钻头是工程钻机成孔施工最主要的机具之一，钻头的合理设计和选用直接关系到钻机的工作效能和经济效益；钻头的设计是否合理，对地层有没有良好的适应性，是制约钻进速度和成孔质量的一个重要因素。文章旨在论述不同地质环境下钻头的设计与应用，并结合工程案例分析钻头的工艺改进。

 

　　（一）上部为软弱土层，持力层为圆砾、软岩地层的钻头设计与应用

 

　　对于此类地层，目前国内在钻孔灌注桩施工中较为常用的钻头为锥形钻头，锥形钻头适用于杂填土、淤泥质黏土、粉砂、粘质粉土、软可塑黏土、圆砾等松散、低强度地层，该钻头具有成孔导向性好，回转阻力和流转阻力小等特点。锥形钻头加工制作相对容易，以钻翼数量多少又可分为二翼钻头、三翼钻头和四翼钻头等。钻头钻进工作机理：钻杆驱动钻头作旋转运动，钻头锥形翼上梳齿式加强合金钻头对土体进行切削、捣碎形成优质泥浆进行护壁，利用正反循环清孔技术将钻进产生的泥浆颗粒通过泥浆泵及时排出孔内，从而形成钻头的持续钻进。锥形钻头的优化设计：设有钻头尖、钻头尾、连杆、尾翼，钻头尖为锥形体结构，钻头尾的上部为管形结构且外表面设有螺纹、下部为内空的锥台体，锥台体的下端边与钻头尖的上端边相配，尾翼为管形结构且管内设有支架，尾翼的外径小于钻头尾上部管形外表面螺纹的外径、但大于钻头尾上部管形结构的内径，连杆位于钻头尾的中央，连杆的下端设置在钻头尖的上端中央，连杆的上端设置在尾翼支架的中央。为保证进入持力层后的钻进速度，并兼顾上部软土层钻进效率，一般选用三翼梳齿式加强合金钻头，锥角90°～120°，翼上梳齿式加强合金钻头均布，钻头锥尖合金钻头（前导钻头和切削刃）呈扇形状均布。钻头钻进压力：软土层8～10kN；圆砾、软岩层15kN左右。钻头转速：根据地层情况，合理调整转速快慢，从而达到最优进尺速度。

 

　　（二）软硬不均匀地层或局部加固地层钻头的设计与应用

 

　　对于软硬不均匀地层或局部加固地层，例如经过水泥土搅拌桩（或粉喷形式）加固过的土体，锥形钻头的导向性能较差，无法保证成孔的垂直度。而采用筒式钻头，则能在该类土体中获得较好的成孔效果。

 

　　筒式钻头与一般钻头对比具有以下特点：（1）一般钻头钻进部位为锥形，而筒式钻头为内敛平底。钻进时锥形钻头靠头部锥形头导向，导向部位呈点性，当导向头碰到软硬不均的层位时，易往软基土方向偏进造成孔斜。而筒式钻头导向部位为组成钻头主要部件的钻头外圈筒，呈圆形，当钻进时，圆形外圈呈圆周线性运动，从而克服了点状运动的方向不确定性；（2）筒式钻头为整体式外壁，与孔壁接触呈刚性，具有良好的导向作用；（3）筒式钻头上部采用密封形式，泥浆循环在钻头部位为沿周边上行，筒式钻头从根本上改变了钻头对于岩石的切削、排渣方式，改善了切削动力对孔壁的破坏作用；筒内排渣完全克服了水射流对孔壁的冲击破坏。

 

　　（三）复杂地层组合钻头的应用

 

　　钻孔灌注桩施工中，一般地质情况并不单一，往往含有多种复杂地层情况，如上部为软土层，中部含有砂砾、圆砾、块石等夹层，而下部为中风化甚至微风化基岩等坚硬的设计持力层。对于这种较为复杂的地层，只用一种钻头成孔是相当困难的，有必要利用组合钻头进行成孔作业。所谓组合钻头，就是一台桩机在成孔时针对不同地层换用不同的钻头施工，能有效地提高桩机的钻进效率。牙轮钻头、滚刀钻头在旋转时具有冲击压碎和剪切破碎地层岩石的作用，所以牙轮钻头、滚刀钻头能够适应软、中、硬各种岩石持力地层，但成孔速度相对较慢。锥形钻头、牙轮钻头或滚刀钻头是最常用的组合钻头。组合钻头主要成孔工艺：在上部软土层利用锥形钻头钻进成孔，制造优质泥浆护壁。上部土层成孔结束后，主要靠孔深和钻具的进尺判断钻头是否已进入岩层。在土层中钻具的进尺有明显的变化。而在岩层中，进尺明显变慢，钻具停止下沉且跳动明显，这时就将锥形钻头换下，换上牙轮钻或滚刀钻头继续钻进，从而达到理想的进尺效果。

 

 

　　（一）工程概况

 

　　在济南金色阳光花园·御景园地下车库桩基础工程施工中，共有工程桩892棵，均为钻孔灌注桩，桩径500mm，桩长不小于6.8m，入土深度平均不小于16.8m，且要求桩身入岩不小于5.7m。岩土工程勘察由山东省城乡建设勘察院勘察完成，在勘察深度范围内，场地地层自上而下分别为：（1）杂填土、（2）粉质粘土、（3）粘土、（4）粉质粘土、（5）粉质粘土、（6）残积土、（7）全风化辉长岩、（8）强风化辉长岩。根据设计要求及勘察报告，桩身穿过第七层全风化辉长岩，且进入第八层强风化辉长岩不小于3.7-5.0m。使用传统的三翼合金钻头，当钻进至全风化及强风化辉长岩时，进尺速度明显减慢，每棵桩成孔时间平均为20小时左右，更换牙轮钻头后，进尺速度虽有提升，但效果也不明显，每棵桩成孔时间平均17小时左右，仍无法满足工期进度要求。为了提高施工进度，降低施工成本，在现有条件下，只能对施工工艺进行改进。在这种情况下，我项目部根据现场实际情况，结合相关理论知识，共同研究，最终设计出一种新型钻头。该钻头是以传统的三翼合金钻头上为基础加以改进，将三翼合金钻头与管钻相结合，辅以合金块而成。该钻头外型大致如下：钻头中心为一直径100～120mm的管钻，长约50cm左右，管钻底端镶嵌10棵左右的合金块，管钻底端以上10cm左右位置至钻头上方轮圈处均匀焊接三片厚约2cm，宽约10cm的钢板，将三翼钢板外侧用磨光机打磨出一定坡度并均匀焊接一排合金块，钻头上方轮圈大小根据桩径大小调整尺寸。以该工程为例，轮圈直径为470-480mm，轮圈外侧均匀焊接若干合金块。

 

　　（二）新型钻头特点

 

　　该新型钻头之所以能较大地提高钻进速度，其原理是因为它钻进时，地表钻机通过钻杆柱带动钻头回转并作用于钻头一定的轴向压力，钻头底端的管钻先将孔底完整的岩石破碎成小块的比较容易研磨的碎石，这些小块碎石再由镶嵌着大量合金的三翼合金片将之研磨成岩粉，通过循环的泥浆排出孔外。而传统的钻头在钻进时，只是单纯地通过研磨孔底岩石，而无法将其破碎，且合金块含量少，研磨性差，因此钻进速度就比较慢。与传统的钻头相比，该新型钻头具有以下几个特点：（1）钻进效率高，在坚硬、致密的全风化及强风化岩、弱研磨性地层尤其明显；（2）钻头寿命长，由于钻头周边镶嵌了大量合金，耐磨性高，因此提高了钻头的使用寿命；（3）造价较高，由于镶嵌的合金块价格比较昂贵，必然造成该钻头的造价比普通钻头要贵。

 

　　（三）改进效果

 

　　实践证明，该钻头大大提高了钻机的钻进速度，尤其是在全风化及强风化岩石中，钻进速度与传统的三翼合金钻头相比，提高明显。用改进后新型钻头，每棵桩的成孔时间仅为7-8小时左右，钻进速度提高了一倍多，从而加快了施工进度，节约了施工成本，最终该工程提前10天完成施工任务，受到甲方的好评。

 

 

　　随着工程建设的快速发展，桩基础施工遇到的不良地质条件将会越来越多。针对施工中遇到的不同地层情况，选择合适的钻机及钻头尤为关键。通过钻头的合理选择及钻头的工艺改进，可以大大提高工程的施工进度，缩短工程工期，节约施工成本。同时，钻头工艺的改进还为以后类似工程提供了宝贵的实践经验。