硬质岩层中长大桩基快速成孔设备改造分析

中建三局城建有限公司，吉林 长春 130000

桥梁工程钻孔桩直径以0.8～2.0m最为常见，近年来随着桥梁建设的迅猛发展，桥梁跨度也不断增大，因而上部结构对基础的承载力要求也越来越高，直径大于2.0m的长大桩基也变得较为普遍。旋挖钻机、反循环钻机、冲击钻机是桥梁桩基较为普遍的施工设备，适用于不同的地质情况；而硬质岩层中长大桩基施工对钻机性能要求较高，因此在硬质岩层中常规钻机往往无法满足要求，只能选择性能更高的钻机设备，以此来提高施工效率、降低施工成本。

1 桩位地质概况

该工程桩基地质情况如下：粉质黏土（0～1.8m、σ0=100kPa），粉质黏土（1.8～9.2m、σ0=180kPa），砾砂（9.2～18.1m、σ0=280kPa），泥质砂岩（18.1～18.9m、σ0=350kPa），泥质砂岩（18.9～20.4m、σ0=420kPa），泥质砂岩（20.4～91.9m、σ0=600kPa）。

2 钻机选型

2.1 设备比选

在实际钻机选型过程中，通过其他类型和型号设备的比较，优选施工成本最低、对施工工期影响最小的钻机型号，根据地质情况计算出的结果，项目部前期对CK2500冲击钻机、550旋挖钻机、FXZ-450型反循环钻机进行了参数对比，参数对比如表1所示。

表1 设备比选参数对比

通过对比CK2500冲击钻机、550旋挖钻机、FXZ-450型三种不同设备型号的反循环钻机，发现CK2500冲击钻机和550旋挖钻机虽然能够满足施工要求，但施工进度太慢、施工成本较高，FXZ-450型反循环钻机性能参数较低，作为此类钻孔桩施工需进行部分性能的改进。

2.2 钻机扭矩和功率计算

大型钻孔灌注桩所用钻机应根据桩径、桩长、地质条件等因素条件确定，项目技术部门依据相关地质和桩基设计参数，对该桥钻孔桩钻机所需的扭矩M和功率N进行了计算，主要使用的计算公式包括钻机扭矩和功率计算经验公式：

式中：M为钻机的扭矩，N·m；N为钻机的功率，kW；D为钻头直径，cm；P为轴压力，kN；n为钻头回转速度，r/min；K为岩石特性系数。具体情况如表2所示。

表2 岩石特性系数表

根据该工程桩基所处地质情况，选取参数为D=220cm，K=8×10-5；钻头组装质量约为G=27.5t；钻压P=4～6G，取P=1100kN；动力头钻速取n=4r/min。

通过公式计算所需钻机扭矩M=195.54kN·m，所需钻机功率N=77.97kW。

2.3 钻机设备改造方案

根据计算结果，项目部就决定主要增加FXZ-450型反循环钻机的扭矩和功率，其次增加钻杆的厚度、钻头的形式、刀齿的材料、钻杆的压力，以便实现大动力的情况下施工工效的再次提高，并改善设备的支腿，以满足设备在运转过程中的稳定性，将双排支架改为双排支架，并设置限位凹槽保证钻孔垂直度。

（1）提升动力。加强型FXZ-450型反循环钻机增加2个动力组，在44kW的基础上增加至88kW，有效输出动力得到了大幅度的提升，更加适合此类长大钻孔桩的施工。

（2）增加钻杆厚度。由于大直径超长钻孔桩钻杆受力比较复杂，因此钻机的钻杆在传递动力时，钻杆的上段受拉、下段受压，同时还应以受弯应力和扭曲应力来验算钻杆截面是否安全，以免在钻进过程中钻杆因被扭断而引起掉钻事故。钻杆的抗拉、抗压、抗扭以及抗弯强度应根据钻压、钻杆及钻头重量、钻机扭矩等分别计算，并以此确定钻杆厚度。在此基础上，项目决定增加钻杆的壁厚，由普通2cm壁厚的351/2000mm增加至3cm壁厚，提高钻杆受力性能。

（3）增加钻头压力。在钻机动力增大的情况下，增加40t的钻杆液压压力，同时增加钻杆的壁厚，以此有效增大钻头的压力。

（4）增加钻头刀片数量和强度。钻头刀片材料由合金刀齿改为金刚石复合片刀齿，硬度显著提高，以避免钻孔过程中耗费时间对钻头进行补强，有效节约时间，并且钻头由普通两翼改为四翼，从而增加了钻头的数量。各钻头型号适用范围如表3所示。

表3 反循环钻机钻头适用范围

（5）加强设备稳定性。通常动力的增加会导致设备工作状态下整体稳定性变差，为了解决此问题，在设备四条主支腿的前提下，在钻杆支架下方增加了4个次支腿，以解决因设备失稳造成的钻孔孔位偏差较大的问题。

（6）保障钻杆垂直度。钻杆支架由单排改装为双排，在支架间增加钻杆提升限位槽道，以便在更换钻杆后，保证钻杆垂直度，使孔位倾斜度误差在允许范围内。

3 改造成果

经过对FXZ-450型常规反循环钻机改造，各项参数汇总如表4，效果图如图1所示。

表4 改造后反循环钻机参数表

图1 加强FXZ-450型四动力反循环钻机示意图

改造后的反循环钻机不仅能够提高施工效率加快施工进度，还可以节约施工成本，将此设备与SWDM550旋挖钻进行比较，以已实施项目施工中的一根长75m、桩径为2.2m的桩基为例，各项数据对比数据汇总如表5所示。

表5 施工进度和施工成本对比表

4 结束语

四动力改进型FXZ-450型反循环钻机施工通过增加两组22kW动力机组来增加钻机动力，并通过增加钻杆的厚度，增大钻头的作用压力，靠钻头的转动带动增加后的刀齿数量和改善后的刀齿材质，不断有效切削岩土，提高施工工效。文章以实际大跨度硬质岩层中长大桩基工程施工为例，介绍了常规型FXZ-450型反循环钻机的改造，可知在重难点控制性桩基施工前，结合项目地质情况对钻机进行选型，能够在保证桩基施工质量的前提下，减少施工成本和提高施工效率，从而使项目的保质保量地完成。