曲家屯特大桥旋挖钻机施工及钻具的改进

2011-07-30李民

铁道建筑 2011年8期

李民

(中铁十九局集团有限公司，北京 100176)

1 工程概况

哈大铁路客运专线全线的桥梁部分占线路总长的73.32%，而桥梁基础几乎全部采用桩基础，全线有16.38万根基础桩，接近600万延米，其中摩擦桩占70%，有11.7万根，合计约520万延米，曲家屯特大桥里程为 DK655+3.86—DK672+291.18，桥长17 287.32 m，桩基均为钻孔灌注桩。

根据地质状况，结合摩擦桩施工量大，工期紧，环保和成本控制等要求，确定使用旋挖钻机，钻具的选取和改进是保证施工质量的重要环节。

2 钻具的选择与改进

2.1 钻具的初选

曲家屯特大桥所在区域土壤最大季节冻土深度156 cm，桥位处属于不良地质和特殊岩土条件地区，逐次下层分别是砂岩、泥岩、铁板砂、泥岩夹砂岩，其基本承载力从200 kPa、220 kPa、到440 kPa分层不等。

本桥虽然确定使用旋挖钻机施工，前期使用旋挖钻机(220型号)的施工进度不理想，需要结合旋挖钻机的性能和工程的地质情况，进行钻具的选取。

影响旋挖钻具选用的因素概括起来主要有地质情况，钻机功能，孔深、孔径、沉渣厚度、护壁措施等具体要求。不同的地质以及不同的钻进目的都需要选择与之相适应的钻具结构，一般来说，基础工程桩基施工需要扩底的在成孔以后只能选用扩底钻头来完成(后压浆除外)，钻孔直径在800 mm以下的则一般使用长螺旋钻头来完成，而对于地下连续墙的墙体形状有特殊要求的，不能通过单桩部分重叠形成连续墙体的，则只能使用冲抓锥或者液压抓斗来完成。

对于一般的桩基施工，在旋挖钻机能力范围内，钻头的选择主要取决于钻遇地层地质情况。旋挖钻具对各种地层适用性如表1所示。针对 DK655+3.86—DK672+291.18段曲家屯特大桥的地质情况，选择了短螺旋钻头、旋挖钻斗(单层底板钻斗和双层底板钻斗)两类钻头。

2.2 初选钻具存在的问题

选择短螺旋钻头、旋挖单层底板钻斗和旋挖双层底板钻斗施工，在施工过程中发现它们都存在一定问题，并不能满足施工要求。使用短螺旋钻头几乎不能成孔，因其提土功能不能满足成孔效率的要求，因为短螺旋钻头具备的主要工作性能是破碎性，对提土的功能基本不具备，如图1所示。

单层底旋挖钻斗提土时底板只能关闭一半，使提土过程中另一半砂土漏回孔内，降低了钻进效率，还影响了孔底清洁度。而使用双层底旋挖钻斗，其钻进效率及孔底清洁度明显优于单层底钻斗，单层底旋挖钻斗和双层底钻斗在遇到基本承载力400 kPa以上的泥岩夹砂岩地层时，会遇到切削困难，或遇到砂岩切削成块时，双层底钻斗的进泥情况相当不好，导致钻进速度相当缓慢，出现打滑不能取出岩土的情况，造成空钻，经常性卡钻。

表1 钻具类型与适用地层统计表

图1 短螺旋钻头

使用这三钟钻具施工时，每完成一根40 m长的桩，需要15～18 h旋挖成孔和清空，再加上吊装钢筋笼和灌注混凝土的工序时间，和其他一些不确定的外界影响因素耽误的时间，导致每根桩的成桩时间在25～28 h，即每天单台旋挖钻机的每日成桩数在 1根以内，相应的每完成一根桩的经济成本也是成倍地增加。

2.3 钻具的改进

对钻渣进行研究发现岩土本身的硬度不是问题，钻机的机械性能、钻进的速度、司机的操作方法、孔深、孔径和护壁措施等都不是影响钻进的因素。问题在于泥岩夹砂岩地层，单层底钻斗在工作时，因为切削的岩土成块状，没有被破碎，块体整体比较大，不易整体进入钻斗，钻齿易折断，或者导致钻杆承受力太大，钻杆发烫甚至裂坏，出现机械故障;双层底钻斗在工作时，因为这种泥岩夹砂岩的地层夹杂有黏泥和碎体块状石，导致被切削的岩土容易卡在双层底板之间，致使钻进时顺时针逆时针均不能动作(即卡钻)，或钻斗根本不能进行切进岩土，致使钻斗在工作面上打滑不进。

为解决钻斗进泥问题可对单层底旋挖钻斗进行改进，将单层底旋挖钻斗底部改为单层整块底板构造，然后两侧对称切开扇形进泥口，切开的进泥口扇形半径是夹杂碎体块状石直径的两倍，扇形弦长是夹杂碎体块状石直径的1.5倍，图2和图3为改造前和改造后的对照示意图。

图2 改造前单底层钻斗底部构造示意

图3 改造后单层整块底板钻斗底部构造示意

钻斗改造后，在遇到容易打滑的地层段时，钻进非常顺利;而在钻遇其他稍硬的地层段时，及时更换配合使用短螺旋钻头，大大提高了钻进效率。使得原来每桩成孔时间由15～18 h缩短到8～12 h，每日单台钻机可完成2～3根桩，满足了工期进度的需要，其每根桩成本也从8 000～10 000元降低到3 000～4 000元。