1、旋挖機施工概述
旋挖機是一款新型的樁工機械,具有成孔質量好、施工速度快、操作靈活方便、環境污染小、安全性能高實用性強等特點,已成為鉆孔灌注樁施工的主力成孔機械,該機器是一種高度集成的樁基施工機械,源自國外的礦山機械,采用一體化設計、履帶式360度回轉底盤及桅桿式鉆桿,通常為全液壓系統。特制的桶型鉆具直接取土出渣,不需接長鉆桿,施工時樁口注漿以保持孔內泥漿高度即可,因而能大大縮短成孔時間。由于帶有自動垂直度控制和自動回位控制,成孔垂直度和孔位等能得到保證。桶鉆取土上提過程中對孔壁擾動較小,桶鉆周邊設有溢漿孔,溢出泥漿可起到護壁作用。對于具有大扭矩動力頭和自動內鎖式伸縮鉆桿的旋挖機,可適應我國大部分地區的土壤地質條件,包括粘性土、淤泥層、泥土、粉質土、(泥)砂層、卵礫石、卵(漂)石層、風化基巖、強風化巖層、永久凍土等地層。目前旋挖機最大施工孔徑已達4.0m,深度在達到90m。
2、旋挖機的入巖原理
2.1 旋挖機破巖的原理是:依靠大加壓力將鉆具截齒壓入巖石,在強大的動力頭輸出扭矩的作用下,使巖石產生剪切破碎。鉆機在施工過程中,通過動力頭的旋轉驅動鉆桿,帶動旋挖機鉆頭旋轉,在加壓載荷與旋轉扭矩的作用下,鉆具與巖石的接觸面之間就會產生剪切力,實現剪切破巖。
鉆桿上一般會有三至四個鎖點,通過機鎖點可把每節鉆桿鎖住,完全把加壓力傳遞給鉆具,加壓載荷的傳遞效率較高,能在鉆具與巖體之間產生較大的剪切力,實現硬巖的鉆進。
2.2 鉆具截齒的合理布置
從巖石剪切破碎的原理可知,鉆機在進行剪切破巖時,鉆具截齒的既要受到鉆具旋轉時的運行阻力,又要受到加壓載荷的壓入阻力,如下圖所示。在相同加壓載荷的作用下,如果減小截齒的切入角度,使截齒由線接觸或面接觸改為點接觸,就能大幅降低鉆具與巖體的接觸面積,提高截齒切入巖石能力。經過對大量試驗數據的分析,斗齒的切入角度應稍大些,以45°~60°為宜;鉆入比較硬的地層(花崗巖層)時斗齒的切入角度應稍小些,以25°~45°為宜。
截齒布置型式:
3、巖石特性及巖石破碎理論
3.1 巖石特性
巖石是巖塊與巖體的總稱,是一種各向異性、非均質、不連續的物質。大多數巖石在常溫常壓下是脆性材料,但是隨著壓力與溫度的增加,巖石的強度會由脆性向韌性轉化。
巖石的強度是指巖體在外部載荷作用下,整體抵抗變形的能力。巖石的強度一般用單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度來表示,其中抗剪強度和抗壓強度是確定巖石工程穩定性的主要因素。
巖石在無圍壓的情況下,受縱向壓力出現壓縮破壞時,單位面積上所承受的載荷稱為單軸抗壓強度。而抗剪強度是指巖石在外力作用下達到破壞時的極限剪應力。庫倫-納維準則通過大量的試驗證明,巖石在受壓時會表現出最大的抵抗破壞的能力,而巖石的抗剪強度極限僅為抗壓強度極限的10%左右。下表列出了常見巖石不同強度的對比關系:另外,巖石的強度受加載速度的影響也比較明顯,主要表現在隨著加載速度的增加,巖石的強度會有大幅提高。但目前一般認為:在鉆具沖擊巖石的速度不大于5m/s時,巖石的力學性能不會發生本質性的改變。
3.2 巖石的破碎
目前施工中巖石破碎的主要方法有三種型式:沖擊破巖、磨削破巖、剪切入巖。沖擊破巖:根據理論分析,只有當作用在巖石上的壓力超過了巖石單軸抗壓強度極限的30%~50%時,巖石才會順利實現破碎。所以在壓力沒有達到巖石的破碎強度極限以前,可通過鉆具與巖石的多次沖擊,使巖石產生裂紋,降低其強度,當巖石強度降低到一定程度就能實現巖石破碎。目前常用的設備為沖擊錘。
磨削破巖:在較小的壓力載荷下,依靠旋轉的鉆具與巖石接觸所產生的摩擦力的作用,來引起巖石破損(該方法實際上為一種研磨作用)。此種方法巖石的破碎速度比較慢,巖石破碎顆粒較細,鉆具磨損嚴重。目前市場上常用的設備為正(反)循環鉆。
剪切破巖:根據庫倫-納維準則巖石的抗剪強度極限僅為抗壓強度極限的10%左右,所以用剪切的方法破碎巖石最為有效。以回轉鉆進為主要方法的施工設備,如果在鉆進的同時,在鉆具上實現壓力加載,使鉆具截齒切入巖石(旋挖機進行硬巖施工時,以配套截齒鉆進為主),那么在回轉扭矩的作用下就能實現巖石的剪切破碎。
根據巖石剪切破碎的條件,旋挖機具備巖石剪切破碎的基本條件。旋挖機的鉆具在加壓載荷的作用下,依靠動力頭的驅動,就能實現鉆具的剪切破巖。加壓系統的加壓力經過鉆桿的傳遞,使鉆具截齒切入巖土,利用鉆具旋轉產生的扭矩使巖石產生剪切破碎,巖石的破碎顆粒比較大,破巖效率高。
4、結束語
旋挖機在根據土層鉆進至淤泥層、粘性土、泥土、粉質土、(泥)砂層時采用普通鉆具抓斗進行旋挖作業,當遇至卵(漂)石層、強風化巖層、永久凍土、風化基巖等地層時換為金剛石截齒鉆具進行切割鉆進。當鉆進至設計孔深后,金剛石截齒鉆具取下調換成可閉合式抓斗進行碎石抓取,直至達到設計沉渣厚度后即可成孔報驗完成鉆孔任務。
樁基礎是目前各類工程中常用的重要基礎形式之一,其中鉆孔灌注樁由于施工工藝成熟、安全性高、地層適應性強等優點,被廣泛應用于高層建筑、大中型橋梁工程施工中。但由于傳統的鉆孔機械主要為回轉循環類鉆機和沖抓類鉆機,受鉆機自身結構特點及施工工藝特點,鉆進速度較慢,并且在施工過程中循環泥漿、噪聲等的污染較大。近年來,在許多工期要求較緊的項目或者環保要求較高的市區重要建筑施工中,一種新型的鉆機――旋挖機正逐步取代傳統鉆機,在高層、超高層建筑等地基基礎工程施工中發揮著重要的作用。
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