CN103437712A - 一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头 - Google Patents

Abstract

一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，包括内置有注浆钢管的钻杆，并且钻杆的尾部设有与三轴搅拌机的打桩架连接用的内插式接头，钻杆的头部设有前进头，前进头后方的钻杆上设有钻头刀排，钻头刀排后方的钻杆上设有钻头护颈翼板，所述前进头是由三至五片刀片组成的叶式锥形前进头，所述钻头刀排是由两至八片刀排组成的叶式钻头刀排，所述钻头护颈翼板是由两至八片翼板组成的叶式钻头护颈翼板。本钻头是一种能攻克圆砾土层、强风化岩土层等坚硬土层的三轴搅拌机钻头，能够达到土体深层搅拌并形成柱状护体止水结构，本钻头设计巧妙、效果理想，易于实施，能够穿透圆砾土层、强风化岩土层等地质相对坚硬的地层并进行注浆均匀搅拌。

Description

一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头

技术领域

本发明涉及一种应用于建筑试验工程领域的三轴搅拌机钻头，特别是一种可对地下深层土体（尤其是圆砾层、强风化岩土层等相对坚硬的土层）进行搅拌加固处理的三轴搅拌机钻头。

背景技术

水泥土搅拌墙技术是利用专门的多轴搅拌机就地钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，经充分搅拌混合后，形成地下连续墙体，然后利用该墙体直接作为挡土和止水结构。水泥土搅拌墙技术的主要特点是构造简单，止水性能好，工期短，造价低，环境污染小，特别适合城市中的深基坑试验工程。

当前的水泥土搅拌墙技术只适用于填土、淤泥质土、粘性土、粉土、砂性土、饱和黄土等软质土层，对于像圆砾土层、强风化岩土层等相对坚硬的土层，由于现有的安装在多轴搅拌机上的钻头的结构存在局限性，所以在遇到圆砾土层、强风化岩土层（比如全风化花岗岩）等坚硬土质时，具有钻进切削土体的进程非常缓慢、水泥用量额外增加、钻头损坏严重等缺点。也就是说，现有的安装在多轴搅拌机上的钻头穿透地质相对坚硬的地层的能力较差，所以钻进切削土体存在技术缺陷。

但是，圆砾土层、强风化岩土层等属于强透水层土体，强透水层土体又很需要进行处理形成止水帷幕，所以如何将水泥土搅拌墙技术应用在圆砾土层、强风化岩土层等相对坚硬的土层上，已成为本领域技术人员急待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，要解决多轴搅拌机在圆砾土层、强风化岩土层等相对坚硬的土层上钻进切削困难的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，包括内置有注浆钢管的钻杆，并且钻杆的尾部设有与三轴搅拌机的打桩架连接用的内插式接头，其特征在于：钻杆的头部设有前进头，前进头后方的钻杆上设有钻头刀排，钻头刀排后方的钻杆上设有钻头护颈翼板。

所述前进头是由三至五片刀片组成的叶式锥形前进头，这三至五片刀片围绕着钻杆的轴心线径向均匀分布，并且刀片的刀刃上设有一至三个前进头合金钻牙。

所述钻头刀排是由两至八片刀排组成的叶式钻头刀排，刀排向钻杆尾部倾斜并且入土角度为20度～25度，刀排与钻杆的轴心线成63度～68度的夹角，刀排的刀刃上设有二至五个钻头刀排合金钻牙。

所述钻头护颈翼板是由两至八片翼板组成的叶式钻头护颈翼板，翼板向钻杆头部倾斜并且入土角度为15度～20度，翼板与钻杆的轴心线相对垂直。

所述钻头刀排合金钻牙的入土角度可为15度～30度；

所述钻头刀排合金钻牙之间的间距可为15厘米。

所述内插式接头可为内插式六角钻杆接头或内插式螺旋接头。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明是一种能攻克圆砾土层、强风化岩土层（比如全风化花岗岩）等坚硬土层的三轴搅拌机钻头，能够达到土体深层搅拌并形成柱状护体止水结构。

本发明设计巧妙、效果理想，易于实施，能够穿透圆砾土层、强风化岩土层等地质相对坚硬的地层并进行注浆均匀搅拌，达到试验工程基坑围护止水的效果。

本发明中的叶式锥形前进头能有效的切割圆砾土层及强风化岩土层，并将切开土体部分向周边排开，本发明中的叶式钻头刀排能有效将前进头切开土体均匀搅拌并上返，上返土体达到本发明中的钻头护颈翼板后，在钻头护颈翼板的作用下继续搅拌，不再上返。

本发明中的叶式钻头刀排向钻杆尾部倾斜，并且入土角度为20度～25度，并且与钻杆的轴心线成63度～68度的夹角，这样设计是因为在这个角度范围内更有利于切碎土体深层钻进,上反土体,减少钻进阻力且能在一定程度上减少钻头的损耗。

本发明中的钻头护颈翼板向钻杆头部倾斜，并且入土角度为15度～20度，并且与钻杆的轴心线相对垂直，这样设计是因为把上反土体控制在一定范围内,不至于土体上反到地面外形成孔洞,增加水泥用量。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图１是本发明的立体示意图。

图2是本发明的主视示意图。

附图标记：1－钻杆、2－内插式接头、3－前进头合金钻牙、4－前进头、5－钻头刀排、6－钻头护颈翼板、7－钻头刀排合金钻牙。

具体实施方式

实施例参见图1、图2所示，这种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，包括内置有注浆钢管（通过注浆钢管对土体进行注浆）的钻杆1（钻杆为圆柱体，圆柱体中心为空心，用于安装注浆管管），并且钻杆1的尾部设有与三轴搅拌机的打桩架连接用的内插式接头2，本实施例中，内插式接头2为内插式六角钻杆接头。在其它实施例中，内插式接头2也可以是内插式螺旋接头。

所述钻杆1的头部设有前进头4，前进头4后方的钻杆1上设有钻头刀排5，钻头刀排5后方的钻杆1上设有钻头护颈翼板6。 

本实施例中，所述前进头4是由三片刀片组成的叶式锥形前进头，这三片刀片围绕着钻杆的轴心线径向均匀分布，并且刀片的刀刃上设有两个前进头合金钻牙3。在其它实施例中，前进头4的数量也可以是两片、四片、五片或更多片。所述叶式锥形前进头能对圆砾层土质进行搅拌，叶式锥形前进头上的前进头合金钻牙3能有效切割坚硬土体，钻进坚硬土层。

本实施例中，所述钻头刀排5是由三片刀排组成的叶式钻头刀排，刀排向钻杆尾部倾斜并且入土角度为20度～25度，刀排与钻杆1的轴心线成63度～68度的夹角，刀排的刀刃上设有三个钻头刀排合金钻牙7。在其它实施例中，刀排的数量也可以是两片、四片、五片、六片、七片或八片等多片，刀排的刀刃上可设一个或两个钻头刀排合金钻牙7。所述叶式钻头刀排能有效将切割土体上返并均匀搅拌。

叶式钻头刀排的入土角度a为22度时、并且叶式钻头刀排与钻杆的轴心线的夹角为65度时，使用效果最佳。

本实施例中，所述钻头护颈翼板6是由两片翼板组成的叶式钻头护颈翼板，翼板向钻杆头部倾斜并且入土角度为15度～20度，翼板与钻杆1的轴心线相对垂直。在其它实施例中，翼板的也可以是两片、四片、五片、六片、七片或八片或更多片。所述叶式钻头护颈翼板可对土体进行均匀搅拌，能将上返土体均匀搅拌并形成稳定圆柱体。

叶式钻头护颈翼板的入土角度b为16度时、使用效果最佳。

本实施例中，钻头刀排合金钻牙7的入土角度为15度～30度；钻头刀排合金钻牙7之间的间距为15厘米。距前进头410cm处设置钻头刀排5，距前进头500cm处设置钻头护颈翼板6。

以某试验工程为例，该试验工程距河床约600m，原始地貌属冲洪I级阶地，场地西侧为已征商业用地，北侧红线外五米为小商品批发市场，南侧为规划道路，东侧为一条港道，东北角有一栋三层民房和公厕，基坑总周长约440m，基础挖深9.2m～12.8m，地下两层地下室，地上为5栋22～27层高层住宅。

基坑开挖揭露土层情况，自上而下有：杂填土、粉质粘土、淤泥质土、粗砂、粉质粘土、粗砂、圆砾层、残积土、以下为全风化花岗岩、强风化花岗岩等。场地属地下水排泄区，影响基坑施工的场地内地下水类型主要为孔隙潜水，粗砂层内承压水及基岩裂隙水，属径流区，受邻区地下水的侧向补给及大气降水渗入补给。根据地质资料：杂填土为透水含水层，粗砂、圆砾为强透水含水层，粉质粘土及淤泥质土属相对隔水层，基岩风化带为网状裂隙水，其富水性及透水性与其裂隙的发育程度及裂隙性质有关，裂隙多以闭合裂隙为主，富水性一般较差。

关于该试验工程截水方案的选型，由于该试验工程地质较为复杂，地下水位丰富、并且地下水流动性较大，截水方式的选型、参数的确定至关重要，稍有不慎将会对周边建筑物等造成致命危害，所以截水结构的选型和设计，需重点考虑漏水的后果，含水层的土性、地下水特性、支护结构形式、施工条件等因素、对于漏水的后果严重（如建筑物、公共设施破坏等）的基坑、对施工质量无十分把握的截水结构，如水泥土系列的截水结构不宜少于两道防线；选择的截水结构施工工艺需适合场地的地层特性，截水的基坑，支护结构的变形控制设计尚需考虑截水结构的抗变形能力，支护结构或土体变形过大会引起截水结构开裂，导致漏水。综上所述，本试验工程最后选用SMW工法桩+被动区土体注浆加固作为截水结构，同时起到挡土支护作用。

该试验工程采用PHC预应力管桩基础，在管桩施工过程中，早已将土层底部相对隔水层（粉质粘土层）捅破，如果止水帷幕达不到圆砾层以下，坑内或坑外强透水层（圆砾层、砂层)必然透过管桩侧壁涌水，这将直接影响主体试验工程基础的质量。另外，坑内进行降水施工时， 本身降水井就捅破粉质粘土层，降水时粉质粘土层以下砂层、圆砾层地下水掏空后，必然会引起上层土体下沉，这时如果工法桩形成的止水帷幕只是穿透粉质粘土层，而粉质粘土层又因为沉降，将直接导致止水帷幕失效。

关于深基坑试验工程，尤其是本试验工程，地下水位丰富、砂层又比较厚，如果截水帷幕封闭出现缺陷漏洞的话，对基坑内强行降水的时候，基坑外围地下水会涌入基坑内，并伴随有流沙显现，基坑外围很容易出现沉降、甚至地面塌陷等危险事故。虽然粉质粘土层作为相对隔水层，水泥土搅拌墙穿过粉质粘土层就能起到止水的效果，但是本试验工程中，粉质粘土层相对较薄，为防止降水施工过程中出现滑移、隆起现象，设计必须确定将搅拌桩穿透圆砾层，并对被动土体进行注浆加固，防止降水的时候被动区砂层被抽干出现滑移倒塌现象。

在施工阶段，SMW工法桩截水帷幕施工（Soil Mixing Wall工法）并不是一项陌生的施工工艺。本试验工程前期施工时，上部土层成孔均正常，当成孔深至-16.5m～17.8m时，下沉速度明显变慢，电流突然增大超过450A，桩底2m～4m成孔时间达2小时，注浆量超过40000L。成桩后发现三轴钻头、钻具严重磨损无法继续施工。分析原因我们知道，??型钢水泥土搅拌墙（SMW工法桩）基坑支护试验工程适用于填土、淤泥质土、粘性土、粉土、砂性土、饱和黄土等土层，并不适合圆砾层、全风化花岗岩等坚硬土质。??本试验工程-12.5m～25.5m分布有圆砾层土质，厚度达2m～8m，圆砾粒径＞2mm的颗粒含量为59.4～80.1%，粒径30～60mm颗粒含量为4.1～10.2%，现场施工还发现圆砾层颗粒粒径大于60mm。-17.5m～25.5m分布有全风化花岗岩土层，厚度达2m～15m。

由上得知，地质原因与SWM工法桩施工条件限制是施工难度大的主要原因。砂层、圆砾层较厚，当施工到该土层时螺旋式钻头将土层向下压，土层越压越紧时下沉困难并且对钻头损坏严重。鉴于以上施工情况，施工人员通过本发明，成功试验并完成了本试验工程的基坑支护和止水帷幕试验工程。

降水及土方开挖的施工是检验截水帷幕施工效果最直接的方法，截水帷幕施工比较成功，则坑内降水较快坑外水位将会基本保持不变，并且土方开挖顺利。本试验工程土方开挖时，基本未见地下涌水现象，施工比较顺利。

Claims (4)

1.一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，包括内置有注浆钢管的钻杆（1），并且钻杆（1）的尾部设有与三轴搅拌机的打桩架连接用的内插式接头（2），其特征在于：

钻杆（1）的头部设有前进头（4），前进头（4）后方的钻杆（1）上设有钻头刀排（5），钻头刀排（5）后方的钻杆（1）上设有钻头护颈翼板（6）；

所述前进头（4）是由三至五片刀片组成的叶式锥形前进头，这三至五片刀片围绕着钻杆的轴心线径向均匀分布，并且刀片的刀刃上设有一至三个前进头合金钻牙（3）；

所述钻头刀排（5）是由两至八片刀排组成的叶式钻头刀排，刀排向钻杆尾部倾斜并且入土角度为20度～25度，刀排与钻杆（1）的轴心线成63度～68度的夹角，刀排的刀刃上设有二至五个钻头刀排合金钻牙（7）；

所述钻头护颈翼板（6）是由两至八片翼板组成的叶式钻头护颈翼板，翼板向钻杆头部倾斜并且入土角度为15度～20度，翼板与钻杆（1）的轴心线相对垂直。

2.根据权利要求1所述的一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述钻头刀排合金钻牙（7）的入土角度为15度～30度。

3.根据权利要求1所述的一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述钻头刀排合金钻牙（7）之间的间距为15厘米。

4.根据权利要求1所述的一种适用于穿透圆砾层土质的三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述内插式接头（2）为内插式六角钻杆接头或内插式螺旋接头。

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