旋挖鉆斗切削結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)及其應(yīng)用

黃玉文， 馮美貴， 翁 煒， 徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 問(wèn)題的提出

旋挖鉆機(jī)灌注樁施工是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)樁基施工工藝，該成孔工藝技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于樁基工程施工中，具有鉆進(jìn)效率高、噪聲低、環(huán)境污染小、成孔質(zhì)量好、機(jī)械化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等諸多優(yōu)點(diǎn)，與之配套的旋挖鉆具也得到了普遍應(yīng)用。隨著鉆進(jìn)地層的復(fù)雜程度不斷增加，對(duì)旋挖鉆具綜合性能的要求也不斷提高，鉆進(jìn)施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題也隨之增多，嚴(yán)重制約和影響了鉆進(jìn)效率和施工成本。旋挖鉆斗是旋挖鉆機(jī)施工中應(yīng)用最為廣泛的鉆具之一，在不同地層特性條件下鉆進(jìn)時(shí)，旋挖鉆斗的先導(dǎo)定心尖與切削齒的布齒方式、數(shù)量和入巖角度的設(shè)計(jì)合理與否直接影響施工進(jìn)度和鉆進(jìn)成本。

浙江義烏某樁基工程，設(shè)計(jì)樁徑1 m，樁孔深度約10 m，要求樁孔孔底為凹弧面樁形。鉆進(jìn)地層為中風(fēng)化泥巖地層，采用的鉆具為?1000 mm雙底截齒撈砂鉆斗，切削齒為頭部鑲焊有鎢鈷硬質(zhì)合金的截齒。其底部的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其存在如下問(wèn)題：

(1)由四套切削齒焊接組成的先導(dǎo)定心尖定心導(dǎo)向性差，鉆進(jìn)時(shí)易打滑晃動(dòng)，影響施工進(jìn)度和鉆進(jìn)效率；

(2)先導(dǎo)定心尖與引土板之間的間隙內(nèi)渣土不能有效收集到鉆斗內(nèi)；

(3)邊齒齒座易磨損，邊齒齒尖易斷裂；

圖1 改進(jìn)前鉆斗底部的結(jié)構(gòu)形式

(4)齒數(shù)過(guò)多，鉆進(jìn)效率低；

(5)孔底和孔壁沉渣較多，鉆進(jìn)效率相對(duì)較低，鉆速僅為16 m/h；

(6)平底結(jié)構(gòu)形式的引土板，滿足不了工程要求，需人工下井開(kāi)挖凹弧面樁形并清孔，加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

為此，我們開(kāi)展了旋挖鉆斗切削結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

2 旋挖鉆斗鉆進(jìn)機(jī)理研究

根據(jù)鉆進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，開(kāi)展了旋挖鉆斗鉆進(jìn)機(jī)理的研究。旋挖鉆斗的主要參數(shù)有鉆斗直徑、鉆斗高度、底板層數(shù)、底板進(jìn)土口數(shù)、進(jìn)土口開(kāi)口位置及其角度以及先導(dǎo)定心尖、引土板、切削齒結(jié)構(gòu)、形式、角度及數(shù)量。其中先導(dǎo)定心尖及其上切削齒的數(shù)量和角度、引土板上切削齒的布齒方式及數(shù)量和入巖角度是旋挖鉆斗的關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)系到成孔鉆進(jìn)效率及切削齒的磨損消耗程度[1-5]。

從巖石破碎機(jī)理可知[6-7]，自由面有利于巖石破碎。鉆進(jìn)過(guò)程中，旋挖鉆斗在鉆壓作用下，位于底部的先導(dǎo)定心尖在孔底中心“掏槽”[8-10]，形成破碎自由面；位于底板引土板上的切削齒跟進(jìn)，鉆進(jìn)中切削齒形成的軌跡線在孔底的投影是一組同心圓。巖屑和土、石等鉆渣沿引土板進(jìn)入筒體，隨后被提鉆帶出孔。

3 旋挖鉆斗切削結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化分析

根據(jù)鉆進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，開(kāi)展了旋挖鉆斗切削結(jié)構(gòu)的研究。根據(jù)鉆進(jìn)地層特性，對(duì)先導(dǎo)定心尖的結(jié)構(gòu)形式、切削齒數(shù)量、布齒方式[11]和入巖角度[12]進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于高效切削巖石，快速形成自由面，并能及時(shí)將產(chǎn)生的鉆渣順利導(dǎo)入鉆斗內(nèi)。

3.1 先導(dǎo)定心尖結(jié)構(gòu)形式

常用先導(dǎo)定心尖的結(jié)構(gòu)形式如下：板式三角形或五邊形定心尖；旋轉(zhuǎn)式魚(yú)尾定心尖；四分頭式定心尖；多邊形多孔式定心尖；拼焊式定心尖(齒數(shù)根據(jù)情況而定，可有2～8套；外形也有一字形和S形等各種不同的形狀)。

3.2 切削齒數(shù)量

根據(jù)鉆進(jìn)地層特性，合理交叉布置引土板上的切削齒，以使切削齒間創(chuàng)造互補(bǔ)自由面。而從齒與巖石自身力學(xué)、強(qiáng)度及相互間作用力等方面考慮，齒的數(shù)量應(yīng)相對(duì)合理[13]，以避免出現(xiàn)下列情況：(1)齒數(shù)過(guò)少時(shí)，單個(gè)齒上所承受的鉆壓過(guò)大，導(dǎo)致齒折斷；齒間距過(guò)大，所產(chǎn)生的自由面不能互補(bǔ)，切削過(guò)程中遺留的巖脊過(guò)寬，不能實(shí)現(xiàn)高效碎巖；每個(gè)齒所產(chǎn)生的體積破碎穴彼此不相連，不能實(shí)現(xiàn)全斷面碎巖；(2)齒數(shù)過(guò)多時(shí)，單位比壓下降，碎巖能力下降，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率下降。

3.3 切削齒布齒方式

布置切削齒時(shí)尤其要注意邊齒的焊接位置、入巖角度、自身強(qiáng)度、重復(fù)系數(shù)[14]，這是因?yàn)椋?1)邊齒處于鉆斗切削單元的最外層，其不但切削下方的巖石，并且長(zhǎng)期與孔壁接觸、保持孔徑，所處環(huán)境最為惡劣，磨損消耗最大，因此有必要對(duì)其焊接位置及角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；(2)邊齒所處回轉(zhuǎn)半徑較大，回轉(zhuǎn)阻力臂較大，孔壁阻力較大，回轉(zhuǎn)線速度也較大，所承受的載荷、扭矩相應(yīng)也是最大的，因此有必要注意其自身強(qiáng)度；(3)綜合考慮上述兩方面因素，同時(shí)為保證切削齒的同步磨損，需考慮其重復(fù)系數(shù)；一般采用對(duì)稱布置2套邊齒、其他齒交錯(cuò)布置、齒間距從內(nèi)向外逐漸減小的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，從而提高碎巖效果和鉆進(jìn)效率。

3.4 切削齒入巖角度

鉆進(jìn)過(guò)程中旋挖鉆機(jī)輸出的加壓力和扭矩集中在鉆斗底部的先導(dǎo)定心尖和切削齒上，由此產(chǎn)生鉆斗的回轉(zhuǎn)阻力主要來(lái)源于先導(dǎo)定心尖和切削齒，因此可根據(jù)地層特性設(shè)計(jì)先導(dǎo)定心尖、切削齒的上述各種參數(shù)，以降低回轉(zhuǎn)阻力，實(shí)現(xiàn)高效、低耗鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)過(guò)程中切削齒前端的齒刃對(duì)地層進(jìn)行切削，切削齒角度的大小影響齒尖切削地層鋒利程度：小角度增加接觸面，降低比壓，降低切入力，降低切削阻力；大角度減少接觸面，提升比壓，提升切入力，但增加切削阻力，同時(shí)鉆齒易折斷。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆進(jìn)硬度較小的第四系地層、強(qiáng)風(fēng)化層和少冰凍土層等地層時(shí)，切削齒刃后角選取25°～45°；鉆進(jìn)比較硬的泥巖、砂巖、凝灰?guī)r、灰?guī)r和花崗巖等地層時(shí)，切削齒刃后角選取45°～65°；根據(jù)鉆進(jìn)地層特性對(duì)切削齒的角度進(jìn)行及時(shí)調(diào)整和變化[15]，對(duì)提高鉆進(jìn)速度、延長(zhǎng)鉆斗壽命和降低使用成本等，具有重要意義。

4 旋挖鉆斗切削結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中存在的上述問(wèn)題，并根據(jù)旋挖鉆斗鉆進(jìn)機(jī)理，北京探礦工程研究所派出相關(guān)技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該旋挖鉆斗的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了如下6個(gè)方面的優(yōu)化改進(jìn)：

(1)將由四套切削齒拼焊組成的先導(dǎo)定心尖優(yōu)化為由二套切削齒拼焊組成的先導(dǎo)定心尖，減小先導(dǎo)定心尖寬度，并將先導(dǎo)定心尖截齒角度由原來(lái)的較小角度加大到65°，使得先導(dǎo)定心尖與巖石間由原來(lái)的面接觸變?yōu)榫€接觸，減少了接觸面積，降低了回轉(zhuǎn)阻力；同時(shí)，將其高度調(diào)整到比引土板上最高點(diǎn)處截齒高出50 mm，以產(chǎn)生提前“掏槽”作用。

(2)原來(lái)的先導(dǎo)定心尖與引土板間隙較大，導(dǎo)致鉆進(jìn)過(guò)程中不能將間隙內(nèi)渣土有效收集并攜帶到鉆斗內(nèi)；改進(jìn)后將先導(dǎo)定心尖與引土板之間改為平滑過(guò)渡，消除了間隙，使得鉆渣能夠快速進(jìn)入鉆斗內(nèi)。

(3)改進(jìn)前引土板與邊齒伸出鉆斗筒體外徑較多，切削阻力過(guò)大，導(dǎo)致邊齒齒座易磨損，邊齒齒尖易斷裂；改進(jìn)后縮小了引土板與邊齒伸出鉆斗筒體外徑的尺寸。

(4)改進(jìn)前切削齒數(shù)量為13套，單位比壓小，碎巖能力低；改進(jìn)后切削齒數(shù)量為12套，減少了齒的數(shù)量，有效增加了單位比壓，提高了鉆進(jìn)效率。

(5)改進(jìn)前側(cè)爪較小，無(wú)法與邊齒有效配合，導(dǎo)致鉆渣在旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中受離心力作用而被擠壓在孔壁處打轉(zhuǎn)，孔底和孔壁沉渣較多；改進(jìn)后將側(cè)爪軋弧，并適當(dāng)加大側(cè)爪，使其包覆邊齒齒座。

(6)根據(jù)短螺旋鉆頭鉆進(jìn)機(jī)理，將引土板平底結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化改進(jìn)為錐底結(jié)構(gòu)形式，鉆進(jìn)時(shí)使得孔底直接鉆成凹弧面樁形，無(wú)需人工清孔和開(kāi)挖，既可提高鉆進(jìn)效率，又可降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

優(yōu)化改進(jìn)后鉆斗底部的三維示意圖及其結(jié)構(gòu)形式分別如圖2和圖3所示。

圖2 優(yōu)化改進(jìn)后鉆斗底部的三維示意圖

圖3 改進(jìn)后鉆斗底部的結(jié)構(gòu)形式

5 優(yōu)化改進(jìn)后應(yīng)用效果

優(yōu)化改進(jìn)后的旋挖鉆斗，應(yīng)用效果如下：

(1)先導(dǎo)定心尖導(dǎo)向性能好，鉆進(jìn)平穩(wěn)，增強(qiáng)了攜土能力；

(2)改進(jìn)后鉆速為28.8 m/h，鉆進(jìn)效率提高了80%；

(3)降低了邊齒齒座的磨損程度，避免了邊齒齒尖斷裂現(xiàn)象，能有效將擠壓在孔壁處的鉆渣收集到鉆斗內(nèi)；

(4)鉆進(jìn)時(shí)孔底成凹弧面樁形，無(wú)需人工清孔和開(kāi)挖樁底。

上述改進(jìn)，不僅提高了鉆進(jìn)速度、延長(zhǎng)了鉆斗壽命，降低了施工成本，有效減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并贏得了施工單位和業(yè)主的一致好評(píng)。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)旋挖鉆斗現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，開(kāi)展了旋挖鉆斗鉆進(jìn)機(jī)理及切削結(jié)構(gòu)形式研究，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該旋挖鉆斗的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后效果良好，為今后旋挖鉆斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供了理論依據(jù)與經(jīng)驗(yàn)借鑒。