摘要：本文依托蒙华铁路三门峡黄河公铁两用大桥工程，通过对超长、大直径、变径钻孔桩施工过程中钻机选用、地层与钻头的匹配调整进行分析，得出超长、大直径、变径钻孔桩在气举式反循环钻机施工时，钻头与地层的合理匹配关系；得出了既能保证钻进速度与效率，又能保证成孔质量与效益的经验，指导相同工况的桩基施工。
关键词：反循环钻机 三翼刮刀钻头 四翼刮刀钻头 组合式牙轮钻头
1工程概况
1.1 设计情况说明
新建蒙西至华中地区铁路煤运通道三门峡黄河公铁两用大桥主桥结构布置：主桥采用(84+9×108+84)m连续钢桁结合梁，桥长1142.5m，为一联布置。
图1-1 主桥结构布置图
墩台及基础形式：主桥墩身采用门型空心墩。主桥基础采用群桩+矩形承台结构形式，其中主墩(1～10号墩)基础采用40根φ2.0m钻孔桩，呈行列式布置；边墩(0、11号墩)基础采用28根φ2.0m钻孔桩，呈行列式布置。桩长范围69-98m。
1.2 设计地质情况
三门峡黄河公铁两用大桥主桥1#～9#墩位处地质层有粉土层、粉细砂层、粉质粘土层、细圆砾土层，其中粉细砂层和粉质黏土层为主要地层。粉细砂层密实饱和，细砂为主局部夹砂砾胶结层；粉质粘土质地坚硬，主要有粉粒及粘粒组成，质地均匀。主河槽地质较复杂，据钻孔揭示，桥址区地层有第四系全新统（Q4）冲洪积砂卵石及黏性土，上更新统（Q3）马兰组砂质黄土，中更新统（Q2）离石组砂卵石、黏性土，下更新（Q1）午城组砂及黏性土组成。主墩处主要地质为粉细砂、粉质黏土、粗圆砾土夹含量不等的卵石。黄河地质较复杂，每个墩位地质差异明显，根据不同地质需采用不同钻头施工。
图1-2 墩基础与承台
表1 钻孔桩地质表
2 钻机选型
本项目主桥陆地桩基选用泵吸式反循环钻机，因钻孔桩孔深超过100m对泵吸反循环钻机功率要求较大，且相较于气举反循环钻机来说，泵吸反循环钻机一清效率低，对泥浆护壁有损害，并且成孔质量相对较差，为此主桥水中承台全部改用气举反循环钻机。
气举反循环钻进技术，具有效率高、钻头寿命长、成孔质量好等特点，在复杂地层中钻进安全可靠，但选用何种钻头来适应不同地区的各种地层要求，从而多快好省的完成施工任务，这是长期以来困扰施工单位的难题。在气举反循环钻进过程中，根据不同的地层和岩石情况，做到合理选用不同钻头是高质量完成桩基工程的前提；再依据设计及首桩地层核对资料，根据不同的地层深度及厚度合理决定钻头的更换与否，是取得良好经济效益的保障。
图2 气举式反循环钻机
3 不同钻头特性及其改进选用
3.1 不同钻头特性
本项目选用的反循环钻机钻头有三种形式，分别为：三翼刮刀钻头、四翼刮刀钻头及组合式牙轮钻头。
图5 四翼刮刀钻头
（1）刮刀钻
在反循环钻进中刮刀钻头是广泛应用于第四系大口径钻孔的廉价钻头，由接头、中心管、导向圈、刮板、撑杆、钻尖等组成，刮刀钻头属切削型钻头，它是以切削、刮挤和剪切方式破碎地层。这种钻头结构简单、制造方便，许多用户都能自己设计制造。适用于松软地层，例如在泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层，可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。但是在硬而研磨性较高的地层中钻进，刀片难以吃入，钻头磨损快，机械钻速低，有时还会出现憋跳现象，对钻具和设备寿命有一定影响，同时还会影响成孔质量。
（2）牙轮钻
组合式牙轮钻头是在三牙轮钻头的基础上发展起来的，故两者在碎岩原理上有着必然的相同之处：钻头体回转带动牙轮在孔底滚动，牙轮齿圈上单、双齿与孔底交替接触而使锥体中心高度发生变化，在钻压作用下产生冲击力压碎吃入岩石；利用牙轮的复锥结构或超顶、移轴布置，使其在孔底做非纯滚动，齿与孔底岩石间产生相对滑移而剪切碎岩。该钻头适用范围较广，适用多种地层；结构形式灵活多样，可适用不同工程的需要，所需钻压低，扭矩小，设备适应性广，单位进尺成本低，效率高，经济性好，具有现场可修复性，使用方便。
3.2钻头改进及选用
项目最初时选用四翼刮刀钻头，钻头采用合金刀片，上下两层扶正圈，稳定性能较好，进尺速度较快，但在黏土地层中容易出现糊钻现象，致使泥浆循环系统堵塞，造成不进尺，需提钻清理钻头，从而使整体钻孔速度降低，并且增加了人工参与程度，引入更多不稳定因素，功效较低；后把四翼刮刀钻改为三翼刮刀钻，发现在黏土地层中糊钻现象明显降低，但稳定性相对较差；在卵石地层中刮刀钻刀片损坏速度较快，造成刀片更换次数增多，提钻次数频繁，严重时钻头整体损坏，成本提高，使钻机功效严重降低，后改用组合式牙轮钻头，但成孔质量较差。
经过现场的不断尝试与总结得出：
（1）在黏土地层厚度超过10m且坚硬地层厚度小于3m的地层中使用三翼刮刀钻头施工，加大了泥浆循环空间减小糊钻可能，并在钻头上部增加配重从而增大钻头的稳定性与切削能力，最大限度减少了提钻次数，大大增加了气举反循环钻机的功效；
（2）在黏土地层厚度不超过10m且坚硬地层厚度小于5m的地层中使用四翼刮刀钻头施工，四翼刮刀钻比三翼刮刀钻稳定性好，该地层中不易发生糊钻现象，充分发挥钻机功效；
（3）在坚硬地层超过5m厚的地层中改用组合式牙轮钻头，组合式牙轮钻头在坚硬地层中研磨破碎效果较好，且不易损坏，能够充分发挥钻机功效，但在黏土地层中容易出现糊钻现象，进尺速度很慢，相较于刮刀钻头功效较低，在穿过坚硬底层后改用刮刀钻头扫孔并继续施工；
（4）在深度超过70m的地层中，更换一次钻头需要耗时1天，现场需要根据地层厚度与硬度合理进行钻头更换；
（5）钻头合理更换的工艺方法大大加大了超长大直径钻孔桩的施工效率，且保证了成孔质量。根据现场施工效率统计，得出不同钻头钻机功效如表2及不同地层适用钻头如表3。
表2 不同钻头钻机功效对比
4 成孔质量
钻孔桩施工过程中，成孔质量与成孔进度存在一定的反比关系，三翼刮刀钻头因为在切削能力与稳定性方面相对弱于四翼刮刀钻头，因此以四翼刮刀钻在硬质地层成孔孔形方面比三翼刮刀钻好；但是因为四翼刮刀钻在降低糊钻方面弱于三翼钻头，因此在软黏土层三翼钻头成孔质量高于肆意钻头；组合式牙轮钻头适用于卵石地层中，利用其研磨性成孔，在一般地层不使用，在卵石地层成孔时由于钻头的抖动，成孔质量稍弱于其他地层的其他钻头。下图为硬质黏土层三翼钻头与四翼钻头的成孔图像：
5 结论
本文通过对三门峡黄河公铁两用大桥工程的超长、大直径、变径钻孔桩施工进行总结，得出超长、大直径、变径钻孔桩施工经验如下：
（1）气举式反循环钻机以其自身稳定性强、钻孔深度适应性好等特点，在工艺质量方面优于泵吸式反循环钻机；
（2）根据地层厚度及硬度，合理选择钻机钻头类型，能够保证高效、高质量成孔；
（3）根据地层的厚度及深度，决定钻头的更换频次，能够有效保障施工效率。
参考文献
[1]《大直径钻孔用刮刀钻头的设计与应用》 许刘万，史兵言，王兴无，佟冬喜 探矿工程（岩土钻掘工程）2001年增刊.
[2]《组合式牙轮钻头的特性、设计和使用》谢文卫，宋爱志，苏长寿.探矿工程1997年第一期.
[3]《三门峡黄河公铁两用大桥设计施工图纸》.
论文作者:王刚
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/22
标签：钻头论文; 刮刀论文; 地层论文; 钻机论文; 牙轮论文; 钻孔论文; 黏土论文; 《防护工程》2019年第1期论文;