新型硬岩钻进用双简环形钻具的研制与应用

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1、2010年4月地质装备21新型硬岩钻进用双简环形钻具的研制与应用刘文忠黄玉文翁炜(1．福田雷沃国际重工桩机研究所山东潍坊261206)(2．北京探矿工程研究所北京100083)摘要：旋挖钻机已经普遍应用于钻孔灌注桩施工，但是在硬岩地层钻进过程中，目前普通钻具存在钻进效率低、成孔质量差的问题。本文分析了旋挖钻具破岩的机理，论述了一种新型双筒环形钻具的研制与应用。该钻具采用双筒超前钻进结构，有效地解决了旋挖入岩问题。关键词：硬岩旋挖双筒超前环形钻具1前言在碎岩过程中，钻具切削具上同时作用有轴向旋挖钻机是一种用于建筑基础工程成孔作业的静压力P、

2、冲击力Pz和回转力矩M及随之产生的桩工机械，具有施工速度快、成孔质量好、环境污染力F。加压方式采用动静载耦合方式，将低频脉冲小、操作灵活方便、安全性能高及适用性强等优势，动载叠加于静载之上，形成对岩石的冲击作用。在已成为钻孔灌注桩施工的主要成孔设备，广泛用于钻具回转过程中，由于岩石软硬岩性的变化及地层市政建设、公路桥梁、高层建筑等基础施工工程，特凹凸的变动，钻具转速也随之快慢变换，钻具在软的别是目前国家为拉动内需而大规模投资的高铁工地方压入深，硬的地方压入浅，使切削具作往复运程，旋挖钻机的使用更是达到了前所未有的规模。动，造成对岩石的冲击

3、。旋挖钻机适应我国大部分地区的土壤地质条刃具除冲击碎岩外，还有切削碎岩作用。人们件，包括砂土、粘性土、粉质土、卵砾石、永久冻土、风早就从实验中发现，岩石中诸力学强度中，抗拉强度化基岩等地层，旋挖钻机的钻进离不开旋挖钻具，旋最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往挖钻具的性能、质量以及与地层的适应性，决定了旋往比剪切强度高数位至十多倍。所以人们早就认识挖施工工作的速度、质量、成本以及经济效益，因此到用剪切的方法破碎岩石最有效。目前岩石切削的其重要性在旋挖施工中就显得尤为重要。机理主要有以下3种：旋挖钻机使用的钻具有多种形式：如回转斗、

4、短(1)压力产生侧向剪切力，最终实现剪切切削，螺旋、岩心钻头等。根据地质条件的不同，更换不同但是这种应力状态的传递造成效率的低下，此种破的钻头，可适应于干式(短螺旋)，或湿式(回转斗)及岩方式如图1(a)所示；岩层(岩心钻)的成孔作业，以达到高速、高质的成孑L(2)磨削方式破岩，地质钻探领域中常见，使用要求。金刚石作为切削具，实际上最后只是一种研磨作用，但是目前在硬岩地层钻进过程中，主要仍依靠此种破岩方式如图1(b)所示；冲击钻工法，钻进效率低下、成孔质量差、环境污染(3)剪切方式破岩，即切削具在钻压的作用下压大。在这种情况下，福田雷沃重

5、工联合北京探矿工入地层，在扭矩的作用移动剪切岩石，此种破岩方式程研究所，针对硬岩地层特性，设计新型硬岩大口径如图1(c)所示。旋挖钻机用双筒环形岩石钻具，取得了良好的效果。不同硬度的岩石在旋挖钻机切削过程中的破碎形式也有很大变化，一般情况下，当破岩刀具作用于2旋挖钻具入岩机理研究岩石时，在一定作用力范围内，刀具侵入岩石的深度岩石是一种各向异性、非均质、不连续的物质，随作用力的增加而增大，但当此作用力增大到一定大多数中硬和坚硬的岩石是脆性体，其破碎机理较值时，刀具侵入岩石的深度猛然大幅度增加，其作用复杂。目前研究结果认为旋挖钻机破岩方式是以

6、回力反而减小，这一现象称为岩石的跃进破碎特性。转切削方式为主，带有冲击破碎的机理。当作用力继续增加，岩石将重复这种现象，依次称为22刘文忠等：新型硬岩钴避用双筒环形钻具的研制与应用第11卷第2期(a)压入(b)磨削【c)剪切图1破岩方式示意图岩石的第一次跃进破碎、第二次跃进破碎等。当钻~olO00mm规格的短螺旋钻头进行岩心破碎，最后使机施加在切削齿上的作用力无法满足跃进破碎需要用q~lOOOmm规格的嵌岩截齿砂斗修正孔身，打捞或者岩石硬度过大的时候，则以应力传递及磨削产岩心。这种工法从理论上讲是可行的，并经过了实生的疲劳破碎为主，效率降

7、低。验验证，但是同时产生了一个缺陷就是操作工序复通过上述分析可以看出，旋挖钻具人岩效率取杂，耗时长，消耗大，小口径钻具与大口径钻具的同决于多种因素，既有钻机本身施加在钻具，特别是切轴度无法保证，二级钻具钻进过程中往往出现偏离削具上的有效载荷，其与钻机能力有关，也与钻具形的现象。式和切削齿布置方式有密切联系，同时受到岩石的针对上述问题，福田雷沃重工与北京探矿工程特性影响。为此，针对旋挖钻进特点，设计新形式的研究所设计出双筒环形岩石筒钻以求解决该难题，钻具以求有效解决旋挖人岩难题。~1000／@00双筒岩石筒钻，由内外两层环形筒组成，内筒外筒

8、上均布置有切削截齿，内筒超前钻进，3双筒环形岩石筒钻的设计由于内简直径小于设计的桩身直径，充分发挥钻机无论何种地层，旋挖钻具要求具备两种功能：①扭矩与压力，外筒随之开始切削岩石，岩心进入到内高