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摘 要 随着城市化进程的快速发展，对建筑基础桩的施工设备要求也越来越高，适应于复杂地质条件、成桩质量高、施工成本低、施工效率高的桩型受到建筑开发和施工单位的青睐。螺旋钻孔成桩在近30年来已被人们认可，在施工软地层、中软地层和较硬地层中显现出很强的优势，为了更好地适应建筑基础市场的要求，对长螺旋钻机发展进行论述，以供参考。
关键词 长螺旋钻机；复杂地质条件；发展趋势
中图分类号：P634 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0089-02
1 背景
现代建筑桩基础施工中，成桩设备很多，各有各的特点。不同的设备具有不同的成孔方法及匹配的成桩工艺，同时还具有不同的最佳适应范围。
旋挖钻机钻孔深度一般不超过80 m，钻孔直径800 mm-2500 mm，动力头通过可伸缩钻杆带动钻斗旋转，切削并收集岩土，卷扬提升并出土，多次反复而成孔，需泥浆做护壁，防止孔壁塌落，可以挖钻软质岩石，对含有卵石、碎石的地层施工有很强的优势。
冲击正反循环钻机适应于孔深一般不超过70 m，成孔直径600 mm-2000 mm，通过冲击锤击碎岩土，利用正反循环泥浆泵排渣，需要泥浆做护壁和排渣液，对硬岩的施工有很强的优势。
回转正循环钻机钻孔深度一般不超过50 m，钻孔直径400 mm-2500 mm，回转反循环钻机钻孔深一般不超过150 m，钻孔直径400 mm-4000 mm，回转正反循环钻机是通过底驱大转矩转盘带动钻杆钻头做回转切削运动，利用正反循环泥浆泵排渣，需要泥浆做护壁和排渣液，利用牙轮钻头可在硬质岩层内施工，在粘土，黄土，砂土等软地层施工有很强的优势，但对漂石，孤石地层的施工有一定的难度。
长螺旋钻机钻孔深度一般不大于30 m，钻孔直径300 mm-1200 mm，通过顶驱动力头带动螺旋钻具旋转进行钻削和排运岩土，在粘土、黄土、粉土、砂土等软质层有很强的优势，在碎石土、软质岩石和风化岩石中施工有一定的难度。
夯扩桩机，成孔深度一般不超过20 m，桩径300 mm-600 mm，通过夯扩锤反复做自由落体锤击岩土，护筒跟随沉入护壁而成，在粘土，黄土，粉土等软质地层施工有很强优势，在密实砂土、软质岩石、风化岩石中施工有一定难度。
人工挖孔桩，成孔深度一般不超过40 m，桩径800 mm-4000 mm，通过护板护壁，人工作业成孔，对中间有砾石夹层、地下水位以下的地层处理有一定难度。
振动沉管成桩机，成孔深度一般不超过35 m，成孔直径300 mm-700 mm，通过顶驱高频振动锤带动的钢桩管和桩头沉入地层里，适用于粘土、黄土、粉土等软质地层，对密实砂土、中间有硬夹层的地层施工有一定的难度。
静压桩机，压桩深度一般不超过70 m，桩径300 mm-600 mm，通过液压夹持器将高强度预制桩沉入地层里，在粘土、黄土、粉土、淤泥质土等软质地层施工有很强优势，在砂土、中间有硬夹层的地层施工有一定难度。
上述这几种施工设备及方法中，旋挖钻机、冲击正反循环钻机、回转正反循环钻机的施工中需泥浆护壁及排渣，施工过程需水下浇灌混凝土，现场需排污处理；夯扩桩机、振动沉管成桩机在施工过程中具有振动和噪声，同时对密实砂土、软质岩石施工都有一定难度；人工挖孔施工安全性差，现行业部门已有所限制；静压桩机，搬迁费用高，在砂土、中间有硬夹层等硬地层的施工有难度；长螺旋钻机既无泥浆护壁而造成污染，又无振动和噪声而造成扰民，同时搬迁运输方便，缺点是对深桩（桩长大于30 m）大径（直径大于1200 mm），硬岩（岩石抗压强度值大于600 kPa）的施工有一定难度。改善和突破长螺旋钻机在硬岩层的施工成桩，有利于降低施工成本，提高施工效益，值得研究和实施。
2 建筑市场现状
改革开放30多年来，国内营建了大型城市群，大型基础设施的建筑，为桩基础施工带来了巨大的市场，同时也带动了桩基础施工设备的开发与制造。随着城市建设规模的增大，逐渐形成了一线城市，二线城市。大城市向外扩张式发展已受到一定的局限性，一是加大了大城市与边远农村地区发展的不平衡，二是占用大量耕地。近几年国家调整了发展政策，加大了中小城市和边远地区的发展，逐渐改善和提高不发达和欠发达地区人们的生活水平，幸福指数。实行农村城镇化，小城市化，中小城市群的改革方向，这给基础建筑桩施工带来了商机。中小城市及城镇的地理位置多在山区地带，地质条件比较复杂，回填入岩桩，穿越砾石夹层及碎石层桩，是建筑桩基础的主体，随着城市建设用地控制使用，楼房建设越来越高，要求桩基础承载能力也越来越高，端载入岩桩是比较适合山区建筑桩基础的一种桩型，现在的入岩施工设备中，都有一定的不足之处，泥浆护壁和排渣，造成环境的污染，振动冲击，不仅噪声大，而且会影响和破坏周围建筑物。研制和改进一种既能入岩又环保的桩基础施工设备是当前建筑市场的需要。
3 长螺旋钻机破岩机理
3.1 岩石破碎机理
通过弹性力学的研究结果来分析岩石内部的应力状态，岩石在受轴向压力单独作用时，弹性半无限体内等应力线的分布是均匀的、对称的，岩石内部会出现应力集中区，此集中区是岩石破碎的突破点。岩石在轴向力和切向力共同作用时，岩石内部的应力状态发生改变，如图1所示。岩石内部的应力状态特征分为三个区：在接触面上切向力作用的前方将产生压应力，形成正应力区。在切向力的后方将产生拉应力，形拉应力区。在正应力区和拉应力区之间形成过渡区。轴向力和切向力共同作用的结果，可以看作是破岩工具对岩石表面以某一角度施加作用力，岩石破碎效果由此作用力的大小和方向决定。正应力区是随着轴向力的增加而扩大，随切向力的增加而减小，拉应力区则是随着轴向力增加而缩小，随切应力的增加而扩大。根据岩石各种强度比例关系可知（见表1），岩石的抗剪切强度极限远远小于抗压强度极限，可见岩石采取剪切方式破碎是比较合理的。 表1 不同受载方式下的岩石强度相对值
岩石 不同受载方式下的岩石强度相对值
抗压 抗拉 抗弯 抗剪
花岗岩 1 0.02-0.04 0.08 0.09
砂 岩 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12
石灰岩 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15
3.2 岩石的破碎过程
岩石在不同的轴压作用下破碎速度是不同的，如图2所示，岩石的破坏分三个阶段，即研磨破碎阶段，疲劳破碎阶段和跃进破碎阶段。研磨破碎阶段，在较小轴压的作用下，岩石的破碎是靠旋转的岩石刀具与岩石表面接触所产生的摩擦力的作用导致岩石表面磨损，这个阶段岩石破碎速度很慢，破碎的岩石颗粒小，但岩石刀具磨损大、损耗大。疲劳破碎阶段，轴压继续加大，但还没有达到岩石的抗压强度极限值或压入硬度值，岩石的破碎只要是靠破岩刀具多次与岩石冲击接触，使岩石产生微裂纹，随着冲击次数的增多，裂纹也增多。当岩石强度降到某一程度时，便形成大颗粒岩屑，导致岩石疲劳破碎。此阶段岩石的破碎速度较研磨破碎阶段有所提高，但刀具的损坏还是比较严重。跃进破碎阶段，轴压继续加大，达到岩石的抗压强度极限值或压入硬度值时，旋转的破岩刀具主要以剪切的方式进行破岩，此时钻头损耗小，破碎效果最佳。随着轴压的继续增大，破碎速度呈线性增加。由此可知，轴压的大小是能否快速破岩的关键，此剪切方式破岩是效率最高，效益最好。
3.3 影响长螺旋钻机入岩的因素
1）岩石的类型。不同的岩石的抗压强度或压入硬度值不同，抗压强度或压入硬度值越大，入岩所需的轴压越高，入岩难度也越高，反之亦然。各种地层的抗压强度值见表2。
表2 几种常见岩石的抗压强度值 （Mpa）
岩石种类 页岩 泥灰岩 砂岩 石灰岩 片麻岩
抗压强度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196
岩石种类 干板岩 凝灰岩 云母片岩 石英片岩 白云岩
抗压强度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245
2）入岩钻头的结构形式。入岩钻头选择截齿作为刀具，根据自由面岩石破碎的理论，相邻截齿同时侵入岩石时，会互相为对方创造自由面，相邻截齿间的距离为10 cm-12 cm为最佳，入岩钻头的形状采用锥形结构，采取锥头尖部小径入岩，逐渐扩孔的方式。先入岩的截齿为后入岩的截齿创造自由面。截齿与岩面的倾角一般选择45?-65?之间，岩石硬度越高，倾角越大。截齿随入岩钻头做公转的同时也做自转，有利于岩石的破碎。
3）长螺旋钻机轴向加压能力和动力头输出转矩的影响。由岩石破碎过程可知，跃进破碎阶段是最理想的，这就要求轴压达到所破岩石的抗压强度极限或压入硬度值。普通长螺旋没有加压装置，只靠钻具的自重和动力头的重量作为加压，很难达到入岩轴压，导致研磨破碎或疲劳破碎，破岩效率很低，耗材大。
钻头切削岩土所产生的阻力矩M与钻进速度V，钻头直径D，岩石强度δ及转数n有关。
M=F·D/2=0.12D2Vδ/n
式中：F-螺旋钻头阻力。
螺旋钻具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp
式中：D-钻头直径；L-螺旋长度；ρ-岩土容重；Kp-岩土松散度系数，Kp=1.1-1.2。
由此可知，长螺旋钻机的动力头输出扭矩和轴向加压能力是能否破碎岩石的关键因素，增加长螺旋钻机的加压功能，加大动力头输出扭矩能扩大长螺旋钻机的施工成孔能力。
4 实践现场
沈阳钻探机械研制中心，研制了JUS120长螺旋钻机，动力头输出额定转矩为250 kN·m，额定加压力为400 kN，在辽宁省凌源市龙泰豪府小区1-5号楼施工，满足了桩基础设计要求，地质勘探报告：第一层杂填土0.8 m-5.0 m；第二层粉土0.4 m-1.10 m；第三层砾砂0.4-4.40 m ；第四层圆砾3.2 m-6.90 m；第五层强风化安山岩；3.3 m-5.70 m；桩基础设计要求，桩端持力层强风化安山岩入岩深度不小于3倍桩径。桩径为3种，Φ800单桩竖向抗压承载力特征值为2250 kPa；Φ1000单桩竖向抗压承载力特征值为3250 kPa；Φ1200单桩竖向抗压承载力特征值为4500 kPa；通过与同现场的6-10号楼旋挖钻施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。
5 结束语
长螺旋钻机的升级改造，不仅给设备的生产制造商带来效益，而且给施工单位和建筑开发单位带来更大的收益，在建筑桩基础市场中会得到越来越多的应用和发展。
参考文献
[1]高大钊，朱小林.岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.
[2]余静，徐小荷.岩土破碎学[M].北京：煤炭工业出版社，1984.
[3]沈保汉.桩基与深基坑支护技术发展[M].北京：知识产权出版社，2006.
[4]松岗，李技.多功能旋挖钻机长螺旋钻具的研制[J].探矿工程，2010，38（5）.
作者简介
刘守进（1965-），男，辽宁沈阳人，总工程师，大学毕业，从事机械设计及制造工作。
关键词 长螺旋钻机；复杂地质条件；发展趋势
中图分类号：P634 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0089-02
1 背景
现代建筑桩基础施工中，成桩设备很多，各有各的特点。不同的设备具有不同的成孔方法及匹配的成桩工艺，同时还具有不同的最佳适应范围。
旋挖钻机钻孔深度一般不超过80 m，钻孔直径800 mm-2500 mm，动力头通过可伸缩钻杆带动钻斗旋转，切削并收集岩土，卷扬提升并出土，多次反复而成孔，需泥浆做护壁，防止孔壁塌落，可以挖钻软质岩石，对含有卵石、碎石的地层施工有很强的优势。
冲击正反循环钻机适应于孔深一般不超过70 m，成孔直径600 mm-2000 mm，通过冲击锤击碎岩土，利用正反循环泥浆泵排渣，需要泥浆做护壁和排渣液，对硬岩的施工有很强的优势。
回转正循环钻机钻孔深度一般不超过50 m，钻孔直径400 mm-2500 mm，回转反循环钻机钻孔深一般不超过150 m，钻孔直径400 mm-4000 mm，回转正反循环钻机是通过底驱大转矩转盘带动钻杆钻头做回转切削运动，利用正反循环泥浆泵排渣，需要泥浆做护壁和排渣液，利用牙轮钻头可在硬质岩层内施工，在粘土，黄土，砂土等软地层施工有很强的优势，但对漂石，孤石地层的施工有一定的难度。
长螺旋钻机钻孔深度一般不大于30 m，钻孔直径300 mm-1200 mm，通过顶驱动力头带动螺旋钻具旋转进行钻削和排运岩土，在粘土、黄土、粉土、砂土等软质层有很强的优势，在碎石土、软质岩石和风化岩石中施工有一定的难度。
夯扩桩机，成孔深度一般不超过20 m，桩径300 mm-600 mm，通过夯扩锤反复做自由落体锤击岩土，护筒跟随沉入护壁而成，在粘土，黄土，粉土等软质地层施工有很强优势，在密实砂土、软质岩石、风化岩石中施工有一定难度。
人工挖孔桩，成孔深度一般不超过40 m，桩径800 mm-4000 mm，通过护板护壁，人工作业成孔，对中间有砾石夹层、地下水位以下的地层处理有一定难度。
振动沉管成桩机，成孔深度一般不超过35 m，成孔直径300 mm-700 mm，通过顶驱高频振动锤带动的钢桩管和桩头沉入地层里，适用于粘土、黄土、粉土等软质地层，对密实砂土、中间有硬夹层的地层施工有一定的难度。
静压桩机，压桩深度一般不超过70 m，桩径300 mm-600 mm，通过液压夹持器将高强度预制桩沉入地层里，在粘土、黄土、粉土、淤泥质土等软质地层施工有很强优势，在砂土、中间有硬夹层的地层施工有一定难度。
上述这几种施工设备及方法中，旋挖钻机、冲击正反循环钻机、回转正反循环钻机的施工中需泥浆护壁及排渣，施工过程需水下浇灌混凝土，现场需排污处理；夯扩桩机、振动沉管成桩机在施工过程中具有振动和噪声，同时对密实砂土、软质岩石施工都有一定难度；人工挖孔施工安全性差，现行业部门已有所限制；静压桩机，搬迁费用高，在砂土、中间有硬夹层等硬地层的施工有难度；长螺旋钻机既无泥浆护壁而造成污染，又无振动和噪声而造成扰民，同时搬迁运输方便，缺点是对深桩（桩长大于30 m）大径（直径大于1200 mm），硬岩（岩石抗压强度值大于600 kPa）的施工有一定难度。改善和突破长螺旋钻机在硬岩层的施工成桩，有利于降低施工成本，提高施工效益，值得研究和实施。
2 建筑市场现状
改革开放30多年来，国内营建了大型城市群，大型基础设施的建筑，为桩基础施工带来了巨大的市场，同时也带动了桩基础施工设备的开发与制造。随着城市建设规模的增大，逐渐形成了一线城市，二线城市。大城市向外扩张式发展已受到一定的局限性，一是加大了大城市与边远农村地区发展的不平衡，二是占用大量耕地。近几年国家调整了发展政策，加大了中小城市和边远地区的发展，逐渐改善和提高不发达和欠发达地区人们的生活水平，幸福指数。实行农村城镇化，小城市化，中小城市群的改革方向，这给基础建筑桩施工带来了商机。中小城市及城镇的地理位置多在山区地带，地质条件比较复杂，回填入岩桩，穿越砾石夹层及碎石层桩，是建筑桩基础的主体，随着城市建设用地控制使用，楼房建设越来越高，要求桩基础承载能力也越来越高，端载入岩桩是比较适合山区建筑桩基础的一种桩型，现在的入岩施工设备中，都有一定的不足之处，泥浆护壁和排渣，造成环境的污染，振动冲击，不仅噪声大，而且会影响和破坏周围建筑物。研制和改进一种既能入岩又环保的桩基础施工设备是当前建筑市场的需要。
3 长螺旋钻机破岩机理
3.1 岩石破碎机理
通过弹性力学的研究结果来分析岩石内部的应力状态，岩石在受轴向压力单独作用时，弹性半无限体内等应力线的分布是均匀的、对称的，岩石内部会出现应力集中区，此集中区是岩石破碎的突破点。岩石在轴向力和切向力共同作用时，岩石内部的应力状态发生改变，如图1所示。岩石内部的应力状态特征分为三个区：在接触面上切向力作用的前方将产生压应力，形成正应力区。在切向力的后方将产生拉应力，形拉应力区。在正应力区和拉应力区之间形成过渡区。轴向力和切向力共同作用的结果，可以看作是破岩工具对岩石表面以某一角度施加作用力，岩石破碎效果由此作用力的大小和方向决定。正应力区是随着轴向力的增加而扩大，随切向力的增加而减小，拉应力区则是随着轴向力增加而缩小，随切应力的增加而扩大。根据岩石各种强度比例关系可知（见表1），岩石的抗剪切强度极限远远小于抗压强度极限，可见岩石采取剪切方式破碎是比较合理的。 表1 不同受载方式下的岩石强度相对值
岩石 不同受载方式下的岩石强度相对值
抗压 抗拉 抗弯 抗剪
花岗岩 1 0.02-0.04 0.08 0.09
砂 岩 1 0.02-0.05 0.06-0.20 0.10-0.12
石灰岩 1 0.04-0.10 0.08-0.10 0.15
3.2 岩石的破碎过程
岩石在不同的轴压作用下破碎速度是不同的，如图2所示，岩石的破坏分三个阶段，即研磨破碎阶段，疲劳破碎阶段和跃进破碎阶段。研磨破碎阶段，在较小轴压的作用下，岩石的破碎是靠旋转的岩石刀具与岩石表面接触所产生的摩擦力的作用导致岩石表面磨损，这个阶段岩石破碎速度很慢，破碎的岩石颗粒小，但岩石刀具磨损大、损耗大。疲劳破碎阶段，轴压继续加大，但还没有达到岩石的抗压强度极限值或压入硬度值，岩石的破碎只要是靠破岩刀具多次与岩石冲击接触，使岩石产生微裂纹，随着冲击次数的增多，裂纹也增多。当岩石强度降到某一程度时，便形成大颗粒岩屑，导致岩石疲劳破碎。此阶段岩石的破碎速度较研磨破碎阶段有所提高，但刀具的损坏还是比较严重。跃进破碎阶段，轴压继续加大，达到岩石的抗压强度极限值或压入硬度值时，旋转的破岩刀具主要以剪切的方式进行破岩，此时钻头损耗小，破碎效果最佳。随着轴压的继续增大，破碎速度呈线性增加。由此可知，轴压的大小是能否快速破岩的关键，此剪切方式破岩是效率最高，效益最好。
3.3 影响长螺旋钻机入岩的因素
1）岩石的类型。不同的岩石的抗压强度或压入硬度值不同，抗压强度或压入硬度值越大，入岩所需的轴压越高，入岩难度也越高，反之亦然。各种地层的抗压强度值见表2。
表2 几种常见岩石的抗压强度值 （Mpa）
岩石种类 页岩 泥灰岩 砂岩 石灰岩 片麻岩
抗压强度 9.8-98 12-98 19.6-196 29-245 49-196
岩石种类 干板岩 凝灰岩 云母片岩 石英片岩 白云岩
抗压强度 49-196 59-167 59-127 69-178 78-245
2）入岩钻头的结构形式。入岩钻头选择截齿作为刀具，根据自由面岩石破碎的理论，相邻截齿同时侵入岩石时，会互相为对方创造自由面，相邻截齿间的距离为10 cm-12 cm为最佳，入岩钻头的形状采用锥形结构，采取锥头尖部小径入岩，逐渐扩孔的方式。先入岩的截齿为后入岩的截齿创造自由面。截齿与岩面的倾角一般选择45?-65?之间，岩石硬度越高，倾角越大。截齿随入岩钻头做公转的同时也做自转，有利于岩石的破碎。
3）长螺旋钻机轴向加压能力和动力头输出转矩的影响。由岩石破碎过程可知，跃进破碎阶段是最理想的，这就要求轴压达到所破岩石的抗压强度极限或压入硬度值。普通长螺旋没有加压装置，只靠钻具的自重和动力头的重量作为加压，很难达到入岩轴压，导致研磨破碎或疲劳破碎，破岩效率很低，耗材大。
钻头切削岩土所产生的阻力矩M与钻进速度V，钻头直径D，岩石强度δ及转数n有关。
M=F·D/2=0.12D2Vδ/n
式中：F-螺旋钻头阻力。
螺旋钻具排土所需扭矩M2=0.25D3 L·ρ/Kp
式中：D-钻头直径；L-螺旋长度；ρ-岩土容重；Kp-岩土松散度系数，Kp=1.1-1.2。
由此可知，长螺旋钻机的动力头输出扭矩和轴向加压能力是能否破碎岩石的关键因素，增加长螺旋钻机的加压功能，加大动力头输出扭矩能扩大长螺旋钻机的施工成孔能力。
4 实践现场
沈阳钻探机械研制中心，研制了JUS120长螺旋钻机，动力头输出额定转矩为250 kN·m，额定加压力为400 kN，在辽宁省凌源市龙泰豪府小区1-5号楼施工，满足了桩基础设计要求，地质勘探报告：第一层杂填土0.8 m-5.0 m；第二层粉土0.4 m-1.10 m；第三层砾砂0.4-4.40 m ；第四层圆砾3.2 m-6.90 m；第五层强风化安山岩；3.3 m-5.70 m；桩基础设计要求，桩端持力层强风化安山岩入岩深度不小于3倍桩径。桩径为3种，Φ800单桩竖向抗压承载力特征值为2250 kPa；Φ1000单桩竖向抗压承载力特征值为3250 kPa；Φ1200单桩竖向抗压承载力特征值为4500 kPa；通过与同现场的6-10号楼旋挖钻施工，效率提高15%-18%，成本降低12%-15%左右。
5 结束语
长螺旋钻机的升级改造，不仅给设备的生产制造商带来效益，而且给施工单位和建筑开发单位带来更大的收益，在建筑桩基础市场中会得到越来越多的应用和发展。
参考文献
[1]高大钊，朱小林.岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.
[2]余静，徐小荷.岩土破碎学[M].北京：煤炭工业出版社，1984.
[3]沈保汉.桩基与深基坑支护技术发展[M].北京：知识产权出版社，2006.
[4]松岗，李技.多功能旋挖钻机长螺旋钻具的研制[J].探矿工程，2010，38（5）.
作者简介
刘守进（1965-），男，辽宁沈阳人，总工程师，大学毕业，从事机械设计及制造工作。