| 直径2.5M钻孔灌注桩梳齿钻头设计 |
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针对钻头包泥堵钻和钙质胶结层难以进尺等影响钻进效率的几个问题，对刮刀钻头结构进行改进设计，并取得了令人满意的效果。
1．工程概况 1.1 上海某大桥主墩基础钻孔灌注桩设计桩径 2500mm，有效桩长为 112.0m，从平台至桩底孔深为 121.0m，每墩设计桩数为38根。施工场地为海上钢平台。 1.2 该场区勘察报告所显示的地层情况如表1所示：
表1 1.3 根据大桥指挥部与总包单位的要求主墩计划工期为150天。因受钢平台面积及供电等因素的限制，除施工初期可上三台钻机外，大部分施工期间只能投入二台钻机。根据我方运用双代号网络计划图进行各种资源反复调整配置显示，单桩成孔时间长短是确保工期的关键因素。 1.4 2002年12月进行试桩施工，投入一台郑州探矿机械厂生产的QJ250钻机，L/22-8空压机一台，钻头为普通四翼刮刀钻头，加配重10吨，采用气举反循环钻进。施工中由于硬塑、坚硬塑粘土层和粘土夹砾地层的包泥堵钻，粉细砂中大量的胶结层以致于进尺很慢，以及切削齿的快速磨损需常提钻修补等因素，钻进效率很低。整个成孔施工竟耗时14天。 1.5根据试桩施工的情况，如不克服上述影响因素，提高钻进效率，计划工期将无法保证。
2．钻头改进设计 2.1 改进思路 根据试桩施工情况，针对包泥堵钻、进尺缓慢、切削齿不耐磨三个问题，围绕钻头结构中导向钻头、吸渣水口、刮刀、切削齿四个方面及相互关系展开研究，提出如下改进思路。 2.1.1 改进导向钻头的鱼尾角度，提高前导钻头的嵌入作用。 2.1.2 调整吸渣水口与导向钻头尺寸比例，增大吸渣水口附近液流空间，提高排碴能力。 2.1.3 改变刮刀切削角度，减小切削阻力。 2.1.4 调整切削齿材质与布齿方式，提高其耐磨性能。 2.2 改进实施 2.2.1 导向钻头及吸渣水口 由于原四翼刮刀钻头其导向钻头宽度设计尺寸较小，其鱼尾角度较大，导致了吸渣水口附近的液流空间较小，排碴不畅。既使得被切削的粘土条跟随冲洗液堆积在吸渣口附近滚动粘结，造成包泥堵钻，同时又阻碍了前导钻头的嵌入效果，影响钻进效率。改进后的设计情况如图1所示：
同时，根据反复试验发现导向钻头与吸碴水口各项设计参数选择较为合理的关系如表2所示：
表2 此外，根据我们实践，对吸碴水口与导向钻头在设计参数选择中还应注意如下问题： a. 为了保证钻渣在排出时一路畅通，吸渣水口不应大于钻杆内径，最好是上下管径一致。 b. 吸渣水口的高度h及离中心尖底的高度应根据地层及钻孔孔径情况来确定，既要保证液流速度又要保证钻渣畅通。 c. 导向钻头的高度应根据孔径情况适当的调整。在保证钻渣有效快速的排出的同时不能因为太大而使导向钻头钻进时阻力太大和无导向的作用。 d. 导向钻头的鱼尾角度不宜大于刮刀的锥角，有利于吃入地层起到导向和稳定的作用。 2.2.2 刮刀 本工程在钻进过程中，先后要穿过第⑥层硬塑粘土，第⑦2层粉细砂钙质胶结，以及第⑩层坚硬塑状粘土。要提高钻进效率，刮刀的角度设计十分关键。 由于原四翼刮刀钻头其刮刀的前角和仰角分别为30度和0度。只能适应一般土层的钻进。经改进后，我们将刮刀的前角和仰角分别改为30度和15度，大大提高切削效率。改进前后的变化如下图2所示
同时，在实践中发现刮刀的各项数据理想状况如表3所示：
此外，根据实践我们认为在刮刀角度参数选择中还应考虑如下二点因素： a. 为了减少上一级切削齿的切削阻力，钻头相邻两个切削齿的高低差需要大于切削刃回转一周的切削深度。在单个切削齿的宽度不变的情况下，刮刀前角决定了相邻两个切削齿的高低差。 b. 周圈切削面积计算方法为：S=h/3(∏r2)h为刮刀的垂直高度，只有h越小，周圈切削面积就越小。而h与刮刀前角成正比。 2.2.3 切削齿 原四翼刮刀钻头的切削齿选择了修复相对简便的钎头。在试桩中发现，因含砂地层较多和硬塑与坚硬塑地层的存在，及钻孔深度较大，而钎头合金刃部极易磨损需常提钻修复，大大影响了工效。 经试验对比并结合以往工程经验，我们改用嵌槽合金块作为切削齿。为了防止合金宽度太窄造成钻头合金布置数量的增加，导致合金侧身与土层接触面积增大而增加了摩阻力，我们注意了合金块的布局。根据合金的磨损方向，按照其正视投影的铅垂方向与刮刀组装布置为最佳。具体见如下图3所示：
根据反复试验对比，在切削齿刃角经及切削齿布置中应注意如下问题： a. 刃尖角应小于90度，这样能减少合金与土层的接触面积，使合金单位面积的压力增大而易切入土层。但也不能小于60度，导致合金切削时太薄弱易崩碎。 b. 四翼刮刀钻头切削齿的布置采用两刮刀两两对称，合金的重叠为 5mm，相邻两切削齿的高低距离为 50mm。 c. 切削齿下端合金块宽度为 55mm(比切削齿合金焊接母材宽 5 mm)，保护合金刃的相焊母材不被土层磨损 实际选择中切削齿的各项理想参数如下表4所示：
表4 3．改进设计效果 由于抓住了成孔钻进中影响钻进效率的几个主要因素，并结合本工程地层情况，针对四翼刮刀钻头的导向钻头、吸碴水口、刮刀、切削齿四个部件进行了改进设计，取得令人满意的效果。 2003年4月30日主墩工程正式开钻， 2003年9月3日钻孔桩全部结束，实际工期为127天，提前23天完成施工任务，得到了各方的好评。改进设计前后钻进效率对比资料如下（表5）：
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