中铁十四局集团大盾构工程有限公司
摘要：地铁围护结构钻灌注孔桩施工在复杂地层中成孔机械设备的选型对钻孔灌注桩施工尤为重要，钻机选型直接关系到施工功效。针对厦门地铁3号线复杂的地质情况，在桩基进入中风化花岗岩后采用牙轮钻头进行破岩施工，大大提高了施工效率；同时，对桩基采用牙轮钻头施工成本进行了分析，对其他类似地质条件下的围护桩施工具有很好借鉴意义。
关键词：钻孔灌注桩；硬岩地层；牙轮钻头
0 引言
随着我国经济的高速发展，地铁建设也相继进入施工高峰期。面对复杂的地质条件，钻孔灌注桩作为地铁明挖车站围护结构形式的一种被广泛应用[1-2]。
本文主要针对厦门3号线浦边站围护结构钻孔灌注桩施工，桩基嵌入中风化花岗岩地层，嵌入深度大、岩层强度高。施工时采用冲击钻施工进度缓慢，几乎零进尺；迫于工期紧张，且场地条件受限的特点，采用旋挖钻（配置牙轮钻头）进行钻孔施工，效果较为明显，牙轮钻头对硬岩地层适应性较好，大大提高了施工进度。
1 工程概况
1.1 工程概述
厦门地铁3号线浦边站总长度为353.4m。本站为地下二层双岛四线车站，为三柱四跨闭合框架结构。车站正线设计里程范围内，结构标准段宽度38.9m，基坑深约18.5m，顶板覆土约3.2m。基坑主要区域采用钻孔灌注桩+止水帷幕+内支撑体系，存在基岩突起的区域采用吊脚桩支护，车站主体采用明挖顺做法施工。
1.2 工程地质情况
浦边站主体基坑范围内地层从上至下依次为素填土、粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、全风化辉绿岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩等。
（1）碎裂状强风化花岗岩地层为中粗粒花岗结构，碎裂状结构，岩体节理裂隙十分发育，裂隙面结合差，敲击易沿裂隙面碎裂，岩石基本质量等级为Ⅳ～Ⅴ级。
（2）中风化花岗岩地层裂隙较发育，裂隙面可见铁锰质渲染，易沿裂隙碎裂，岩质大部较硬，属较硬岩，裂隙附近较软，岩体基本质量等级Ⅱ～Ⅲ级。
图1 浦边站地质纵断面图
中风化花岗岩岩石强度高，压缩性高，在桩基施工工艺的选择方面会遇到一系列问题。为了保证施工工艺的正确选择，保障中风化花岗岩区域桩基施工功效，针对该类岩石的力学特性[3-7]，选择了牙轮钻头进行施工。
2 牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头主要靠牙轮的压入、压崩及对岩石起到刮切作用，适用于抗压强度很高的硬岩地层及非研磨性、致密性地层。
牙轮在破岩时存在两种运动：一是牙轮绕钻头体轴线顺时针方向的公转，二是牙轮绕牙掌上的轴径的逆时针自转。除了此两种运动方式以外，牙轮还存在轴向振动，横向振动，扭转振动以及粘滑振动等[8]。牙轮钻头的破岩方式主要有两种：
1）冲击压碎，钻头在破岩进程中的纵向振动，使牙轮不断冲击岩石，当牙齿接触岩石的时间比岩石受冲击破碎所需的时间大时，岩石被冲击破碎；当牙齿的轴向力大于岩石的抗压强度时，岩石被压碎[9]。
2）刮削剪切，当牙轮上某一点的自转线速度小于其公转线速度时，钻头会发生滑移，岩石就被剪切刮挤掉。岩石的抗压强度大于抗剪强度，故剪切破碎岩石比冲击方式破碎岩石的效率要高很多[10]。
3 牙轮钻头的应用及成本分析
3.1单牙轮钻头操作流程
根据浦边站工程地质情况，钻孔灌注桩施工遇中风化高强度岩层后，改用牙轮钻头进行施工。目前国内生产的牙轮钻头共有单牙轮钻头、三牙轮钻头两种形式，如图2、图3所示。其中单牙轮钻头适用于大直径钻孔施工，适合本工程钻孔灌注桩施工。
牙轮钻头由筒钻焊接8个牙轮构成，牙轮1/2内外交错布置，适合强度100Mpa以上的硬岩。牙轮掌的结构组成：牙掌由带护径的滑动密封轴承，爪尖、爪背保护，锥球齿组成，锥球齿材质为合金。
图2 牙轮 图3 三牙轮钻头
本工程钻孔灌注桩入中风化岩层后采用单牙轮钻头施工，牙轮焊接安装如下：
（1）筒壁开口宽度以刚刚放入牙掌底座为宜，不要留过大间隙，筒壁开口深度应保证焊接后的牙轮露出筒壁1/2～1/3轮高为宜；牙轮两侧筒壁顶端开八字倒角；
（2）牙掌安装顺序，最大可能遵循正反交替，三轮互补的原则；
（3）焊接牙轮掌/底座时要保证牙轮掌水平高度一致且在同一个圆圈上，突出的牙轮掌会提前磨损；
（4）焊接时遵循牙轮爪向爪背一侧倾斜5º～7º的原则，如图4所示，不可向轮尖一侧倾斜，避免爪尖过早磨损；
图4 牙轮掌焊接示意图
（5）焊接时应将牙轮掌侵入水中分阶段焊接加固，重点冷却牙爪与牙轮结合处，避免高温造成密封圈或者轴承润滑系统失效；
（6）每个牙轮掌的荷载范围为3～5吨，使用中保证筒钻在承压范围内；
（7）使用过程中如发现钻机异常，请及时检查钻头使用情况，及时纠正，避免造成不必要的损坏。
3.2牙轮钻头施工情况
旋挖钻在土层施工时主要采用双底板筒式钻头，进尺约15m/h；当钻头钻进至碎裂状强风化岩层时，钻进速度明显减慢，且钻头损耗严重，需更换配置“子弹头”钻牙的筒式钻头，每小时进尺约50～80cm；及至中风化岩层时，钻进困难，几乎无进尺，且“子弹头”钻牙磨损严重，合金块出现崩齿现象。此时，更换牙轮钻头进行破岩施工。更换钻头后，每小时进尺约15～25cm，取得了明显的破岩效果。
在牙轮施工时，当钻头中岩心长度达到一定程度时，通过左右摆动钻机，将钻头中的岩心剪断，缓缓提升钻杆至地面将岩心倒置地面，如图5所示。
图5 中风化岩芯 图6 使用后的牙轮钻头
中风化花岗岩层中使用牙轮钻头进行施工，经现场跟踪统计，每进尺约5.5m，牙轮齿将出现不同程度的磨损，若钻头的2个牙轮磨损严重则需更换钻头，如图6所示。当牙轮齿磨损至嵌镶的合金耐磨块时，则需及时更换牙轮，以防止磨损牙掌及筒壁。总结施工经验，每台钻机需配置2个牙轮钻头备用，当牙轮齿磨耗严重需修补时，更换新的牙轮钻头继续施工，确保钻机不出现停滞的情况。
更换牙轮采用CO2气保焊焊接工艺。首先，采用氧气乙炔将磨损严重的牙轮连同牙掌，沿原筒壁预留开口处一起割掉；其次，割除后用氧气乙炔将开口修整平顺，开口大小满足新牙轮安装及焊接需求即可；最后，按照牙轮焊接要求重新安装焊接牙轮，保证新更换牙轮的方向、角度需与原牙轮一致，如图7、图8所示。因焊接工艺复杂，焊接牙轮共用时7小时，其中冷却时间约3小时。
图7 牙轮切割 图8 牙轮焊接
3.3 成本分析
施工过程中，专人进行不间断跟踪记录，经整理分析牙轮钻头施工成本如下：钻进中风化5.5m，用时约28小时（按照每天工作15小时计算，共施工1.8天），经加权平均法分析需更换3个牙轮，发生成本费用如下表1：
表1 牙轮钻头施工成本分析表
综上，采用牙轮钻头进行破岩施工，进入中风化岩层需投入成本约7582元/m。
4、结束语
厦门地铁3号线浦边站围护结构钻孔灌注桩入岩深度较大，且岩石强度高，迫于工期压力大、场地条件受限，遂采取牙轮钻头进行破岩施工，解决了硬岩地质桩基成孔困难的技术难题，同时加快了施工进度，缓解了工期压力。对其他类似地质情况的钻孔灌注桩施工具有很好的借鉴意义。
参考文献
[1]刘桂荣，牙轮钻头在钻孔灌注桩进入硬岩中的应用研究，2008，34(1):100-103.
[2]吴志卿，浅谈旋挖钻与回旋钻机冲击钻施工工艺.2014,152(23):98-101.
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[8]J.V Kenner and M.R. Isbel, Hughes Christensen: Dynamic Analysis Reveal Stability of Roller Cone Rock Bits. SPE 28314.
[9]M. C. Sheppard and M. Lesage, Anddrill/Schlumberger: The Forces at the Teeth of a Drilling Rollercine Bit. Theory and Experment. SPE 18042.
[10]程伟.PDC一牙轮复合钻头布齿设计技术研究[D].西南石油大学，2015.
作者简介
牟政，男，1984年04月，工程师，中铁十四局集团大盾构工程有限公司。
论文作者:牟政
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/12
标签：牙轮论文; 钻头论文; 钻孔论文; 岩石论文; 花岗岩论文; 进尺论文; 地层论文; 《基层建设》2018年第10期论文;