旋挖钻机在卵石地层中施工的工法探讨(组图)

如何提高旋挖钻机在碎卵石地层的施工效益一直是困扰基础施工行业的一大技术难题。实践表明，合适的钻机和钻具，以及合理的操作方法，是在碎卵石层高效施工、减少施工成本的有效之选。2008年北京三一重机成功开发出专用于碎卵石层钻进的双层筒钻，经过多个工地的试验，均可达到较高的钻进效率。但是大多数一线施工人员对双层筒钻缺乏认识，在碎卵石层钻进中还是固守传统方式，采用普通的土层捞砂斗、嵌岩锥螺旋或嵌岩捞砂斗钻具。事实证明使用传统施工方式很容易造成斗齿被快速掰断，或者斗齿、截齿被快速磨损，这无疑大大加重了施工成本。在不利用双层筒钻的前提下，如何通过改进现有钻具的结构来达到碎卵石层高效钻进，而又能使钻齿的损耗减少，是本期讲座着重研究的内容，此外，本期讲座针对碎卵石层中泥浆快速渗漏的不良工况也给出了简单而有效的解决方法。

案例分析

2009年10月，石武高速客运铁路线安阳段，跨京珠高速公路大台寺特大桥桩基工程。三一用户使用SR220型旋挖钻机，配套机锁式钻杆，孔径1.0 m，孔深28 m左右。

根据甲方提供的工程地质报告，此地质的浅层（0～13 m）是较容易钻进的粉质黏土和粉土层，在埋深13～24 m处是较难钻进的卵石地层，其中还夹杂着成分复杂的砂岩层（经判断为钙质和铁质砂岩），在埋深24～26 m处再次进入粉质粘土层，随后又要进入更密实的卵石及砂岩夹层。卵石层的地基承载力为0.65 MPa。通过与现场管理人员以及操作手沟通，他们普遍反映在卵石层和砂岩夹层进齿较慢、钻齿磨损最快，平均成1个桩孔要消耗十几个截齿，加之更换钻齿、焊接齿座耽误的时间，施工成本的升高令用户苦不堪言。而且由于外购截齿跟不上使用消耗，甚至一度出现去其他工地借钻齿或停工等齿的情况。

解决措施

改制钻具  三一工法工程师依据用户前期提供的工况介绍，在前往工地前，已做好多套针对此问题的解决预案。其中最优方案是配置双层筒钻，其次是对现用钻斗进行改制。

进入工地后发现，由于施工工期紧张和购买新钻具周期不可预测等因素，用户对购买双层筒钻的意愿不大，致使前一个最有效的解决方案得不到验证实施。因此工法工程师便对现用钻具进行了改制。根据在以往碎卵石层钻进实践中总结的经验教训和工地现有条件，对在用的直径1.0 m的土层双底捞砂斗进行改制，将其斗齿全部割除，然后利用由现场的废旧火车钢轨切割而成的新型“钻齿”取而代之。由于普通钢轨的强度一般大于700 MPa，并且其硬度和耐磨性均较高，所以在该地质条件下作为钻齿使用时有着优越于V19齿的物理性质。

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新型“钻齿”的布置原则类似土层捞砂斗，但是由于焊接工人没有及时听取指导意见，在钢轨做成的“钻齿”还没有削尖的情况下即被投入使用，导致这种改造方案在实际钻进过程中并没有明显改善钻进效率，甚至出现了一个边齿被掰掉的情况，使得操作手对这种改造方案也极不信任。

经过与现场焊接工人和管理人员的耐心沟通后，他们再次接受了我们的意见，将钻具严格按照我们提出的方案进行重新改造，这种方案仍是采用钢轨“钻齿”，但是钻齿头部要适当地削尖，这样把钻齿做成了类似“耙型”，可使钻齿有效嵌入卵石缝隙，把石块耙入筒内，这样不仅减少了钻机的跳动，还提高了钻进效率。

改造完成后，在一个孔深30 m的桩孔中钻进，在0～13 m黏土层的钻进中，采用新改造的钻具可以高效平稳的钻进，效率不比土层双底捞砂斗及嵌岩双底捞砂斗低，且并未见“钻齿”有磨损的现象；当进入埋深12 ～18 m的卵石层后，这种改制钻具的优势便开始凸显：钻机平稳，进齿较快，钻渣颗粒完整，并顺利通过了极易造成耗齿的砂岩夹层。之后，三一工法工程师又建议用户在“钻齿”尖部的两侧加上耐磨焊缝，可以使“钻齿”更加耐磨；现场最好改制出2套类似的钻具，可以交替使用，这种改造方案保证了钻进效率，又不消耗截齿和斗齿。

对卵石层泥浆渗漏事故的处理  碎卵石层在密实度和填充介质的影响下，特别是当密实度低或者填充物为砂介质时，较容易出现泥浆渗漏甚至于孔壁坍塌的事故。其原因在于，泥浆在压力作用下会不断地渗入孔壁边缘的岩石缝隙，造成泥浆损失，从而影响孔壁稳定。这种事故是碎卵石层钻进的常见事故，在该案例中，钻进到卵石层时也出现了泥浆大量渗漏的情况。现场采取的解决措施是快速向孔中抛填大量钻渣（粉质粘土），再加入适量的CMC，待沉浸后，使用钻具在钻孔中慢速地进行正反旋转，以将黏土及CMC挤入到卵石缝隙中，这样就阻止了泥浆向卵石缝隙中的渗漏并能形成稳定孔壁。

解决效果

通过较厚卵石层及砂岩夹层钻进的试验，证明改制的钻斗是成功的，不仅解决了先前截齿消耗过快的问题，而且在整个成孔过程中没有更换钻斗、钻齿，为用户节约了宝贵时间，钻机操作手和现场施工管理人员均对改制结果表示满意。因地制宜地利用现场有限的条件，以较低的成本就解决了该工程中泥浆渗漏的问题，最终良好的综合解决效果赢得了用户的信任。用户除了表示愿意按照三一工法研究院出具的方案进行钻具的改制和钻进工艺的优化之外，也对三一桩机的服务模式和技术水平给出了较高的评价。

工法小结

旋挖钻机在碎卵石地层施工时应该首选双层筒钻，如果采用普通的土层捞砂斗或者嵌岩锥螺旋等其他型式的钻具，也要对钻齿的材料和样式以及斗底整体的布齿进行合理改制，以使得钻具能够和碎卵石层地质的钻进特质有良好的适配性。在对作业地质的性质有了科学认知的基础上，因地制宜地利用现场条件对钻具进行灵活的改制是一项能够提高钻机施工效益的重要工作。

■   北京市三一重机有限公司  张冰   康长春   程大丹   

责任编辑：Ben