• 旋挖钻机培训 —— 长沙基地

施工方案

旋挖钻机大型机械设备使用方案

旋挖钻机大型机械设备使用方案

1、工程概况

1.1工程概述

拟建南京枢纽南京北站房工程位于江苏省南京市城区。工程位于既有南京铁路旅客站房北侧,北靠小红山。建筑场地长189m,宽39m,主体工程为2层,局部3层,并设地下一层作为出站厅,总建筑面积19948m²

本工程±0.000m标高相当于绝对标高15.500m,分地下出站厅地下地铁1号线出入口通道两个支护结构,支护桩有316根;北站房工程桩有312根。

1.2工程地质及水文地质条件

 南京站北站房所在地层主要为人工填土、可塑~硬塑粉质粘土、全风化及强风化闪长岩。拟建区地表水不发育,地下水主要为第四系孔隙潜水,赋存于人工填土、黏性土的孔隙中,不发育,下部为基岩裂隙水,赋存不均。局部残积层中、基岩强风化带中可能赋水较丰,施工时应予重视。

设计勘察时现场对两个孔进行了简易提桶抽水试验,试验表明:上部黏性土层、全风化带中,水量贫乏,抽水试验未能正常进行。在强风化带(W3),富水性较差,根据抽水试验计算渗透系数k范围值为0.34~0.57m/d,钻孔(直径d=110mm),涌水量Q为12.9~13.2m3/d;具潜水性质。

2、旋挖钻机施工准备

1、开工前应对设计院提供的该工程的地质勘察报告、水文地质资料、桩基工程施工图进行详细查看,并形成图纸会审资料,以便施工时参照,并对施工现场环境和邻近区域内的地下管线(管道、电缆)、地下构筑物、危险建筑物、精密仪器车间等进行详细调查。

2 进场后,提供施工机械及其配套设备的技术性能资料,出厂合格证等相关资料。

3 桩基工程的施工组织设计或施工方案,有关载荷、施工工艺的试验参考资料需完备

3  施工用中小型机械与设备

3.1  配合旋挖钻施工所需中小型机械设备

为了配合旋挖钻机施工,其在施工过程中必须要同时配置挖掘机、推土机、电焊机、泥浆泵、测量仪器(如全站仪、水准仪)等机械设备。

3.2  中小型等机具的要求

1、挖掘机:机体性能完好并经检测合格;操作手应持证上岗。

2、推土机:机体性能完好并经检测合格,操作手应持证上岗。

3、手持电动工具: 必须单独安装漏电保护器;防护罩安全有效;外壳必须有接地或接零;橡皮线不准破损。

4、 电焊机:有可靠的防雨措施;有良好的接地或接零保护;一、二次线接线处应有齐全的防护罩;二次线应使用线鼻子;配线不许乱搭、乱拉,焊把绝缘良好;焊工持证上岗。

5、气瓶:各类气瓶有明显的色标和防震圈,不准在露天曝晒;乙炔气和氧气瓶距离应大于5m;乙炔气瓶在使用时必须装回火防止器;皮管应用夹头紧固;操作人员必须持证上岗。

4  施工场地布置、桩孔位置的确定

4.1 基本原则

根据设计要求合理布置施工场地,必须落实四通一平,即路、水、电和通信通;先平整场地、清除杂物、换除软土、夯打密实。在进行场地整平后,组织有资格的测量放样人员,将所有桩位放出,钉好十字保护桩,做好测量复核,并记录放样数据备案;规划行车路线时,使便道与钻孔位置保持一定的距离;以免影响孔壁稳定;施工场地为旱地而且在施工期间地下水位在原地面以下时,将场地平整夯实,清除杂物;钻机底盘不宜直接置于不坚实的填土上,以免产生不均匀沉陷;钻机的安置应考虑钻孔施工中孔口出土清运的方便。

4.2 桩位放样

“从整体到局部的原则”进行桩基的位置放样,进行钻孔的标高放样时,应及时对放样的标高进行复核。采用全站仪准确放样各桩点的位置,使其误差在规范要求内。

4.3 钻机就位

钻机就位时,要事先检查钻机的性能状态是否良好,确保钻机工作正常。保证桩位附近平整,把钻机开到桩位旁,螺旋钻头的尖端正对桩位标注点。

钻机停位回转中心距孔位在34.5m之间。在允许的情况下,变幅油缸尽可能将桅杆缩回,这样可以减小钻机自重和提升下降脉动压力对孔的影响。检查在回转半径是否有障碍物影响回转。

4.4 埋设钢护筒

4.4.1 基本要求

钢护筒埋设工作是旋挖钻机施工的开端,钢护筒平面位置与垂直度应准确,钢护筒周围和护筒底脚应紧密,不透水。

埋设钢护筒时应通过定位的控制桩放样,把钻机钻孔的位置标于孔底再把钢护筒吊放进孔内,找出钢护筒的圆心位置,用十字线在钢护筒顶部或底部,然后移动钢护筒,使钢护筒中心与钻机钻孔中心位置重合。同时用水平尺或垂球检查,使钢护筒垂直。此后即在钢护筒周围对称、均匀地回填最佳含水量的粘土,要分层夯实,达到最佳密实度。以保证其垂直度防止泥浆流失位移、掉落,如果护筒底土层不是粘性土,应挖深或换土,在孔底回填夯实300-500mm厚度的粘土后,再安放护筒,以免护筒底口处渗漏塌方,夯填时要防止钢护筒偏斜。护筒上口应绑扎木方对称吊紧,防止下窜。

4.4.2 特殊要求

在易缩径的淤泥质粘土和易垮孔的松散杂填土地层和沙层以及严重透水地层必须使用长护筒或全护筒护壁,下护筒的方式采用动力头驱动器下护筒:利用动力头反正转搓动和加压油缸加压使护筒切入土中。操作方便 ,并能确保护筒埋置夯实性,缩短挖坑埋置时间,提高成孔效率。

5  钻头的类型及应用

5.1  钻头的类型

旋挖钻头实际上就是一个盛土的筒式容器,只是在斗的下侧焊接切削土壤的刀片或刃口。随着旋挖钻进工艺的推广应用,在遇到沙层、硬岩基层、卵砾石层等各种复杂地层时,不采取特别的措施,旋挖钻机的应用也受到了一定限制。因此,在施工中应根据不同地质情况,选用合适的钻头和施工工法,这样即可以提高施工效率,节约生产成本,而且在环保、能源消耗孔内事故等等方面能收到异想不到的效果

钻头的类型很多,常用的分为两大类:

(1)回转钻头:a单底土斗b双底捞砂斗

(2)嵌岩钻头:a短螺旋钻头b嵌岩筒钻c牙轮钻头

根据车站场地工程地质及水文地质条件,在钻头选取上,上述5种钻头我项目部在本工程上均要采用。

5.2  钻头的应用

5.2.1一般要求

钻具应有一定的刚度,在钻进中或其他操作时,不产生移动和摇晃,钻具的安装应符合生产厂家的标准。施工前,了解施工地质情况选用合理的钻具。在一般地层情况下可选用摩擦钻杆和回转钻头。在岩层施工时可配用短螺旋钻头、回转斗,嵌岩钻头等各种规格的钻头。

回转钻头,适用于地下水位以上的粘性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土、风化岩层。嵌岩螺旋钻头,适用于碎石土、中等硬度的岩石及风化岩层。岩心回转斗,适用于风化岩层及有裂纹的岩石。本工程根据场地工程地质条件配备了Ф800mmФ1000mmФ1500mm的各种类型钻头。

5.2.2钻斗的斗齿前角选取

旋挖钻机工作时的压力、扭矩传递为:

压力:动力头油缸动力头钻杆钻头切削刃;

扭矩:动力头马达动力头转盘钻杆钻头切削岩土。

从整个旋挖钻机工作过程来看,钻机的动力能多少转变为施工所需的压力和扭矩的输出效率问题,对每台钻机来说,出厂时就已经确定下来,而钻机工作过程中的压力和扭矩的输出效率则取决于钻杆和钻头,钻斗的关键参数是斗齿刃前角。

对于相同的地层使用同一钻进扭矩,不同的斗齿刃前角度,钻进效率不同。因此,只有选择合适的刃前角,才能提高进尺效率。对于硬度较小的第四地层、强风化层和少冰冻土层,钻比较松软的地层时斗齿刃前角应稍大些,选取45°~65°为宜;钻比较硬的地层时斗齿刃前角应稍小些,选取25°~45°为宜。

6  旋挖钻机钻杆结构及正确应用

6.1  地质硬度分类

选用钻杆时,首先要考虑的因素是地质情况(地层硬度),一般进行松软地层钻进时,依靠钻杆和钻具的自重即可满足进尺加压力的要求,此时选用摩擦式钻杆即可。对于入岩钻进则应考虑具有强行加压功能的机锁式钻杆。地层硬度由软到硬排列如下:

1.淤泥层;2.泥土、(泥)砂层;3.卵(漂)石层;4.强风化岩层;5.中风化岩层;6.弱风化岩层;7.微风化岩层;8.基岩层。

由于本工程场地分布较厚强~中风化岩层,故进场设备选用了机锁式钻杆。

6.2  机锁式钻杆                           

机锁式钻杆(见图1和图2)不但可用于软地层,也可用于较硬地层施工。机锁式钻杆可钻进淤泥层、泥土、(泥)砂层、卵(漂)石层和强风化岩层。机锁式钻杆一般制成4节,1~3节杆每节钢管长13米。钻孔深度可达50米左右。

1、扁头  2、一杆挡环  3、第一节钻杆  4、第二节钻杆  5、第三节钻杆  6、第四节钻杆

7、减振器总成  8、一杆外键  9、一杆内键  10、弹簧座(托盘)  11、钻杆弹簧

12、方头   13、销轴

                              1  固定点分段加压式机锁式钻杆

 

1、扁头  2、一杆挡环  3、第一节钻杆  4、第二节钻杆  5、第三节钻杆  6、第四节钻杆

7、减振器总成  8、一杆外键  9、一杆内键  10、弹簧座(托盘)  11、钻杆弹簧

12、方头   13、销轴

                        2  多点连续加压式机锁式钻杆

 

6.3 钻杆的提升和伸放

钻杆在完全缩进状态被安装到旋挖钻机上,整根钻杆的重量通过最内一节杆的扁头和提引器相连接作用在主卷扬钢丝绳上。最内一节杆通过焊接(或安装)在其上的圆盘和弹簧、弹簧座(托盘)将其它各节杆托起(弹簧座的外径与一杆钢管外径相同)。

钻杆下放(伸出):钢丝绳下放,钻杆由于自重整体下降,1杆在动力头内键套内滑动下降。当1杆上的减振环碰到动力头上平面时,1杆被动力头托住,停止下降;钢丝绳继续下放,其余各节杆在重力作用下一起继续下降。当第2节杆的挡环碰到1杆下管内键上端面时,2杆被1杆挡住,停止下降;钢丝绳继续下放,其余各节杆在重力作用下一起继续下降。当第3节杆的挡环碰到2杆下管内键上端面时,3杆被2杆挡住,停止下降。如此继续,直到各节杆全部伸出,将安装在最里边一节杆方头上的钻具下放到孔底。由此可见,各节钻杆的伸出(下放)是由外向里进行的。

钻杆提升(缩进):(以5节杆为例)每次钻进结束后,钢丝绳提升,5杆带着钻具一起向上提升,同时5杆向4杆内缩进。当5杆完全进入4杆内时,安装在5杆上的弹簧座(托盘)将4杆托起,带着4杆一起上升,同时4杆、5杆一起向3杆内缩进。如此继续,直到5、4、3、2各节杆全部缩进1杆内,并且1杆也被弹簧座托起在动力头内键套内滑动上升,直至钻杆和钻具全部提出地面。由此可见,各节钻杆的提升(缩进)是由内向外进行的。

6.4钻杆扭矩传递和加压原理

钻机在钻孔作业时,钻杆要将动力头的两个作用力传递给钻具,一个是圆周方向的旋挖扭矩M(圆周力F);另一个是轴向的加压力N。把这两个作用力从第1节钻杆传递给第2节钻杆;第2节钻杆传递给第3节钻杆…最末一节钻杆传递给钻具。这两个作用力的传递是靠外面一节杆下部的内键和其里面一节杆的外键相互作用完成的。摩擦杆和机锁杆加压力传递的作用原理不同:

摩擦杆各节杆上的外键是焊在钢管上圆周120°均布的3条(或6条)通长钢条,无台阶(无加压点)。

机锁杆各节杆上的外键是焊在各节杆钢管上圆周120°均布的3条(或6条)带有加压端面(有台阶)或齿面的钢条。

下面均以第1、2节钻杆为例论述各节钻杆传递旋挖扭矩和加压力的原理。假设:

1)钻杆、钻具承受孔底土石料的负载反扭矩为:Mf=22tm;

2)1、2杆扭矩传递作用半径为:R=195㎜=0.195m;

3)钢-钢摩擦系数为:k=0.11(在有泥浆润滑条件时);

则:F圆周力=M/R=22/0.195=112.82(t),

F正压力= F圆周力=112.82(t);

f摩擦力=k×F正压力=0.11×112.82=12.41(t);

N= f摩擦力=12.41(t)

以上是以BG250旋挖钻机为例,并且假定负载反扭矩与其最大输出扭矩相等,即Mf=M=22tm计算的加压力。实际上负载反扭矩比机器的最大输出扭矩要小得多,因为较松软的泥砂地层不会对钻具形成多大的负载反扭矩;较硬实的风化岩层钻具截齿在上边打滑,不易进尺,也不能形成多大的负载反扭矩。负载反扭矩小→F圆周力小→F正压力小→f摩擦力小→N加压力小,所以摩擦式钻杆传递的加压力很小。摩擦式钻杆的进尺加压力主要来自于最末一节钻杆和钻具的自身重量(φ440-5×13m摩擦杆的第5节杆重量为:1.8t左右,一个φ1.5m的捞砂钻斗的重量为:2t左右,加起来共3.8t左右)。加压油缸提供给动力头的加压力虽然很大(20t),但经过动力头内键套键齿侧与1杆外键侧的摩擦传递和各杆内外键侧的摩擦传递提供给钻具的进尺加压力却很小,所以使用摩擦杆不能在较硬地层施工作业。

特别注意的是在使用机锁钻杆时,要警惕钻杆每节的锁点是否解开,在每次每斗上提前将根据钻进深度逆向旋转。也可按每节钻杆一圈逆旋,如第三节已抽出就三圈,即可有效的保证每节的锁点解开。                               

7  旋挖钻进成孔工艺

7.1  钻进成孔及注意事项

钻进成孔: 旋挖成孔首先是动力头转动底门镶嵌斗齿的桶式钻斗切削岩土,并将原状岩土装入钻斗内,然后再由钻机卷扬机和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土,这样循环往复,不断地取土卸土,直至钻至设计深度。对粘结性好的岩土层,可采用干式或清水钻进工艺,无需泥浆护壁。而对于松散易坍塌地层,或有地下水分布,孔壁不稳定,必须采用静态泥浆护壁钻进工艺,向孔内投入护壁泥浆或稳定液进行护壁。

成孔前必须检查钻头保径装置,钻头直径、钻头磨损情况,施工过程对钻头磨损超标的及时更换。

成孔中,按试施工确定的参数进行施工,设专职记录员记录成孔过程的各种参数,如钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。记录必须认真、及时、准确、清晰。

旋挖钻机配备电子控制系统显示并调整钻进时的垂直度,通过电子控制和人工观察两个方面来保证钻杆的垂直度,从而保证了成孔的垂直度。

钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度:由硬地层钻到软地层时,可适当加快钻进速度;当软地层变为硬地层时,要减速慢进;在易缩径的地层中,应适当增加扫孔次数,防止缩径;对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率;砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度                                      

7.2  地质层情况

人工填土、可塑~硬塑粉质粘土:地表覆盖土、淤泥、粘土、淤泥质亚粘土、砂土、砂层等较软的地层统称为第四纪地层。像地表土、淤泥质亚粘土、粘土层在干性状态下胶结性都比较好,在干孔钻进下可用单底板土层钻斗钻进,也可以用双底板捞砂钻斗和土层螺旋钻头钻进;若在湿孔钻进条件下,因土遇水的胶结性能变差,一般用双底板捞砂钻斗钻进以便于捞取钻渣。淤泥层一般用双底板捞砂钻斗钻进。砂土层和砂层的胶结性能都比较差,不管干孔钻进还是湿孔钻进均用双底板捞砂钻斗钻进。对于含水丰富的流砂、流泥等易坍塌地层,采用双底板捞砂钻斗钻进。

全风化、强风化及中风化闪长岩:

砂卵石、卵砾石泥灰岩、砂岩、灰岩、泥岩、页岩等硬岩层根据钻进地层不同,短螺旋钻头分为嵌岩短螺旋钻头和土层短螺旋钻头两类。按其头部结构形式分,短螺旋钻头又可分为锥头短螺旋钻头和平头短螺旋钻头。一般情况,嵌岩短螺旋钻头多为锥头形式,土层短螺旋钻头多为平头形式。锥头短螺旋钻头根据锥头结构形式的不同和钻头导程的多少又可分为单锥单螺旋钻头、双锥单螺旋钻头以及双锥双螺旋钻头3种。嵌岩短螺旋钻头所用切削为头部镶焊有钨钴硬质合金的截齿,主要用于钻进风化基岩、胶结性较好的卵砾石地层及永冻土层。土层短螺旋钻头所用切削为耐磨合金钢斗齿或斗齿加截齿,主要用于钻进地下水位以上土层、砂土层和粒径不大的砾石层。一般的强风化岩也可用土层短螺旋钻头,如:全风化及强风化。

对于硬度较大的基岩地层、大的漂石层以及硬质永冻土层,直接用短螺旋钻头或旋挖钻斗钻进都比较困难,需要岩筒钻配合短螺旋钻头和双底板捞砂钻斗钻进。岩筒钻分为取芯岩石筒钻和不取芯岩石筒钻两种。取芯岩石筒钻除了筒体下端焊有子弹头截齿外,筒体内壁上装有承托岩芯的合页片。不取芯岩筒钻则没有承托岩芯的合页片。岩筒钻的主要作用在于对孔内岩芯的圆周进行松动掏空,为以后下入嵌岩短螺旋钻头破碎岩芯创造破碎自由面。对于层理发育且各向异性的硬岩地层,用岩筒钻配合嵌岩短螺旋钻头和双底板捞砂钻斗钻进,能有效地预防孔斜及提高工作效率.

砂卵石、卵砾石层比一般的第四纪地层硬度大,钻进难度较大。这类地层中若没有粒径太大的孤石、漂石,一般可选用机锁钻杆和双底板捞砂钻斗钻进。这类地层的研磨性比较强,所以钻斗斗齿的消耗会比较大。当碰到有大孤石(漂石),则下入嵌岩短螺旋钻头钻进,一般能把大孤石搅碎或将整个孤石(漂石)带出孔口。钻进卵砾石地层,嵌岩短螺旋钻头的锥头结构形式和锥度大小的选择主要取决于卵砾石粒径的大小和地层硬度,粒径大选用单锥头形式(单锥头形式的锥头叶片空间比双锥头形式的大,但是带渣能力前者比后者差),这样才能使大粒径卵砾石被旋入螺旋叶片内;粒径小则选用双锥头形式易于带起钻渣。地层硬度大则选用小锥角形式的钻头;硬度小则选用大锥角形式钻头。对于场地内强风化基岩采用嵌岩短螺旋钻头钻进,配合用岩筒钻(主要作用在于对地层进行松动,取芯是次要功能,所以一般采用不取芯岩石筒钻)以及用双底板捞砂钻斗清渣。

旋挖钻机在钻进时,根据地层选用钻斗的同时,还要注意在钻进时进尺的控制。在使用旋挖斗时依据斗体的容量,一般在斗体三分之二为合适。进尺深度根据桩直径而定,也要根据地层的密度控制进尺深度。进尺过多,导致卸土困难,还会导致埋钻卡钻的事故发生。过少会延误施工进度与设备、能源的消耗,成本提高,降低了效益。

 

 


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