影响旋挖钻头选用的因素很多,概括起来主要有三个方面:地层情况;钻机功能;孔深、孔径、沉碴厚度、护壁措施等。
一、目前常见旋挖钻头的分类
常见的旋挖钻头有螺旋钻头、旋挖钻斗、筒式取芯钻头、扩底钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头和液压抓斗,下面逐类简单介绍。
1、螺旋钻头:
(1)锥形:双头双螺,适用于坚硬基岩。双头单螺,适用于风化基岩、卵石、含冰冻土等。以上钻头配装各种合金头截齿,通过齿型、螺距、螺旋升角的变化又可派生出很多类型的钻头。在北京昌平畅春园跨湖桥梁施工中,桩径1.2米,要求桩尖入岩2.5米,其中1.5米为中风化和强风化岩层,1米为微风化基岩对于中风化和强风化,用装配合金截齿的双头单螺钻头钻进即可;但对于微风化,则必须选用双头双螺的锥形短螺旋钻头。此种钻头,在土力r625旋挖钻机正常工作压力下,在一小时左右的时间,可以完成1米深的坚硬基岩的钻进。对于用旋挖在岩层中成孔而言,速度算是比较快的。
(2)直螺旋钻头:
a、斗齿直螺:双头双螺,适用于砂土,胶结差的小直径砾石层;双头单螺,适用于砂土、土层;单头单螺,适用于胶结差的大直径卵石,粘性土及硬胶泥。其特点是,对于非岩性地层,在无泥浆护壁成孔的施工条件下,钻进速度较快,孔口卸土也非常方便。适合于陕西等黄土高原地区的成孔施工。
b、截齿直螺:有双螺、三螺和四螺,适用于是硬基岩或卵砾石。在北京北五环仰山桥成孔施工中,采用此种钻头,顺利的穿过了胶结的卵砾石层,避免了普通钻斗施工中钻机的整体震动,有效的保护了钻机液压和电路系统等免受损坏。
2、旋挖钻斗
按所装钻齿可分为截齿钻斗和斗齿钻斗,斗齿钻斗又可分为直齿(t25齿)钻斗和螺旋齿钻斗;按底板数量可分为双层底斗和单层底斗;按开门数量可分为双开门斗和单开门斗;按桶的锥度可分为锥桶钻斗和直桶钻斗;按底板形状可分为锅底钻斗和平底钻斗。以上结构形式相互组合,再加上是否带通气孔、开门机构的变化,可以组合出几十种旋挖钻斗。
2.1一般来说双层底钻斗适用地层范围较宽,无论是流动性较强的沙层,还是粘性较强的土层,都可以采用;而单层底的只适用于粘性较强的土层,对于流动性较强的流沙层则不适用,无法将钻进沉渣捞出孔外。双门钻斗适用地层范围也较宽,适用于大部分地层;单门钻斗只是用于大直径的卵石及硬胶泥。对于粘性较强的土层及直径较大的卵石和硬胶泥地层,采用单层底和单门钻斗,在孔口容易卸土,操作起来灵活方便,能有效的压缩非钻进流程的时间。
2.2直齿钻斗的斗齿与钻斗底盖和进齿面均成45°角,进尺速度快,适用于地质较软的土层等地层;螺旋齿钻斗的斗齿与钻斗底盖成30°角,角度稍小,适用于硬度稍大、对斗齿摩擦比较多的沙土层或者沙层,进尺速度比直齿慢,但比直齿耐用,遇到小的卵石,也不易被掰断斗齿。
3、筒式取芯钻头
目前常见的有两种:截齿筒钻(适用于中硬基岩和卵砾石),牙轮筒钻(适用于坚硬基岩和大漂石)。在筒式取芯钻的两大类钻头中,又有带取芯装置和不带取芯装置之分,主要取决于取芯的难度。因为牙轮取芯钻头主要用于硬岩钻进,且钻取的环状面积大,如果有条件的还可以通在在钻头部分加装反循环钻进,以提高钻进效率。
4、扩底钻头
在桩径不增大桩深不增加的基础上,设计部门往往通过扩底桩来实现单桩承载力的提高。旋挖钻机进行扩底是无需任何改动就可施工的,只需选用扩底钻头即可。扩底钻头常用的以机械式为主,这种钻头使用和维护都比较简单,有上开式和下开式的,张开机构一般为四连杆的,用于土层、强风化、中风化地层甚至坚硬基岩。由于旋挖钻进是非循环钻进,扩底完成后用清渣桶清渣即可。但是对于扩底部位比较黏滑的地层,四连杆机构不易打开,实现扩底往往比较困难,在徐州电厂试桩工程施工中就遇到了这样的问题。这时需要根据实际情况改进钻齿,使钻齿能在扩底地层中吃住劲,才能实现进尺。
5、冲击钻头、冲抓锥钻头
在钻进大直径卵石、大漂石和坚硬基岩,使用冲击钻头、冲抓锥钻头配合旋挖钻进特别有效,这类钻头的使用是通过旋挖机副钩吊挂来作业,因为要有冲击作用,所以要求副钩具有自由放绳功能效果才能更好。这种钻进工艺,因为对钻机功能有更多要求,所以在实际施工中较少用到。
6、液压抓斗
目前连续墙和防渗墙的施工工程日趋见多,如果对旋挖钻机作机械上的相应改动,将钻机桅杆和钻杆改为液压抓斗,就可进行地下连续墙的施工。比如说意大利土力系列的钻机,有很多型号是多功能底盘,可以进行旋挖成孔和地连墙成槽的相互转换。
二、根据地质情况选用钻头
旋挖钻机主要的功能是在地表形成孔槽,工作对象是浅层地质,以沙土为主,同时也会遇到卵石层,甚至是基岩。由于地层情况是千变万化的,同时浅层地质受人类活动的影响比较大,相对于深层地质来讲,其规律性更是难以把握,所以旋挖钻机工作的对象是特别复杂的。前面已经介绍了不同钻头所适用的地层,现在总结介绍一下根据不同的地质情况,来选择相应的钻头。归纳起来有以下几类。
(1)粘土:选用最常用的直齿锥桶钻斗,钻进速度快,而且卸土轻松方便;(2)淤泥、粘性不强土层、砂土、胶结较差粒径较小的卵石层:可配用双层底、带螺旋齿的钻斗;(3)硬胶泥:选用单进土口的(单双底皆可)旋挖钻斗,或斗齿直螺;(4)冻土层:含冰量少的可用斗齿直形螺钻斗和旋挖钻斗,含冰量大的可用锥形螺旋钻头。需要说明的是,螺旋钻头用于土层(除淤泥外)皆有效,但一定有在没有地下水、地层稳定的情况下使用,以免产生抽吸作用造成卡死;(5)胶结好的卵砾石和强风化岩石:需要配备锥形螺旋钻头和双层底的旋挖钻斗(粒径较大的用单口,粒径小的用双口),配用合金斗齿(子弹头)效果更好;(6)中风化基岩:按照工艺先后顺序,可以依次配用截齿筒式取心钻头→锥形螺旋钻头→双层底的旋挖钻斗;或者截齿直形螺旋钻头→双层底的旋挖钻斗;(7)微风化基岩:按照工艺先后顺序,依次配用牙轮筒式取心钻头→锥形螺旋钻头→双层底的旋挖钻斗。如果直径偏大,还要采取分级钻进工艺。
三、根据旋挖钻机的功能配置来选择钻头、钻具
如果旋挖钻机具有地下连续墙成槽的功能,可以选配液压抓斗或双轮铣进行连续墙的成槽施工。如果副卷扬有自动放绳功能,可选择冲击钻头和冲抓钻头钻进大直径卵石或漂石。如果配备有气室和水龙头可进行气液钻进。如果配备有双动力头或搓管机的,可进套管钻进,这是钻进中顺利通过流砂、破碎卵砾石、淤泥层的非常有效的工法。
需要进一步说明的是,在灌注桩成孔施工中,相对于其它钻进机械来讲,虽然旋挖钻机的效率是比较高的,但旋挖钻机并不是万能的。而且旋挖钻机的价格比较高,维修保养负担比较重,由此造成成本比较高,因此是否选择旋挖钻机进行施工,要根据工程的具体情况,权衡利弊后做出选择。