挤石钻的破石机理与效能

郝长明

北京东方新星石化工程公司 北京 100070

图1 专利资料

1 钻头的发明过程

在地基与基础工程中，常会遇到填方施工单位因工期紧，不将石头拉走，草草平整的情况。这种情况下，施工单位由于担心强夯锤受损，往往不会认真强夯，仅敷上一层土，用小锤轻拍一遍即交工，给桩基工程留下了很多难题。

中石化普光天然气净化厂桩基工程开工前夕，笔者奉命踏勘现场。用锤子敲打了一天，就是觉得无计可施。

图2 普光天然气净化厂桩基工程现场

为此，项目部召开了几次专题会议，一致的意见是旋挖钻机不适用。但选用冲击钻则需要考虑漏浆、塌孔、孔内石料的取出等问题，试钻的结果是一星期打一个孔，充盈系数超过了2.1。在这个项目中，每个标段几千根桩，如此的效率和充盈系数，显然也不适用。

如要追求钻孔效率，只能再考虑旋挖钻机，而使用旋挖钻机又要面对开孔、跑偏、卡钻等等难题。

石化建设的地基与基础工程是我公司最为重要的业务，不能逃避，这是企业的荣誉问题。为此，我们将研制新型钻头作为最紧要的任务开始了工作。

当时项目部留给研制新型钻头的时间不多，并明确指示，若不能在规定时间内研制成功，项目将决定采用冲击钻的方式进行桩基工程。

在项目部规定时间的最后一刻，我们拿出了研制的新型钻头。试钻中，仅用了4h 钻出了第一个孔，打破了很多人之前认为钻杆会拧断的疑虑，坚定了项目部使用旋挖钻机的信心。

2 钻头结构

钻头由五个部（零）件组成（见图3）。分别为：接头、本体侧刀、键、中轴和扩孔锥。

2.1 接头

图3 钻头装备图

用来连接旋挖钻机主动钻杆。

2.2 本体

各部件通过本体相连接，如图4 所示。

图4 钻头本体设计图

2.3 侧刀

用来扩孔和保径的零件，如图5 所示。

图5 钻头侧刀设计图

2.4 键

用来驱动扩孔锥。

2.5 中轴

用作前导钻具并驱动扩孔锥和侧刀，如图6 所示。

2.6 扩孔锥

用于第一次扩孔，如图7 所示。

图6 钻头中轴设计图

图7 钻头扩孔锥设计图

3 挤石以及破石机理

3.1 开孔“点”破碎

开孔钻头先导部分触地，机器的力量相对集中，无论单石中部还是多石之间，都很容易突破。

3.2 先导钻具扶正

钻具的扩孔部触地时先导钻具已经钻入地面70mm，就是扎在大地的一个轴，钻具轴向已经不会偏移。故而钻具可以挤走石头，石头不能挤动钻具，钻出的孔是正的。

3.3 攻旋破石效应

钻头的扩孔部破石效应类似于丝锥攻螺纹。使旋挖钻机巨大的扭矩与正压力协调发挥作用，把挤动以后仍楔入钻孔的毛石绞碎、刮掉。

4 适用范围

挤石钻先后运用于宁夏煤制烯烃项目、普光天然气净化厂、川维AVC 项目、日照商储项目等重要项目的桩基工程。其中日照项目的难度非常大，其原因在于：日照项目填方工程混杂的花岗岩毛石单轴抗压强度近百兆帕。这样的岩石硬度是挤石钻运用极限了。近百兆帕及百兆帕以上的岩石应使用其他种类硬岩钻头破碎。

5 经济效益及社会效益

普光天然气净化厂桩基工程的进度问题一度是厂建工作的焦点。领导们采取了最为严厉的措施抓进度，收效甚微。挤石钻的运用消除了这个进度瓶颈。

图8 开孔时的使用。否则钻头会高频度的跳钻，很难孔。

图9 毛石富集区域的挤石钻进

图10 挤石效应与绞石效应共存

图11 这个护筒座在石头上，普通钻具无法钻进。调来挤石钻，破石很快解决

图12 钻成的成孔

图13 开挖时显露的桩头

运用挤石钻成孔远比冲击钻成孔质量好。桩孔的垂直度与孔底沉渣指标正常，与正常土层成孔很接近。没有塌孔的情况发生（试桩时使用冲击钻，塌孔时有发生），安全裕度大幅提高。充盈系数也由试桩时的2.1 减至1.4。

北京东方新星石化工程公司的普光天然气净化厂桩基工程是一个争荣誉的工程，并不期望盈利。原来的想法是能够坚持做下来，捍卫了企业的尊严就很满意了。使用了挤石钻进度加快，安全环境方面的投入减少，充盈系数大幅度降低等也使项目盈利丰厚。不仅如此，“块石填充地层挤石钻成孔施工工法”被评为中石化优秀工法并由中石化进一步申报国家施工工法；普光天然气净化厂桩基工程项目获国庆60 周年“十佳勘察与岩土工程”大奖——企业的创新工作得到了很好的回报。

1 《桩基工程》，作者：段新胜、顾湘。

2 《岩土工程施工概论》，作者：黄生根。

3 《钻探设备概论》，作者：张西尧。

4 《现代基础处理用钻掘设备》，作者：宋翔雁。

5 《大型旋挖钻机设计中几个问题的讨论》，作者：黄志文。