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乌审旗教育局关于印发全旗学校体育卫生与艺术教育工作“三化三高工程”实施方案的通知
乌教发〔2013〕174号&乌审旗教育局关于印发全旗学校体育卫生与艺术教育工作“三化三高工程”实施方案的通知&各中小学、二级单位：现将《全旗学校体育卫生与艺术教育工作“三化三高工程”实施方案》印发给你们，请结合单位实际制定并细化工作方案，有计划、有步骤地组织好本校“三化三高工程”工作，并于2013年11月10日前将本单位“三化三高工程”实施方案报教育局体卫艺股（202室）备案。联系人：谷青芬，联系电话：7586988，电子邮箱地址：。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 乌审旗教育局<span lang="EN-US" style="font-size: 16 font-family: 仿宋_GB年10月30日&&&&&&&&&&&&&&&&全旗学校体育卫生与艺术教育工作“三化三高工程”实施方案&一、指导思想为贯彻《鄂尔多斯市委、市人民政府关于深入贯彻实施&内蒙古自治区中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）&的意见》（鄂党发〔2011〕7号）、《鄂尔多斯市教育事业“十二五”发展规划》（鄂府发〔2012〕50号）、《内蒙古自治区学校体育卫生与艺术教育工作“三化三高工程”实施方案的通知》（内教体字〔2012〕22号）和《鄂尔多斯市教育局关于印发鄂尔多斯市学校体育卫生与艺术教育工作“三化三高工程”实施方案的通知》（鄂教体卫艺发〔2013〕6号）等文件精神，以强化管理和队伍建设为切入点，以提高教学、活动质量为目标，以落实课程标准、开展阳光体育运动和实施《国家学生体质健康标准》为主要内容，以实践和完善德、智、体、美综合评价内容为战略主题，大力推进学校体育卫生艺术教育工作条件标准化、管理制度化、工作规范化，逐步实现学校体育卫生艺术教师素质明显提高、教育教学活动质量明显提高、学生体质健康水平明显提高的目标（以下简称“三化三高工程”），并以此为突破口和重要载体，大力推进素质教育。二、目标任务全面推进“三化三高工程”，及时总结实施过程中好的经验和做法。加强体卫艺教师人才培养和继续教育，到2015年，完成全旗音体美教师首轮培训工作（全旗音体美教师三年培训计划表见附件3）。2017年之前，全面完成全旗“三化三高工程”总体验收任务，提升我旗学校体卫艺工作整体水平。到2017年，实现全旗100%的中小学校达到《国家学校体育卫生条件试行基本标准》；100%的学校全面落实体育、艺术课程标准，并按照《中小学健康教育指导纲要》开展健康教育；100%的中小学校实施《国家学生体质健康标准》，合格率稳定在85%以上；95%以上的中小学校配齐体音美和健康教育教师；100%的中小学校每年举办一次综合运动会（师生参与率达到90%以上），举办一次艺术节（师生参与率达到90%以上）；60%以上的学校形成以体育、卫生与健康、艺术文化为主要内容的大课间、课外文体活动的校园文化品牌；95%以上的中小学生能保证每天一小时校园体育锻炼。三、主要内容（一）加大投入，改善硬件条件，推进学校体卫艺工作标准化。按照教育厅《关于印发&内蒙古自治区中小学体育、卫生保健器材设施配备标准（试行）&等四个标准的通知》（内教体字〔2012〕14号）和《中小学体育设施技术规程》及市教育局下发的《全市中小学体育、卫生保健器材设施配备标准（试行）》等相关学校建设标准和技术规范要求，加大学校体卫艺设施建设力度，推进学校体卫艺设施和器材逐步达到国家标准。旗政府将严格按照相关标准落实中小学年度生均体卫艺经费，以保证学校体育、卫生、艺术教育教学活动正常有效开展。（二）加强系统管理，形成长效机制，加快学校体卫艺系统管理制度化。进一步落实《学校体育工作条例》（国家教育委员会第八号令）、《学校卫生工作条例》（国家教育委员会第10号令）、《学校艺术教育规程》（国家教育委员会第13号令）和自治区及鄂尔多斯市有关实施办法和规定，逐级逐项形成科学有效的职能分解和管理制度体系，基本形成学校体卫艺工作持续健康发展的保障机制和科学规范的评价机制；基本形成政府主导、部门协调、社会参与、职责明确的学校体育推进机制。（三）重视课程建设，规范教学活动，促进学校体卫艺工作规范化。按照课程标准严格执行课程计划，上好开足开齐体育、艺术和健康教育课程。加强教学教研工作，指导教育教学实践，从实际出发改革教学内容、教学方法；开展示范观摩评比活动，提高教学质量，逐步形成科学系统的教学教研体系。完善和改进学校体育、艺术比赛体制，引导学校合理开展课余体育训练和艺术特长培养活动。（四）落实编制，调整结构，有效提高体卫艺教师素质。坚持“逢进必考”，严把入口关，多渠道配齐配强相应数量和学历要求的体卫艺教师。将在岗培训和脱产学习相结合，建立教师业务培训和继续教育机制，拓宽教师培训渠道，到2015年全旗音体美教师完成第一轮培训。保障体卫艺教师在职务评聘、福利待遇、评优表彰等方面与其他学科教师同等待遇，并将组织课外活动以及体质健康体检、测试等工作纳入教学工作量。注重自治区、市、旗级学科带头人培养，注重教师年龄结构和专业梯队建设，鼓励教师创新教学方法，充实教学内容，组织课外文体活动，提高教师的教学、科研和改革创新能力。（五）落实制度，形成氛围，有效提高体卫艺教育教学活动质量。严格执行体育、艺术课程标准和课程计划，确保教育教学活动质量，确保中小学生受到良好的体育、艺术和健康教育，全面提高学生的综合素质。建立保障每天一小时校园体育锻炼制度，制定和实施体育课程、大课间和课外体育活动一体化的阳光体育运动方案。继续丰富和发展校本大课间活动，广泛开展学校课余体育训练、课余体育艺术兴趣小组活动，形成切实可行的具有本地特色、本校特点的课外文体活动体系。科学开展学校课余体育训练工作。注重发展和培养学生的体育艺术特长和兴趣。小学以培养学生兴趣为目的，初中以发展学生特长为目的。通过创新体卫艺教育和活动的内容、方式和载体，使每个学生至少学会两项终身受益的体育锻炼项目，培养一项艺术爱好，养成良好的体育锻炼习惯和健康生活方式。已形成传统项目的学校，建立共同培养体育特长生的基地，探索“一条龙”训练体制。有条件的民族学校可不断发展传统体育竞赛项目。认真开展运动会和艺术展演活动，确保每年举办一次综合运动会，举办一次艺术节。坚持参加自治区、市、旗级运动会和艺术展演活动。全面实施《国家学校体制健康标准》，组织开展相应统计分析和科研工作，并将其作为学校体育工作公示和评估的主要内容。（六）精心组织，周密安排，有效提高学生体质健康水平。认真组织初中升高中体育考试，科学设置考试内容，提高考务工作水平。做好学生健康检查制度、学生体质健康监测制度与国家学生体质健康标准测试制度的配套衔接。定期开展以食品卫生、传染病流行为重点的学校公共卫生监督和干预工作，确保公共卫生安全。（七）探索新模式，建立新机制，不断满足学校体卫艺工作发展需要。探索组织体育、卫生、文化等部门成立学校体卫艺工作协调领导小组，学校在体、音、美学科科研组和校医室的基础上成立体卫艺部，协调组织学校体卫艺工作。探索改进现有的学生营养餐模式，引导科学配餐，合理膳食，改善学生营养状况。探索卫生、艺术方面的综合素质评价方法。全面开设健康教育课，合理解决校医和健康教师的编制、职称问题。探索小学、初中、高中一条龙课余训练体制，建立课余训练队，组建课余训练基地，形成立体的“小学选苗、初中培育、高中成才、高校特招”的完整链条，科学开展学校课余体育训练工作。拓展符合青少年特点的群众体育项目，调动各方积极性，营造浓厚的学校体育文化氛围，不断提高学校课余训练和竞技水平。探索建立中小学体卫艺教师继续教育基地，发展和利用区域内医学、体育、艺术等资源，改善中小学体卫艺教师继续教育条件，开展在职教师学历补充教育，不断更新专业知识，提高专业水平和教学能力。推动我旗传统和民族体育、艺术教育和公共卫生教育向更高水平发展。四、组织实施（一）加强组织领导，实行分级负责。旗人民政府将充分发挥在发展规划、经费投入、人员配备、条件保障等方面的职能，加强对“三化三高工程”实施的领导。教育行政部门将科学统筹区域内设施和师资等学校体卫艺工作资源，促进发展。各中小学校要严格执行实施方案，落实各项要求，确保体卫艺各学科和工作间协调平衡发展。（二）加大经费投入，改善工作条件。旗政府在基层公共体育设施建设中筹备学校体育设施，在义务教育经费保障机制和农村义务教育薄弱学校改造计划等项目中加大对体卫艺设施建设和器材配备的支持力度，按照内政发〔2007〕101号文件和内教体字〔2008〕1号文件要求，不断改善工作条件，提高工作水平。要严格落实中小学年度生均体卫艺经费标准，并确保其随公用经费标准提高而逐步增加，保证学校体育卫生艺术教育教学活动的正常有效开展。（三）制定实施方案，明确目标重点。本着实事求是的原则，进一步理清思路，把学生综合素质的提高作为工程的立足点，把课程建设和活动开展作为突破口，把学校体卫艺教师队伍建设作为实施“三化三高工程”的重中之重，进一步明确工作目标、工作内容和工作重点，按照时间进度确定实施步骤，长远规划科学发展，统筹推进本单位的实施工作。（四）加大落实力度，努力实现创新。各学校要找准影响本学校体卫艺工作发展的问题，加大投入，强化落实。要进一步健全学校体卫艺工作管理部门的职能，配足配强工作人员，完善各项工作的规章制度，充分利用现代信息技术，提高管理效能，形成立体的管理体系。要努力创新工作方法，改进工作机制，将“三化三高工程”的实施与各级领导的目标责任制挂钩，与教师工作绩效考评方法挂钩。对工作不力的学校和相关负责人，在教育工作评估考核和评优评先中实行“一票否决”。&附件：1.体育艺术卫生器材补充配备三年计划&&&& &2.体育场馆建设三年计划表&&&&& 3.全旗音体美教师三年培训计划表附件1体育艺术卫生器材补充配备三年计划
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查汗淖尔学校(初中部)
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（初中部）
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查汗淖尔学校（小学部）
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（小学部）
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第一实验小学
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第二实验小学
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蒙古族实验
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无定河小学
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沙尔利格小学
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呼吉尔特小学
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&附件2体育场馆建设三年计划表
已建成和建设中
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已建成和建设中
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鄂尔多斯市蒙古族
乌审旗高级中学
乌审旗职业中学
乌审旗第一中学
乌审旗乌审召镇
查汗淖尔学校
乌审旗无定河镇
乌审旗蒙古族实验小学
乌审旗第一实验小学
乌审旗第二实验小学
乌审旗第三实验小学
乌审旗沙尔利格小学
乌审旗无定河小学
乌审旗图克镇
呼吉尔特小学
&附件3全旗音体美教师三年培训计划表
&&&&&&&&& 科目
三年培训计划
三年培训计划
三年培训计划
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查汗淖尔学校
第一实验小学
蒙古族实验小学
第二实验小学
沙尔利格小学
无定河小学
呼吉尔特小学
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&乌审旗教育局办公室　　　　　　& &&&&&&&&&2013年10月30日印发洛阳三高重型矿山机械有限公司
常熟市五环体育设备有限公司
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　公司动态
多工艺旋挖钻进技术研究
作者：刘家荣
加入时间：<font color="#FF-2-27 19:59:32 点击数：<font color="#FF次
多工艺旋挖钻进技术研究
&&& 本文对旋挖钻进技术的发展过程、国内外发展现状以及目前存在的问题进行了分析和探讨，通过大量的研究和实验，多工艺旋挖钻进技术可以在各种土层、砂层、淤泥以及各种岩层中进行钻进，尤其是可以在一个钻孔中针对不同的地层，采用与之相适应的钻进工艺和配套的钻具进行多工艺旋挖钻进。达到最经济、最快捷、最环保的钻进目的，实现了高效节约环保的科学施工理念。这种施工技术方法，改变了过去传统的在一个钻孔中用一种钻头和一种施工工艺的钻进方法。
多工艺旋挖钻进技术工艺适应地层能力强，比传统的钻进工艺方法可以提高钻进速度2~4倍以上。钻具直径从0.5m~2.5m，可以用于施工各种类型的基础桩，没有工程类型和施工地域的限制。不需要泥浆循环，仅用泥浆护壁，使用泥浆少，不污染环境。既经济又环保。孔底沉渣少，孔壁受泥浆影响和冲刷小，钻孔质量优秀率高，能够满足各种类型的基桩要求。
本文通过研究设计了针对不同的地层使用的旋挖钻具，共研究设计了三类八个系列的旋挖钻具。针对不同的土层和含水量，可以使用不同结构的BSS、AGS型旋挖钻具。对于卵砾石地层，可以使用特殊结构的BSG型旋挖钻具。对于各种岩层，可以使用BSR、AGR型旋挖钻具，也可以使用CB或CBA型环状钻具。
本文对三类钻具结构进行了详细的分析，对关键部件及结构进行了研究和设计。旋挖钻斗的开合机构进行了可靠的简化设计，对底盘结构采用了多种结构设计，针对不同地层采用不同结构，对螺旋钻头增加了托盘式加强装置设计，对用于冻土层钻进的螺旋钻头增加了限速定量切削装置。通过大量试验证明，这些结构的设计可靠合理，对于提高钻进速度，增加其使用寿命具有重要作用。
本文特别研究设计了CBA型局部气举反循环钻具，对钻进所需的空气压力和压气量给出了计算公式。通过一系列的施工试验表明，该计算公式正确合理，钻进速度比采用其他旋挖钻具要提高2~4倍，在中风化砂岩中钻进，最高钻进速度达到1.83m/h，在微风化砂岩中，最高钻进速度达到0.8m/h。
关键词：多工艺,旋挖,工艺,钻具
课题的背景及研究意义
1.1.1 课题研究背景
随着市场经济发展的需求，使得铁路、公路、城市公共设施和工业民用建筑、水利电力设施、港口、码头、机场的建设全面飞速发展，环保型桩基础施工机械潜在的巨大市场已经出现[1]。仅铁路建设方面，2007年我国将再上一批新项目，到2020年铁路建设总投资要超过2万亿元。已有数条高速客运专线，如武大、郑西、石太、京津、京沪等相继开工，高速客运专线有60%以上为高架桥梁，桥桩的直径大多适合旋挖钻机施工，这将是继青藏铁路以后旋挖钻进技术更大规模的应用[2]
1.1.2 研究目的及意义
旋挖钻机是一种适合建筑基础工程成孔作业的桩工机械[ 3]。该类钻机以柴油机为动力，全液压驱动，履带行走，底盘可３６０°回转，塔架可自行起落，钻具为4－5层的伸缩钻杆和钻斗、螺旋钻及扩底钻头等，具有噪声低、振动小、扭矩大、多功能、成孔速度快、机动灵活、施工效率高、多种速度调节、电子自动监控、环境污染小等特点，克服了以往水循环钻机的不足[4]。并将有逐步取代水循环钻机的趋势，该类钻机主要适用于土层、风化岩石层等地层的施工，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用[5]。
旋挖钻机因其具有装机功率大，输出扭矩大[6]，轴向压力大，机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械[7]。近年来，北京地铁、城市环线路网建设、特别是青藏铁路、奥运场馆、首都机场新航站楼等大型工程的施工中，旋挖钻机高效、环保、效益高的优势得到公认 [8]。
旋挖钻机施工具有以下的优点：
1、成孔速度快[9]。原来我国的公路、铁路、桥梁和大型的建筑物的基础桩施工大多采用传统的循环钻机或冲击钻机，生产效率很低，而采用旋挖钻机的工程，由于钻头直接从孔内提取岩土，故成孔速度快。由于孔底沉渣少，易于清孔，故质量得到了充分的保证。
2、施工现场环保、干净。旋挖钻机由钻头旋挖取土，利用伸缩钻杆将钻头提出孔内再卸土。旋挖钻机的泥浆仅仅用来护壁，而不用于排碴，成孔所用泥浆基本上等于孔的体积，且泥浆经过沉淀和除砂还可以多次反复使用。旋挖钻机使用较少的泥浆，即可满足钻孔护壁的需要，因而，施工现场整洁，对环境造成的污染小，降低了施工成本。
3、行走方便。旋挖钻机具有履带，可以自己行走，旋挖钻机钻进对孔的定位非常准确、方便。
4、适应地层能力强。旋挖钻机配备不同钻头，即可用于钻进沙层、土层、淤泥、卵砾石、风化岩层等不同地层，基本不受地域限制。
5、适用于各种桩基工程。旋挖钻机除用于旋挖钻进外，经简单改装后，还可用于长螺旋、地下连续墙等施工；适用范围极其广泛。
6、机动性强。旋挖钻机能独立作业。钻机的安装、拆卸无需辅助设施来完成，且能适应复杂地形的工地，占用空间小。
国内外研究历史及现状
1.2.1 国外研究历史与现状
1.2.1.1 国外研究历史
旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美国CALWELD首先研制出回转斗和短螺旋钻机。二十世纪五十年代，法国BENOTO将全套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式[10]。
　意大利土力公司首先从美国将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机引入欧洲，动力头为固定式，不能自行安装套管，1960年德国维尔特和盖尔茨盖特公司同时开发了可移动的动力头。1975年德国宝峨公司研制了配有伸缩钻杆的BG7型钻机，该钻机直接从底盘提供动力，配置可锁式钻杆实现加压钻孔，钻孔扭矩增大，可实现在紧密砂砾和岩层的钻孔。
日本于1960年从美国引进CALWELD旋挖钻机，同时加藤制作所开发了15-H型钻机。以后开发了可配套摇管装置和抓斗的钻机，1965年日立建机研制了利用挖掘机底盘装有液压加压装置的钻机，1974年开发了利用液压履带起重机底盘由液压马达驱动的钻机[11]。1980年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力而进行施工扩底灌注桩的施工工法。德国宝峨的加入和日立建机与住友建机的联盟进一步促进了旋挖钻机技术在日本的发展。相比而言，日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小。
目前国外的旋挖钻机主要生产厂家为：
德国：BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF；
意大利SoilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO；
西班牙：LAMADA；
日本：日车车辆、HITACHI、住友、加藤；
芬兰：JUNTTAN、TAMROCK；
美国：APE、Ingersoll-Rand；
英国：BSP等。
1.2.1.2 国外研究现状
(1)国外的旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态有显示功能。这些功能的增加确实是非常实用的。凡用过旋挖钻机的人都知道，钻杆牙嵌是极易磨损的(特别是在啮合不彻底的情况下)，磨损后的修复也是非常麻烦的。以往操作者只能凭自己的经验来感觉啮合情况，所以对操作者的熟练程度的要求很高。有了钻杆牙嵌啮合情况显示功能后，显示器上能精确地显示牙嵌的啮合情况，即便是一位没有经验的操作者也能很好地操作，同时大大地减轻了工人的劳动强度。在钻孔作业时，钻孔深度往往达几十米，由于地质情况、钻杆与钻杆、钻杆与钻头连接等方面的原因，造成钻杆、钻头脱落在孔内的事故，给施工单位造成很大的损失。钻杆状态的显示功能，为操作者提供一个可视的钻杆，方便了操作者，避免了事故的发生。
(2)旋挖钻机在进行钻孔作业时，有一个钻进――提升――回转――抛土――再回转至原孔口―― 对准――再钻进的过程。德国宝峨、意大利CMV公司的钻机都具有回位定位功能。所谓回位定位功 能是指机器回转时能记录回转角度，待抛土后再回转回来时，一旦达到记录的角度后，自动停止。这样，保证其回到第一次回转前的位置。大大减轻了劳动强度、提高了生产效率及作业精度。
(3)国外的旋挖钻机有混凝土灌注桩模式。此模式可显示混凝土压力、混凝土流量、液压系统压力以及混凝土桩形，保证桩的质量。
(4)国外的旋挖钻机多功能化。能选用多种钻具进行不同土层或岩层的作业，能通过更换钻具进行钻孔、连续墙成槽、预制桩施工、凿岩锚杆等作业。可用于：
－ 大口径短螺旋和旋挖斗回转施工；
－ 长螺旋施工；
－ 全护筒跟管施工；
－ 全护筒跟管＋磨桩机施工；
－ 液压抓斗地下连续墙施工；
－ 高压旋喷施工；
－ 潜孔锤施工；
－ 预制桩施工。
以上不同工法的施工，只需要选装不同的工作附件，便可做到一机多用，节约使用成本。目前， BAUER公司、SOILMEC公司、CASAGRANDE公司等都具有各种方式的施工机械。
(5)国外的旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统、PLC、CAN总线控制等，提高了定位钻孔精度，具有钻孔深度的自动化检测，荧光屏显示功能等，当钻机发生倾斜时，钻机会自动报警，并进行自动调整。采用能显示多种信息的多功能液晶显示器，能进行钻机控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测与报警等信息的显示。
(6)国外的旋挖钻机安全保护好。钻机的设计充分考虑操作人员的安全，并采取了一些措施：
－ 驾驶室前窗配有FOPS（防坠物保护）；
－ 卷扬的高度限位；
－ 驾驶室内操作台安全控制；
－ 发动机、液压等参数显示、报警等。
(7)国外的旋挖钻机在控制功能上普遍采取和专业厂合作或自己开发专用控制器和控制软件。
1.2.1.3 国外旋挖钻机技术特点
目前国外的旋挖钻机主要分为以欧洲为代表的方形立柱加平行四边形连杆机构的独立式，以日本为代表的履带起重机附着式。
欧洲的独立式旋挖钻机具有以下特点：
（1）动力头由一个或多个液压马达驱动，一类为宝峨、永腾为代表，转速较低、没有高速反转。另一类以土力、迈特、卡萨为代表，动力头回转由一至两个大排量变量马达驱动，高速反转由另外一个小马达驱动，还有一类如意马，直接通过行星减速机的换档来实现高速反转甩土。前面两种结构简单，液压配管方便，成本低，后面一种液压管布管复杂，减速机结构复杂，易出故障，造价高。
（2）钻杆分为摩阻式与机锁式。机锁式又分为间断式和齿条式。摩阻式钻杆用于普通地层钻进，机锁式用于坚硬地层钻进。旋挖钻机工作时，钻杆同时承受拉压、剪切、扭转、弯曲等复合应力。欧洲旋挖钻机所采用的伸缩钻杆均采用高强度特殊合金无缝管制造。设计制造都有一些特殊的要求。这样才能达到质量轻，传扭大、耐磨损、寿命长。
（3）立柱采用箱形结构，刚性好，重量轻。滑道多采用耐磨方形无缝管，便于传递大扭矩。立柱支撑机构有三种形式，一种为平行四边形小三角结构，其特点是变幅范围大，可整机放倒，折叠，降低运输高度和长度。缺点是前面重量偏重，稳定性稍差，不能承受超大扭矩。另一种为大三角结构，以宝峨为代表，其特点是结构简单，稳定性好，能承受大扭矩。缺点是运输时要拆开，费时，需要辅助起重设备，第三种以西班牙拉马达公司、意大利安特高为代表，虽然也是大三角支承结构，由于装有辅助起架油缸，整机也能放倒折叠，具有以上两种结构的优点，结构新颖，经济实用。
（4）主卷扬是旋挖钻机的关键部件，根据旋挖钻机的施工特点，在钻机每个工作循环（对孔下钻-钻进-提钻-回转-卸土），主卷场的结构和功能都非常重要，钻孔效率的高低、钻孔事故发生的几率，钢丝绳寿命的长短都与主卷场有密切的关系。
欧洲的旋挖钻机都有钻杆触地自停和动力头随动装置以防止乱绳损坏钢丝绳。特别是意大利迈特公司的旋挖钻机，主卷扬的卷筒容量大，钢丝绳为单层缠绕排列，提升力恒定，钢丝绳不重叠碾压，从而减少钢丝绳之间的磨损，延长了钢丝绳的使用寿命。国外旋挖钻机主卷扬都采用柔性较好的非旋转钢丝绳，提高使用寿命。
（5）底盘分为专业桩架底盘（可横向伸缩，带有后支腿，立柱三点式支承，如BAUER、BSP等）；旋挖钻机专业底盘（横向伸缩式底盘，如SOILMEC、CASAGRANDE、LLAMADA等）；起重机履带底盘（如LIEBHERR等）；挖掘机履带底盘（上车后部加长，立柱下加支腿，工作装置独立，如IMT、WIRTH、MGF等）；汽车底盘（为了提高机动性，主要在城区或要求快速施工的场合使用的，如MAIT、CMV、SOILMEC等。）
可变履带间距的底盘，低重心及配重的可调整设计布置，既保证了整机的稳定性，又满足运输的要求，采用宽履带，降低接地比压及优越爬坡能力，保证了钻机现场转位所要求的机械性能。
（6）机电一体化功能的设计
A、发动机与负载相匹配（降低油耗、减少噪音）的电子控制系统；
B、手动和自动切换，监控立柱垂直度（保证柱孔垂直度）的自动纠缠系统；
C、高精度钻孔倒土回转定位（防止桩孔变形）控制技术；
D、钻孔深度（防止过放钢绳和确认孔深）测量及显示系统；
E、故障（带负载起动，卷扬过卷）检测、报警及信息显示系统；
F、整机工作状态（启动前先自动预检）动画及虚拟仪表显示系统；
G、GPS定位与移动电话数据（快速联络、及时到位）传输系统；
H、成柱过程（提高成桩质量）的反馈显示、记录、打印系统；
（7）适应施工的多种机具配置
1.2.2 国内研究历史与现状
1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI公司引进车载式旋挖钻机。1988年北京城建工程机械厂根据意大利土力公司的钻机开发研制了1.5m直径旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司旋挖钻机。1998年上海金泰股份有限公司与德国宝峨公司合作，在中国组装BG15。1999年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份公司先后开发了附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机。2001年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功。2003年后三一重机、山河智能、北京巨力等多家生产厂家的旋挖钻机也大量研制成功。
旋挖钻进技术在国外应用有50多年，设备技术基础雄厚，施工工艺水平国内外相差很大，国外施工工艺比较成熟、装备条件好、机型整齐、专机专用、工程造价高、工期充裕、计划性强；而国内目前施工工艺研究刚开始时间不长，钻机往往是一机多用，工期紧。国外的施工工艺不适合中国国情。国内旋挖钻进工艺技术近年来发展迅速，已形成较大的市场需求，钻具使用方面与国外处同一水平。从进口的钻具看，其生产工艺、外观质量远胜于我国；但钻具设计和钻进技术方面，国内外相差不大，在有些方面国内处于领先水平。
目前，国内的旋挖钻机主要生产厂家为：湖南山河智能、湖南三一重机、徐工集团、中联重科、徐州东明、北京巨力、天津宝峨、石家庄煤机、连云港黄海、哈尔滨四海、内蒙古北方重汽、宇通重工、南车时代、山东鑫国、郑州勘察等。
国内近年来利用各种方式和途径在消化吸收国外先进技术的基础上，不断创新，相继开发了多种型式的旋挖钻机，如湖南山河智能、徐工集团等开发的专用底盘旋挖钻机；三一重机、石家庄煤机等开发的挖掘机底盘旋挖钻机。国产旋挖钻机整体水平虽然与国外产品还有一定差距，但主要性能已接近国外先进水平，所以从2003年下半年开始，国内旋挖钻机市场已经从进口为主变为以国产钻机为主。
据有关部门统计，我国80%-85%的桩基础桩径在1200mm以下，深度不超过50m,因此，国产旋挖钻机品种虽然很多，但大多数产品的主要性能参数比较接近，扭矩一般在180-220kNm，深度一般在50m以内，用户选择的余地较小。今后，可发挥旋挖钻机的多功能这一最大优点，开发适合我们国情，可以满足多种施工要求、价格相对较低的国产旋挖钻机。
国内外研究水平的比较
1.3.1旋挖钻进设备存在的差别
与国外旋挖钻机相比，国产旋挖钻机除了具有旋挖钻机一般的施工优势外，尚存在许多不足，主要表现为：
(1)产品缺乏多样化和系列化，机型过于集中在扭矩为200kNm左右级别。大型钻机设备投资高、风险大，使用成本较高。
(2)整机的稳定性和质量有待进一步提高。国产旋挖钻机的整体的液压系统与配置还达不到国外的先进水平，特别是与世界先进水平相比还有一定差距。国外的液压系统采用恒功率系统，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品；有的装有全电脑操作系统，使操作手能实时掌握钻进深度和钻架垂直度，保证钻孔准确到达设计深度和保持良好的垂直度；实时掌握各系统工作情况，便于及时采取维修措施，保证钻机正常运转。
(3)钻杆的故障率较高。国产旋挖钻机的关键件如钻杆，特别是机锁式加压钻杆还不能满足主机的要求，主要原因:一是国产钢管在钢管加工时，圆度和直线度达不到设计要求，二是强度和精度难以满足要求，三是钻杆的加工工艺还处在摸索之中，焊接质量不能保证，焊后易变形，而且变形后难以调整。
(4) 国产旋挖钻机主卷扬提升能力较小，限制了与多种钻具的配套使用。
&(5)国产旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况以及钻杆状态无显示功能。
(6) 发动机常有功率不足的表现。在运输、安装与拆卸、维修方便性等环节还存在一些不足。
1.3.2 旋挖钻进施工存在的问题
1.3.2.1 施工工艺不完善
由于旋挖施工工艺在国内采用时间短，对于该工艺方法还缺乏深入研究，如在无循环的情况下，刀具对于不同地层(如各种土层、砂层、卵砾石层和基岩)的切削机理，排屑方式 ，钻具参数的合理选择，切削具的形式及耐磨材料的选择，地下水位高低与孔壁的稳定性、对钻具结构形式的选择等方面，还需做大量工作进行深入研究。具体问题有以下几个方面：
(1)旋挖施工卵砾石地层
卵砾石层施工，一直是困扰施工界的老大难问题。传统的方法有采用牙轮或滚刀钻头，利用正反循环钻进，把大块卵石或漂石冲击为粒状岩屑或粉状细沫，利用循环泥浆将其带出孔外，这种方法最大的弊端是重复破碎严重，效率很低。而采用旋挖钻进工艺，基本不需要对卵砾石进行破碎，而是将其松动后装入钻斗内取出。
(2)旋挖施工基岩地层
基岩分强风化、中风化、微风化三种情况，强风化与中风化用旋挖钻机施工，只需改变切削齿的形式和角度就可以实现高效钻进。若遇微风化，不仅需要在齿型上选择高强耐磨合金齿，还需要不同钻具进行互换配合使用，才可以克取岩石，排出岩屑、实现钻进。这方面的研究需要进行大量的实践工作，从实践中总结出一套理论，从而指导实践。
(3) 旋挖施工冻土层
青藏铁路二期工程施工中，冻土层带施工占五百多公里，而冻土层施工在全世界可以说是绝无仅有，没有资料可查，无经验可循，并且受施工环境影响极大，高原缺氧，空气变化无常，施工条件恶劣。如何研究出少维修、寿命长、效率高的实用旋挖施工钻具，也是项目成立之初，迫在眉睫的问题。青藏铁路是国家重点工程项目，时间紧，任务重，难度大，这是对旋挖施工扩大应用的一个千载难逢的好机会，同时也面临着严峻的考验，如果工艺及器具设计不合理，导致施工不顺利，这样对旋挖施工工艺的应用将会造成很大的负面影响。
1.3.2.2 施工器具的适应性较差
旋挖施工器具的不匹配，随着施工工艺方法不断采用，问题日益突出，主要有以下几个方面：
(1)钻具与主机的不匹配
旋挖钻机进口机型较多，各种机型，尤其是不同厂家研制的机型不尽相同，所要求的钻具结构形式也随之不同。以捞砂斗为例，如日本机型采用手动开合，德国宝峨需采用机手一体，而意大利土力系列机型采用机动，即使是同一厂家不同系列的机型所要求的连接方式与开合形式也不同。不深入研究国内外设备的性能参数，容易造成由于器具不匹配无法工作。
旋挖钻机的配套器具，所需工作量大，针对不同钻机设计同一规格的器具，方案往往有十几种，如何从这十几种方案中选择最优方案，确保钻具与主机的最佳匹配，是研制无循环器具的首要问题。
(2)钻具结构形式与地层的适应性问题
施工不同地层需要针对性地设计不同的结构形式的钻具，施工所遇地层千变万化，如：同样是砂层，有细砂、粗砂，按胶结性强弱分有铁板砂和流砂等。在这方面的研究将会减少施工事故，提高施工效率。目前施工经常发生的塌孔埋钻等事故，除因为操作因素外，很大程度上是由于钻具设计与地层不适应，泥浆不合理，造成活塞式抽吸而导致塌孔埋钻。
(3)钻具强度与设备的适应性问题
与传统的工程钻机相比较，旋挖钻机的设计能力，在扭矩、压力方面是前者的几倍甚至几十倍。扭矩在140~250kN.m的钻机占大多数。这些旋挖钻机在配套国内钻具时，经常发生旋转轴剪断、中心管扭断等事故。如果完全选择国外的钻具，不仅价格是国内同类产品的3~5倍，而且供货不及时，维修也跟不上。用国内产品替代进口产品，势在必行。这些问题都需要在材料、结构、热处理以及外购件选型方面进行更进一步的研究，制造出能够承受高强度、高压力的钻具产品，才能满足市场需求，才能保证无循环施工工艺技术的广泛推广和应用。
旋挖钻机施工中所遇到的主要难点有：
(1)适应的地层范围受到限制。如遇到坚硬岩层、弱风化岩层则无法钻进，急需可进行岩石钻进的配套施工机具。
(2)在胶凝粘土中施工进展较慢。
(3) 遇到砂层等地质情况，桩孔上部易坍塌。
(4) 在较硬的地层中，钻斗的铲齿磨损较快，更换频繁，成本高，需要适应不同地层的钻斗及铲齿。
(5)易发生埋钻事故。
鉴于上述施工难题，在旋挖施工技术方面，国外施工技术存在以下问题：旋挖钻具品种单一；对地层的适应性不强；对特殊地层的要求难以及时满足；
本文研究内容
1.4.1 旋挖钻具用切削齿的研究与选择
&&& 旋挖钻进可选用的切削齿种类很多，土层钻进用切削齿大都可借用挖掘机或推土机使用的铲型齿，岩石层钻进用切削齿也可借用其他大型工程机械挖掘设备使用截齿，但由于切削齿的使用环境和工作状况不同，旋挖钻进用的切削齿在材质及结构参数上要进行一些研究。
1.4.2 旋挖钻具结构参数的研究
A、研究直径&2500ｍｍ以下，在单轴抗压力30－120MPａ基岩钻进时的系列局部空气反循环取芯钻具的；
B、研究可用于各种土层、卵砾石层、中风化岩石层钻进的系列旋挖钻斗和螺旋钻头的结构参数，对旋挖钻具结构设计进行研究，主要确定适合不同地层各种钻具的原理及结构设计、切削齿的选择及分布、钻具的稳定性设计、水力学设计、排渣性能设计、连接方式设计、密封及润滑设计以及耐磨性设计。
切削齿种类及结构研究
切削齿的种类
切削齿是影响旋挖钻进速度和钻具寿命的重要因素之一。旋挖钻具使用的切削齿一般有两种，一种为铲齿，另一种为截齿。由于旋挖钻具直径较大，最大直径可达2000mm，最小直径也有600mm，钻进时承受的钻进压力很大，常规小口径使用的切削齿及硬质合金不适用于大口径旋挖钻进。在钻进各类土层、砂层时一般选用铲齿，铲齿的切削面宽，切削深度大，钻进速度快，适应地层广，更换方便。在钻进卵砾石地层、各类风化岩层时，一般选用截齿，截齿一般为圆锥形，中间镶嵌硬质合金。截齿的直径较大，截齿使用的硬质合金较粗，其耐磨性和抗冲击性较强。
&&& 旋挖钻具采用的铲齿，一般选用挖掘机或装载机使用的斗齿，其形式和种样很多。根据使用的地层不同可以选择不同类型的铲齿。旋挖钻具使用的铲齿，一般由铲齿体、齿座和固定销组成。铲齿一般采用合金材料，整体常规热处理和尖部淬火处理工艺，使铲齿整体抗折性强，尖部耐磨，使用寿命长，降低使用成本，提高工作效率。
2.2.1铲齿的失效形式及性能分析[11]
铲齿在不同的工作条件下受到不同程度的磨损和冲击而发生不同程度、不同形式的失效。从施工过程发现铲齿经过一段时间的使用，前工作表面一般有较明显的磨痕，尖部有少量的磨损和变形，没有裂纹。铲齿工作面与被挖掘物相接触，在一个完整的挖掘过程中不同的工作阶段其受力情况不同。齿尖部位首先接触孔底，由于速度较快，铲齿尖部分受到较强烈的冲击。若铲齿的屈服强度低，将会在尖部产生塑性变形。随着挖掘深度的加大，铲齿受力情况会有所改变。当铲齿切削地层时，铲齿与地层发生相对运动，在表面产生很大的正挤压力，从而在铲齿工作面和地层之间产生较大的摩擦力。如果地层为较硬的岩石块、混凝土等，摩擦力将是很大的。这个过程反复作用的结果在斗齿工作面产生不同程度的表面磨损。前工作面的正压力明显大于后工作面，前工作面磨损严重，可以判断出正压力和摩擦力是铲齿失效的主要外部力学因素，在失效产生的过程中起主要作用。
2.2.2铲齿的材质
铲齿材料成分设计为低、中碳低合金钢，主要化学为硅、锰、镍及少量的钼。齿座选用低碳主要是为了满足铲齿齿座的焊接性能,保证铸件的焊接性能良好，选用中碳主要是为了保证铲齿高强度、高耐磨性能。合金化时加入Si的目的是强化作用并提高钢的回火抗力。Mn和Ni与适量的Mo配合可以提高钢的冲击韧性，改善低温韧性。
2.2.3铲齿的结构
国内生产的挖掘机铲齿的形状根据挖掘的物料选择，通用铲齿的形状为楔形铲齿、贝壳形铲齿等，这些铲齿存在挖掘阻力小、寿命较长。铲齿的自身磨损，据从失效的斗齿残体的分析及统计数据表明，有93%是由于磨损而报废。多年来，国内外的有关专家为提高铲齿的使用寿命，进行了各种试验研究，但主要是从采用新的耐磨材料和生产工艺上进行的，没有过多涉及铲齿的结构设计，因此铲齿的结构设计改变较少
截形齿一般有截齿、卡圈和截齿座组成。截齿中心镶焊有硬质合金。加工旋挖钻具时，将截齿座按一定角度和方向焊在钻具上，再将截齿装入截齿座即可。
截齿的种类很多，一般结构是在经淬火、回火处理的低合金结构钢刀体上镶嵌硬质合金刀头。截齿在工作时承受高的周期性压应力、切应力、冲击负荷。其主要失效形式为刀头脱落、崩刀和刀头、刀体磨损，在某些工况条件下也经常因为刀体折断造成截齿的失效。由于截齿刀体的机械性能好坏直接影响截齿的使用寿命，所以合理选择截齿刀体的材质和有效的热处理方式，对减少截齿刀体的磨损折断、降低截齿消耗量、提高钻进效率、都有积极的意义。
2.3.1 截齿的失效形式
旋挖钻具所用的截齿，一般为采煤机或掘进机使用的截齿，掘进机、采煤机就是通过截齿来破碎煤岩的。由破碎机理可知，采煤机截齿在采煤过程中除承受压缩、弯曲和冲击等力的作用外，在钎焊时还要受高温的影响，因此在采煤过程中常常发生硬质合金头破损、硬质合金头脱落、截齿母体过早磨损和沿截齿颈或槽断裂等，使截齿的寿命大大缩短。煤矿现场调查表明[1]，采煤机国产截齿硬质合金头破损占10%～15%，硬质合金头脱落占25%～30%;母体过早磨损占20%～25%;沿截齿颈或槽断裂占5%～10%，正常磨损的仅占20%～40%，使得国产采煤机截齿寿命只有同类进口产品寿命的60%左右，造成了硬质合金和钢材等贵重原材料的巨大浪费。
2.3.2截齿的材质
2.3.2.1 硬质合金
截齿用硬质合金，可以根据不同类型的钻具选用。硬质合金是以难熔金属碳化物（WC等）粉末为基体，以Co粉末为粘接剂按一定比例混合均匀，在一定的压力下使其成型，再在氢气炉中加温到Ｃ，锫烧2h左右，形成WC-Co硬质合金。钨钴硬质合金具有硬度和抗压强度高，耐磨损，抗高温能力强等特点，在岩石钻掘工程中使用广泛。[]
2.3.2.2 截齿刀体常用材质
截齿在切割岩层时承受高的周期性压应力、切应力和冲击负荷，强风化岩层的硬度虽不很高，但在破碎岩层过程中由于摩擦、冲击还会造成截齿温度升高，在如此复杂工况条件下工作的截齿，就要求其刀体既要耐磨又应具有较好的耐冲击性能。截齿刀体一般采用低合金结构钢制造。
从国内部分使用的进口和国产的截齿来看，刀体材质多为42CrMo、35CrMnSi等钢种，也有煤矿在采用国内新研制的Si－Mn－Mo系准贝氏体钢。
42CrMo钢强度高、淬透性高、韧性好、淬火变形小、在高温时有高的蠕变和持久强度等特点。42CrMo钢经热处理后，有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。
35CrMnSi钢也是淬透性较好的材质，经适当的热处理后可得到强度、硬度、韧性和疲劳强度较好的综合力学性能，能适应采煤生产较复杂的工况条件。
20CrMnTi或20CrMnMo钢，这种钢具有较高的淬透性和心部强度，其心部极限强度在800～1200MPa之间，锻造温度区间大，容易精锻成型且成品率高，热锻模寿命高。利用锻后余热碱液淬火，精锻后不需要切削加工，减少了机械加工费用和加工废品。
Si－Mn－Mo系钢是国内科研单位研制的新型截齿刀体材料的一种，其特点是经过合金成分的合理设计，使材质具有较好的热处理工艺性能，热处理后使钢的强度、韧性、耐磨性能满足截齿力学性能要求。
能够适合截齿工况条件的钢种还有很多，截齿制造过程中可根据截齿种类及具体工况选择合适的截齿刀体材质。
2.3.2.3截齿刀体生产过程中的热处理工艺[&& ]
&&& 煤炭行业截齿生产标准规定：截齿刀体硬度为40&#12316;45HRC，冲击韧性不小于49J/cm2。在生产过程中，截齿刀体材料应通过热处理达到或超过要求规定的力学性能指标。
&&& 42CrMo材质刀体的常规热处理工艺为：840℃油淬+360&#℃回火。
&&& 35CrMnSi材质刀体的常规热处理工艺为：880℃油淬+380&#℃回火。有条件的生产厂家也可采用880℃加热保温+280&#℃等温淬火，然后空冷的热处理工艺。
&&& Si－Mn－Mo系准贝氏体钢采用的是：880℃正火+回火热处理工艺。热处理后可获得由贝氏体、铁素体和残留奥氏体组成的准贝氏体组织，具有良好的强韧性配合和高的耐磨性。
2.3.3截齿的结构
&&&&& 截齿由齿尖、齿体和齿尾三部分组成。齿尖为硬质合金，其形状如图2-4所示。一般的硬质合金的尖部为锥形或球形，其身部为园柱形，直径一般为16&#12316;20mm，硬质合金通过冷压的方式镶嵌在齿体中，工作时随着截齿体和硬质合金的磨损，硬质合金会逐渐出露，当硬质合金磨损到一定程度时截齿就报废，需要更换新的截齿。截齿体和截齿尾部为一个整体，为提高截齿的使用寿命，截齿体通常选用特殊的合金钢，通过锻压、机加工和一定的热处理制成。齿体部分直径较大，能够承担较大的冲击力，抗剪强度高。截齿尾部插入截齿座中，并可自由转动，使截齿在克取岩石的过程中可以转动，以保证截齿均匀磨损。如果截齿体在截齿座中不能回转，将会形成偏磨，造成截齿过早报废。
旋挖钻斗的结构分析与设计
旋挖钻斗的主要技术参数
根据建筑部门设计规范及市场调查，结合具体的施工实践开发的无循环钻具规格较多，常用规格的旋挖钻斗的基本结构参数见表3-1。
旋挖钻斗直径一般根据桩孔直径来确定。考虑到施工过程中钻斗的晃动和不同地层的遇水膨胀特性，钻斗直径一般比桩孔直径小20~50mm。如果钻孔较浅，或地层遇水膨胀性小，钻头直径一般比桩孔直径小10~20mm。如果钻孔较深，地层遇水膨胀性大，钻头直径一般比桩孔直径小20~50mm。
除在沙土层钻进时用直桶外，在粘土层、淤泥层等大多数地层钻进时一般采用锥筒结构的旋挖钻斗，钻斗的锥角一般设计为2~10°以保证进入斗体的渣土能够顺利倒出。
表3-1、BS标准系列旋挖斗结构参数表
旋挖钻斗的原理及结构设计
3.2.1旋挖钻斗的主要结构组成
旋挖钻斗主要由连接方、钻斗体、底盘、开合机构、切削齿及连接轴组成。如图3-1所示。施工时将旋挖钻斗下至孔底，回转加压钻进时铲齿切削土层，被切削的土屑进入钻斗体内，直至钻斗体装满，通过主动钻杆将旋挖钻斗提出钻孔并移到孔边，通过动力头的压盘下压打开开合机构，底盘靠自重打开，将钻斗体内的土屑倒出。再将旋挖钻斗放置地面，底盘自动闭合。如此循环钻进。
&&&& 连接方是将主动钻杆同钻斗连接起来，通过连接方将主动钻杆的回转扭矩、提升力和加压力传递到钻斗上，是旋挖钻斗的重要部件之一。其结构设计较简单，其连接尺寸同主动钻杆一致即可。由于旋挖钻具的回转扭矩高达18～40KNm，强度设计必须要重视。
钻斗的斗体一般为锥形体，锥角一般为2~10°，这样设计将使钻进时抱钻的几率减小,倾倒渣土时方便快捷。钻斗钻进时由于要承受较大的压力和回转扭矩，钻斗体要有足够的刚度和强度，保证在钻进时不变形，钻斗的外部要有一定的耐磨性。
旋挖钻斗的底盘为切削盘，通过销轴同钻斗体相连接。底盘上有开口，钻进时土屑从开口处进入钻斗体，根据钻进地层的不同，有单开口和双开口之分，钻进一般土层时采用双开口，钻进卵砾石地层时采用单开口。开口内有活门设计，提钻时活门会自动关闭，以防止土屑或卵砾石从开口处漏失。
底盘根据地层的变化有多层设计，在无水地层钻进时一般采用单层底盘，钻进流沙层或淤泥层时，必须采用双层底盘(或三层底盘)。由于流沙和淤泥流动性大，原有的活门密封不严，在提钻时流沙和淤泥会全部漏失。因此，采用双层底盘(或三层底盘)，当旋挖钻斗装满后，将钻斗反转几圈，双层底盘的上下盘错开，可以完全密封住开口，从而可以将流沙和淤泥捞出钻孔。
3.2.2 旋挖钻斗的基本结构设计
下面以BS系列旋挖钻斗为例，按照钻进地层的不同进行分类研究。BS系列旋挖钻斗按钻进地层不同分为BSS型土层旋挖钻斗、BSR型岩层旋挖钻斗、BSG型卵砾石层旋挖钻斗三种（如图3-2）。
3.2.2.1& BSS型旋挖钻斗的设计分析
& &1 底盘的设计
BSS型旋挖钻斗为常用型钻斗，主要用于各种土层、砂层和淤泥层。底盘可根据土层特性采用单层、二层底盘结构(或三层底盘结构)。单层底盘内设计有活门，关闭时可以封住开口，钻屑只能进入而不能漏出。多层底盘的上下层可相对转动一定角度，当上下层完全重合时，开口全部打开，铲齿切削的钻屑（如流沙或淤泥）可以全部进入钻斗体，当钻斗体全部装满后，将旋挖钻斗反转，使底盘的上下层相对转动而错开，以便密封住开口，防止钻屑（如流沙或淤泥）漏失。
底盘双开口形式一般为对称分布。多层底盘不需要设计活门。底盘开口的大小根据钻斗直径来确定，开口面积为钻斗底面积的1/3到1/2。开口太小，不利于土屑进入钻斗，开口太大，对底盘的刚度和强度也会造成不利影响。在确定底盘开口面积时，还要考虑地层因素。对于软土、硬土、砂层、流沙层等不同地层，其底盘直径略有差异。
单层底盘开口的内侧一般设计有活门，可以保证进入钻斗的土屑不会在提钻时漏失。活门的大小根据开口的大小来确定。
2 销轴的设计
底盘同钻斗体通过销轴连接，销轴可采用三重或四重套结构，销轴外套焊接在钻斗体上，在外套和销轴之间有多层衬套，设计多层衬套既可以保护外套和销轴，也便于在销轴磨损后更换，同时，还有利于销轴转动灵活，便于底盘的打开和关闭。
3 铲齿的选择与分布设计
BSS型钻斗的切削齿为铲齿，铲齿座焊接在底盘开口的后侧，焊接角度主要考虑三个因素，一是保证铲齿的切削角度，铲齿的切削角度一般为30~55°，根据钻进地层进行调整和变化。二是保证铲齿沿半径全面覆盖分布，沿法线方向焊接,达到全面钻进的目的。三是要保证铲齿之间有一定的重合度，由于沿不同半径分布的铲齿切削的弧长不同，回转的线速度不同，回转半径大的铲齿容易磨损，因此靠外侧的铲齿重合度要大。
铲齿的大小根据钻斗的直径进行选择，钻斗直径越大，使用的铲齿的规格应该越大，钻斗直径小，使用的铲齿规格也应减小。如果钻斗的直径太大，一个钻斗上，可以使用两种或多种规格的铲齿，一般原则是回转半径小的部位使用小规格铲齿，回转半径大的部位使用大规格的铲齿。如果回转半径大而使用的铲齿规格过小，在施工时铲齿容易被快速磨损，有时会因冲击力过大而折断，造成非正常损坏。因此，根据回转半径的大小来确定铲齿的规格，这样设计布齿，可使位于不同部位的铲齿均匀磨损，既可提高钻斗的钻进速度，也可延长钻斗的使用寿命，降低使用成本。
铲齿的选择除了同回转半径有关外，同钻进的地层也有关系。铲齿的类型根据不同的地层进行选择，对于提高钻进速度和延长钻斗寿命具有重要意义。通常情况下，土层的种类很多，有粉土、粘性土、砂土、冻土、含冰冻土、湿陷性黄土、回填土、淤泥等等。通常情况下，我们将土层分为硬土层、中硬土层和软土层，对于硬土层，一般选用耐磨性高及齿型略小的铲齿，而对于软土层，可选用齿型较大的铲齿。常用齿型的选择见表3-2
表3-2 齿型角度选择表
最优角度（&）
土力、义马、麦特等
各种土层、砂层
4 钻斗体的设计分析
由于钻斗体位于钻斗的中部，是旋挖钻斗的主要部件，体积较大，要承受和传递较大的压力和扭矩，斗体的材料需要有一定的厚度和刚度，上部焊接连接方套，下部要焊接销轴的外套，回转时还要将扭矩传递到底盘。
斗体的材料采用16Mn（Q345）板，这种材料的刚度、强度和焊接性能比Q235和45号钢要好，通过大量的试验和研究证明，采用16Mn（Q345）板的钻斗体，在施工中刚性好，变形小，耐磨性能好，能够承受较大的压力和扭矩，焊接部件的强度高，不易断裂。
钻斗体一般设计成锥型体，锥角一般为2~10°，锥型体设计主要考虑有利于快速清除钻斗内的土屑，尤其在粘性土层，当钻斗装满土屑后，会成块粘结在一起，即使底盘全部打开，也会粘结在钻斗体内而难以清除。对于粘性小的土层、砂层、淤泥及流沙层，要设计小锥角，对于粘性大的粘土层，设计的锥角要大。
在施工中有时遇到钻孔直径小于1m，地层粘性特别强的粘土层时，清渣非常困难，问题十分突出，清渣时间是纯钻时间的3~5倍。针对这种情况，可以专门设计活塞式清渣机构，利用钻机压盘轻轻下压，即可把粘性泥土推出桶外，清渣效率甚至超过了在非粘性泥土层的钻进效率。锥形桶和活塞式设计，可以大大缩短旋挖钻斗清渣时间，提高了钻进效率。
对于有些特殊地层钻进，提钻时易发生抽吸作用，若孔壁不稳定，就会造成塌孔埋钻施工事故。通过计算液流速度，伸缩钻杆提升速度，并考虑孔壁稳定系数，应综合计算对于不同的钻斗直径所需要的通气孔大小以及导流条数量等关键性数据。通气孔的大小设计，既要考虑钻孔的直径，也要考虑伸缩钻杆提升的速度，孔内护壁泥浆的粘度以及孔内地层的一些特性。
5连接方套的设计分析&&&&
&& 连接方套是旋挖钻斗的关键部件之一。由于钻机的巨大扭矩和压力要通过连接方套传递到钻斗体，其刚度、强度和加工精度要求很高。传统的设计只是简单的将四块钢板按设计要求焊接在钻斗体的顶板上，由于所有焊缝处均处于受拉和受剪状态，因此，极易损坏。新的设计思路是将四方套一端插入钻斗体的顶板内，同时在另一端用一方环或圆环将其套住，并在四角处增加加强筋，确保连接方套的刚度和连接强度。加强筋外侧还可对孔壁起一定的修复作用。如图3-6所示。连接方套四面的连接销孔由于要传递较大的压力，销孔容易变形，因此在销孔内增加销孔套，采用高强耐磨材料，并经热处理，确保销孔的连接精度和强度。
6 开合机构的设计
开合机构是旋挖钻斗的重要部件之一。开合机构工作的灵活性和可靠性影响钻进辅助时间的长短。其动作灵活，就是要使钻斗在装满土屑提出孔口后，当开合机构的压杆碰到钻机上的压盘时，底盘能够迅速打开。其工作可靠就是当钻斗在孔底钻进时不论受到多大的冲击和震动，底盘在孔内都不能自动打开。
BS系列旋挖钻具的开合机构如图3-7所示。上部为压杆，中部为压杆体，压杆体上有弹簧，压杆体下部为底盘钩。压杆固定在钻斗体的上盖上，压杆体和底盘钩装在钻斗体上。当旋挖钻斗装满土屑提出孔口继续上提时，压杆会撞上钻机动力头上的加压盘而压缩弹簧，当压杆下移压缩弹簧时，将会带动底盘钩上端下移，从而使底盘钩的下端向外移动而脱离底盘，此时底盘在自重和土屑重力的作用下自动打开。
当底盘打开后，开合机构的压杆同钻机上的加压盘脱离，在弹簧力复位的作用下，会带动压杆体上移从而使底盘钩复位。
当钻斗内的土屑全部清出后底盘需要重新合上，这时底盘会压到底盘钩的下端斜面，在整个钻斗重量的压力下，底盘会推动底盘钩的下端向外移使底盘钩打开而自动复位。底盘复位后底盘钩在弹簧的作用下也自动复位。
这种机构设计较进口旋挖钻具的设计要大为简单，零件数量少，工作可靠。但最关键的是底盘钩的设计。当钻斗在孔内时，由于有孔壁的阻挡，在钻进过程中底盘钩外移受到一定限制，形成自锁状态而不能随意打开，保证了钻进的安全性。这是BS系列旋挖钻具所独有的特性之一。
开合机构设计的关键是弹簧的复位力必须适当和底盘钩的外移行程。弹簧力太小底盘钩容易自行打开，弹簧力太大时底盘复位比较困难。因此压杆上端有调节套，通过调节套可以调整弹簧的压缩行程从而调节弹簧的复位力的大小。同时还可以保护压杆而易于更换。底盘钩的外移行程主要取决于自身结构，如果行程太小底盘容易被震开，如果行程太大底盘不易开合。通过压杆调节套调节压杆的行程，同时也可调节底盘钩的外移行程。
3.2.2.2&&&&&& BSR型旋挖钻斗的设计分析
BSR型旋挖钻斗的基本设计同BSS型相同，但由于钻进的地层不同，在底盘的设计、斗齿的类型及分布、斗体的设计等方面有所不同。
1 底盘的设计
BSR型旋挖钻斗主要用于各种硬土或强风化岩层。底盘采用单层或双层结构。单层底盘内设计有活门，关闭时可以封住开口，钻屑只能进入而不能漏出。双层底盘没有活门，当钻斗装满后反转，底盘上下层错开将开口处关闭。底盘开口一般为双开口形式对称分布。底盘开口的大小根据钻斗直径来确定，一般情况下，开口面积为钻斗底面积的1/3。开口太大，对底盘的刚度和强度也会造成不利影响。
由于BSR型旋挖钻斗主要应用于硬土和强风化岩层，钻进压力和回转扭矩较大，钻机的扭矩除通过销轴传递外，在底盘上还要设计专门的传扭块，这样可以保证钻斗在钻进时回转平稳，避免销轴外套因受力过大而过快损坏。传扭块设计为梯型，在加压状态下，无论钻斗正转或反转，其梯型斜面都能同斗体上的梯型槽完全配合，从而达到传递扭矩的目的。
BSR型旋挖钻斗的改进型还可应用于冻土层的钻进，在切削盘下加装进尺限制装置，限制钻头每回转一圈的进尺，使粘性冻土在不融化的状态下，被切削进入钻斗中，避免了粘性冻土融化后粘在钻头上造成清渣的困难。&
2斗齿的选择与分布设计
由于BSR型旋挖钻斗主要钻进硬土层和岩层，在设计上主要选用截齿。常用截齿的规格如表3-3所示。
表3-3 常用截齿的规格
最优角度（&）
岩层、卵石层
截齿齿型的选择同钻进地层和钻斗直径有关。对于硬土层和硬度较小的强风化岩层，可以选用直径相对较小和齿型较长的截齿，而对于硬度较大的，研磨性较强的地层，一般选用直径较大齿型略短的截齿。
截齿在钻斗底盘上的分布主要考虑切削角和回转半径。通过大量研究分析和施工实践对比，截齿的安装角度一般为45 &。根据理论计算，位于回转半径较大部位的截齿回转速度也较大，所承受的冲击力和切削的弧长也较大，所以外侧截齿数量和重合度应较多。以保证每个截齿的工作量基本相同。
3.2.2.3& BSG型旋挖钻斗的设计分析
BSG型旋挖钻斗主要用于卵砾石地层钻进。钻斗的设计基本同BSR型旋挖钻斗。由于卵砾石地层的特性，底盘设计和截齿的分布有所不同。
1 底盘的设计
BSG型旋挖斗主要用于卵砾石地层，采用了单开口形式设计。由于卵砾石地层一般胶结性低，有的卵砾石地层无胶结，基本不需要破碎地层。但由于卵砾石大小不一，为保证直径较大的卵砾石能够顺利进入钻斗，必须尽可能增大底盘&&&&&&& 的开口面积，如采用双开口形式，两个开口的最大长度均受到钻斗直径的限制。采用单开口形式虽然开口数量少，但开口的最大通经增大，有利于大的卵砾石进入钻斗。
2截齿的选择与分布设计
在卵砾石地层钻进中，由于卵砾石地层胶结性低，一般破碎砾石较少，其截齿的主要作用就是将卵砾石搅动开，使其在钻斗回转时能够顺利进入钻斗体。所以选择截齿的直径要大，齿型要长，以增加它的抗冲击性。由于不需要破碎，截齿之间可以保留一定的间隙，但布齿要均匀，保证钻斗在回转时平稳。
旋挖钻斗的试验结果分析
3.3.1试验基本情况
各种系列的旋挖钻斗在北京复八线和八王坟基桩工程、青藏铁路的秀水河路改桥工程（海拔4400m）、五道梁大桥工程（海拔4800m）、查曲二号以桥代路大桥基础工程（海拔5000m）等多个工地进行了试验，其中BSS型土层旋挖钻斗、BSR型岩石钻进用旋挖钻斗和BSRG型卵砾石层钻进用旋挖钻斗经过多次反复试验和完善，最终都取得了较好的钻进效果，钻进效率和钻进速度有较大的提高。表3-4为试验工地的基本情况。
表3-4 试验工地基本情况
复八线、八王坟基桩工程
第四纪沉积地层，如淤泥，淤泥质亚粘土、砂土、砂砾层和风化软基岩
秀水河路改桥，海拔4400m
0~2为粉质粘土
2~6为圆砾土
6~25为风化灰岩（冻结）
五道梁大桥工程，海拔4800m
0~8m为角砾土角砾石，风化砂岩，有冻结。8~20m为冻粘土、风化泥岩，泥灰岩
查曲二号以桥代路大桥基础工程，海拔5000m
0~12m为卵砾石、漂石层（砾径在300mm左右），其中3m以下夹有常年冻土。12~18m为中风化灰岩，18~25m为风化砂岩，有些地方是微风化砂岩。
3.3.2 试验结果分析
& &1 BS系列旋挖钻斗试验
&&& 在北京复八线和八王坟基础桩工程施工中使用BSS型土层旋挖钻斗完成钻孔桩771根，其中Ф800的桩171根，Ф1000的桩600根，施工钻进总进尺为12278m，其中，Ф1000的桩9623m，Ф800的桩2654m。平均时效为3.5m/h，粉质粘土层最高机械效率30&m/h，使用效果良好，成桩优秀率达90%以上。
在秀水河路改桥工地，钻孔直径为& 1000 mm和& 1250 mm，共完成钻孔82个，钻头总进尺超过3000m，平均钻进速度3.2m/h，最高钻进速度达到12m/h。
在五道梁大桥工程，钻孔直径为& 1000 mm，共完成钻孔40个，钻头总进尺超过2000m，平均钻进速度3.6m/h，最高钻进速度达到17m/h。
在查曲二号以桥代路大桥基础工程，钻孔直径为&1000mm和&1250mm共完成钻孔152个，钻头总进尺近4000m，平均钻进速度2~6m/h，最高钻进速度达到16m/h。
2 BS系列旋挖钻斗试验结果分析
该系列钻斗结构具有以下特点：
1、连接方套的设计能够满足钻进施工的强度要求。
2、钻斗体锥度设计合理，出渣方便。斗体耐磨强度高，使用寿命长。锥型斗体防抽吸水力学设计科学，实用性强。
3、根据不同地层选用不同底盘形式以及多层底盘设计，针对性强，可以适用于不同地层。底盘开合灵活可靠，焊接强度高，不易脱落。
4、销轴三重套设计，内有润滑套和储油腔强制润滑，能够减少泥砂对轴和轴套的磨损，转动灵活，更换方便。
5、开合机构设计独特，结构简单，开合灵活可靠，弹簧的闭合力设计和调整方便合理。在钻孔内由于孔壁的阻挡可以形成自锁，钻进中不会因震动和误操作打开。
6、根据不同地层可以选择多种切削齿，并可进行有针对性的设计，斗齿分布合理，安装角度科学，钻进速度快。斗齿选型合理，耐磨性高，使用寿命长。
7、卵砾石钻进用底盘设计独特，钻进效率高，单开口设计可以使较大的卵石和砾石不须进行破碎直接顺利进入钻斗体内。
3 BS系列旋挖钻斗的特点
通过试验结果分析，旋挖钻斗整体在钻进成孔方面具有以下特点：
1、成孔速度快。钻头的钻进方式相当于短螺旋，钻渣贮存于钻筒内，无重复破碎现象，与伸缩钻杆配套使用，辅助时间少。
2、使用寿命长。由于无重复破碎现象，对钻头的磨损小，能耗低。
3、孔壁稳定，桩身质量好。可根据不同的地层情况采用不同用途的泥浆进行静压护壁。
4、清孔干净、方便。由于该系列钻斗的底盘进碴口外装有开合式活门，进入钻筒内的钻渣只进不出。
5、适应性强。不仅对于一般第四纪沉积地层，对于其它地层，如淤泥，淤泥质亚粘土、砂土、砂砾层和风化软基岩均有较好的适应性。
6、使用方便，机械化程度高。开合底盘均由机械手操作，灵活快捷。
7、经济实用，与进口钻斗相比，价格低廉。并且采用无循环施工工艺，冲洗液可重复使用。
螺旋钻头的结构及参数设计
&&&&& 螺旋钻头主要用于在无水或水位较底的各种土层、砂层、基岩、冻土层等各类地层钻进，不需要泥浆护壁，钻进速度快。
螺旋钻头的主要结构参数
根据建筑部门设计规范及市场调查，结合具体的施工实践开发的无循环钻具规格较多，常用规格的螺旋钻头的基本结构参数以AG系列为例，见表4-1。
螺旋钻头的直径一般根据桩孔直径来确定。考虑到施工过程中钻头的晃动和不同地层的遇水膨胀特性，钻头直径一般比桩孔直径小10~20mm。如果钻孔较浅，或地层遇水膨胀性小，钻头直径一般比桩孔直径小5~10mm。如果钻孔较深，地层遇水膨胀性大，钻头直径一般比桩孔直径小10~20mm。
表4-1、AG标准系列螺旋钻头结构参数表
螺片数量/高度
螺旋钻头的原理及结构设计
4.2.1 螺旋钻头的基本原理
&&& 螺旋钻进是利用螺旋钻具钻进和输送岩屑或土屑的干式或半干式的机械回转钻进方法。螺旋钻具分长螺旋和短螺旋钻具，在此章我们将研究的螺旋钻具是短螺旋钻具。
螺旋钻进的特点是在均质土层中可以获得很高的钻进效率，它可以及时排除钻屑，无重复破碎。另外，对于部分强风化和中风化岩石，通过采用专门的切削具也能够获得理想的钻进速度。
4.2.1.1 螺旋角的设计原则
根据螺旋形成的原理[&& ]，螺旋面上不同半径处的螺旋线的倾角是不同的，螺旋叶片与中心管的交线称为内螺旋线，其倾角为1，螺旋叶片的外缘称外螺旋线，倾角为2，如图4-1所示。螺旋叶片面上的任意螺旋线的倾角i必定满足以下条件：1≤i≤2，为了保证螺旋面上被输送的钻屑不因其自重而滑落，应使其螺旋角小于钻屑与螺旋面之间的摩擦角。土与螺旋叶片的摩擦系数（f）一般为0.3~0.6，如果取f=0.5，即要求tan a ≤0.5，即a ≤26°34″。这一点在靠近叶片外径处可以实现，而靠近中心管处难以达到。所以，钻进时螺旋钻头必须达到一定的回转速度以保证钻屑不向下滑。
4.2.1.2 螺旋钻进的工艺参数的确定
螺旋钻进的工艺参数主要有钻进压力和回转转速。
1 钻进压力的确定
螺旋钻进的轴向压力根据地层性质、钻孔直径和钻头结构等情况进行选择。经分析研究得出的经验公式为[& ]：
Pj=9.07σ0.46&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （式4-1）
P=PjD&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （式4-2）
式中：P为轴向压力（N），Pj为钻头直径上单位长度的轴向压力（N/cm），σ为岩土单轴抗压强度，D为钻头直径（cm）。
2 回转速度的确定
回转速度是螺旋钻进的一项关键的工艺参数。根据分析研究，螺旋钻头的临界转速为n0从下式可以求出[&& ]：
n0≥30/л[g(tan a+f1)/Rf2(1-f2 tan a)]&&&&&&&&&&&&& (式4-3)
式中，n0 为临界转速（r/min），a为螺旋角，f1为钻屑与螺旋叶片之间的摩擦系数， f2为钻屑与孔壁之间的摩擦系数，一般情况下f2=0.3~0.6，R为螺旋钻头的半径（m）。
&&& 在实际钻进中，螺旋钻头的转速一般受钻机能力的限制，不可能很高，即使转速达不到临界转速，钻屑会聚集在螺旋叶片之间，提钻后只须反向回转钻头，即可将钻屑甩出。
4.2.2螺旋钻头的主要结构组成
螺旋钻头按钻进地层不同分为钻进土层的AGS系列和钻进岩层的AGR系列两大类。其中在AGS系列中专门研制了一种对付冻土层的AGSR型特种钻头。
AGS系列螺旋钻头为土层用螺旋钻头，主要有连接方套、中心管、螺旋片和切削齿组成。连接方套与旋挖钻斗相同，切削齿为铲齿。AGS型螺旋钻头有单头和双头两种类型，单头螺旋钻头主要适用于钻进软土层，双头螺旋钻头主要适用于钻进硬土层。
AGR型螺旋钻头为岩石用螺旋钻头，主要有连接方套、中心管、螺旋片和中心钻头组成，切削齿为截齿。
AGSR型螺旋钻头为冻土层钻进用，其主要组成和AGS型钻头相同，其差别在于钻头底部增加设计了限速装置，限速装置设计是针对螺旋钻头钻进冻土层易出现热量过大使冻土溶化，造成甩渣困难而加设的防止进尺过快的特殊机构。
4.2.3 螺旋钻头的基本结构设计
4.2.3.1 AGS型螺旋钻头的设计分析
AGS系列螺旋钻头为土层用螺旋钻头的设计，主要考虑连接方套的设计，托盘式连接设计，螺旋片的设计及中心钻头的设计。
1 连接方套的设计
连接方套是螺旋钻头的关键部件之一。由于钻机的巨大扭矩和压力要通过连接方套传递到钻头体，其刚度、强度和加工精度要求很高。新的设计思路是将四方套上下两端各用一方环将其套住，并在四角处增加加强筋，确保了连接方套的刚度和连接强度。连接方套四面的连接销孔由于要传递较大的压力，销孔容易变形，因此在销孔内增加销孔套，采用高强耐磨材料，并经热处理，确保销孔的连接精度和强度。
2 托盘式连接设计
托盘式连接设计是螺旋钻头设计的关键点之一。常规情况下，将中心管直接插入连接方套进行焊接，通过大量的研究试验表明，这种连接方法强度低，在施工中经常发生折断。托盘连接，就是采用一定厚度的钢板，上部铣为连接方尺寸，与钻杆连接方焊为一体，下部车为丝扣，与中心管拧紧并焊接。托盘连接具有以下优点，第一，连接方套与下中心管对中精度高，在钻进施工中钻头摆动小。第二，力学性能合理：可承受大传扭矩、高钻压的传递。第三，通用性强。同一规格尺寸的螺旋钻头，适用于主机为不同生产厂家的连接方，可缩短加工周期，提高加工效率。
3 螺片的设计
螺片的设计主要考虑以下几个因素。螺旋角、螺距及螺片宽度。按螺旋形成原理，螺旋面上不同半径处的螺旋线的倾角是不同的。对于不同的地层，其土屑与螺旋叶片的摩擦系数不同。当钻头的直径一定时，螺旋角小，螺距就小，钻进时土屑会挤在螺片之间造成清土困难，螺旋角太大，钻进时土屑进入螺旋内的阻力就大而不易进入。螺距的大小同钻头直径也有关系，当螺旋角一定时，钻头越大，螺距也越大。所以，螺旋片的设计，要考虑钻头直径、螺旋角和螺距三个因素共同的影响结果。
根据有关计算[&&& ]，螺距与直径的关系如下：
S=KD&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （1）
K为地层系数。对于泥岩，K为0.45~0.5，对于软湿地层，K为0.5~0.7，对于干硬地层，K为0.8~1.0。
在螺旋片的设计中，螺旋钻头的螺距一般控制在300~600mm之间，螺旋角一般为10~25°之间。
4 螺旋的切削头
螺旋片的切削头一般有单头和双头两种。单头螺旋由于只有一边切削土层，容易使钻孔偏斜，因此不能加压钻进，只适宜软土层钻进。如图4-7所示。采用的切削齿为铲齿，由于土层软，铲齿的重合度要小，铲齿的大小根据钻头的直径确定。双头螺旋为对称分布两排切削头，可适当加压钻进硬土层。如图4-3和图4-8所示。双头螺旋中的有一个只能有半圈螺片，仅起固定切削铲齿的作用。
5 中心钻头设计
中心钻头设计如图4-9 所示。中心钻头一般采用鱼尾形，两侧镶焊硬质合金，并堆焊耐磨焊条。中心钻头要起到稳定钻头的作用，需要设计一定的超前量。由于中心钻头经常需要更换，中心钻头的后部设计为四方形，可插入中心管下部的四方套内，用定位销固定。
有时中心钻头也可采用高强耐磨材料进行铸造。
4.2.3.2 AGR型螺旋钻头的设计分析
AGR型螺旋钻头通常有锥螺和直螺两种。如图4-10和图4-11所示。两种螺旋钻头的差别主要表现在螺旋体上。锥螺的螺旋体较短，一般为两圈，适合钻进地层平稳的中风化及微风化岩石，由于地层坚硬，钻进的压力大，回转扭矩大，对钻头的强度要求高，对钻头的设计有特殊要求。直螺的螺旋体较长，一般为四圈，适合钻进地层倾斜，容易造成孔斜的强风化和中风化岩层。
1加强装置的设计
加强装置的设计。由于巨大的压力和扭矩通过连接方套传递到中心管，再到螺片上的切削齿，通过设计计算和大量的实验表明，其关键受力处为中心管和方套的连接处经常折断造成钻进事故。因此，在连接方套的下方设计加强装置，使方套同中心管连接的同时，同螺旋片的上部也同时连接。这样，来自于钻机的压力和扭矩同时传递到中心管和螺旋片上，改善了中心管的受力状态。增加了螺旋钻头的强度。
2 切削头的设计
对于直螺的切削头设计较为简单，将切削齿在螺旋的起点延半径方向逐渐分布，随回转半径的增加，切削齿的重合度也相应增加，由于边刃的切削距离长，和保径的需要，一般边刃的重合系数可以达到2~3。切削齿的切削角一般根据地层的软硬程度来确定，地层软，切削角略小，地层硬，切削角略大。在岩石钻进中，切削角一般确定在45~50°之间。
但对于锥形螺旋钻头，切削齿的较为复杂。由于锥形螺旋的边以渐开线的方式逐渐展开，如图4-12所示，切削齿只能布置在螺旋的边部，如图4-13所示。以中心管的外径为起点，延半径方向每增加一段长度，在螺旋边部的相应位置焊接一个切削齿，直至到边刃。愈靠近边刃，切削齿的重合度要愈大，以达到保径的目的。
3 中心钻头的设计
中心钻头的设计如图4-14所示。中心钻头体由于在钻头的最前端，受力极为复杂，钻进中极易磨损和折断。所以，一般选用高强耐磨材料锻造而成，经过机加工后为提高其强度和硬度，还要进行热处理，以保证其高强度的特性。
中心钻头的前部根据钻头直径一般焊接3~4个切削齿。中心钻头的后部为四方形，可以直接插入中心管的下部方套内，用销轴进行连接，可以在施工现场及时进行更换。
4.2.3.3& AGSR型螺旋钻头的设计分析
&&& AGSR型螺旋钻头是在土层螺旋钻头的基础上根据冻土层的基本特点专门设计的一种螺旋钻具，专门钻进冻土层。冰冻土层的主要特点是地层未受到扰动时的硬度大，当螺旋钻头钻进时由于钻头与地层的摩擦会使钻头发热，从而使冻土层中的冰融化，使土层产生较大的粘性，使螺旋钻头发生泥包而难以继续钻进。图4-14为产生泥包的螺旋钻头的情况。
采用AGSR型直螺加限速装置，即高转速，低扭矩，限速装置的作用是阻止每旋转一圈螺旋钻头的进尺量，基本控制在10~15cm，如图4-16所式。这样，钻进所产生的热量较小，每次剥离的冻土块基本在8~10cm左右，进尺约1m提钻，高速反转即可轻松甩掉钻屑。限速装置设计是针对螺旋钻头钻进冻土层易出现热量过大使冻土溶化，造成甩渣困难等问题，而加设的防止进尺过快的特殊机构。此机构的加设，彻底解决了冻土层施工困难的国际性难题。
表4-2是AGR与AGSR施工冻土层的施工实验对比报告。
表4-2 旋挖施工冻土层实验对比报告
冻土层，含冰土层
冻土层，含冰土层
进尺(min/m)
平均甩屑时间（min/次）
人工用铁锹等
钻进效率(min/m)
&&& 由上表分析可知，螺旋钻头AGR1250 和螺旋钻头AGSR1250在同样条件下钻进相同地层钻进速度基本一样，但AGR型钻头钻孔质量差，清除钻屑时间长，平均钻进速度低。而AGSR型螺旋钻头，钻进速度快，成孔质量好，钻屑清除快，钻进效率高。
试验结果分析
4.3.1试验基本情况
在青藏铁路清水河特大桥、头二九以桥代路特大桥和青藏铁路路改桥进行钻孔灌注桩的试验。钻孔直径分别为1000mm和1250mm。见表4-3。
表4-3 螺旋钻头试验情况表
清水河特大桥
BG25钻机，扭矩为250KNM，主卷扬拉力为200KN。
BSR1000 BSR-1250
从上到下全为粘性冻土层，含少量的灰岩，地层松散，但有些地方土质中夹杂砾石、冰。
头二九山以桥代路特大桥
从上至下全为泥质灰岩及灰岩。有些孔灰岩达到微风化，有冻结。
青藏铁路路改桥（海拔5055m，在唐古拉山上）
0~2m为细沙，2~9m为圆砾土、碎石土，3m以下有冻结。
9~20m为泥灰岩，中间夹有薄冰层、多冰冻土层、少冰冻土层。
20~28m为灰色砂岩，中细粒结构，钙质胶结，岩质坚硬。
4.3.2试验结果分析
在钻进试验中，一共试验了三种类型的螺旋钻头，根据钻孔直径，每种类型试用两种规格。开孔采用AGS型螺旋钻头钻进土层，遇到冻土层更换AGSR型钻头，钻遇基岩时先用CB型钻头钻进，然后再更换成AGR钻头破碎，最后用BSR型钻头清孔。
通过三个工地的试验，各种类型和规格的钻头设计科学，结构合理，适用性强，强度能够满足钻进施工的需要，钻进速度比国外同类钻头的速度提高2~4倍，有些钻具的结构设计独特。具体表现在以下几个方面：
1、连接方套结构简单，刚度和强度均能满足传递大压力、高扭矩的需要。
2、螺旋叶片、螺旋角和螺距设计合理，能够适应在不同地层钻进，钻进快捷，清除钻屑方便。
3、中心管选择合适，强度设计能够满足施工需要。
4、中心钻头和切削齿设计合理，切削齿强度高，耐磨性好，分布均匀合理，中心钻头使用寿命长，更换方便快捷。
5、连接方套和螺旋片之间通过托盘式加强装置连接，设计独特，使用效果极其明显。彻底杜绝了螺旋叶片和连接套之间的断裂现象。
6、AGSR型螺旋钻头设计科学，限速盒的设计科学适用，结构简单，通过冻土层限量切削钻进技术，克服了钻进中土屑糊钻、清除土屑和钻进速度低的困难，彻底解决了在高原冻土层、含冰土层和砂土层的钻进技术难题。
7、双头直型螺旋设计，在倾斜地层钻进，具有较好的纠斜保直作用，有效地控制了钻孔的倾斜。
8、AGS型土层螺旋钻头的钻进速度最高钻进速度达到30m/h，平均钻进速度达到10m/h，是进口同类型钻头2~4倍。
9、AGR型岩石用螺旋钻头最高钻进速度达到8m/h，平均钻进速度达到5m/h，是进口同类型钻头2~3倍。
10、，解决了其它钻头在泥岩地层、粘性冻土层、含冰冻土层无法钻进和钻具甩土困难的问题，解决了其它钻头在岩石层钻进时的孔斜、钻头易断裂的问题，钻进效率是进口钻头的2-4倍，平均钻速为6-10m/h,钻头整体强度和寿命优于进口钻头。
环状钻头的结构及参数设计
环状钻头是专门应用于各类岩石钻进的专用钻头，如强风化、中风化和微风化花岗岩、泥灰岩、砂岩、石灰岩等地层。由于这类地层强度高，硬度大，常规的旋挖钻斗和螺旋钻头钻进这类地层需要全面破碎，钻进效率低，钻头磨损快，钻头消耗量大。而采用环状钻头钻进，不需要全面破碎,只需进行环状切削破碎，钻进速度快，成本低，已成为钻进岩石的主要方式之一。
环状钻头有两种类型，一种为常规的CB型环状钻头，一种为采用局部空气反循环清渣的CBA型环状钻头。
主要结构参数
根据建筑部门设计规范及市场调查，结合具体的施工实践开发的环状钻头规格较多，常用规格的环状钻头的基本结构参数以CB系列为例，见表5-1。
环状钻头的直径一般根据桩孔直径来确定。考虑到施工过程中钻头的晃动，钻头直径一般比桩孔直径小10~20mm。如果钻孔较浅，钻头直径一般比桩孔直径小5~10mm。如果钻孔较深，钻头直径一般比桩孔直径小10~20mm。环状钻头的基本结构参数见表5-1。
表5-1、CB型环状钻头结构参数表
钻头外径（mm）
型环状钻头的原理及结构设计
5.2.1 环状钻头的原理
&&& 当钻进遇到岩石地层时，首先用环状钻头进行环状切割，钻进1m左右提钻，如果岩石裂隙发育强，可以将进入钻头内的大岩心柱拔断提出钻孔，然后继续钻进。如果岩石完整，不能提出岩心，可以更换螺旋钻头进行破碎，由于此时的岩心柱没有围岩保护，比较容易将其破碎成较小的岩屑，再更换旋挖钻斗将碎岩屑全部清理出孔底。
5.2.2 环状钻头的结构
CB型环状钻头为常规的无循环钻具，如图5-2所示。主要由连接方套、钻筒、切削齿及加强筋板组成。
1 连接方套的设计
连接方套的设计与螺旋钻头相同，这样可以方便地根据需要随时更换钻头。
2 钻筒设计
钻筒设计时，由于钻进岩石地层需要的压力和回转扭矩较大，应采用高强耐磨的材料，壁厚应不小于16~20mm，以保证钻筒具有必要的刚度和强度。
为保证钻筒外壁的强度，在钻筒外壁设计有若干镶焊有硬质合金的耐磨保径加强筋。耐磨保径加强筋的设计，可以增加环状钻头与钻孔壁的环状间隙，可以防止由于岩屑过多聚集在环状间隙内造成卡钻或埋钻，也可以提高钻筒的耐磨性，增加钻筒的使用寿命。
3 切削齿的选择与分布
CB型环状钻头的切削齿一般有两种选择。在钻进强风化和部分中风化岩石时，一般选择截形齿。截形齿的分布设计一般为2~3圈，即外圈和内圈。如图5-3所示。外圈截形齿等距离分布，最大外径应不小于钻筒加强筋的外径，内圈截形齿也要基本等距离分布，其最小内径应小于钻筒的内径，以保证钻进产生的岩心柱能够顺利进入钻筒。由于钻头的环状间隙较小，当钻头直径较小时，可不设计中圈切削齿，如果钻头直径大，可设计中圈。如果钻头直径较大，钻头的环状间隙也较大时，应设计中圈切削齿，中圈切削齿也应等距离分布。各圈的截形齿的数量根据钻头的直径、岩石的硬度和钻机的加压能力来确定。
钻进微风化岩石时，由于岩石硬度大，可选用专用牙轮掌或镶齿滚刀。如图5-4所示。牙轮掌或滚刀采用内外圈分布，外圈的牙轮掌或滚刀不仅切削岩石，还有保径的需要，其外径要比钻筒上的加强筋要大。内圈的牙轮掌或滚刀要保证岩心的直径比钻筒的内径要小，以便岩心柱能够顺利进入钻筒。牙轮掌或滚刀的数量根据钻头的直径、岩石的硬度和钻机的加压能力来确定。
型环状取心钻头
CBA型环状钻头是无循环旋挖钻进技术又一种新的钻进技术方法采用的钻头。它是利用局部空气循环清除孔低岩渣，提高钻头寿命，加快钻进速度。主要应用于岩石钻进量大，钻孔直径大，岩石坚硬致密的钻孔，尤其是开孔就是岩石，或全孔均在基岩中钻进。其主要特点是钻进速度快，综合钻进成本低。
5.3.1 环状钻头的原理
　　１工作原理
局部空气反循环钻进技术，采用CBA型环状钻头，利用空气循环，快速清除孔底岩渣。其基本原理为，利用地面的空压机将压缩空气通过孔口的气龙头和延钻杆的高压胶管，将高压空气送至CBA钻头的进气管，使高压空气直接进入排渣管，在排渣管内与泥浆混合，混合后形成的气水混合物在排渣管内快速上升，由于排渣管上下出口的压力差，高压空气将从排渣管的上出口排出，由此将带动排渣管内的泥浆从下向上高速流动并流出排渣管。这样，在排渣管的下入口处将形成负压并产生巨大的抽吸力量，将孔底的岩渣吸离孔底，并通过排渣管排出，排出后的岩渣由于流通面积增大，岩渣的上升速度减小并将沉淀于钻头上部的储渣筒内。而由于岩石一被破碎就离开孔底，使钻头的切削齿没有重复破碎，使得钻头切削齿的破碎效率大幅提高，钻进速度比常规钻进提高3~5倍，钻头切削齿的工作寿命也随之提高，综合成本大幅下降。
局部空气反循环钻进工作原理如图5-6所示。当钻头钻进至一定深度时在排渣管上出口和吸入口之间形成的压差可由下式计算：
△p＝rah0-rm（h0-h1）&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&& ＝（ra－rm）h0＋rm h1&&&&&& &&（式5-1）
公式5-1中：h0为气管同排渣管混合处到地面的高度，h1为气管同排渣管混合处到排渣口的高度， ra为钻孔中气液流体的重度，rm为排渣管内气液流体的重度。
由此可见，当开始进行气举反循环前，ra等于rm，此时在排渣管上出口和吸入口之间形成的压差为rah1，随着排渣管内的气体增加， rm 将不断减小，ra肯定大于rm，将会建立一定的压差，从而形成局部气举反循环。
２ 空气压力的计算
空气压力按下式计算：
ｐ＝rah0+△p& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（式5-2）
公式5-2中：P为空压机的出口压力，ra为钻孔中气液流体的重度（kN/m3），h0为气管同排渣管混合处到地面的高度，△p为通气管道压力损失（MPa），一般为0.05~0.1MPa。
&& &3 压气量的计算
空气压缩机压气量的计算，可根据排渣管内混合流体上升的速度v 和排渣管的内径d进行估算。其经验公式为：
Q＝（2~2.4）d2v&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （式5-3）
式中：Q为空压机的排出的风量（m3），d为排渣管内径（m），v为排渣管内混合流体上返速度（m/s）。根据经验，要能够有效地将孔底岩渣吸离孔底，混合流体的上返速度v应在2~4m/s，最低不得低于1.5m/s。
在破碎带或卵砾石地层钻进时，要将大块的岩屑吸离孔低，必须增加排渣管的直径，通过公式5-3分析可知，但随着排渣管的直径增加，空压机的风量同直径的平方成正比，风量将需要大幅增加。但对于完整的基岩，即使在钻进中产生体积破碎，岩屑的直径一}