２００９年１２月 探矿工程（岩土钻掘工程） ３９ 全套管旋挖钻进技术及其应用 杨引娥 （中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊０６５０００） 摘要：介绍了全套管旋挖钻进技术应用范围，并论述了几种不同形式的旋挖全套管钻进用设备及工法、套管的结 构性能以及其相应的施工工艺。 关键词：全套管旋挖钻进；搓管机；拔管机；套管；钻头 中图分类号：ＴＵ４７３．１；Ｐ６３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７４２８（２００９）１２—００３９—０４ Ａｕｇｅｒ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ Ｃａｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ／ＹＡＮＧ Ｙ／ｎ—ｅ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， ＣＡＧＳ，Ｌａｎｇｆａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０６５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｕｇｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｃａｓｉｎｇ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃａｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｇｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃａｓｉｎｇ；ｃａｓｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；ｔｕｂｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｃａｓｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｂｉｔ 旋挖钻进作为一种高效、优质的钻进方法，目前 １ 全套管钻进技术的设备及工法 在国内外得到了普遍的使用，几乎遍及铁路、公路、 １．１ 全套管回转钻机与旋挖钻机配套使用 电站、港口、高层建筑等各个领域。随着该技术的不 全套管回转钻机在下套管时靠其动力头夹紧套 断完善，其适应的地层范围、钻孔深度及钻孔口径也 管进行３６０。全回转，由于其回转扭矩大，加之３６０。 越来越宽。 旋转，因而较之于其它全套管法，施工效率高，可下 与其配套的全套管钻进技术，由于在施工中由 管直径及孔深大，适合施工大直径、大孔深的桩孔。 常规的泥浆护壁变为全孑Ｌ套管护壁干式钻进，具有 但其设备成本可观，目前我国还没有生产该型设备， 以下优点：（１）对周围地基的地下基础无扰动，可靠 只有从日本等国外引进的少数几台设备在国内使 近建筑物施工，无泥浆排放，从而不污染环境，施工 用。 现场整洁，振动小、噪声低，真正达到了绿色环保； １．２搓管机（摆管机）与旋挖钻机配套使用 （２）解决了旋挖钻进在易塌坍的流砂层、淤泥层、回 用搓管机进行全套管施工，是目前应用比较普 填层、卵砾石层等复杂地层的护壁及钻进问题；（３） 遍的一种全套管施工法，搓管机由液压泵驱动，夹紧 不存在泥浆护壁造成的泥皮和沉渣对钻孔桩承载力 油缸将套管夹紧，由搓管油缸进行搓管，同时由加压 削弱的影响，使桩的侧摩阻力和承载力较其它桩型 油缸加压使套管下行，搓管角度一般为ｌ５。～２０。， 有很大的提高；（４）由于套管的作用，避免了一般灌 起拔套管仍由搓管机完成。此种设备较之于全回转 注桩可能发生的缩径、断桩、砼离析等质量问题，使 套管钻机成本低、简单、适用，便于推广。但由于搓 得成桩质量大大提高；（５）在坚硬地层钻进中，进行 管角度只有１５。～２Ｏ。，相对于第一种设备而言，下 滚刀或牙轮钻头全断面气举反循环钻进时，由于有 管速度慢，尤其是孔深时，由于管子存在弹性变形及 套管护壁，完全避免了由于钻进时排人孔内的气体 套管之问不可避免地存在的连接间隙，使得传至套 对孔壁的抽吸和扰动而造成的上部不稳定段的孔壁 管靴的摆动角度有所衰减，所以此种工法更适合相 坍塌问题，使得旋挖钻进在坚硬地层中得到了有效 对深度较浅的桩孔施工。 的应用。总之，全套管钻进技术的应用，将旋挖钻进 １．３拔管机与旋挖钻机配套使用 技术在桩基施工中几乎变得无所不能，成为了“全 在孔径小（≯１５００ ｍｍ）、深度浅（＜３０～４０ 能”施工法。 ｍ）、地层偏软的桩孔中施工时，拔管机与大吨位的 旋挖钻机配套使用不失为一种成本低、效率高的全 收稿日期：２００９—１１—３Ｏ 作者简介：杨引娥（１９５９一），女（汉族），山西人，中国地质科学院勘探技术研究所大Ｅｌ径钻头与钻具研制中心销售部经理、教授级高级工程 师、中国地质科学院创新基地首批成员，探矿工程专业，从事旋挖钻进设备及钻具，各种地质钻探、水文水井钻探、工程施工用钻具及钻头的研 究和开发Ｊ一作，河北省廊坊市金光道７７号，ｋｔｓｚｔｚｘ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ＣＯＩｎ。 探矿工程（岩土钻掘工程） 第３６卷第１２期 套管施工方法。下管时由旋挖钻机通过动力头依次 与连接盘、花管驱动器、套管、套管靴相连，由旋挖钻 机的动力头带动套管进行回转下管，而拔管时则由 大吨位的拔管机完成。我们已研制成功了系列拔管 机，并在国内外得到成功的使用。在２００８年底到目 前不到一年的时间内，仅云南志远公司就购买８台 拔管机，与ＸＲ２８型旋挖钻机配套使用，成功应用于 位于昆明市中心的昆明市目前最高的住宅楼（楼高 １００ ｍ，共ｌ１栋楼，建筑面积４０００００ ｍ ）——志远 城市综合体一中国昆明莲花池项目，在该项目地基 施工中，完成了孔径１０００ ｍｍ、孑Ｌ深近４０ ｍ的３５００ 多根桩，完成总工作量６１０００延米，其中用拔管机进 行的全套管钻进达近７０％的工作量。由于使用拔 图２ 拔管机进行全套管施工现场 管机进行全套管施工，不仅大大提高了成桩质量，更 １．４用振动锤与旋挖钻进配套进行全套管施工 是使工期比预期提前了２０％。 在流塑状的淤泥层中施工，需要下套管进行全 图１为Ｌ１２／４０型拔管机设备简图，图２为用拔 套管施工时，如果孔径不大就可以采用振动锤下管 管机进行全套管施工现场。表１为拔管机的技术参 及拔管。一般做法为：将所下套管全部焊为一整根 数。 套管柱，使其与振动锤相连，在振动锤高频振动作用 下，套管下人孔内，然后用旋挖钻机将管内泥土挖 抱紧缶Ｔ ▲ ．上 — ； 出，随后灌注混凝土，再用振动锤将套管拔出。此种 起拔Ｉ．Ｔ 工法其优点是成本低、操作方便，缺点是适用范围窄 下夹紧液Ｊ 盘 且有噪声。 ◆ 巨 ｌ咋割０’／ ０ ｌ Ｉ ｌＩ ｌ ＝卜＿＿ — 世 ｒ火紧油缸 １．５双动力头钻进进行全套管施工 １ Ｉ ：』一 这是一种特殊的无循环钻机，钻机有上、下两个 底庠 动力头，一般上动力头为大扭矩（一般为６００ ｋＮ·ｍ 外抱惜 以上），它带动外套管旋转，而下动力头则带动套管 内的长螺旋钻杆进行排土，内外动力头同时进行工 作，套管与长螺旋钻具同步下行进行钻进，螺旋排出 ｝』Ｉ抱臂 的土从套管上开挖的出土口排出。此种工法钻进效 率高，但只适合钻进直径不大（≯１２００ ｍｍ）、孔不太 深（＞３０ １３１）的钻孔施工。我们为首钢泰晟公司研 制的直径为１０００和１２００ ｍｍ的双动力头钻具，已 成功在首钢新址——曹妃店基础施工中使用，图３ 为双动力头钻具，图４为施工现场。 １．６用钻扩两用旋挖钻头进行扩底，套管跟进，进 图１ Ｌ１２／４０型拔管机设备简图 行全套管施工 表ｌ拔管机技术参数 型起拔油缸油缸最大抱紧油缸最大抱与地接触下夹紧下夹紧抱与地最大接起拔套管额定起 最大起 质量 外形尺寸（长 号数量／个行程／ｍｍ数量／个紧力／ｋＮ面积／ｍ 油缸／个紧力／ｋＮ触比压／ＭＰａ直径／ｍｍ拔力／ｋＮ拔力／ｋＮ／ｋｇ ×宽×高）／ｍ Ｌ１２ ４ ５００ ２ ２９５０ ２．９ １ ２５０ １．３８ ６００—１２００ ３０００ ４０００ ７０００ ２．２×２．２×１．４ Ｌ１５ ４ ５０ｏ ２ ３８００ ３．２ ｌ ３００ １．５２ ｌ０００一ｌ５００ ３８００ ５０００ １ｌ０００ ２．７ ｘ２．６８×１．６ 该种全套管钻进法是将套管与动力头连接，可 空，同时套管跟进。如果需要提升钻头，则将套管接 以实现钻扩两用的钻头从套管中伸出后在钻机的压 头处卸开套管，可用孔口夹管器夹紧套管，而钻头提 力作用下，伸缩机构可张开，边钻边扩使套管下部掏 离孔底后，在钻头自重作用下伸缩机构收回，钻头从 ２００９年ｌ２月 探矿工程（岩土钻掘工程） ４１ 图３双动力头钻具 图４双动力头全套管钻进现场 套管内提出孔外。此方法适合于只在上部一般１Ｏ 多米的孔段需要套管护壁的地层施工。图５为我们 为云南某单位研制的钻扩两用土层跟管钻头，图６ 是我们为四川某单位研制的岩层用钻扩两用跟管钻 头。 图５土层用钻扩两用跟管钻头 ２套管结构设计 用于全套管钻进的套管有以下几种形式。 ２．１ 双壁套管 该种套管为双壁结构，内外壁之间有内衬，为内 外平结构。外平有助于拔管，内平有助于钻头通过 图６岩层用钻扩两用跟管钻头 及下钢筋笼。套管之间的接头一般有以下两种连接 方式：一是由键定位而由锥销连接传扭，二是由键定 位并传扭而卡块连接，见图７。我们加工的双壁套 管为锥销连接。 图７套臂连接方式 与双壁套管配套的套管靴，根据所钻地层不同 可以配合不同的切削齿，一般粘土层可以在套管靴 上直接割出锯齿；对于硬土层则可用钎头作为切削 具；对于较硬地层则采用可以更换的焊有硬质合金 的齿作为切削具（见图８）。 ２．２单壁套管 单壁套管分为内平和外平两种结构，内平式结 构一般在孔径偏小的钻孔中使用（直径＜６００ ｍｍ）， 使用时一般下管及拔管均用旋挖钻机完成，提管时 ４２ 探矿工程（岩土钻掘工程） 第３６卷第１２期 圈８双壁套管柱（套管靴切削具为可更换的 焊有硬质合金的切削齿） 则需要配孔口夹管器（见图９）。由于外部不平，拔 管时没有双壁套管顺利，所以一般使用不是很普遍。 外平结构一般用于口径＞１５００ ＩＴｌｍ的大直径套管， 加工成单壁，可有效地降低套管的质量，适合深孔钻 进。图１０为我们为四川某单位研制的直径５５０ ｍｍ 的单壁套管。 图９套管孔口夹管器 图１０内平式单壁套管 ２．３拔管步骤说明 拔管机使用时按下述步骤进行：与旋挖钻机配 套使用的套管单根长度一般为３～４ ＩＩ１，设计长度 时，一定要考虑所配套钻机的动力头在处于桅杆最 上点时所距地面的距离，应确保动力头在连接上连 接盘、花管驱动器及单根套管、套管靴时能方便地提 离地面，并要考虑到搓管机或拔管机的高度。若太 长还需在地面挖坑将套管放人坑内，由副卷扬将套 管吊起下入孔口方可与驱动器相连，这样既麻烦又 不安全。全套管旋挖钻进所用钻杆比一般钻杆要 短，其长度应小于１０ １１１。因为使用搓管机或拔管机 搓管，套管在孔口其最上端要高出孔口１．５ ｍ左右， 钻杆太长连接钻头后无法进入套管内。 ３全套管旋挖钻进施工工艺 由于旋挖全套管钻进有以上６种工法，其施工 工艺在此不一一陈述，只以拔管机配旋挖钻机进行 的全套管施工法为例介绍其施工工艺。 （１）选择孔位，将孔口夯实，或孔口垫５０ ｍｍ厚 钢板。 （２）旋挖钻机将首根带套管靴的套管旋人孔 内，直到地面露出套管长度２ ｍ左右，然后与花管驱 动器分离。 （３）将拔管机抱紧油缸松至最大，然后吊至孔 位，将套管套人拔管机中间。 （４）依次下人套管，遇到淤泥等特别松软地层 时，若套管由于自重自行下沉时，在旋挖钻机加套管 问隙，需要拔管机将套管抱住，以防沉人孔内发生事 故（注意：旋挖钻机驱动套管钻进时，拔管机不得将 套管抱住）。 （５）旋挖钻机驱动套管钻进与内孔掏土，一般 情况是交替进行。交替原则是：每次确保孔口露出 的套管长度尽可能不超过２ ｍ，根据套管长度，合理 选择内孔掏土每轮次的所钻进的深度。 （６）钻进终了后，进行下笼灌注。首根桩灌注 拔管，为防止出现事故，旋挖机不应撤离孔位，应与 拔管机配合，以防发生灌注浮笼，或拔管困难等事 故。若发生浮笼时，需要旋挖钻机用钻杆和钻头将 钢筋笼压住，然后起拔套管，使其发生相对位移即 可。切记不可将套管起拔过高，这样易使旋挖钻杆 及钻头提不出管外。若在拔管时发生拔管困难，此 时需要将花管驱动器与套管连起，旋挖钻机边搓边 提，与拔管机一道将套管拔出。 （７）若首桩没有出现上述情况，钻进终了后，旋 挖钻机可以撤离孔口，由５０ ｔ履带吊与拔管机配合， 将套管拔出孔外。 （８）拔管初始时间选择：一般灌注混凝土要求 连续性，以防出现断桩，全套管施工需要混凝土泵车 灌注，或采用大方量混凝土灌注斗用吊车进行灌注， 拔管初始时间与混凝土初凝时间密切相关，一定要 在初凝前开始起拔，不过，Ｌ１２／４０型拔管机选择的 配套泵站Ｐ３０／４０具有微动防事故功能，在开始灌注 后，就可开启微动开关，套管提升速度为１ ｃｍ／ｍｉｎ （下转第４６页） 探矿工程（岩土钻掘工程） 第３６卷第１２期 基坑外 ｌ １Ｉ＿－ １０００钻孔桩 ｏ ｏ ｏ 形边桩 墙板 Ｌ Ｉｌ 某坑外 图３边柱做法示意图 比较正常，挖土影响深度为１６ ｍ左右。测斜孔实测 最大累计位移量３２ ｍｍ（ＣＸ２孔），与计算值２９．２ ｍｍ较为接近，没有超过３５ ｍｍ的设计警戒值。 随着基坑挖深的增加，支护结构的水平支撑轴 力迅速递增。轴力变化与土体侧向位移的变化呈阶 段同步趋势，其变化范围都属正常。第一道支撑的 轴力随着挖土深度的增加而逐步变大，实测轴力最 大值为４９９７ ｋＮ，没有超过设计值５０００ ｋＮ。第二道 缝，说明采用本换撑做法是安全、可靠的。 ７ 结语 在无传统换撑（即地下一层楼板）条件下，可采 用增设地下室墙板外侧边柱和部分先行回填土办 法，解决水平支撑换撑问题，对今后类似基坑工程具 有参考价值。 参考文献： ［１］ 浙江有色建设工程有限公司．浙江玻璃股份有限公司１５０ ｔ／ｄ 支撑的实测轴力最大值为６８９６ ｋＮ，也没有超过设 计值８０００ ｋＮ。 基坑开挖没有对基坑周围土体、道路等造成太 大的沉降，其最终沉降一般在４—１４ ｍｍ之间，属于 正常范围。 经监测，拆除第一道混凝土支撑后，地下室墙板 未发生明显变形，也未发现因弯矩过大而产生的裂 超薄浮法生产线及配套工程岩土工程勘察报告［Ｒ］．２００４． ［２］ 浙江大学地基基础工程公司岩土研究所．浙江玻璃股份有限 公司１５０ ｔ／ｄ超薄浮法生产线熔化工段基坑现场监测总结报 告［Ｒ］．２００６． ［３］ＪＧＪ １２０—９９，建筑基坑支护技术规程［Ｓ］． ＋一＋－＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋ ＋··＋一＋··＋一十一＋ ＋·一＋ ＋··十··十··＋”＋一＋一＋”＋一＋”＋··＋一十一十··＋一＋ Ｉ上接第４２页） 左右，这样就可避免人为延时造成的事故。 试，套管可提起，此时可不需要拔管机起拔，只需在 卸连接销时，拔管机将套管抱住。套管主要由吊车 完成拔管。 ４结语 （９）灌注完成，需要快速拔管时，将微动开关关 掉，开启大泵开关，与吊机配合依次快速将套管拔 出。 （１０）下夹紧液压卡盘（或机械卡盘）的使用：如 全套管旋挖钻进技术由于其具有成桩质量高、 环境污染少等独特的优点，已在国内外得到广范使 用，尤其是欧洲一些国家几乎所有的钻孔都要求进 行全套管施工，在我国，随着对成孔质量的要求越来 越高，对环保越来越重视，相信该工法在未来的施工 中一定会使用得越来越普遍。 果上拔拆卸套管时，应使用下夹紧液压卡盘，使其将 套管抱住，拆卸完后，将抱管缸（上夹紧）抱住套管 后，将下夹紧松开，然后起拔，注意不可在下夹紧抱 紧的情况下起拔套管。 （１１）完全拔起：当压力＜５ ＭＰａ，或经吊车提