齐 栓，董红姑，沈泽强

（中建交通建设集团有限公司河南公司，河南 郑州 450000）

大截面抗滑桩施工通常采用人工挖孔、机械＋爆破辅助施工，但人工挖孔成孔存在速度慢、工效低，存在一定的安全隐患，且爆破施工时对周边振动及噪声污染大，施工能耗大等缺点。旋挖钻施工则具有成孔快、无振动及噪声污染小、经济环保及自带动力等优点，但旋挖钻技术应用于硬岩大直径抗滑桩施工时，存在钻孔效率低下和钻齿磨损严重，甚至是不能进尺等现象。对硬岩地质条件下采用旋挖钻成孔所遇到的问题进行研究并找到解决办法，将对类似工程具有重要的工程意义。本文以彝良县第三中学项目抗滑桩成孔为例，总结了硬岩地质情况下旋挖钻成孔技术，为该类型地质条件下旋挖钻成孔时设备选型、钻齿选择、施工工艺等方面提供参考。

1 工程概况

彝良县第三中学项目边坡支护采用抗滑桩结构形式，桩径为2.5m，嵌固端桩长为10～30m。其中位于硬岩地质条件下的抗滑桩共计71 根、1 330 延米。

抗滑桩桩位处地质为中风化砂岩：呈褐色、紫红色，中风化，细砂粒状结构，厚层状构造，节理裂隙不发育，泥钙质胶结，岩质坚硬，岩芯呈长柱状，用手不易折断，敲击声清脆。该岩层单轴抗压强度平均值为49.44MPa，属于硬质岩。

抗滑桩施工是制约本项目施工进度的主要因素。因施工工期紧，传统的人工挖孔施工成孔进度缓慢，难以满足项目施工进度要求。项目探索性采用旋挖钻施工，并对旋挖钻施工硬岩的设备选型、钻齿选择、施工工艺等进行研究分析和改进，达到了旋挖钻机快速施工硬岩、大直径抗滑桩的目的。

2 硬岩破碎理论研究成果

2.1 硬岩钻进特性

1）可钻性 硬质岩石由于强度和硬度较大，其钻进难度较大。此外，岩石的可钻性与其风化程度、矿物成分、构造结构有很大的关系。

2）钻进速度与效率 在强风化岩层，以1.0m桩径为例，旋挖钻进速度大致0.5～2m／h，至中风化岩层，钻进速度约为0.25～0.5m／h。

3）孔壁稳定性 岩层稳定性好，钻孔孔壁稳定，岩层孔壁段一般无塌孔、剥落现象。

4）钻进成本 岩层钻进速度慢，油耗大，此外，钻齿磨损严重、钻杆和钻机故障发生率较其他地层高，因此钻进成本也是在所有地层中最大。

单轴抗压强度为60MPa ≥fr＞30MPa 的岩石即属于硬岩范围，而硬质岩层的钻进难度大、效率低，对设备配置要求高，因此对硬岩地层大直径旋挖钻机应用技术的研究有着十分重要的意义。

2.2 硬岩破碎理论

单轴和三轴压缩破坏试验中，硬质岩石都显示出典型弹脆性材料的力学特性和本构关系。接下来将根据硬岩的这一本构关系及力学特性，进行硬岩的破坏理论研究并探讨硬岩破坏的最佳边界条件。

旋挖钻机破岩成孔属于机具破岩，是指通过机械驱动接触岩石的刀具直接进行岩石破碎的技术，是一种连续、安全、高效的破岩方法。

机具破岩方法可看作是被破坏岩石的受力边界条件。岩石的位移边界条件是多种多样的，与岩石受力破坏时所处的状态有关。旋挖钻机在围岩内破岩成孔时的岩石位移边界条件称为岩石孔内位移边界条件。当旋挖机在周围具有自由面的岩体即孤立岩体破岩成孔的岩石位移边界条件称为岩石孔内自由面位移边界条件。依据以上岩石破坏受力与位移边界条件分析可知，旋挖钻机破岩过程中根据钻机实际性能来选择岩石破坏最佳受力与位移边界条件是高效破岩的关键。

2.3 破岩方式及岩石受力分析

破岩方式有切削破岩、冲击－切削破岩和动静荷载耦合切削破岩，根据项目岩层的实际情况，采用动静荷载耦合切削破岩，将典型的硬脆性岩石在动静耦合载荷作用下的载荷－侵深曲线简化成如图1 所示。图1 中实线表示预加静压作用的载荷－侵深关系，虚线表示冲击作用的载荷－侵深关系。将上述折线用数学式来分析静压＋冲击耦合破碎岩石的载荷－侵深，曲线的斜率为

图1 载荷—侵深曲线简化

式中Fj——（j，j+1）载荷-侵深段j端的载荷；

Fj+1——（j，j+1）载荷-侵深段j+1端的载荷；

Uj——（j，j+1）载荷-侵深段j端的侵入深度；

Uj+1——（j，j+1）载荷-侵深段j+1 端的侵入深度。

正斜率（Kj＞0)表示岩石发生弹性变形和岩石破碎，负斜率（Kj＜0)表示岩屑的形成以及压碎压实体。

通过以上分析可知，应用动静荷载耦合切削破岩是旋挖钻机钻进硬岩的最佳加载方式，最容易产生跃进式破坏的进尺效果，且动、静载荷耦合作用的加载点（亦即动载的施加点)应是在岩石已发生体积破碎、岩屑已崩出、压实体又得到充分压实之后即载荷 侵深曲线处于负斜率（Kj＜0）段。结合图1 可以看出，最佳加载点为图中的（P2，h2）、（P4，h4）或（P6，h6）点。

3 旋挖钻机选型

根据表1 试验成果统计数据发现，抗滑桩嵌固段深度范围内基岩主要为中风化砂岩，中风化砂岩天然单轴极限抗压强度标准值为23.51MPa，最大值高达65.98MPa，属于硬质地层条件，岩体天然强度较高。为此，在硬质地层条件下，如何有效把控施工技术特点，科学合理地选择旋挖钻机与钻进方式，确保旋挖桩施工的成孔质量和效率就成为解决问题的关键。

表1 岩石主要物理力学性质统计表

根据本项目实际地质条件，选用中联ZR360C-3 型旋挖钻机，该钻机参数配置表2 所示。该设备底盘稳定性更强，同时，动力头采用三个马达的配置，输出扭矩更大，抗负载冲击性更强，入岩能力更强；动力头配置提放增速功能，在提升、下放动力头时，运动速度更快，施工效率更高。先进的加压系统使钻机钻进时桅杆的稳定性大大提高，岩层对钻机的反作用力大部分会被加压系统内部吸收。抗滑桩成孔如图2 所示。

表2 旋挖钻机选型

图2 抗滑桩成孔图

3.1 旋挖钻机在硬岩工况配置的钻杆

钻杆和钻斗决定了旋挖钻机工作时传输的压力和扭矩的利用率。对于单轴饱和抗压强度为44.94MPa 的硬岩，摩阻杆钻进已不适用，故需根据本项目的孔径大小、孔深及钻机性能参数配置适用的机锁杆。

3.2 旋挖钻机在硬岩工况配置的钻具

旋挖钻机破岩是通过强大的动力头输出压力和扭矩，将钻筒顶部的钻齿压入岩体，并旋转驱动钻杆，带动钻齿旋转。在加压入岩及旋转的共同作用下，实现钻齿剪切破岩。故选择何种钻具对于破岩效果的影响是非常大的，通常使用嵌岩截齿钻和嵌岩牙轮钻等两种钻具。

3.2.1 嵌岩截齿钻

嵌岩截齿钻采用合金作钻头，通过施加压力荷载和扭矩使钻头与岩石产生剪切力，达到在岩层中钻进的效果。根据旋挖钻机破岩原理可知，钻头在实施剪切破岩运动时，钻具不仅要能承受加压荷载的压入阻力，还要承受钻筒转动时产生的横向阻力。因此需合理布设嵌岩截齿钻，使单个齿钻能够承载合理，且齿间互为创造破岩自由面，提高钻头侵入岩体的效果，需选择适当选择钻具截齿的切入角度。按切入角度在20～45°的截齿钻在中风化砂岩地层选取2 根抗滑桩试桩，按脉冲式加载冲击力的工艺进行施钻，在正常情况下钻孔平均进尺为0.32m／h。但试验结果表明截齿钻侧面磨损严重，顶部合金钻头易脱落，平均每钻进1.0m耗费8 个钻头，钻头更换频率高，减少了有效工作时间，严重影响施工进度，经济效益差。

3.2.2 嵌岩牙轮钻

在同样条件下采用牙轮钻头进行抗滑桩的试桩，同样按脉冲式加载冲击力的工艺进行施钻，在正常情况下，钻孔平均进尺为0.27m／h。虽然正常钻进速度较截齿钻慢些，但试验结果表明牙轮钻磨损较小，每钻进1.0m 耗费3 个钻头，经济效益超截齿钻。因钻机可连续工作，综合施工进度远超截齿钻。因为牙轮钻不仅能够随钻杆公转，且能绕牙掌心轴自转，主要运动方式为滚动，钻头与岩石之间产生的阻力小，故钻头的损坏要远小于截齿钻。

嵌岩牙轮钻施工进度、经济效益均超过嵌岩截齿钻，故本项目钻具选用嵌岩牙轮钻。

3.2.3 施钻时的加压方式

根据前述荷载施加方式的理论分析成果可知，动静耦合（也可称之为脉冲式)加压方式是破硬岩时旋挖机施钻最为有效的加压方式（图3）。

图3 动静耦合加压曲线示意图

图中的t1、t3为最佳冲击力加载时刻。即施加冲击力时刀刃切入硬岩，钻杆转速降低，为钻齿进行硬岩破坏的过程，随后钻杆转速加快，扭矩变小，是将破坏硬岩后石屑扫进钻斗的过程。

施钻时，需根据旋挖钻机的震动情况等细微变化来判断岩体的受力破坏情况来准确确定冲击力加载时机。刚开始操作时，对时机把握不准，但经过试桩的经验总结后，能较好地把握加载时机，充分发挥了该工艺的特点，加快了掘进速度。

4 硬岩地层旋挖钻钻头机械组合

旋挖钻机施工具有自动化程度高、劳动强度低、钻进效率高、成桩质量好、环境污染小、适用地层广泛等诸多特点，但所施工的地层各有不同，施工具体的技术要求又有差别，所以只有通过选择不同钻头来满足上述的要求，科学地选择钻头及合理地使用钻头，既满足施工技术要求，又能提高施工工效、降低施工成本。对于2.5m孔径的大直径抗滑桩，采用一次成孔方式时，旋挖钻难以破坏岩芯。

根据本项目特征采取三级钻进，即采用3 种不同直径、不同功能的钻头，以5m 为循环进行钻孔施工：①首先采用直径为0.8m 的截齿筒钻进行开槽，可取出较为完整的岩芯；②其次采用直径为1.5m 双开门双底截齿钻孔进行钻孔，可兼顾清渣；③最后采用直径为2.5m 双开门双底截齿钻孔进行钻孔，可兼顾清渣。抗滑桩桩身完整性检测成果如表3 所示。

表3 抗滑桩桩身完整性检测成果表

5 结语

本项目嵌入硬岩抗滑桩施工时，在理论研究及分析的基础上，通过现场实际测试，总结及创新了旋挖钻进行硬岩钻孔的施工工艺，该技术的应用不仅加快了施工速度，同时也降低了施工成本，提高了抗滑桩成桩质量，为旋挖钻施工大直径硬岩抗滑桩提供了新的思路。