王修蛟 姜长龙 李晨雁

摘要：本文通过旋挖钻机在中风化砾岩地层施工的工程实例，详细介绍了施工过程中旋挖钻机钻具的配置、应注意的事项。希望能对旋挖钻机在同类地层施工提供参考借鉴。

关键词：旋挖钻机牙轮岩芯筒钻机锁钻杆截齿钻头

1 概述

1.1工程概况

九江某发电厂江西省九江市东郊，庐山北麓，北临长江，西靠九江长江大桥和京九铁路，水源充足，交通便利，地理环境十分优越。该电厂烟囱区天然地基承载力无法满足要求，因此在该部位采用桩基，共布置88根、桩径800mm钻孔灌注桩，要求桩端进入中风化砂砾岩不小于1m。

1.2地层情况

烟囱地段根据钻孔揭露的地层情况为（详见剖面图FA00881S-G0101-009～010和FA00881S-G0101-023）：

第（1-1）层杂填土：松散-稍密，承载力特征值fak=75kPa；厚度1.8-4.5米，平均厚度3.27米。不适宜作为建筑物天然地基持力层，需清除或进行地基处理。

第（5）层粘土：棕红色、棕黄色网纹状，硬塑，承载力特征值fak=300kPa，压缩模量Es=12.0MPa；厚度8.7-11.8米，平均厚度10.29米。可作为建筑物的天然地基。

第（8-1）粉质粘土混角砾层：棕黄色，粉质粘土呈可塑-硬塑状，碎石、角砾粒径0.5-5.0cm，碎石最大粒径达10cm，呈稍密-中密状，圆锥重型动力触探试验统计值N63.5=8.8击，承载力特征值fak=300kPa；压缩模量Es=14.0MPa，厚度4.65-9.30米，平均厚度6.56米。可作为建筑物的天然地基，但该层埋深较大，难于采用。

第（8-2）粉质粘土混角砾层：红褐色，粉质粘土呈可塑-软塑状，角砾粒径0.5-2.0cm，呈稍密-松散状，圆锥重型动力触探试验统计值N63.5=4.1击，承载力特征值fak=175kPa；压缩模量Es=10.0MPa，该层在局部冲沟地段28米以下由于含水量的增加而呈软塑状，具高压缩性。厚度4.0-12.10米，平均厚度7.81米。不可作为建筑物的天然地基。

第（10）强风化泥质粉砂岩、砾岩交互层：分布普遍，该地段钻探深度内仅见砾岩，未出现泥质粉砂岩、砾岩交互层的情况，厚度较薄，具低压缩性，综合确定其承载力特征值fak＝600kPa，厚度0.5-1.30米，平均厚度0.76米。因其厚度较薄，不宜作为建筑物的桩基持力层。

第（11）中等风化泥质粉砂岩、砾岩交互层：分布普遍，该地段钻探深度内仅见砾岩，未出现泥质粉砂岩、砾岩交互层的情况，该层未钻穿，具低压缩性，基岩面起伏大。砾岩饱和单轴抗压强度在20.4-47.7 MPa，平均为29.6 MPa。综合确定其承载力特征值fak＝1200kPa，可作为建筑物的桩基持力层，桩基参数以试桩报告结论为准。

拟建烟囱地段填土较薄，（5）层粘土埋藏较浅且物理力学性质好，承载力高，但本阶段勘探查明在烟囱下伏地层中（8-2）层粉质粘土混角砾为可塑-软塑状，且基岩面上部该层由于含水量的增加状态为软塑状，具高压缩性；设计时应考虑其对沉降的影响，如经验算能满足设计对沉降的要求时，可采用天然地基，建议以（5）层粘土做天然地基持力层；倘若不满足设计对沉降的要求，则建议采用桩基，桩基型式可选择钻孔灌注桩或PHC管桩，分别以(11)层中风化砾岩层和（10）层强风化砾岩作为桩基持力层。勘探查明烟囱局部地段发现有1.5米深的洞，见钻孔柱状图ZK4314，在地面以下26.7-28.2米为溶蚀性洞，充填有软塑状粉质粘土混角砾，设计时要考虑其影响，建议钻孔灌注桩穿过该层达到稳定层做桩基持力层。

2 钻机及钻具的配置

2.1投入的钻挖钻机

针对本工程地层的实际情况和建设单位的工期要求，结合我单位的施工经验，投入1台南车时代TR220D旋挖钻机、1台三一SR220C旋挖钻机。

投入钻机的性能参数

2.2钻杆配置

由于本工程设计要求桩端进入中风化砾岩不小于1m，该层岩石单轴饱和抗压强度值在20.4~47.7Mpa之间，平均值达29.6Mpa，在进入砾岩层后采用传统的摩阻钻杆无法对钻头进行有效加压钻进，因此本工程考虑使用具有强行加压功能的机锁式钻杆。机锁式钻杆（见图1）不但可用于软地层，也可用于较硬地层施工。机锁式钻杆可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层和强风化岩层。机锁式钻杆一般制成4节，1～3节杆每节钢管长13米。钻孔深度可达50米左右。

图1固定点分段加压式机锁式钻杆

1、扁头2、一杆挡环3、第一节钻杆4、第二节钻杆5、第三节钻杆6、第四节钻杆7、减振器总成8、一杆外键9、一杆内键10、弹簧座（托盘）11、钻杆弹簧 12、方头13、销轴

钻机在钻孔作业时，钻杆要将动力头的两个作用力传递给钻具，一个是圆周方向的旋挖扭矩M（圆周力F）；另一个是轴向的加压力N。把这两个作用力从第1节钻杆传递给第2节钻杆；第2节钻杆传递给第3节钻杆…最末一节钻杆传递给钻具。这两个作用力的传递是靠外面一节杆下部的内键和其里面一节杆的外键相互作用完成的。钻杆上一般会有三至四个锁点，通过机锁点可把每节钻杆锁住，完全把加压力传递给钻具，加压载荷的传递效率较高，能在钻具与岩体之间产生较大的剪切力，实现硬岩的钻进。[1]

2.3钻头配置

上部5-1粘土层及强风化层可通过钻干带动挖泥钻头，在孔底全断面切削土层，通过旋挖钻头直接在孔底取土后提升至地面，如此反复循环成孔。但进入中风化砾岩层，再使用常规的挖泥钻头，无法取得进尺，并且会造成钻头斗齿、底盖掉落孔底等孔内事故。结合我单位多个工地旋挖入岩施工经验，在砾岩层采用牙轮岩芯筒钻（见图2）并配合截齿钻头钻进，取得了良好的效果。

图2 牙轮岩芯筒钻及牙轮详图

在大多数情况下，牙轮钻头钻进是不取心的全面钻进。以压碎剪切方式破碎岩石的使岩石掏空成完整的岩芯以便取出提高钻进效率。

3 岩层钻进操作

3.1岩芯切割

钻进至中风化砾岩时换用牙轮钻头，主泵压力保持在200bar左右，转速宜保证发动机发挥最大功率，使转速达到最大。利用球型齿上的钨钢头在孔底滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动对岩体辗压切割，有效的切断分割岩体，使孔内岩芯的圆周进行松动掏空(图3)，为以后下入截齿钻头破碎岩芯创造破碎自由面。传统的一味加大压力的钻进工艺容易造成钻杆、钻头损伤，也容易损坏钻机的液压系统，而且也无法达到提高钻进速度的目的。

图3 牙轮筒钻钻进切割面图4 现场取出的岩芯

3.2岩芯切断与取出

在牙轮筒钻在岩石中钻进时应每隔15min左右将钻头提出岩石钻进面利用孔内泥浆冷却钻头，以防钻头长时间在基岩内钻进温度过高造成烧钻现象。钻头进入基岩面深度宜控制在80cm左右，进入深度过大或过小都不利于岩芯的取出。根据操作室深度显示器显示的入岩深度，判断钻头进入基岩深度在80cm左右时，操作手应停止加压，钻头在孔底位置交替进行正反转操作，利用牙轮将岩芯磨断，然后将岩芯取出。

3.3岩芯的破碎

如果岩芯无法完整取出，就需要换用截齿钻头对岩芯进行破碎成碎块挖进钻斗内取出孔外。为保证旋入钻斗内的岩石碎块不在钻杆提升过程中掉如空中，截齿钻头的底部为双层底，见图

5所示。双层底可以相对旋转一个角度，实现进 图5截齿钻头

土口的打开与关闭。钻进时进土口为打开状态，适宜进土。回次进尺结束，将钻头反转一个角度进土口关闭，钻头处于完全的封闭状态，保证筒内土体不掉出筒外。

4 结论

4.1旋挖钻机入岩应合理配置与地层相适应的钻机、钻杆、钻头，如果配置不合理很容易造成钻杆、钻头的损坏，严重的可能形成孔内事故。

4.2使用牙轮钻头在基岩中钻进，宜轻压快转，并经常将钻头提离基岩利用孔内泥浆冷却，岩芯进入筒钻内长度80cm左右时，停止加压使钻头在孔底原位交替进行正反转操作，以磨断岩芯。

4.3旋挖钻机入岩施工是目前业界一个普遍的难题，如何使旋挖钻机能够在入岩施工中发挥其高效、环保的优势，还有待于配套工具的发展进度和在施工中不断的总结经验。

【参考文献】

[1] 旋挖钻机施工工法通用规程三一企业标准

英文摘要：

Abstract: this article through the Hydraulic Piling Rig in the formation of the construction of the moderately weathered conglomerateproject example, Introduces the construction process the configuration of Rotary drilling rig drilling, drilling matters needing attention.

In hopes of the Hydraulic Piling Rig in construction provide a reference for similar strata.

Keywords：Hydraulic Piling RigCone core canister drillMachine locks drill pipeBullet alloy drill

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。