉆頭長度較大。擴翼的開閉驅(qū)動分為自重式和液壓式。

圖1 擴底鉆頭結(jié)構(gòu)原理示意圖

目前國內(nèi)使用的擴底鉆頭多數(shù)為機械下開式。圖1是常用擴底鉆頭的結(jié)構(gòu)原理示意圖，該類鉆頭的擴翼上鉸鏈全部為移動式，連桿為固定式。法蘭、傳動桿和轉(zhuǎn)動臂為一整體部件，上部連接鉆桿傳遞扭矩和上、下移動。連桿一端鉸接底座，另一端鉸接擴翼，擴翼的上端鉸接轉(zhuǎn)動臂。在鉆桿的轉(zhuǎn)動和重力作用下，轉(zhuǎn)動臂邊旋轉(zhuǎn)邊向下移動。這時的擴翼在轉(zhuǎn)臂和連桿的運動和重力下開始向下和向外側(cè)移動。從圖1擴翼的不同位置可以看出擴翼的運動軌跡從A點到B點，是一復(fù)合運動軌跡。擴翼的下端若象圖1左部所示的結(jié)構(gòu)，在擴底或孔的過程中，將有一部分未切削到的巖層8留在孔底，因此直接影響了擴底樁的擴底質(zhì)量。另外，由于破巖滾刀的結(jié)構(gòu)形狀，在該結(jié)構(gòu)形式的擴翼上布置滾刀時不能使擴翼底部拐角處形成連續(xù)切削刃。由于擴翼上鉸鏈向下移動時，擴翼沿孔壁有位移，這對擴翼上圖1的滾刀受力情況是非常不利的。

為了克服擴翼上鉸鏈移動式擴底鉆頭的缺點，AQK擴底鉆頭設(shè)計為擴翼上鉸鏈固定式(見圖2)。

圖2 上鉸鏈固定式擴底鉆頭結(jié)構(gòu)原理示意圖

AQK擴底鉆頭主要由傳動桿、轉(zhuǎn)動臂、擴翼、連桿、支承座、排渣管和連接筒組成。連接筒將轉(zhuǎn)動臂和支承座連接成一個高度不變的承載轉(zhuǎn)動部件。擴翼的上端鉸連在轉(zhuǎn)動臂上。傳動桿為一方形桿件，它在轉(zhuǎn)動臂的方孔中上、下移動并傳遞扭矩給轉(zhuǎn)動臂。連桿的一端鉸連傳動桿，另一端鉸連擴翼。傳動桿在鉆桿的轉(zhuǎn)動和重力的作用下，邊旋轉(zhuǎn)邊向下移動，并且推動連桿向下移動，連桿推動擴翼繞上鉸固定軸心向外側(cè)轉(zhuǎn)動，擴翼的平面運動轉(zhuǎn)變?yōu)閺腁點到B點的一段圓弧。由結(jié)構(gòu)原理可以看出，AQK大直徑嵌巖擴底鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下幾個特點:

(1)擴翼上鉸固定為圓心，連桿滑移并推動擴翼繞上鉸軸心轉(zhuǎn)動，運動軌跡單一，減小切削阻力。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)各種破巖刀具的布置，特別是不受滾刀結(jié)構(gòu)的限制，可任意布置滾刀，達到切削巖層的目的。

(3)不受結(jié)構(gòu)的限制，可滿足擴底形狀的要求。

(4)破巖刀具沿孔壁沒有相對位移，有利于孔壁穩(wěn)定，提高成孔的可靠性。

(5)由于擴底切削時通過裝置作用在孔底的壓力很大，為了不使擴底鉆頭底部和孔底巖層產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動切削，支承座內(nèi)裝有一組軸承，保證擴底鉆頭的轉(zhuǎn)動靈活可靠。

(6)擴翼的徑向位置可調(diào)，用來調(diào)節(jié)擴底鉆頭直徑。

(7)部件采用積木式設(shè)計，通用程度高，增大擴底鉆頭直徑的范圍。

3 擴底鉆頭制造中的關(guān)鍵問題

(1)兩個擴翼的鉸接銷軸尺寸精度和位置精度必須給予保證，以達到運動靈活的目的。

(2)兩個連桿的銷孔尺寸的精度和位置精度必須給予保證，使其傳動準確，靈活可靠。

(3)各組焊件的焊接方法要滿足強度要求，焊接后要消除應(yīng)力，以防止結(jié)構(gòu)件變形。

(4)支承座組裝后用手轉(zhuǎn)動應(yīng)靈活。

(5)擴底鉆頭總裝后靠本身的自重使擴翼開、合靈活，無阻卡現(xiàn)象。

4 施工過程中的關(guān)鍵問題

在深圳市蛇口工業(yè)區(qū)灣廈花園二期鉆孔擴底灌注樁工程中，使用AQK大直徑嵌巖擴底鉆頭進行了擴底成孔的施工，獲得了良好的效果。

該工程均在中風化花崗巖中進行擴底，最大樁徑達到了1.8 m擴到3.6 m。通過工程實踐，我們體會到在鉆孔擴底施工中要完全使孔形達到設(shè)計要求，擴底鉆頭的設(shè)計要特別注意以下幾個問題。

(1)機械式擴底鉆頭的擴底直徑主要是靠控制機上鉆桿的行程來進行的。由于擴底鉆頭是靠鉆桿的配重通過連桿實現(xiàn)擴翼張開，并對巖層有足夠的壓力進行破巖，此時作用在鉆頭底部支座上的垂直力也很大，很容易對孔底產(chǎn)生破巖切削，機上鉆桿行程在這種情況下就不是擴底時的行程了。為了防止上述情況，鉆頭底部支座必須安裝轉(zhuǎn)動靈活并且具有密封功能良好的軸承裝置。

(2)在含有風化核或孤石巖層中進行擴底施工時，一定要將擴底鉆頭進行可靠的徑定位，以防止遇到風化核或孤石時使擴底部分產(chǎn)生位移，以保證直孔段和擴底段的同軸度。

(3)為了使隱蔽在孔內(nèi)的擴底鉆頭工作可靠，避免發(fā)生孔內(nèi)事故，擴底鉆頭的主要零件一定要有足夠的強度和剛度，不能產(chǎn)生變形，以保證動作靈活可靠。

(4)為了更好的控制孔底沉渣，必須采用反循環(huán)排渣工藝。擴底鉆頭的吸渣口要根據(jù)不同的巖層和直徑來確定徑向位置和高度位置。

5 結(jié)語

在城市、交通、水電、工礦和國防等建設(shè)工程中，樁基礎(chǔ)愈來愈向大型化發(fā)展。在灌注樁工程施工中，為提高單樁承載力，節(jié)省材料，降低工程費用，擴底灌注樁是一種很有發(fā)展前途的樁型，近些年來應(yīng)用范圍正在擴大。目前擴底灌注樁仍有相當多的采用人工挖孔擴底施工，由于人工挖孔擴底灌注樁施工受到地層、地下水、深度等條件的約束，擴底灌注樁的推廣應(yīng)用受到很大的影響。因此，應(yīng)深入研究鉆孔擴底灌注樁施工方法和擴底裝置，使其功能更加完善，以替代人工挖孔擴底灌注樁施工，提高施工效率和安全性，使鉆孔擴底灌注樁得到更廣泛的應(yīng)用。

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