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结合上海地铁车站等工程大直径钻孔灌注桩的成孔经验，比较了改进型与常规型梳齿钻头刮刀契入角对硬塑粘性土层、密实砂层回转钻进的工效；验证了与刮刀契入角 相匹配的钻进压力对提高成孔钻进效率的重要作用。在此基础上提出了计算和选择合理的钻压比对提高成孔工效的意义。就刮刀契入角、梳齿(即刮刀)截面尺寸与数量的合理设计和钻具总重的定量预择等工艺参数作了有益的探索。

1.概况

1.1工程概况

某地铁车站总长200m，基坑开挖深度15m。φ1200钻孔灌注桩为立柱桩基，沿基坑纵向分布共35根，桩长多为55~59m。桩端深度约67~69m。

某大桥主墩灌注桩38根/墩、辅墩14根/墩，桩长112m，桩径Ф2500。

某污水处理厂深曝井一座，孔槽直径Ф3500，孔深92m。

1.2场地土层特性

1.2.1地层性质及其分布

上海某地铁车站场地主要地层特征是：⑤₄层中压缩性硬塑粘土埋深约44~46m；⑦₁层中偏低压缩性粘质粉土层埋深45~49m，标贯35~50击；⑦₂层低压缩性粉细砂层(俗称“铁板砂”)埋深约49~80m，为桩基持力层，标贯65~88击。

某大桥场地主要地层特征是：⑥层中压缩性可~硬塑粉质粘土埋深29~34m；⑦₁层中密~密实砂质粉土、粉细砂埋深26~36m，标贯40~43击；⑦₂层密实含砾粉细砂埋深36~76m，标贯46~80击；⑨₂层低压缩性密实含砾中粗砂埋深72~80m，标贯51~76击；⑩层可~硬塑粉质粘土埋深80~85m；eq\o\ac(○11₂层低压缩性密实含砾中粗砂层埋深度105~118m，为桩基持力层，标贯80~92击。

无锡某污水处理厂深曝井工程场地内主要是粉土与粉质粘土的交互层。硬、可塑粘性土占40%，密实、中密粉土和粉砂占55.0%，块状碎石和风化粉砂岩占5%。

1.2.2影响成孔效率的主要问题

采用梳齿钻头常规布齿结构和配重情况下，上述硬可塑粘性土层对钻头的粘滞阻力较大，进尺缓慢；在密实砂性土层中，钻头钻进阻力明显较大，合金刃口磨损严重，进尺缓曝慢。尤其东安路地铁车站，⑤₄层硬塑粘土层厚不足2m，但平均穿越时间超过5小时；⑦₂层粉细砂层中的钻进进尺仅占全孔总长的36%，但平均成孔耗时却占全孔的70%以上。

2.成孔钻进工效因素分析

2.1不同钻头结构的钻进效率比较

2.1.1原型梳齿钻成孔工效分析

梳齿钻头结构改进之前，某地铁车站投用了GPS—30型、GF—220型和QJ—250型三种钻机，各钻机成孔效率统计如表2.1.1：

表2.1.1原型钻头钻进效率比较

注：刮刀契入角——刮刀回转钻进迎切面与水平面之夹角。

在地层条件、钻头结构相同情况下，依据表2.1.1反映的钻进工效和施工记录，反映了如下基本情况：配重较大的钻进效率高于配重较小的；加配重的钻进效率高于未加配重的；同一钻机情况下，在钻进阻力相对稍小的⑦1粉细砂土层段，梳齿钻头钻进效率高于牙轮钻头；而在阻力较大的⑦2粉细砂层段，牙轮钻与梳齿钻的钻进效率相近，只是前者合金刃口相对耐磨。

2.1.2结构改进型梳齿钻头的成孔工效

表2.1.2反映了改进型梳齿钻头与原型梳齿钻头钻进工效的明显差异。

表2.1.2改进型与原型梳齿钻头钻进工效比较

本表反映了改进型梳齿钻头成孔工效比原型钻头有较大幅度的提高。如QJ250钻机，使用结构改进型钻头后，在施加配重均为70kN条件下，平均成孔工效由1.12m/h提高到1.74m/h，增长55%；与施加配重30kN的比较，平均工效提高了64%；与未施加配重的原型钻头比较，平均工效提高100%。

某大桥主敦φ2500钻孔灌注桩使用QJ250钻机成孔，刮刀回转契入角由90°改为75°后，同深度单孔成孔时间由原来的105.5h减少到81.6h，平均进尺工效由1.04m/h提高到1.35m/h，成孔效率提高约30%。

在86.5m深度范围内，深曝井成孔地层与大桥地层条件基本相近，但深曝井的成孔直径为3.5m，加上配重较大因素，钻头承受的扭应力超过大桥Ф2500成孔钻头扭应力的2.5倍以上，钻机处于超负荷运转状态，尽管对梳齿契入角及齿位重叠系数仅作了有限的改进(改进后的钻压比提高到0.28)，但还是体现了一定的效果，否则，直径3.5m大深度井槽的钻进就难以实现。

2.2 影响钻进效率主要因素简析

2.2.1 设备能力

仅就设备能力而言，在地层、钻头结构、钻压等特定条件不变的状况下，影响钻进速度的主要因素是钻机的固有的扭矩和可实现的转速。地铁车站深基坑工地使用三种型号的钻机，体现了不同的设备能力。从成孔实际效率分析，GF220钻机和GPS30钻机的扭矩较之QJ250钻机显得“力不从心”，在密实粉细砂层中大多只能以较慢的1档或2档速钻进。而QJ250钻机则可以2档速钻进时比较轻松，且也可以3档速钻进，其进尺速度显然比前者快。

可见，钻机扭矩的适应能力对钻进效率有直接影响，对于不同的地层条件或不同的钻进阻力，应当选择机械能力与之相适应的钻机，是实现较理想成孔工效的基础条件。

2.2.2 钻头结构

从提高进尺速度而言，在满足钻头结构强度前提下，梳齿钻要解决的主要问题是选择合理的梳齿回旋契入角和合理减小梳齿刃口有效承压总面积，目的在于减小钻进阻力。

原型梳齿钻头的刮刀刃口截面多为30mm×30mm或30mm×40mm，刮刀契入角大，为85°～80°，齿刃浮在密实砂土层表面，不易契入，非但进尺慢，而且刃口磨损快。此外，布齿偏密，齿位重叠系数大，致使钻头的刮刀承压总截面积较大，即钻压比变小。这是成孔效率低下的主要原因。

同一场点(地铁车站)的成孔试验证明，在地层、配重条件相同情况下，同一钻机上安装改进型梳齿钻头的钻进工效则有大幅度提高。如QJ250钻机钻进工效提高55%。这主要得益于采取了减小梳齿契入角（地铁车站改为45°，大桥与深曝井两工程改为75°）和刮刀承压总截面积两项钻头结构改进措施。与此同时，合金刃口磨损显著减小。如地铁车站工程改进型梳齿的合金刃口磨损仅约1.0～1.5mm/孔，与原梳齿钻头单孔需耗损两套合金刮刀形成了极大反差。

可见，选择相对较小的梳齿契入角，通过钻头构造形式和布齿方式的改进，使合理减少刮刀承压总截面积，是提高钻进效率的两个重要的工艺要素。

2.2.3 钻具配重

对于钻进阻力较大的地层，钻具增设配重之目的在于增大钻压，提高钻进效率。从表2.1.2可清楚地表明，QJ250钻机在地铁车站工地成孔过程中，先用原型梳齿钻头打了3个孔，第一个孔未加配重，第二、第三个孔分别加配重30kN、70kN，其工效依次为0.87、1.06、1.12m/h；即后两次钻压的增大，使工效分别提高了22%和29%。第四个孔的工效提高到55%(与相同配重比较)，这是因为第四个孔安装了改进型梳齿钻头，切削状态显著改善。

与QJ250钻机比较，GPS30钻机在同一钻进深度的钻具总重较小(单位长度钻杆较轻)，在同样施加30kN配重条件下，钻压稍小，平均钻进工效比QJ250低6%。

上海某桥改造工程钻孔灌桩试用契入角为50°和60°的梳齿钻，在钻具总重偏轻而未要求施加设定配重情况下，成孔效率未见明显改善。这从反面反映了钻压比偏小状态下，刮刀刃口契入密实砂层的厚度过小，就不能达到预期要求。

上述正、反两方面实例的分析表明，对于高阻抗地层，除了选择合理的刮刀契入角和适度减小刮刀承压总截面积外，还需依据地层阻力值施加适当的配重，使增大钻压比，才能使各项工艺参数协同作用，发挥出最佳效应，实现钻进效率较大幅度提升。因此，设置适量配重以加大钻压，并达到较大的钻压比值，是提高进尺效率的关键因素之一。

2.2.4 钻压比

钻压比是指钻头(包括先导锥部)梳齿刃口(竖向受力面积之和)所承受的单位面积钻进压力与某钻进成孔段土层的竖向极限阻力之比。

钻压比rp可按如下计算式求得：

式中 Pb —钻进压力（kN）；

fp — 土层极限端阻力（kPa）；

Gt — 钻具总重（kN）；

Sb — 钻具浮力，即泥浆液面以下钻头、钻杆、配重的浮力（kN）；

Sh — 钻机作用于钻具的提升力（kN）；

Ac — 所有切削土层的梳齿刃口、保径圈刃口的水平截面积之总和（m2）；

Gb — 钻头自重（kN）；

Gp—钻秆自重（kN，随进尺深度增加而递增）；

Ge—钻具配重（kN）。

注：1）刮刀承压总截面积系按设定梳齿契入角的水平切面计算。

2）钻压比一般以设计孔深内极限阻力最大且层厚或总层厚较大的土层端阻力计算。

两种不同结构梳齿钻头的钻压比及其与不同成孔深度、不同土层强度之间的变化关系，可通过表 2.2.4所反映的代表性工程的统计分析得以体现。

表2.2.4不同钻进压力下的钻压比

注：表中土层极限阻力系根据静探和标贯测试值，对照地方适用技术规范的取值范围选定的东安路工程场地⑦2密实粉细砂层的两个端阻力值。

2.3钻压比经验取值

在密实粉细砂层中，当钻压比处在0.25左右时，钻进效率处于相对较低的状态；当钻压比达到0.3或0.35以上时，钻进效率逐步进入相对较高的区间。根据工程试验统计，可将钻压比0.3视为钻进效率较低与较高的临界值。钻压比与钻进效率的关系可大致划分为如下区间：

表2.3密实砂性土中钻压比与钻进效率相关关系

2.4梳齿回旋契入角与钻压比的综合选择

上海某地铁车站立柱桩工程概况如本文1.1节所述。因GPS30、GF220钻机的钻进工效较低，施工中期调用QJ250钻机进场，但成效仍不明显。后对梳齿钻头的布齿方式、梳齿回转契入角等作了改进(制造新型钻头)，并增大配重,包括:梳齿回转契入角由原来的80度改为45度；加大齿宽；减小齿位重叠系数；刮刀承压总截面积由原来的0.075m²减小到0.056m²；钻具配重由30kN增至70kN。在深部密实粉细砂层端阻力参数值(取两个)确定后，以上述参数计算的最大钻压比分别为0.41和0.47，比GPS30钻机的最大钻压比(0.20与0.23)和QJ250钻机30kN配重时的钻压比(0.25与0.29)分别增大2倍和1.6倍。工艺参数的改进实现了钻进工效的大幅度提高：⑤4硬塑粘土层进尺效率提高十多倍；⑦2“铁板砂”层纯进尺速率平均0.12m/min，最快达0.26m/min。这些改进措施的实施，实现了成孔工效的大幅度提高(见本文表2.1.2)。

实践证明，要在硬塑粘性土中实现高效钻进，梳齿回转契入角宜取45°～50°的较小值；而在密实砂性土中实现快速钻进，梳齿回旋契入角可稍大一些，否则对钻压比的要求更高。这一现象(契入角大小)与土层的内摩擦角存在一定的相关关系，针对硬塑粘性土和密实粉细砂、中粗砂而言，刮刀回转契入角大致相当于固结快剪内摩擦角的1.5～1.6倍(但考虑到刮刀的抗切强度,不宜小于45°)。鉴于较大成孔深度内，硬塑粘性土与密实砂性土往往同时存在，若备置不同契入角的钻头，则频繁更换钻头对工效影响较大。因此，以同一个钻头实施全孔钻进时，契入角选择需要兼顾不同特性土层的要求，或从主要矛盾着手，针对工效影响率较大的地层选定契入角。需要指出，当钻机能力较大，在增加更多配重情况下仍可正常运转时，则宁可选择较小的梳齿回转契入角，这将有利于较大幅度地提高钻进工效。

鉴于密实砂性土的钻进阻力明显大于硬塑粘性土，故钻压比应依据密实砂性土层的阻力确定(注：硬塑粘性土层中进尺缓慢的现象，钻头包泥是重要因素之一。而改进布齿结构方式，减小刮刀回转契入角，可在很大程度上缓解这一矛盾)。

表2.4提供了梳齿回转契入角与钻压比综合选择的参考：

表2.4不同土层特性构成条件下梳齿回转契入角与钻压比的选择参考表

3.初步总结

根据若干工程成孔效率分析，可得出如下初步结论：

1）在较大的钻机扭矩和钻具总重(含配重)条件下，选择合理的梳齿回转契入角和控制好相对较小的切削厚度，可明显减少切削阻力。契入角的确定宜侧重考虑全孔深度内钻进阻力较大且占有一定总厚度比率的土层的切削适宜性，如硬塑粘性土层和密实砂性土层。对于硬塑、硬可塑粘性土，梳齿回旋契入角宜取较小值，如45°～50°；对于密实砂性土，契入角宜取稍大值，如50°～55°。在适宜的契入角前提下，钻进效率与钻压比大小呈明显的线性正比关系，与刮刀合金磨损则呈反比。对于上述该两种力学特性土层，选择较小的契入角时，只有在较大钻压比条件下才能实现高效率钻进，否则钻头浮在硬土层表面未能形成切削，不仅进尺甚微，而且合金块磨损成倍加快。

2）在 钻机能力相对较小情况下，配重增量有限，要实现高效钻进所需的钻压比，可通过合理减少刮刀承压总截面积，旨在提高钻压比和减小回转切削阻力，使最大限度地 发挥钻机功能。在存在挖潜余地条件下，刮刀承压总截面积的缩减必须列为首选方案，可从钻头构造、齿宽、单齿截面积、齿位重叠系数和梳齿数量等途径策划改 进。倘若刮刀承压总截面积能实现30%甚或40%的缩减率，则钻进效率的提高将十分显著，往往能起到事半功倍之功效。这是因为当刮刀承压总截面积缩减1/3时，对于两组不同土层所对应的极限端阻力(譬如6000kPa和8000kPa)，钻压比的增率是相同的，均为50%——提高幅度相当显著；倘若以增加配重实现50%的钻压比增率，则需增加的配重恰好也相当于原钻具有效总重的50%（但增量绝对值不同，端阻力较大的地层增量也较大）——这个在原已加配重状态下再要增加的配重数量相当大，往往在很大幅度上超出了钻机能力的极限。可见，缩减刮刀承压总截面积的技术效益与增加配重所产生的负担和烦恼恰好形成鲜明的对照，“事半功倍”之含义就在于此。

倘若梳齿钻头结构改进的潜力已近乎极限，钻具总重也已逼近某特定钻机能力之限度，则更换较大扭矩的钻机是必要的，从技术经济综合效益分析，亦为科学、合理之举措。

3）在成孔深度范围内，密实砂性土层的最大钻压比的取值(或验算值)不宜小于0.35。若钻机能力允许，可增加配重使最大钻压比达到0.4以上，并能以较高档速钻进，若排渣畅通，则可望大幅度提高钻进效率。

4. 结语

在 提高钻孔灌注桩成孔、深曝井成槽效率的诸多因素中，钻压比的提高无疑是主导因素。通过钻头结构的改进来减小刮刀承压总截面积是提高钻压比的首选途径。鉴于 减小刮刀承压总截面积若干结构改进因素在程度上存在一定的局限性，因此，结构改进就是要在此限度内通过科学、经济的方法，提高钻压比，把工效的潜力挖掘出 来，从而实现有限钻机扭矩能力条件下成孔效率的最高化。

钻 压比概念的引出，对钻头的结构设计与选型提出了新的要求，使配重计算和钻机及配套机具设施的选择建立具有针对性的可量化的基础上。因而，一方面可避免钻 机、配套机具和配重等进场设施配置的盲目性所造成的浪费；另一方面，由于梳齿钻头结构改进诸要素技术指标在施工方案编制阶段就可予以分析、计算和确定，从 而提高了施工技术方案的可靠性和前瞻性，有利于方案的顺利实施。

本 文以提高大直径桩孔或大口径井槽施工工效为出发点，以既有工程实践为佐证，对改变梳齿钻头传统的回转契入角、刮刀截面尺寸与布齿方式和依据地层物理特性合 理选择钻压比等工艺技术的改进作了初步探索，取得了初步成效，望能对大口径工程井槽施工技术人员有所启发和裨益。同时，有关工艺参数的科学性和系统性还有 待更多工程实践的进一步验证、完善和总结。值此机会，恳望诸位前辈、专家多多指教，不胜感谢。并愿为大口径工程井槽施工技术的发展，与业界同仁共勉。