硬質(zhì)巖層中長大樁基快速成孔設(shè)備改造分析

中建三局城建有限公司，吉林 長春 130000

橋梁工程鉆孔樁直徑以0.8～2.0m最為常見，近年來隨著橋梁建設(shè)的迅猛發(fā)展，橋梁跨度也不斷增大，因而上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的承載力要求也越來越高，直徑大于2.0m的長大樁基也變得較為普遍。旋挖鉆機(jī)、反循環(huán)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)是橋梁樁基較為普遍的施工設(shè)備，適用于不同的地質(zhì)情況；而硬質(zhì)巖層中長大樁基施工對鉆機(jī)性能要求較高，因此在硬質(zhì)巖層中常規(guī)鉆機(jī)往往無法滿足要求，只能選擇性能更高的鉆機(jī)設(shè)備，以此來提高施工效率、降低施工成本。

1 樁位地質(zhì)概況

該工程樁基地質(zhì)情況如下：粉質(zhì)黏土（0～1.8m、σ0=100kPa），粉質(zhì)黏土（1.8～9.2m、σ0=180kPa），礫砂（9.2～18.1m、σ0=280kPa），泥質(zhì)砂巖（18.1～18.9m、σ0=350kPa），泥質(zhì)砂巖（18.9～20.4m、σ0=420kPa），泥質(zhì)砂巖（20.4～91.9m、σ0=600kPa）。

2 鉆機(jī)選型

2.1 設(shè)備比選

在實(shí)際鉆機(jī)選型過程中，通過其他類型和型號(hào)設(shè)備的比較，優(yōu)選施工成本最低、對施工工期影響最小的鉆機(jī)型號(hào)，根據(jù)地質(zhì)情況計(jì)算出的結(jié)果，項(xiàng)目部前期對CK2500沖擊鉆機(jī)、550旋挖鉆機(jī)、FXZ-450型反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行了參數(shù)對比，參數(shù)對比如表1所示。

表1 設(shè)備比選參數(shù)對比

通過對比CK2500沖擊鉆機(jī)、550旋挖鉆機(jī)、FXZ-450型三種不同設(shè)備型號(hào)的反循環(huán)鉆機(jī)，發(fā)現(xiàn)CK2500沖擊鉆機(jī)和550旋挖鉆機(jī)雖然能夠滿足施工要求，但施工進(jìn)度太慢、施工成本較高，F(xiàn)XZ-450型反循環(huán)鉆機(jī)性能參數(shù)較低，作為此類鉆孔樁施工需進(jìn)行部分性能的改進(jìn)。

2.2 鉆機(jī)扭矩和功率計(jì)算

大型鉆孔灌注樁所用鉆機(jī)應(yīng)根據(jù)樁徑、樁長、地質(zhì)條件等因素條件確定，項(xiàng)目技術(shù)部門依據(jù)相關(guān)地質(zhì)和樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，對該橋鉆孔樁鉆機(jī)所需的扭矩M和功率N進(jìn)行了計(jì)算，主要使用的計(jì)算公式包括鉆機(jī)扭矩和功率計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：M為鉆機(jī)的扭矩，N·m；N為鉆機(jī)的功率，kW；D為鉆頭直徑，cm；P為軸壓力，kN；n為鉆頭回轉(zhuǎn)速度，r/min；K為巖石特性系數(shù)。具體情況如表2所示。

表2 巖石特性系數(shù)表

根據(jù)該工程樁基所處地質(zhì)情況，選取參數(shù)為D=220cm，K=8×10-5；鉆頭組裝質(zhì)量約為G=27.5t；鉆壓P=4～6G，取P=1100kN；動(dòng)力頭鉆速取n=4r/min。

通過公式計(jì)算所需鉆機(jī)扭矩M=195.54kN·m，所需鉆機(jī)功率N=77.97kW。

2.3 鉆機(jī)設(shè)備改造方案

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，項(xiàng)目部就決定主要增加FXZ-450型反循環(huán)鉆機(jī)的扭矩和功率，其次增加鉆桿的厚度、鉆頭的形式、刀齒的材料、鉆桿的壓力，以便實(shí)現(xiàn)大動(dòng)力的情況下施工工效的再次提高，并改善設(shè)備的支腿，以滿足設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性，將雙排支架改為雙排支架，并設(shè)置限位凹槽保證鉆孔垂直度。

（1）提升動(dòng)力。加強(qiáng)型FXZ-450型反循環(huán)鉆機(jī)增加2個(gè)動(dòng)力組，在44kW的基礎(chǔ)上增加至88kW，有效輸出動(dòng)力得到了大幅度的提升，更加適合此類長大鉆孔樁的施工。

（2）增加鉆桿厚度。由于大直徑超長鉆孔樁鉆桿受力比較復(fù)雜，因此鉆機(jī)的鉆桿在傳遞動(dòng)力時(shí)，鉆桿的上段受拉、下段受壓，同時(shí)還應(yīng)以受彎應(yīng)力和扭曲應(yīng)力來驗(yàn)算鉆桿截面是否安全，以免在鉆進(jìn)過程中鉆桿因被扭斷而引起掉鉆事故。鉆桿的抗拉、抗壓、抗扭以及抗彎強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)鉆壓、鉆桿及鉆頭重量、鉆機(jī)扭矩等分別計(jì)算，并以此確定鉆桿厚度。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目決定增加鉆桿的壁厚，由普通2cm壁厚的351/2000mm增加至3cm壁厚，提高鉆桿受力性能。

（3）增加鉆頭壓力。在鉆機(jī)動(dòng)力增大的情況下，增加40t的鉆桿液壓壓力，同時(shí)增加鉆桿的壁厚，以此有效增大鉆頭的壓力。

（4）增加鉆頭刀片數(shù)量和強(qiáng)度。鉆頭刀片材料由合金刀齒改為金剛石復(fù)合片刀齒，硬度顯著提高，以避免鉆孔過程中耗費(fèi)時(shí)間對鉆頭進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，有效節(jié)約時(shí)間，并且鉆頭由普通兩翼改為四翼，從而增加了鉆頭的數(shù)量。各鉆頭型號(hào)適用范圍如表3所示。

表3 反循環(huán)鉆機(jī)鉆頭適用范圍

（5）加強(qiáng)設(shè)備穩(wěn)定性。通常動(dòng)力的增加會(huì)導(dǎo)致設(shè)備工作狀態(tài)下整體穩(wěn)定性變差，為了解決此問題，在設(shè)備四條主支腿的前提下，在鉆桿支架下方增加了4個(gè)次支腿，以解決因設(shè)備失穩(wěn)造成的鉆孔孔位偏差較大的問題。

（6）保障鉆桿垂直度。鉆桿支架由單排改裝為雙排，在支架間增加鉆桿提升限位槽道，以便在更換鉆桿后，保證鉆桿垂直度，使孔位傾斜度誤差在允許范圍內(nèi)。

3 改造成果

經(jīng)過對FXZ-450型常規(guī)反循環(huán)鉆機(jī)改造，各項(xiàng)參數(shù)匯總?cè)绫?，效果圖如圖1所示。

表4 改造后反循環(huán)鉆機(jī)參數(shù)表

圖1 加強(qiáng)FXZ-450型四動(dòng)力反循環(huán)鉆機(jī)示意圖

改造后的反循環(huán)鉆機(jī)不僅能夠提高施工效率加快施工進(jìn)度，還可以節(jié)約施工成本，將此設(shè)備與SWDM550旋挖鉆進(jìn)行比較，以已實(shí)施項(xiàng)目施工中的一根長75m、樁徑為2.2m的樁基為例，各項(xiàng)數(shù)據(jù)對比數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表5 施工進(jìn)度和施工成本對比表

4 結(jié)束語

四動(dòng)力改進(jìn)型FXZ-450型反循環(huán)鉆機(jī)施工通過增加兩組22kW動(dòng)力機(jī)組來增加鉆機(jī)動(dòng)力，并通過增加鉆桿的厚度，增大鉆頭的作用壓力，靠鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)增加后的刀齒數(shù)量和改善后的刀齒材質(zhì)，不斷有效切削巖土，提高施工工效。文章以實(shí)際大跨度硬質(zhì)巖層中長大樁基工程施工為例，介紹了常規(guī)型FXZ-450型反循環(huán)鉆機(jī)的改造，可知在重難點(diǎn)控制性樁基施工前，結(jié)合項(xiàng)目地質(zhì)情況對鉆機(jī)進(jìn)行選型，能夠在保證樁基施工質(zhì)量的前提下，減少施工成本和提高施工效率，從而使項(xiàng)目的保質(zhì)保量地完成。