旋挖钻机方形钻头的设计及应用

罗 菊，李晓亮

LUO Ju,LI Xiao-liang

（徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏 徐州 221004）

旋挖钻机是一种用于成孔作业的桩工设备，随着近几年国内基础工程的大力发展，旋挖钻机以其高效、快捷、环保、成孔质量高等优势得到了广泛的应用。它主要利用动力头驱动钻杆，并通过钻杆将动力头的驱动力与加压力传递至钻头来实现对地层的切削与钻进。目前，市场上旋挖钻机钻头均为圆形，主要用于圆柱桩孔的施工。当旋挖钻机用户遇到方形桩工程时，现有的旋挖钻机钻头难以满足使用要求。另外，由于工作装置的尺寸原因，对于长宽均小于2m的方形桩孔，无法采用地下连续墙液压抓斗来施工作业。如何使旋挖钻机用户能够采用现有的旋挖钻机设备完成方形桩工程任务是近来市场上经常反馈的问题。其中，南水北调中线一期工程南阳段方形桩工程就是市场上反应的案例之一。

南水北调中线一期工程南阳段是中线总干渠工程的一部分，位于陶岔至沙河南段南阳市境内。根据工程设计要求，此段中性膨润土试验区桩为方形挡土桩，主要承受径向载荷，因此相比承压桩，挡土桩对孔底质量要求要低。具体工程情况如下：地层为中性膨润土，桩尺寸为2.0m×1.2m×13.8m（长× 宽× 深），桩间距为4.5m，桩数量为180 根。

1 方形钻头设计

根据现场情况的调查了解以及与用户（河南平普科技有限公司）的沟通交流，制定了旋挖钻机方形钻头的初步方案。该旋挖钻机方形钻头主要由方头总成、导向体总成、钻头主体、耐磨刀片组成，其中耐磨刀片通过螺栓固定在钻头主体的下端边框上，以便于耐磨刀片磨损后进行更换。图1是该旋挖钻机方形钻头的一个简图；图2为旋挖钻机方形钻头的一个俯视图。

图1 旋挖钻机方形钻头简图

图2 旋挖钻机方形钻头俯视图

旋挖钻机方形钻头通过上端焊接的方头总成与钻杆方头连接固定在一起。工作时，钻杆的自重及动力头的加压力传递至旋挖钻机方形钻头的耐磨刀片上，耐磨刀片对中间部分已切削成圆孔的地层进行切入，从而完成方形桩孔的修壁成形。钻头主体四周焊接的导向体总成在提钻时起到导向作用，防止旋挖钻机方形钻头向上提升时卡入方形桩孔的孔壁，同时有效保护钻头主体不被磨损，延长旋挖钻机方形钻头的使用寿命。

2 工程应用

采用旋挖钻机钻进方形桩孔在国内尚属首次。在工程初期，渝水二局的相关负责人对方形钻头施工方案半信半疑，很多施工方及厂家也表示难度较大。为了帮助用户顺利完成工程，在完成钻头设计后，徐工基础公司设计人员与用户多次沟通交流，制定多套施工工艺方案，最终形成的旋挖钻机方形桩孔成桩工艺为：开孔—下方形护筒—第一个圆孔成孔—第二个圆孔成孔—方形钻头钻进成方形桩孔—清渣—验桩—下放钢筋笼—浇灌混凝土。图3～图6为主要的施工过程图片。

图3 下放方形护筒

图4 采用捞砂斗钻2个圆孔

图5 方形钻头钻进成方形桩孔

图6 浇筑完成的方形桩

3 施工中存在的问题及改进方法

在上述施工工艺指导下，旋挖钻机方形钻头在应用中稳定可靠、效率高、成桩质量好，为用户创造了可观的收益，得到用户、监理单位及同行的一致认可，3h 能够完成1 个方形桩孔。同时，施工过程中也存在一些小的问题，均在现场完成改制，具体如下。

1）方形钻头4 个角的加强筋板与两侧边形成三角区，该三角区极其容易堆积泥土，挤压密实后，形成较大的阻力，造成钻头进尺较困难。解决措施：将加强筋板中间部分切割，增大土的排挤空间。现场改制后，不再出现堆积泥土的现象，改进效果明显。

2）导向体总成过宽，影响下钻及提钻速度。在方形钻头钻进或提钻过程中，主要是方形钻头四周的导向体总成与孔壁接触，由于中性膨润土的特性，对钻头阻力较大，虽然在大的加压力下，方形钻头也能完成钻进，但是对孔壁影响很大，甚至会出现塌孔的现象。因此在后续设计改进中还须将导向体总成的宽度适当减小。

4 结 论

通过3 个月的施工情况来看：第一，该旋挖钻机方形钻头能够高效、高质量地完成土层浅孔的方形桩孔工程；第二，该旋挖钻机方形钻头结构简单，易于加工，生产成本及维护成本低，经济性好；第三，在保证强度的前提下，加大方形钻头4 个角的排土空间，减小导向体总成的宽度等能够改善方形钻头的施工性能，大大提高施工效率；最后，此旋挖钻机方形钻头及其施工工艺扩展了旋挖钻机应用范围，为今后越来越多的特殊工程施工提供了一种思路。