擠石鉆的破石機(jī)理與效能

郝長明

北京東方新星石化工程公司 北京 100070

圖1 專利資料

1 鉆頭的發(fā)明過程

在地基與基礎(chǔ)工程中，常會(huì)遇到填方施工單位因工期緊，不將石頭拉走，草草平整的情況。這種情況下，施工單位由于擔(dān)心強(qiáng)夯錘受損，往往不會(huì)認(rèn)真強(qiáng)夯，僅敷上一層土，用小錘輕拍一遍即交工，給樁基工程留下了很多難題。

中石化普光天然氣凈化廠樁基工程開工前夕，筆者奉命踏勘現(xiàn)場。用錘子敲打了一天，就是覺得無計(jì)可施。

圖2 普光天然氣凈化廠樁基工程現(xiàn)場

為此，項(xiàng)目部召開了幾次專題會(huì)議，一致的意見是旋挖鉆機(jī)不適用。但選用沖擊鉆則需要考慮漏漿、塌孔、孔內(nèi)石料的取出等問題，試鉆的結(jié)果是一星期打一個(gè)孔，充盈系數(shù)超過了2.1。在這個(gè)項(xiàng)目中，每個(gè)標(biāo)段幾千根樁，如此的效率和充盈系數(shù)，顯然也不適用。

如要追求鉆孔效率，只能再考慮旋挖鉆機(jī)，而使用旋挖鉆機(jī)又要面對(duì)開孔、跑偏、卡鉆等等難題。

石化建設(shè)的地基與基礎(chǔ)工程是我公司最為重要的業(yè)務(wù)，不能逃避，這是企業(yè)的榮譽(yù)問題。為此，我們將研制新型鉆頭作為最緊要的任務(wù)開始了工作。

當(dāng)時(shí)項(xiàng)目部留給研制新型鉆頭的時(shí)間不多，并明確指示，若不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)研制成功，項(xiàng)目將決定采用沖擊鉆的方式進(jìn)行樁基工程。

在項(xiàng)目部規(guī)定時(shí)間的最后一刻，我們拿出了研制的新型鉆頭。試鉆中，僅用了4h 鉆出了第一個(gè)孔，打破了很多人之前認(rèn)為鉆桿會(huì)擰斷的疑慮，堅(jiān)定了項(xiàng)目部使用旋挖鉆機(jī)的信心。

2 鉆頭結(jié)構(gòu)

鉆頭由五個(gè)部（零）件組成（見圖3）。分別為：接頭、本體側(cè)刀、鍵、中軸和擴(kuò)孔錐。

2.1 接頭

圖3 鉆頭裝備圖

用來連接旋挖鉆機(jī)主動(dòng)鉆桿。

2.2 本體

各部件通過本體相連接，如圖4 所示。

圖4 鉆頭本體設(shè)計(jì)圖

2.3 側(cè)刀

用來擴(kuò)孔和保徑的零件，如圖5 所示。

圖5 鉆頭側(cè)刀設(shè)計(jì)圖

2.4 鍵

用來驅(qū)動(dòng)擴(kuò)孔錐。

2.5 中軸

用作前導(dǎo)鉆具并驅(qū)動(dòng)擴(kuò)孔錐和側(cè)刀，如圖6 所示。

2.6 擴(kuò)孔錐

用于第一次擴(kuò)孔，如圖7 所示。

圖6 鉆頭中軸設(shè)計(jì)圖

圖7 鉆頭擴(kuò)孔錐設(shè)計(jì)圖

3 擠石以及破石機(jī)理

3.1 開孔“點(diǎn)”破碎

開孔鉆頭先導(dǎo)部分觸地，機(jī)器的力量相對(duì)集中，無論單石中部還是多石之間，都很容易突破。

3.2 先導(dǎo)鉆具扶正

鉆具的擴(kuò)孔部觸地時(shí)先導(dǎo)鉆具已經(jīng)鉆入地面70mm，就是扎在大地的一個(gè)軸，鉆具軸向已經(jīng)不會(huì)偏移。故而鉆具可以擠走石頭，石頭不能擠動(dòng)鉆具，鉆出的孔是正的。

3.3 攻旋破石效應(yīng)

鉆頭的擴(kuò)孔部破石效應(yīng)類似于絲錐攻螺紋。使旋挖鉆機(jī)巨大的扭矩與正壓力協(xié)調(diào)發(fā)揮作用，把擠動(dòng)以后仍楔入鉆孔的毛石絞碎、刮掉。

4 適用范圍

擠石鉆先后運(yùn)用于寧夏煤制烯烴項(xiàng)目、普光天然氣凈化廠、川維AVC 項(xiàng)目、日照商儲(chǔ)項(xiàng)目等重要項(xiàng)目的樁基工程。其中日照項(xiàng)目的難度非常大，其原因在于：日照項(xiàng)目填方工程混雜的花崗巖毛石單軸抗壓強(qiáng)度近百兆帕。這樣的巖石硬度是擠石鉆運(yùn)用極限了。近百兆帕及百兆帕以上的巖石應(yīng)使用其他種類硬巖鉆頭破碎。

5 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益

普光天然氣凈化廠樁基工程的進(jìn)度問題一度是廠建工作的焦點(diǎn)。領(lǐng)導(dǎo)們采取了最為嚴(yán)厲的措施抓進(jìn)度，收效甚微。擠石鉆的運(yùn)用消除了這個(gè)進(jìn)度瓶頸。

圖8 開孔時(shí)的使用。否則鉆頭會(huì)高頻度的跳鉆，很難孔。

圖9 毛石富集區(qū)域的擠石鉆進(jìn)

圖10 擠石效應(yīng)與絞石效應(yīng)共存

圖11 這個(gè)護(hù)筒座在石頭上，普通鉆具無法鉆進(jìn)。調(diào)來擠石鉆，破石很快解決

圖12 鉆成的成孔

圖13 開挖時(shí)顯露的樁頭

運(yùn)用擠石鉆成孔遠(yuǎn)比沖擊鉆成孔質(zhì)量好。樁孔的垂直度與孔底沉渣指標(biāo)正常，與正常土層成孔很接近。沒有塌孔的情況發(fā)生（試樁時(shí)使用沖擊鉆，塌孔時(shí)有發(fā)生），安全裕度大幅提高。充盈系數(shù)也由試樁時(shí)的2.1 減至1.4。

北京東方新星石化工程公司的普光天然氣凈化廠樁基工程是一個(gè)爭榮譽(yù)的工程，并不期望盈利。原來的想法是能夠堅(jiān)持做下來，捍衛(wèi)了企業(yè)的尊嚴(yán)就很滿意了。使用了擠石鉆進(jìn)度加快，安全環(huán)境方面的投入減少，充盈系數(shù)大幅度降低等也使項(xiàng)目盈利豐厚。不僅如此，“塊石填充地層擠石鉆成孔施工工法”被評(píng)為中石化優(yōu)秀工法并由中石化進(jìn)一步申報(bào)國家施工工法；普光天然氣凈化廠樁基工程項(xiàng)目獲國慶60 周年“十佳勘察與巖土工程”大獎(jiǎng)——企業(yè)的創(chuàng)新工作得到了很好的回報(bào)。

1 《樁基工程》，作者：段新勝、顧湘。

2 《巖土工程施工概論》，作者：黃生根。

3 《鉆探設(shè)備概論》，作者：張西堯。

4 《現(xiàn)代基礎(chǔ)處理用鉆掘設(shè)備》，作者：宋翔雁。

5 《大型旋挖鉆機(jī)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的討論》，作者：黃志文。