旋挖鉆機(jī)硬巖鉆進(jìn)技術(shù)

1、旋挖鉆機(jī)硬巖鉆進(jìn)技術(shù)1.1?巖工程性質(zhì)1.1硬巖強(qiáng)度與承載力根據(jù)巖土匚程勘察規(guī)范GB50021-2001 1,對巖石堅(jiān)硬程度分類:表1巖石堅(jiān)碩程度分類E位(MPa)堅(jiān)硬程度堅(jiān)硬巖較鎖巖較軟巖軟巖極軟巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度& 6060 范 3030$p1515 范 54單軸抗丿玉強(qiáng)皮60Nf30 MPa,巖石即屬丁較硬巖范圍，常見巖石如鈣質(zhì)礫巖、 泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、止長巖等。單軸抗斥強(qiáng)度fr 60 MPa,巖冇屈 丁堅(jiān)硬巖范圍，常見巖石如鈣質(zhì)砂巖、石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖及安山巖等。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是通過勘探鉆機(jī)取芯在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定的強(qiáng)度參數(shù)，未能全面 反映巖石所在地層的匚程性質(zhì)，I大

2、1此除單軸抗斥強(qiáng)度外，判定巖石強(qiáng)度還有其他的指 標(biāo)，其中最雨耍的是地基承載力特征值(fj，指通過原位試驗(yàn)確定該巖石地層可承受 上部荷載的能力，絕大多數(shù)地質(zhì)報(bào)告提供的巖層強(qiáng)度指標(biāo)也都是承載力指標(biāo)。衣2巖石性質(zhì)與地卑承載力對應(yīng)表單位(KPa)風(fēng)化程度強(qiáng)風(fēng)化屮鳳化微風(fēng)化嶼質(zhì)巖石7001500150040004000軟質(zhì)巖石600 1000100020002000由丁硬質(zhì)巖石所具備的高強(qiáng)度和高承載力，使得它可以作為建筑物或構(gòu)筑物基礎(chǔ) 良好的持力層，因此在樁基礎(chǔ)施工領(lǐng)域中，往往要求端承樁(入巖樁)樁端深入中風(fēng) 化巖層$0.5米或者M(jìn)1.5借樁徑距離。1.2巖石強(qiáng)度的影響因素影響巖冇強(qiáng)度的因素是多方面的：

3、1礦物成分巖石的礦物成分對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生fi接影響，如石英比例禽屋 高的石英巖強(qiáng)度高丁方解石比例倉最尚的大理巖。2. 結(jié)構(gòu)常見的結(jié)構(gòu)有結(jié)晶連接的巖石和膠結(jié)物連接的巖石，結(jié)晶顆粒大小和膠結(jié)聯(lián) 結(jié)的形式都對巖石強(qiáng)度有重耍影響。3. 構(gòu)造主耍是指礦物成分在巖石中分布的不均勻性和巖石結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，如片狀構(gòu)造、板狀構(gòu)造、千枚狀構(gòu)造等。4水巖石被水飽和后強(qiáng)度有所降低，巖石幾隙度越人，水的軟化性表現(xiàn)的越明顯。5風(fēng)化風(fēng)化作用促使巖石的原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，并產(chǎn)生新的風(fēng)化裂隙，使巖石礦物 顆粒間的聯(lián)結(jié)松散和使礦物顆粒沿解理面刖解。因此從上面影響因素可以看出：禽石英、長石、角閃石等硬質(zhì)礦物比例心j;細(xì)粒結(jié)

4、晶或者鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)；塊狀構(gòu)造、礦物分布均勻；風(fēng)化程度和含水最低的巖石強(qiáng) 度較高，反之較低。如下圖：圖1結(jié)晶結(jié)構(gòu)、石英長石含靈高（硬巖）圖2石英含杲高（硬巖）圖3顆粒人，結(jié)構(gòu)松散（軟巖）圖4粘十礦物（軟巖）1.3硬巖鉆進(jìn)特性硬巖鉆進(jìn)特性包括：巖石可鉆性、鉆進(jìn)速度與效率、孔壁穩(wěn)定性、鉆進(jìn)成木等多 方面，下而對這些指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析?？摄@性：硬質(zhì)巖石由丁強(qiáng)度和喚度較大，其鉆進(jìn)難度較大。此外，巖石的可鉆性 與其風(fēng)化程度、礦物成份、構(gòu)造結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。鉆進(jìn)速度與效率：在強(qiáng)風(fēng)化巖層，1米樁徑為例，旋挖鉆進(jìn)速度人致0.52m/h,至中風(fēng)化巖層，鉆進(jìn)速度約為0.250.5m/ho孔堆穩(wěn)定性：巖層穩(wěn)定性好，鉆

5、孔孔唯穩(wěn)定，巖層孔堆段一般無塌孔、剝落現(xiàn)彖。鉆進(jìn)成木：巖層鉆進(jìn)速度慢，油耗大，此外，鉆齒磨損嚴(yán)朿、鉆桿和鉆機(jī)故障發(fā) 生率較其他地層高，因此鉆進(jìn)成本也是在所有地層屮垠人。旋挖施工中常見的哽巖有花崗巖、鈣質(zhì)砂巖、石灰?guī)r等地層。換質(zhì)巖層的鉆進(jìn)難 度大、效率低，對設(shè)備配殼和操作方式要求高，因此對旋挖鉆機(jī)硬巖鉆機(jī)技術(shù)的研究有著I分巫耍的意義。下圖5、6是石灰?guī)r鉆幾和石英砂巖取芯的照片。圖5石灰?guī)r鉆孔圖6石英砂巖巖芯2.硬巖破碎理論單軸和三軸斥縮破壞試驗(yàn)中，硬質(zhì)巖石都顯小出典型彈脆性材料的力學(xué)特性和本 構(gòu)關(guān)系。接下來將根據(jù)硬巖的這-本構(gòu)關(guān)系及力學(xué)特性，進(jìn)行硬巖的破壞理論研究并 探討硬巖破壞的最佳邊界條件。

6、旋挖鉆機(jī)破巖成孔屈于機(jī)具破巖，即指通過機(jī)械驅(qū)動接觸巖石的刀具接進(jìn)行巖 石破祁的技術(shù)。依據(jù)破巖工具和破巖原理，可將機(jī)械破巖方法大體可以分為：沖擊破 巖、切削破巖、沖擊一切削破巖和動靜荷載耦合切削破巖。結(jié)合三一現(xiàn)有旋挖鉆機(jī)性 能，可實(shí)現(xiàn)的破巖方法有切削破巖、沖擊一切削破巖和動靜荷載耦A(yù)切削破巖三種。 機(jī)具破巖方法可看作是被破壞巖石的受力邊界條件。巖石的位移邊界條件是多種多樣的，與巖石受力破壞時(shí)所處的狀態(tài)有關(guān)。旋挖鉆 機(jī)在冏巖內(nèi)破巖成孔且的巖石位移邊界條件稱為巖石孔內(nèi)位移邊界條件。當(dāng)旋挖鉆機(jī) 在周閑具有h由面的巖體即孤立巖體破巖成孔的巖石位移邊界條件稱為巖石孔內(nèi)H 由而位移邊界條件。依據(jù)以上巖石破壞

7、受力與位移邊界條件分析可知，旋挖鉆機(jī)破巖 過程中根據(jù)鉆機(jī)實(shí)際性能來選擇巖石破壞最佳受力與位移邊界條件是高效破巖的關(guān) 鍵。切削破巖巖石破壞邊界條件力邊界條件1沖擊一切削破巖動靜荷我耦命切削破巖孔內(nèi)位移邊界條件I位移邊界條件、圖7彈性壓頭侵入狀態(tài)圖8彈脆性壓頭侵入狀態(tài)孔內(nèi)自由面位移邊界條件21破巖方式及巖石受力分析1 切削破巖通過實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，利用刮刀能夠破碎抗斥強(qiáng)度為187 MPa的白云巖，隨切割 深度與切割寬度比增大，巖石破碎比能逐漸減小，當(dāng)切割深度為切割寬度的2/3至1/2 時(shí)，切割效率最宙j。但這種破巖方法由丁刀具壽命的原因，多用丁煤和軟巖，也可用 丁節(jié)理非常發(fā)育的硬巖。根據(jù)旋挖鉆機(jī)的.

8、作特性，在硬巖中使用切削破巖方法鉆進(jìn) 在現(xiàn)階段是不能實(shí)現(xiàn)的。故忽略此種破巖方式的研究。2 沖擊一切削破巖沖擊一切削破巖是破傑堅(jiān)硬脆巖的有效方法，與旋挖鉆機(jī)匸作條件下得加載類型 和加載方式極為相似，這是宙丁組成巖石的晶粒軟硬不一而導(dǎo)致刀刃尚低起伏和產(chǎn)生 沖擊荷載，旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)加用力恒定時(shí)的破巖鉆進(jìn)即是此種破巖方式的實(shí)際應(yīng)用。下面分析旋挖鉆機(jī)鉆頭在沖擊動荷載情況下的巖石損傷特點(diǎn)：中間裂紋動態(tài)侵入斷裂過程一般產(chǎn)生hertz、中間、徑向和側(cè)向裂紋，前三種裂紋產(chǎn)生丁加載過程且中間和徑向裂紋在卸載過程中擴(kuò)展，而側(cè)向裂紋完全是在卸載時(shí)產(chǎn)生和擴(kuò)展 的。沖擊作用下，巖石硬度、彈模隨加載率的變化而變化，因此徑向裂

9、紋長度?？紤] 材料的硬度和彈模的變化。可得c =巒（目/弘嚴(yán)/位嚴(yán)眄Y心嚴(yán)（1）式中m為壓頭質(zhì)0； v是兒何因子；c為徑向裂紋長度；是與巖石材料、鉆頭形 狀無關(guān)的無最綱常數(shù)：E, H為被侵入材料的彈模和硬度。3 動靜荷載耦合切削破巖將典熨的硬脆性巖石在動滾耦介載荷作用下的載荷一侵深曲線簡化成如圖9所示。 圖中實(shí)線表示預(yù)加靜斥作用的載荷一侵深關(guān)系，虛線表示沖擊作用的載荷一侵深關(guān)系。 將上述折線用數(shù)學(xué)式來分析靜壓+沖擊耦介破碎巖石的載荷一侵深，曲線的斜率為：(2)式中巧一（j,j+l）載荷一侵深段j端的載荷：賂一山+1）載荷F深段j+l端的載荷：S 厲j+1）載荷一侵深段j端的侵入深必 S -（j

10、j+1）荷一侵深段j+1端的侵入深 度。疋斜率（.0）表示巖石發(fā)生彈性變形和巖石破碎，負(fù)斜率（匕)+cx2(6)旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)花崗巖時(shí)一般采用筒鉆開椚后使用螺旋鉆破壞巖芯的鉆進(jìn)方式，由 公式(6)可以看出，這種方法可以有效減小鉆齒侵入巖石時(shí)所需要壓力，具體效果 與開榊深度和鉆齒丿玉入巖石點(diǎn)與開杷I的距離有關(guān)。當(dāng)鉆齒斥入巖石點(diǎn)與開榊的距離過 大時(shí)，此效應(yīng)的效果就不明顯了。(例如：樁徑1.5m的花崗巖鉆孔，筒鉆開槽深度為 lm時(shí)，采用筒鉆開槽后螺旋鉆破壞巖芯的施工方法一次成孔時(shí)，根據(jù)公式(6)計(jì)算， 螺旋鉆中心齒侵入巖石所需斥強(qiáng)為孔內(nèi)邊界條件的0.6倍)。使用扎內(nèi)開槽形成孔內(nèi)n由面邊界條件的鉆入方法

11、對旋挖鉆機(jī)鉆入較硬花崗巖是 有利的，其效果可根據(jù)開杷/深度與鉆齒鉆齒壓入巖石點(diǎn)與開杷的距離確定。2.3結(jié)論根掘?qū)τ矌r力學(xué)特性和木構(gòu)關(guān)系的研究，對硬質(zhì)巖石的破壞理論進(jìn)行研究并探討 破壞巖石的最佳邊界條件，定性的找出鉆孔破壞硬巖的最佳力邊界條件及位移邊界條件，為尚效鉆進(jìn)技術(shù)的研究打下基礎(chǔ)。3硬巖地層旋挖鉆進(jìn)荷載施加方式根據(jù)第二節(jié)“硬巖破曲理論研究分析可知：1、巖石的體積破碎與載荷（動、筋 載荷）成一定的遞增函數(shù)關(guān)系。因此在一定范I韋I內(nèi)加大靜床力和沖擊力可以使破碎體 積很快增加，提島破巖效率；2、在沖擊力破巖之前，先預(yù)加靜壓力對巖石進(jìn)行預(yù)應(yīng) 力損傷，對提高破巖效率意義重大：3、若沖擊力采用加載卸載

12、加載周而復(fù)始的破碎 循環(huán)，對J：破碎巖石是特別有利的作業(yè)方式。通過對巖石破碎各種理論分析和探索，揭示出機(jī)械破巖的載荷作業(yè)模式和規(guī)律, 可得出以卜結(jié)論：動靜耦合加斥方式破巖是旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)較硬花崗巖地層最有效的破 巖加壓方式。加壓曲線示意圖如下所示：圖12動靜耦介加壓曲線示意圖圖中指鉆進(jìn)過程中施加的高斥（即沖擊荷載）值，馬指鉆進(jìn)過程中施加的低 壓（即靜荷載）值，心、丫2、厶指施加各類荷載的時(shí)間。動、靜載荷耦介作用的加載點(diǎn)人（亦即動載的施加點(diǎn)）應(yīng)是任巖石己發(fā)生體積破 碎、巖屑己崩出、丿來實(shí)體乂得到充分斥實(shí)之后，即傳統(tǒng)的載荷一侵深曲線處丁負(fù)斜率 段，此時(shí)施加動荷載破巖效率般高，即在此時(shí)施加動荷載旋挖鉆

13、進(jìn)硬巖速度故快，但 此加載點(diǎn)需耍機(jī)手根據(jù)鉆機(jī)震動情況判斷巖石受力破壞狀態(tài)來確定。-（2時(shí)間段 長短根據(jù)進(jìn)尺快慢情況和鉆機(jī)震動情況調(diào)節(jié)。G T右時(shí)間段長短根據(jù)鉆淹撈進(jìn)鉆斗 快慢情況調(diào)節(jié)。施加高壓、低壓的交互操作,加壓曲線如圖12所示。其鉆入過程為：施加高壓 時(shí)鉆齒鉆進(jìn)土體，鉆桿轉(zhuǎn)速減緩，扭矩增大，是鉆齒鉆入破壞土體的過程：施加低壓 時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)速加快，扭矩減小，是將鉆下的土體掃進(jìn)鉆斗的過程。4硬巖地層鉆進(jìn)所需鉆桿、鉆具及鉆進(jìn)方式4.1硬巖地層旋挖鉆進(jìn)所需鉆桿鉆進(jìn)單軸飽和抗斥強(qiáng)度30MPa以上的硬質(zhì)巖層,其地棊承載力一般烏于600KPa, 已不適用摩阻桿鉆進(jìn)，需根據(jù)孔徑、孔深及鉆機(jī)情況配備相應(yīng)機(jī)鎖桿

14、。4. 2硬巖地層旋挖鉆進(jìn)所需鉆具根據(jù)第二節(jié)“硬巖破碎理論研究成果可知：當(dāng)旋轉(zhuǎn)鉆頭附近存在有H由面時(shí)，鉆 頭侵入時(shí)巖石會產(chǎn)生側(cè)旁的破碎，有利丁提高鉆頭入巖效率。例如：樁徑l-Sm的花 崗巖鉆孔，筒鉆開槽深度為lm時(shí)，采用筒鉆開榊后螺旋鉆破壞巖芯的施方法一次 成孔時(shí)，經(jīng)計(jì)算，螺旋鉆中心齒侵入巖石所需壓強(qiáng)僅為孔內(nèi)邊界條件的0.6倍。在鉆 進(jìn)花崗巖困難時(shí)使用筒鉆開杷、螺旋破碎、截齒撈砂斗撈砂是保證在花崗巖旋挖髙速 鉆進(jìn)的經(jīng)典鉆進(jìn)方式。所以，硬巖地層旋挖鉆進(jìn)所需鉆具一般為：筒鉆、單頭單螺螺 旋、截齒撈砂斗。4. 3硬巖地層旋挖鉆進(jìn)所需鉆進(jìn)方式當(dāng)孔徑較小時(shí)，旋挖鉆進(jìn)所需瑕佳鉆進(jìn)方式為一次性鉆進(jìn)：筒鉆開槽

15、-螺旋破碎 巖柱T截齒撈砂斗撈渣。當(dāng)鉆孔孔徑較大時(shí)，需分二級或三級鉆進(jìn)，即先在鉆孔中心 打小孔,最后再使用筒鉆及撈砂斗擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)尺寸。下面以SR 250R鉆機(jī)為例,參考 單軸抗壓能力為3060 MPa的較硬花崗巖地層，依據(jù)以上研究成果和實(shí)際工程施工 經(jīng)驗(yàn)列出各種孔徑的鉆孔所需鉆進(jìn)方式。農(nóng)3各種孔徑的鉆孔所礙鉆進(jìn)方式及鉆進(jìn)效率分析孔徑(m)分級方法鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)效率(m/h)1.0不分級1.0筒鉆+1.0螺旋+1.0截齒撈砂斗21.25不分級1.25筒鉆+1.25螺旋+1.25截齒撈砂斗21.5不分級1.5筒鉆+1.5螺旋+1.5截齒撈砂斗1521.8兩級鉆進(jìn)1.2筒鉆+1.2螺旋+1.2截齒撈砂

16、斗 +1.8筒鉆+1.8截齒撈砂斗1 2.52.0兩級鉆進(jìn)1.2筒鉆+1.2螺旋J.2截齒撈砂斗+2.0筒鉆+2.0截齒撈砂斗1 1.52.2三級鉆進(jìn)1.2筒鉆+1.2螺旋J.2截齒撈砂斗 +1.8筒鉆+1.8截齒撈砂斗 +2.2筒鉆+2.2截齒撈砂斗0.512.5三級鉆進(jìn)1.2筒鉆+1.2螺旋+2.2截齒撈砂斗 +2.0筒鉆+2.0截齒撈砂斗 +2.5筒鉆+2.5截齒撈砂斗0.5注：本表根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)得出，僅作為參考，兒體匚程礙根據(jù)實(shí)際情況兒體分析4.小結(jié)本節(jié)內(nèi)容以花崗巖鉆進(jìn)為例,重點(diǎn)研究了硬巖地層旋挖鉆進(jìn)荷載加載方式、所需 鉆桿及鉆具、鉆進(jìn)方式，從加壓操作方式和鉆進(jìn)方式兩方而入手，達(dá)到旋挖鉆

17、進(jìn)硬巖 最佳匸法效果，為旋挖鉆進(jìn)硬巖下一階段的研究和旋挖鉆機(jī)0硬巖中的鉆進(jìn)提供實(shí)踐 指導(dǎo)和理論支持。附：施工案例1.1施工地點(diǎn)：廣東省深圳市平安大廈1.2設(shè)備及選用鉆具：SR220鉆機(jī)；現(xiàn)場鉆具：機(jī)鎖桿；41.5m I茨巖筒鉆、*1.5m 土層雙底撈砂斗、ei.Om螺鉆頭。1.3樁孔情況：樁深為42m左右，樁徑為4)1.5m,約300多個(gè)。圖1樁孔布置圖2地層資料1.4地質(zhì)情況：境土、粗礫粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖。 其中難鉆地層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層（圖1所示的綠色虛線部分樁幾）和屮風(fēng)化花崗巖 地層抗壓強(qiáng)度約為35MPa,符介本項(xiàng)目研究范圍，此部分樁的少部分樁孔鉆至微風(fēng)化

18、花崗巖地層。圖3 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖鉆渣圖4中（微）風(fēng)化花崗巖鉆渣2施工過程2.1問題分析及處理通過觀察現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)：旋挖鉆機(jī)（使用1）1.5m 土層雙底撈砂斗）鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化花 崗巖地層效率低I、且除齒現(xiàn)象嚴(yán)重。 旋挖鉆機(jī)（使用土層雙底撈砂斗）鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層效率低下且 磨齒現(xiàn)象嚴(yán)雨； 旋挖鉆機(jī)（使用e 1.5m 土層雙底撈砂斗）在中風(fēng)化花崗巖地層不進(jìn)尺；分析以上現(xiàn)象的原因主要：操作人員加壓方式不及鉆具的配介施工不當(dāng)。2.2解決方案（1）改進(jìn)加壓方式根據(jù)本文第四節(jié)“硬巖鉆進(jìn)匸法研究”成果可知，動靜耦介加斥方式破巖是旋挖 鉆機(jī)鉆進(jìn)較硬花崗巖地層最有效的破巖加壓方式。加壓曲線示意圖如下所示:低壓烏圖5動靜耦介加壓曲線示意圖施加高壓、低壓的交互操作,加壓曲線如圖5所示。其鉆入過程為:施加高壓時(shí) 鉆齒鉆進(jìn)土體，鉆桿轉(zhuǎn)速減緩，扭矩增大