浅议摩擦式钻杆在硬质地层中的成孔改进

赵娜 杨亚军

摘 要：本文介绍了摩擦杆施工机理，基于高强度地层的力学特性，针对硬质地层使用摩擦杆钻进时遇到的打滑等问题进行深入分析，提出了钻齿和操作等方面的支持理论，对于拓展摩擦杆使用范围和提高钻进效率大有益处。

关键词：摩擦杆；硬质；旋挖钻机

1 引言

近年来，为了满足高速铁路对基础沉降的限定，有关部门对高铁桩基承载力的要求越来越高，从而出现了大桩径，深孔桩。而机锁式钻杆受到钻孔深度的限制，深孔桩（>60m）只能选择摩擦式钻杆施工。然而较机锁式钻杆而言，摩擦式钻杆能够提供的加压力较小，对硬质地层的钻进能力较弱，而且从已有实例来看，摩擦式钻杆在硬质地层的钻进过程中常常遇到打滑，不能进尺的现象。实际上，对于硬质地层中部分全-强风化岩（包括花岗岩，泥-钙质砂岩，砂质泥岩等）或是密实度较高的粘土层而言，如果选用恰当的钻具并配合适当的操作方法，采用摩擦式钻杆是能够高效钻进的。

2 摩擦式钻杆施工机理分析

摩擦式钻杆的进尺加压力由未被动力头托住的钻杆重量，钻斗的重量以及可变加压力f三部分组成。由于钻杆和钻斗在制作时其质量已经确定，因此提高钻机的进尺加压力，只能从可变加压力f入手。可变加压力f与地层提供的反扭矩有关，其形成过程如图1所示。

图1 钻机加压力关系示意图

其值可以通过下式计算：f=f摩=kN=k（M/R），其中k为钻杆键条间的摩擦系数；R为扭矩传递半径（钻杆半径）；f摩为杆间的摩擦力。由于f摩小于加压力F，因此在杆上施加大小为F的加压力时，其能传递的有效加压力大小与f摩相等。

从上面的分析可以看出，负载反扭矩M和加压力F是可变加压力f形成必要条件，两者缺一不可。其中加压力F通过人为操作可以实现，但负载反扭矩的形成则与钻进的地层有关：对于较松软的泥沙层，由于其结构较为破碎，极易钻进，所以不能形成多大的反扭矩；而对于硬质地层，如果避免了钻斗在地层上边的打滑，则可以形成较大的反扭矩，进而产生较大的可变加压力。但在硬质地层的实际钻进过程中，钻斗常常打滑，几乎不能产生反扭矩。因此解决钻斗的打滑，则是解决摩擦式钻杆钻进硬质地层的关键[1]。

3 钻斗在硬质地层打滑的原因分析

钻斗在硬质地层打滑的实质就是钻斗斗齿不能有效嵌入地层中，而造成此种现象的原因与地层的承载力和钻斗有关。由于地基承载力为不可控因素，下面具体分析钻斗对硬质地层钻进的影响。

3.1 双底捞砂钻斗在硬质地层中打滑的机理分析

（1）斗齿的布置个数要尽可能少，而且要尽可能切削到整个钻进面。摩擦式钻杆在最初接触地层时，由于不能建立可变加压力f，这时的进尺加压力实际为一恒定值，作用在单个斗齿上的加压力与斗齿的个数成反比。这样，斗齿个数越少，作用在单个斗齿上的加压力越大，钻齿也更易嵌入地层中。但是斗齿个数过少会导致钻具不能切削到整个钻进面，在切削过程中钻进面必然会被切削成多个环形体，这时钻斗将被这些不能切削到的地方托住，而斗齿则在切削过的凹槽中空钻，导致不能钻进。

（2）斗齿角度应设置在50°～53°之间。较大的斗齿角度能够提高加压力，但过大的角度必然会导致“掰齿”现象的产生。

（3）适当减小定位锥刀的高度，其高度最好略低于斗齿高度。定位锥刀起到导向的作用，避免斜孔的產生，正常其高度高出斗齿约50mm。但在硬质地层中，定位锥刀与钻进面接触后，由于钻杆与钻斗重力不能克服地层的阻力，钻斗会被定位锥刀托起，导致斗齿始终不能与钻进面接触，不能钻进。

（4）对于大桩径硬质地层的钻进，为保证单个斗齿压力，应加长合理位置处的齿长，让其获取更大的加压力，从而更易嵌入地层。大桩径钻进时，由于斗齿个数较多，如果同时让全部的斗齿接触地层，可能会出现单齿压力较小，不能达到嵌入地层的压力值。因此可考虑加长某些斗齿，使其长度超过定位锥刀10～20mm，让其先嵌入地层。边齿是受剪力最大的齿，对于大桩径桩孔，如果让其先吃土会有“掰齿”的可能，所以考虑加长受剪力较小处的斗齿。

3.2 锥螺旋钻斗在硬质地层中打滑的机理分析

锥螺旋钻斗主要用于辅助中风化及以上岩层的钻进，需配合双底捞砂斗或筒钻使用。其特殊的锥形构造使钻斗头部的截齿能够获取较大的初始加压力，从而能够较快的钻入岩层；而且随着钻头的钻进，钻头的其它截齿也开始钻进地层，由于有前期截齿制造的自由面，其钻进也相对较易。

但由于此类“硬质”地层粘性大，弹性大，且被压实后硬度增大，采用锥螺旋钻头钻进时，其特殊的锥形构造，反而使钻头头部极易被糊住，而造成钻齿失效，整个螺旋钻头被托住的现象。不能持续钻进后，水或泥浆便进入钻斗与钻进面之间而润滑，便形成打滑。应当来说，锥螺旋钻头并不适合此类“硬质”地层的钻进。但是由于其钻进的初始阻力较小，如果能在钻进面上制造若干自由面，就可以有效减少糊钻，实现钻进[2]。

4 摩擦式钻杆在“硬质”地层施工验证

4.1 砂质泥岩岩层的钻进

此处桩径1.5m，桩深约80m，采用SR280R旋挖钻机钻进。由于钻深较大，采用6×15摩擦式钻杆配合Φ1.5m的土层双底捞砂钻斗施工。现场40m处遇强风化泥质砂岩，其平均单轴抗压强度在10MPa左右，钻进出现打滑进尺慢现象。

经过现场观察，发现钻斗的定位锥刀过长，而且斗齿磨损严重，建议按照3.1所述的钻斗布齿原则进行改进。改进后，钻机顺利钻进，钻进时间由最长的6天缩短为13小时，为创造了极大的经济效益。

4.2 强风化花岗岩岩层的钻进

此处桩径1.5m，桩深约71m，采用SR250R旋挖钻机钻进。由于桩深较大，采用5×15摩擦式钻杆配合Φ1.5m的土层双底捞砂钻斗施工。钻进约50m即遇强风化花岗岩，但直至70m后，才出现打滑不进尺现象。实际上，打滑除了与70m后的地层承载力可能变高有关以外，还与钻杆的长度有关。5×15摩擦式钻杆的有效钻进长度约为71.4m（包含钻斗高度约2.3m），钻进约69m时，整个钻杆均被动力头托住，这样钻进初期的加压力实际仅为钻斗的重量。

通过现场观察，虽然钻斗上布置的全为新齿，但钻斗的定位锥刀过长，对钻进起到了阻碍作用，建议将定位锥刀割短至与斗齿高度平齐。改进后，顺利成孔。

在移至下一桩位时，采用改进后的钻斗依然不能进尺，建议采用6×15摩擦式钻杆配合Φ1.5m的土层双底捞砂钻斗施工，施工顺利进行

5结束语

摩擦式钻杆越来越多的用于深孔桩的钻进，而且对于大多数深孔桩而言，一般不会入至基岩，属摩擦桩类。这样，钻进中遇到的硬质地层大多属于本文涉及的全-强风化岩（包括花岗岩，泥-钙质砂岩，砂质泥岩等）或是密实度较高的粘土层等。采用摩擦式钻杆在此类硬质地层的钻进时，应遵循两个思路，其一是增加单齿加压力，其二是在钻进面处制造自由面。当然，由于摩擦式钻杆自身的设计因素，其不能用于钻进中风化及以上的土层。

参考文献

[1]黎中银，王宏伟，解大鹏. 旋挖钻机入岩机理和钻岩效率的分析 [J].建筑机械， 2008， 1

[2]朱迪斯，黄玉文，史新慧. 旋挖钻机岩石钻进试验[J].探矿工程（岩土钻掘工程）， 2008.