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Study on Rotary Drilling Technology of Large Diameter Hole Pile in Hard Rock
蔡军 CAI Jun
（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038）
（The 1st Engineering Co.，Ltd. of China Railway 12th Bureau Group，Xi'an 710038，China）
摘要：进行硬岩的嵌岩桩基施工时，存在冲击钻成孔进尺慢，旋挖钻成孔效率低下等难题，本项目在理论研究及分析的基础上，对旋挖钻进行硬岩钻孔施工的荷载施加方式、钻杆种类选用、钻头种类选用、机械组合及施工工艺、顺序等进行了研究和改进，大幅提高了旋挖钻硬岩成孔工效，发挥了旋挖钻的优势，实现了硬岩地质时采用旋挖钻快速成孔的突破。
Abstract: During the construction of rock-socketed pile foundation in hard rock, there are some problems such as slow drilling footage by impact drilling and low drilling efficiency by rotary drilling. Based on theoretical research and analysis, this project studies and improves the loading application method, selection of drill pipe types, selection of drill bit types, mechanical combination, construction technology and sequence of rotary drilling in hard rock drilling construction, which greatly improves the drilling efficiency of rotary drilling in hard rock, full plays the advantages of rotary drilling, and realizes the breakthrough of rapid drilling by rotary drilling in hard rock geology.
关键词：硬岩；嵌岩桩基；旋挖钻成孔；动静耦合加压；钻头选择
Key words: hard rock；rock-socketed pile foundation；rotary drilling；dynamic and static coupling pressurization；bit selection
中图分类号：TU753.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0155-03
0 引言
对于硬质岩，桥梁钻孔灌注桩的施工通常采用冲击钻成孔，但冲击钻成孔存在速度慢，对周边振动及噪音污染大，施工能耗大等缺点。旋挖钻施工则具有成孔快、无振动及噪音污染、经济环保及自带动力等优点，但旋挖钻技术应用于硬质岩施工时，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。如果对硬质岩采用旋挖钻成孔所遇到的问题进行研究，并找到解决办法无疑具有重要的工程意义。本文通过某桥梁桩基成孔为例，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、荷载施加方式及机械操作技术等方面提供参考。
1 工程概况
某铁路桥梁桥孔跨布置为：1-24m简支梁+7-32m简文梁+1-（48+80+48）m连续梁+2-32m。
桥梁墩台均以孔桩为基础，按嵌岩桩设计，根据不同的地质情况及桥跨大小而采用1.5m和2.0m两种桩径。桩基承载层为中—微风化粗粒花岗岩，嵌岩深度要求为5.0m。
桥位处地层表层为强风化粗粒花岗岩：呈褐黄色，原岩矿物除石英外，基本已风化（砂土状），岩芯呈坚硬土状、砂土状，手捏易散，遇水易崩解。属Ⅳ级软质岩。
桩基嵌入的基岩层为中—微风化粗粒花岗岩：呈浅肉红色，麻灰色，裂隙发育，裂隙倾角一般在60～80°，裂面偶见绿泥石化现象。岩芯多呈短柱～长柱状，岩体完整，锤岩声清脆，该基岩单轴抗压强度约为55MPa，属较硬岩。
因本项目桥梁工程施工工期紧，传统冲击钻施工成桩进度缓慢，为了确保工期，本项目拟对旋挖钻施工硬岩的机械配置、施工操作工艺等进行研究分析和改进，以达到采用旋挖钻机快速施工大直径硬岩孔桩的目的。
2 硬岩破碎理论研究成果
进行硬岩压缩破坏试验时，不管单轴和三轴，所得的力学特征本构关系均表明硬质岩为典型的弹脆性材料。故进行硬质岩的破坏理论研究时，要按弹脆性材料的力学特征和本构关系研究破坏硬质岩的最佳边界条件。
采用旋挖钻成孔为机具破岩，根据机具破岩的原理并结合目前旋挖钻的技术进步及性能，主要有如下三种破岩方式：切削破岩；冲击—切销破岩；动静荷载耦合切削破岩。首先要做的是根据实际情况，选择适合的破岩方式，然后在确定破岩方式的基础上，研究破岩的最佳受力及位移边界条件，是达到高效破岩的关键。
2.1 破岩方式及岩石受力分析
2.1.1 切削破岩
该方式为利用刮刀对岩体实施破坏，对于抗压强度较低，且节理非常发育的硬岩具有较好的破碎效率，但本项目的现场试验研究结果表明：基于本项目中—微风化，节理不发育的地质情况下，虽具有一定的破岩效果，但刀具磨损大，刀具寿命短，造成施工成本高，故本项目不建议采用此种方式。
2.1.2 冲击—切削破岩
冲击—切削破岩。目前国内钻岩旋挖钻机均采用类似的破岩方式（主要体现在加载方式和加载类型上）。由于硬岩通常由硬度不同、切削难度不同的多种晶体颗粒组成，切削面往往起伏不平，使得紧贴切削面的刀刃上下起伏而对岩石产生冲击荷载，所以采用钻岩旋挖钻机成孔的工作方式即为冲击—切削破岩的实际应用，本项目选择了3种不同品牌的钻岩旋挖钻机进行现场施工测试， 3个测试孔桩的地质条件基本相同。钻进深度—时间关系曲线如图1所示。
从图1中可以看到3种不同型号的钻岩旋挖钻机在桩基不同部位钻进孔深曲线走势大致可分为2个阶段。
①进硬岩前施工阶段：在钻进地面至中—微风化花岗岩岩层的部位，钻进速度最快。
②钻硬岩施工阶段：全回旋钻机套筒能切削本项目55MPa左右的岩层，但进度缓慢，平均约5cm/h。且长时间在高强度岩层中钻进对钻筒底部合金钻头磨损较为严重，因钻进缓慢，3根测试孔桩均在达到终孔前被迫终止施工。
③动静荷载耦合切削破岩。图2为典型的硬脆性岩石在动静耦合载荷作用下的荷载—侵深曲线图。
图2中预加静压作用下的“荷载—侵深曲线”用实线表示，冲击力作用下的“荷载—侵深曲线”用虚线表示。
图2中斜线为正斜率时，表示在施加了力的压头作用下，硬岩产生弹性变形和岩石破碎；负斜率则表示硬岩产生岩屑和压碎压实体。当作用在压头上的荷载由0增至P5时，曲线表明硬岩在加载期间发生了两次体积破碎，如果此时卸载，岩体出现弹线膨胀，侵深变小，曲线至（P0、h6）点处，折线所形成的面积表明消耗的能量。但保持静压力不变，施加冲击力时，曲线则从（P5、h5）升至（P0、h6），压头的侵深以较大的正斜率得以增加，表明在静压荷载的基础上增加冲击荷载能很好地增加硬岩破碎的深度及体积。
通过以上理论分析可知，采用旋挖钻钻设嵌入硬岩孔桩的最佳破岩方式是动静荷载耦合切削破岩，其破岩及浸深（进尺）效果可达到跃进式。动、静荷载耦合最佳时机（即冲击力的施加时刻）为硬岩出现体积破碎、岩屑已崩出，且压实体受到充分压实之后，即施加冲击力最佳时机是图2中的（P2、h2）、（P4、h4）或是（P6、h6）。
2.2 旋挖钻实际钻进硬岩时荷载施加方式
根据上节分析可得机械破硬岩时的荷载加载方式和规律，即对硬岩施加静载使岩体预应力损伤后再适时施加冲击力，明显提高破岩效果。实际施工时采取保持静压力的情况下，通过加载冲击力→卸载→加载冲击力……等脉冲式加载冲击力方式循环破岩，是最为有利的破碎硬岩方式。
3 旋挖钻钻设孔桩采用的钻杆、钻进方式及钻头类型
在上节的破硬岩理论分析成果的基础上，进行现场旋挖钻钻设孔桩采用的钻杆、钻进方式及钻头类型的研究，重点是从荷载施加方式及时机方面入手，以获得最佳的硬岩钻孔工法效果。
3.1 旋挖钻钻设硬岩配置的钻杆
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55MPa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 旋挖钻钻设硬岩配置的钻具
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（如图3）。
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。本项目按切入角度在20～45°的截齿钻进行了2根1.5m孔径的桩基试桩，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0.53m/h。但两根桩的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1m耗费9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。
②嵌岩牙轮钻。
本项目同样采用牙轮钻头进行了2根1.5m孔径桩基的试桩，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0.39m/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5.2m才耗费1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。
由试桩结果可得，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。
3.3 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。
脉冲式加压方式如图4所示。
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，需机手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，机手对时机把握不准，但经过约1～2h的经验总结后，所有机手均能较好的把握加载时机，充分发挥了该工艺的特点，加快了掘进速度。
4 本项目硬岩地层旋挖钻所采用的机械组合
4.1 1.5m孔径的孔桩
对于1.5m孔径的孔桩，采取一次性钻进成孔的方式。
先用1.5m筒钻开槽，深度约为1m后用螺旋钻对岩芯进行破坏，最后用截齿捞砂头捞砂而一次成孔。因已采用筒钻开槽，改善了螺旋钻钻进的边界条件（类似于形成了破岩的“临空面”），以往文献研究表明，在此条件下螺旋钻侵入硬岩所需的压力仅为无“临空面”时的60%，故使得螺旋钻能够轻易破碎岩芯。
4.2 2.0m孔径的孔桩
对于2.0m孔径的大直径孔桩，采用一次成孔方式时，螺旋钻难以破坏岩芯。则采取二级钻进，即：1.2m筒钻开槽+1.2m螺旋钻破岩芯+1.2m截齿捞砂头捞砂+2.0m筒钻开槽+2.0m截齿捞砂头捞砂。
5 结束语
本大桥嵌入硬岩桩基施工时，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，提高了成桩质量，为旋挖钻施工硬岩桩基提供了新的思路。
参考文献：
[1]陈飞林.高强度花岗岩中大直径钻孔灌注桩施工技术[J].施工技术，2014（1）.
[2]黄从刚.大直径、超深钻孔灌注桩施工技术[J].隧道建设，2014（2）.
[3]樊延祥.旋挖钻进技术在硬岩层围护桩施工中的应用[J].城市轨道交通研究，2012（5）. |
