旋挖钻机施工如何入岩？？？

旋挖钻机是一种的桩基施工设备，能够在复杂地层中顺利实现桩孔施工，但在不同地层的施工效率与施工工法有较大差异，本文对旋挖钻机硬岩施工的条件进行简单分析，明确了旋挖钻机进行入岩施工的必要条件。

旋挖钻机施工概述:
旋挖钻机是一种用于建筑基础工程成孔作业的桩工机械，具有施工速度快、成孔质量好、环境污染小、操作灵活方便、安全性能高及适用性强等优势，已成为钻孔灌注桩施工的主要成孔设备，广泛用于市政建设、公路桥梁、

高层建筑等地基础施工工程，特别是2009年国家为拉动内需而大规模投资的高铁工程，旋挖钻机的使用更是达到了的规模。
施工中旋挖钻机以旋转切削钻进，逐次取土成孔为主。适应我国大部分地区的土壤地质条件，包括淤泥层、粘性土、泥土、粉质土、（泥）砂层、卵砾石、卵（漂）石层、强风化岩层、冻土、风化基岩等地层。目前施工

的旋挖钻机绝大多数以进行普通地层施工为主，普通地层的施工能够充分显示旋挖钻机施工效率与成孔质量的优势。但进行硬岩施工时，由于旋挖钻机施工以旋转切削为主，在有限的加压载荷下，无法形成对岩层的有效冲击

，导致旋挖钻机进行硬岩施工时，效率低下，不能真正体现旋挖钻机的成孔优势。本文将从岩石的破碎特性入手，对旋挖钻机进行硬岩施工的条件进行逐一说明。
岩石特性及岩石破碎理论

1、 岩石特性
岩石是岩块与岩体的总称，是一种各向异性、非均质、不连续的物质。大多数岩石在常温常压下是脆性材料，但是随着压力与温度的增加，岩石的强度会由脆性向韧性转化。
岩石的强度是指岩体在外部载荷作用下，整体抵抗变形的能力。岩石的强度一般用单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度来表示，其中抗剪强度和抗压强度是确定岩石工程稳定性的主要因素。
岩石在无围压的情况下，受纵向压力出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为单轴抗压强度。而抗剪强度是指岩石在外力作用下达到破坏时的极限剪应力。库伦-纳维准则通过大量的试验证明，岩石在受压时会表现出

大的抵抗破坏的能力，而岩石的抗剪强度极限仅为抗压强度极限的10%左右。下表列出了常见岩石不同强度的对比关系。

另外，岩石的强度受加载速度的影响也比较明显，主要表现在随着加载速度的增加，岩石的强度会有大幅提高。但目般认为：在钻具冲击岩石的速度不大于5m/s时，岩石的力学性能不会发生本质性的改变。
2、 岩石的破碎
目前市场施工中岩石破碎的主要方法有三种型式：冲击破岩、磨削破岩、剪切入岩。
冲击破岩：根据理论分析，只有当作用在岩石上的压力超过了岩石单轴抗压强度极限的30%~50%时，岩石才会顺利实现破碎。所以在压力没有达到岩石的破碎强度极限以前，可通过钻具与岩石的多次冲击，使岩石产生裂纹，降

低其强度，当岩石强度降低到一定程度就能实现岩石破碎。目前市场上常用的设备为冲击锤。
磨削破岩：在较小的压力载荷下，依靠旋转的钻具与岩石接触所产生的摩擦力的作用，来引起岩石破损（该方法实际上一种研磨作用）。此种方法岩石的破碎速度比较慢，岩石破碎颗粒较细，钻具磨损严重。目前市场上常用

的设备为正（反）循环钻。其破岩方法如下图1所示。

剪切破岩：根据库伦-纳维准则岩石的抗剪强度极限仅为抗压强度极限的10%左右，所以用剪切的方法破碎岩石为有效。以回转钻进为主要方法的施工设备，如果在钻进的同时，在钻具上实现压力加载，使钻具截齿切入岩石

（旋挖钻机进行硬岩施工时，以配套截齿钻进为主），那么在回转扭矩的作用下就能实现岩石的剪切破碎。

根据岩石剪切破碎的条件，旋挖钻机具备岩石剪切破碎的基本条件。旋挖钻机的钻具在加压载荷的作用下，依靠动力头的驱动，就能实现钻具的剪切破岩。加压系统的加压力经过钻杆的传递，使钻具截齿切入岩土，利用钻具

旋转产生的扭矩使岩石产生剪切破碎，岩石的破碎颗粒比较大，破岩。但如果岩石硬度较高，钻具截齿无法切入岩石时，就无法实现岩石的剪切破碎，其破岩方式就会以磨削破岩为主，此时岩石的破碎效率会降低。
旋挖钻机的入岩条件

通过对岩石特性及岩石破碎理论的分析可以看出，旋挖钻机入岩能力及入岩效率取决于多种因素，既与旋挖钻机加在钻具上的有效载荷有关，也与钻具截齿的布置方式有密切关系，同时也会受到岩石特性的影响。概括来说，

旋挖钻机要实现顺利入岩，具备以下四个方面的能力：
●大扭矩、大加压力
●加压力的有效传递
●钻具截齿的合理布置
1、 大扭矩、大加压力
旋挖钻机破岩的原理是：依靠大加压力将钻具截齿压入岩石，在强大的动力头输出扭矩的作用下，使岩石产生剪切破碎

旋挖钻机的动力头输出扭矩主要依靠动力头马达带动减速机，通过减速增扭来实现。现在市场上进行硬岩钻进的旋挖钻机动力头输出扭矩一般都在22 T·m以上。
旋挖钻机普遍使用的加压方式有两种：一种是油缸加压（如下图4），一种是卷扬加压（如下图5）。油缸加压使用加压油缸与动力头直接相连，由于受结构及油缸尺寸的限制，加压行程及加压力都会受到较大的限制，现在22

T·m旋挖钻机油缸加压大的加压力也仅为20t。但是采用卷扬加压，在相同的空间内采用多倍率缠绳，可使加压力成倍增长。福田雷沃重工生产的FR622DR入岩钻机，使用卷扬加压系统，其加压力高可达40t。当然，旋挖

钻机大加压能力的体现还与合理的整机布置密切相关。
旋挖钻机在进行入岩施工的过程中，为提高入岩效率，经常会采用动静载耦合的加压方式，将低频脉冲动载叠加于静载之上，采用加载-卸载-加载的循环作业方式破岩，提高破岩效率。但是这样就会对加压系统造成脉动冲击

，而采用卷扬加压系统，在提供足够加压力的同时，钢丝绳能够有效消除入岩过程中形成的脉动载荷冲击，有利于保护加压系统，延长系统使用寿命。
2、 加压载荷的有效传递
旋挖钻机在施工过程中，通过动力头的旋转驱动钻杆，带动钻具旋转，在加压载荷与旋转扭矩的作用下，钻具与岩石的接触面之间就会产生剪切力，实现剪切破岩。加压载荷的大小直接关系到旋挖钻机钻具截齿切入岩石的能

力，所以旋挖钻机入岩施工的关键在于加压载荷的有效传递。
钻杆的结构就决定了加压载荷的传递效率，摩阻式钻杆（外形如下图6）以钻具提供的反作用力，依靠内外节钻杆键之间压力产生的摩擦阻力来传递加压载荷，传递效率比较低。通过试验（试验样机为配套φ440钻杆的22Tm钻

机），摩阻式钻杆加压载荷的传递效率大为55%，所以，在钻具与岩体之间产生的剪切力不足以引起较硬岩石（中风化以上）的破碎，因而就不能切入地质较硬的地层。
凯式钻杆：钻杆上一般会有三至四个锁点，通过机锁点可把每节钻杆锁住，完全把加压力传递给钻具，加压载荷的传递效率较高，能在钻具与岩体之间产生较大的剪切力，实现硬岩的钻进。福田雷沃重工生产的FR622DR旋挖钻

机就配套凯式钻杆，通过试验（试验样机为配套φ440凯式钻杆相同钻机），其加压载荷的传递效率可达95%以上。

3、 钻具截齿的合理布置
从岩石剪切破碎的原理可知，旋挖钻机在进行剪切破岩时，钻具截齿的既要受到钻具旋转时的运行阻力，又要受到加压载荷的压入阻力，如下图7所示。在相同加压载荷的作用下，如果减小截齿的切入角度，使截齿由线接触或

面接触改为点接触，就能大幅降低钻具与岩体的接触面积，提高截齿切入岩石能力。但是，如果切入角度过小，旋挖钻机钻具的旋转剪切力就不足以实现岩石的破碎，就会降低了旋挖钻机的入岩能力。所以合理的选择钻具截

齿的角度，使钻具具有合理剪切力的同时，又具有较高的压入载荷，就能实现旋挖钻机的入岩能力与效率的提高。经过对大量试验数据的分析，对于硬度较小的地层（强风化岩层），斗齿的切入角度应稍大些，以45°~60°为

宜；钻入比较硬的地层（花岗岩层）时斗齿的切入角度应稍小些，以25°~45°为宜。
旋挖钻机钻具的入岩能力与效率，不仅与截齿切入角度的选择有关，还与截齿的数量、布置型式相关。进行硬岩钻进时钻具截齿的布置原则是，避免钻具的线接触或面接触，降低钻具的接触面积。而截齿切入角度选择的原则

是：当遇到强度较大的岩石时，适当较小钻具的切入角度，减小钻具旋转时的运行阻力，以体现旋挖钻机的入岩能力为主；当岩石强度较小时，适当增加钻具的切入角度，以提高旋挖钻机的钻进效率为主。同时还应考虑较少

旋挖钻机截齿的磨损，截齿的磨损与加压载荷、截齿的切入角度、截齿的间距密切相关，本文不再累述。

结束语:
旋挖钻机作为、环保的桩孔施工设备，随着世界经济的复苏，国内基础投资的持续增长，特别是城际铁路与城市轻轨建设高潮的到来，必将会迎来一个持续的高速增长期。根据多年的施工经验，旋挖钻机在一般地层施工

时，效率较高。但是，对于硬岩施工，相比其它桩孔施工设备，没有优势。本文从岩石特性及破碎原理入手，对旋挖钻机进行硬岩施工中经常会遇到不同硬度的岩石总结，我们应该在实践中持续研究旋挖钻机入岩能力与效率

密切相关的各种边界条件，完善旋挖钻机进行硬岩施工的功能与工法设计。