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　　鉆頭是工程鉆機(jī)成孔施工最主要的機(jī)具之一，鉆頭的合理設(shè)計(jì)和選用直接關(guān)系到鉆機(jī)的工作效能和經(jīng)濟(jì)效益；鉆頭的設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)地層有沒(méi)有良好的適應(yīng)性，是制約鉆進(jìn)速度和成孔質(zhì)量的一個(gè)重要因素。文章旨在論述不同地質(zhì)環(huán)境下鉆頭的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，并結(jié)合工程案例分析鉆頭的工藝改進(jìn)。

 

　　（一）上部為軟弱土層，持力層為圓礫、軟巖地層的鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

 

　　對(duì)于此類地層，目前國(guó)內(nèi)在鉆孔灌注樁施工中較為常用的鉆頭為錐形鉆頭，錐形鉆頭適用于雜填土、淤泥質(zhì)黏土、粉砂、粘質(zhì)粉土、軟可塑黏土、圓礫等松散、低強(qiáng)度地層，該鉆頭具有成孔導(dǎo)向性好，回轉(zhuǎn)阻力和流轉(zhuǎn)阻力小等特點(diǎn)。錐形鉆頭加工制作相對(duì)容易，以鉆翼數(shù)量多少又可分為二翼鉆頭、三翼鉆頭和四翼鉆頭等。鉆頭鉆進(jìn)工作機(jī)理：鉆桿驅(qū)動(dòng)鉆頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鉆頭錐形翼上梳齒式加強(qiáng)合金鉆頭對(duì)土體進(jìn)行切削、搗碎形成優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行護(hù)壁，利用正反循環(huán)清孔技術(shù)將鉆進(jìn)產(chǎn)生的泥漿顆粒通過(guò)泥漿泵及時(shí)排出孔內(nèi)，從而形成鉆頭的持續(xù)鉆進(jìn)。錐形鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)：設(shè)有鉆頭尖、鉆頭尾、連桿、尾翼，鉆頭尖為錐形體結(jié)構(gòu)，鉆頭尾的上部為管形結(jié)構(gòu)且外表面設(shè)有螺紋、下部為內(nèi)空的錐臺(tái)體，錐臺(tái)體的下端邊與鉆頭尖的上端邊相配，尾翼為管形結(jié)構(gòu)且管內(nèi)設(shè)有支架，尾翼的外徑小于鉆頭尾上部管形外表面螺紋的外徑、但大于鉆頭尾上部管形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑，連桿位于鉆頭尾的中央，連桿的下端設(shè)置在鉆頭尖的上端中央，連桿的上端設(shè)置在尾翼支架的中央。為保證進(jìn)入持力層后的鉆進(jìn)速度，并兼顧上部軟土層鉆進(jìn)效率，一般選用三翼梳齒式加強(qiáng)合金鉆頭，錐角90°～120°，翼上梳齒式加強(qiáng)合金鉆頭均布，鉆頭錐尖合金鉆頭（前導(dǎo)鉆頭和切削刃）呈扇形狀均布。鉆頭鉆進(jìn)壓力：軟土層8～10kN；圓礫、軟巖層15kN左右。鉆頭轉(zhuǎn)速：根據(jù)地層情況，合理調(diào)整轉(zhuǎn)速快慢，從而達(dá)到最優(yōu)進(jìn)尺速度。

 

　　（二）軟硬不均勻地層或局部加固地層鉆頭的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

 

　　對(duì)于軟硬不均勻地層或局部加固地層，例如經(jīng)過(guò)水泥土攪拌樁（或粉噴形式）加固過(guò)的土體，錐形鉆頭的導(dǎo)向性能較差，無(wú)法保證成孔的垂直度。而采用筒式鉆頭，則能在該類土體中獲得較好的成孔效果。

 

　　筒式鉆頭與一般鉆頭對(duì)比具有以下特點(diǎn)：（1）一般鉆頭鉆進(jìn)部位為錐形，而筒式鉆頭為內(nèi)斂平底。鉆進(jìn)時(shí)錐形鉆頭靠頭部錐形頭導(dǎo)向，導(dǎo)向部位呈點(diǎn)性，當(dāng)導(dǎo)向頭碰到軟硬不均的層位時(shí)，易往軟基土方向偏進(jìn)造成孔斜。而筒式鉆頭導(dǎo)向部位為組成鉆頭主要部件的鉆頭外圈筒，呈圓形，當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)，圓形外圈呈圓周線性運(yùn)動(dòng)，從而克服了點(diǎn)狀運(yùn)動(dòng)的方向不確定性；（2）筒式鉆頭為整體式外壁，與孔壁接觸呈剛性，具有良好的導(dǎo)向作用；（3）筒式鉆頭上部采用密封形式，泥漿循環(huán)在鉆頭部位為沿周邊上行，筒式鉆頭從根本上改變了鉆頭對(duì)于巖石的切削、排渣方式，改善了切削動(dòng)力對(duì)孔壁的破壞作用；筒內(nèi)排渣完全克服了水射流對(duì)孔壁的沖擊破壞。

 

　?。ㄈ?fù)雜地層組合鉆頭的應(yīng)用

 

　　鉆孔灌注樁施工中，一般地質(zhì)情況并不單一，往往含有多種復(fù)雜地層情況，如上部為軟土層，中部含有砂礫、圓礫、塊石等夾層，而下部為中風(fēng)化甚至微風(fēng)化基巖等堅(jiān)硬的設(shè)計(jì)持力層。對(duì)于這種較為復(fù)雜的地層，只用一種鉆頭成孔是相當(dāng)困難的，有必要利用組合鉆頭進(jìn)行成孔作業(yè)。所謂組合鉆頭，就是一臺(tái)樁機(jī)在成孔時(shí)針對(duì)不同地層換用不同的鉆頭施工，能有效地提高樁機(jī)的鉆進(jìn)效率。牙輪鉆頭、滾刀鉆頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)具有沖擊壓碎和剪切破碎地層巖石的作用，所以牙輪鉆頭、滾刀鉆頭能夠適應(yīng)軟、中、硬各種巖石持力地層，但成孔速度相對(duì)較慢。錐形鉆頭、牙輪鉆頭或滾刀鉆頭是最常用的組合鉆頭。組合鉆頭主要成孔工藝：在上部軟土層利用錐形鉆頭鉆進(jìn)成孔，制造優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁。上部土層成孔結(jié)束后，主要靠孔深和鉆具的進(jìn)尺判斷鉆頭是否已進(jìn)入巖層。在土層中鉆具的進(jìn)尺有明顯的變化。而在巖層中，進(jìn)尺明顯變慢，鉆具停止下沉且跳動(dòng)明顯，這時(shí)就將錐形鉆頭換下，換上牙輪鉆或滾刀鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，從而達(dá)到理想的進(jìn)尺效果。

 

 

　　（一）工程概況

 

　　在濟(jì)南金色陽(yáng)光花園·御景園地下車庫(kù)樁基礎(chǔ)工程施工中，共有工程樁892棵，均為鉆孔灌注樁，樁徑500mm，樁長(zhǎng)不小于6.8m，入土深度平均不小于16.8m，且要求樁身入巖不小于5.7m。巖土工程勘察由山東省城鄉(xiāng)建設(shè)勘察院勘察完成，在勘察深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地地層自上而下分別為：（1）雜填土、（2）粉質(zhì)粘土、（3）粘土、（4）粉質(zhì)粘土、（5）粉質(zhì)粘土、（6）殘積土、（7）全風(fēng)化輝長(zhǎng)巖、（8）強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及勘察報(bào)告，樁身穿過(guò)第七層全風(fēng)化輝長(zhǎng)巖，且進(jìn)入第八層強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖不小于3.7-5.0m。使用傳統(tǒng)的三翼合金鉆頭，當(dāng)鉆進(jìn)至全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖時(shí)，進(jìn)尺速度明顯減慢，每棵樁成孔時(shí)間平均為20小時(shí)左右，更換牙輪鉆頭后，進(jìn)尺速度雖有提升，但效果也不明顯，每棵樁成孔時(shí)間平均17小時(shí)左右，仍無(wú)法滿足工期進(jìn)度要求。為了提高施工進(jìn)度，降低施工成本，在現(xiàn)有條件下，只能對(duì)施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。在這種情況下，我項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)，共同研究，最終設(shè)計(jì)出一種新型鉆頭。該鉆頭是以傳統(tǒng)的三翼合金鉆頭上為基礎(chǔ)加以改進(jìn)，將三翼合金鉆頭與管鉆相結(jié)合，輔以合金塊而成。該鉆頭外型大致如下：鉆頭中心為一直徑100～120mm的管鉆，長(zhǎng)約50cm左右，管鉆底端鑲嵌10棵左右的合金塊，管鉆底端以上10cm左右位置至鉆頭上方輪圈處均勻焊接三片厚約2cm，寬約10cm的鋼板，將三翼鋼板外側(cè)用磨光機(jī)打磨出一定坡度并均勻焊接一排合金塊，鉆頭上方輪圈大小根據(jù)樁徑大小調(diào)整尺寸。以該工程為例，輪圈直徑為470-480mm，輪圈外側(cè)均勻焊接若干合金塊。

 

　?。ǘ┬滦豌@頭特點(diǎn)

 

　　該新型鉆頭之所以能較大地提高鉆進(jìn)速度，其原理是因?yàn)樗@進(jìn)時(shí)，地表鉆機(jī)通過(guò)鉆桿柱帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)并作用于鉆頭一定的軸向壓力，鉆頭底端的管鉆先將孔底完整的巖石破碎成小塊的比較容易研磨的碎石，這些小塊碎石再由鑲嵌著大量合金的三翼合金片將之研磨成巖粉，通過(guò)循環(huán)的泥漿排出孔外。而傳統(tǒng)的鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)，只是單純地通過(guò)研磨孔底巖石，而無(wú)法將其破碎，且合金塊含量少，研磨性差，因此鉆進(jìn)速度就比較慢。與傳統(tǒng)的鉆頭相比，該新型鉆頭具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）鉆進(jìn)效率高，在堅(jiān)硬、致密的全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化巖、弱研磨性地層尤其明顯；（2）鉆頭壽命長(zhǎng)，由于鉆頭周邊鑲嵌了大量合金，耐磨性高，因此提高了鉆頭的使用壽命；（3）造價(jià)較高，由于鑲嵌的合金塊價(jià)格比較昂貴，必然造成該鉆頭的造價(jià)比普通鉆頭要貴。

 

　?。ㄈ└倪M(jìn)效果

 

　　實(shí)踐證明，該鉆頭大大提高了鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度，尤其是在全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化巖石中，鉆進(jìn)速度與傳統(tǒng)的三翼合金鉆頭相比，提高明顯。用改進(jìn)后新型鉆頭，每棵樁的成孔時(shí)間僅為7-8小時(shí)左右，鉆進(jìn)速度提高了一倍多，從而加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本，最終該工程提前10天完成施工任務(wù)，受到甲方的好評(píng)。

 

 

　　隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)施工遇到的不良地質(zhì)條件將會(huì)越來(lái)越多。針對(duì)施工中遇到的不同地層情況，選擇合適的鉆機(jī)及鉆頭尤為關(guān)鍵。通過(guò)鉆頭的合理選擇及鉆頭的工藝改進(jìn)，可以大大提高工程的施工進(jìn)度，縮短工程工期，節(jié)約施工成本。同時(shí)，鉆頭工藝的改進(jìn)還為以后類似工程提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。