提高連續(xù)墻抓斗入巖效率若干問(wèn)題的探討

賈學(xué)強(qiáng)，蘇 偉，丁洪亮，劉永光

(徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇徐州221001)

隨著國(guó)內(nèi)二三線城市對(duì)地鐵工程建設(shè)的日益高漲，地下連續(xù)墻這種多功能結(jié)構(gòu)體也越發(fā)為大家所熟悉，連續(xù)墻抓斗也越來(lái)越多地被應(yīng)用。連續(xù)墻抓斗以其簡(jiǎn)單獨(dú)特的抓取特點(diǎn)在土層施工有著巨大優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)在眾多同類設(shè)備中獨(dú)占鰲頭，但是也正是因?yàn)檫@種施工特點(diǎn)，決定了其入巖效率低下的弊病。本文以抓斗抓取特點(diǎn)結(jié)合巖石破碎理論，對(duì)其入巖效率低下的原因進(jìn)行分析，并對(duì)提高其入巖效率的若干設(shè)想進(jìn)行探討。

1 抓斗土層抓取過(guò)程

抓斗施工是利用其斗體布置的斗齒切入地層，然后通過(guò)閉合油缸，實(shí)現(xiàn)斗體的閉合。在閉合的過(guò)程中，斗體會(huì)受到抓取地層的反力，當(dāng)?shù)貙幼ト∽枇^小時(shí)，斗體所受阻力不足以克服斗體閉合油缸產(chǎn)生的閉合力，抓斗成功閉合，實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺。土層抓取如圖1所示。

2 抓斗巖層抓取過(guò)程

圖1 抓斗土層抓取示意圖

外載作用破碎巖層時(shí)，要考慮巖石破碎的特點(diǎn)，巖石在外載作用的破碎是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，在逐漸增大的外載作用下，破碎齒會(huì)逐漸侵入，最終在巖石表面，形成一個(gè)漏斗形狀的破碎坑，不管破碎齒、侵入方法或者巖石種類如何，漏斗頂角2β(見(jiàn)圖2)一般在120°～150°之間［1］。

這種破碎坑的形成，在抓斗進(jìn)行巖石抓取時(shí)，也是適用的。當(dāng)抓斗斗齒接觸地層時(shí)，在斗體重力作用下，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，當(dāng)該作用力大于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，斗齒會(huì)破碎地層，在巖石表面形成破碎坑。以徐工配置的800抓斗為例，其自身質(zhì)量為26 t，其斗體配置的7個(gè)斗齒剛開(kāi)始接觸地層時(shí)，與地層的接觸面積大致為2600 mm2，根據(jù)壓力計(jì)算公式，在抓斗初步接觸地層時(shí)，最大能在抗壓強(qiáng)度為100 MPa的巖石上，產(chǎn)生侵入，形成破碎坑。但是隨著侵入深度的增大，斗齒與地層的接觸面積也會(huì)逐漸增大，當(dāng)斗齒侵入地層深度為123 mm時(shí)，與地層的接觸面積可達(dá)32000 mm2，在該接觸面積下，所能破碎的巖石強(qiáng)度要降低為8 MPa。這個(gè)數(shù)值也就是說(shuō)，對(duì)于抗壓強(qiáng)度為8 MPa的巖石，在自重作用下產(chǎn)生的豎向進(jìn)尺大致在123 mm左右。當(dāng)然這只是在不考慮巖石裂隙發(fā)育等情況下的理論數(shù)值，實(shí)際破碎過(guò)程中由于地下復(fù)雜情況，該數(shù)值肯定會(huì)有一定偏差。因此當(dāng)自重作用下，抓斗接觸巖層后會(huì)形成如圖3所示的破碎坑。

圖2 漏斗頂角

圖3 抓斗剛接觸巖層時(shí)形成的破碎坑

在抓斗達(dá)到上述狀態(tài)下，已經(jīng)達(dá)到抓斗工作的極限，在自重作用下，即使油缸推力達(dá)到最大，抓斗斗體也無(wú)法再閉合分毫。

為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺，需要繼續(xù)擴(kuò)大破碎坑的范圍，而破碎坑的擴(kuò)大則需要依靠斗齒再次侵入來(lái)實(shí)現(xiàn)。

斗齒侵入一定深度之后，其與地層的接觸面積會(huì)增大，而這部分面積的增大則是由于形成的破碎坑之間的粉末推擠在孔底無(wú)法排除導(dǎo)致的。因此，必須將破碎坑中殘留的粉末排出，才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺。在上文曾提到，在圖2所示狀態(tài)下，抓斗已達(dá)極限位置，要想實(shí)現(xiàn)閉合，需要將抓斗提離槽底，在提升過(guò)程中，將抓斗閉合，抓取破碎坑之內(nèi)的殘留鉆渣，減小下次斗齒與地層接觸面積。因此，在操作上，通過(guò)多次的提升下放抓斗，并且在提升抓斗同時(shí)需要對(duì)抓斗進(jìn)行閉合，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓斗斗齒在巖層的侵入深度。

但是由于抓斗斗齒的長(zhǎng)度限制，當(dāng)抓斗斗齒完全侵入地層時(shí)，受斗體側(cè)板限制，無(wú)法繼續(xù)侵入，此時(shí)下放抓斗時(shí)，不能將抓斗下放至孔底，而是需要將抓斗提離一定高度，使閉合油缸能夠產(chǎn)生一定的行程，斗體能夠閉合一定程度，從而使斗體斗齒在原有破碎坑側(cè)面形成新的破碎坑，當(dāng)該次侵入再次受阻時(shí)則需要再次提高抓斗，如此反復(fù)，最終完成抓斗的閉合，實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺，該過(guò)程詳見(jiàn)圖4所示。

圖4 抓斗巖層抓取過(guò)程

3 抓斗入巖特點(diǎn)分析

常規(guī)的破巖方式有3種［2］，沖擊型、沖擊剪切型以及壓入剪切型。抓斗抓取巖石可以勉強(qiáng)算作壓入剪切型破碎，之所以說(shuō)是勉強(qiáng)，因?yàn)橥ǔＫf(shuō)的壓入剪切多是指在一定壓力下的回轉(zhuǎn)剪切碎巖，比如說(shuō)旋挖鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)等等，抓斗碎巖時(shí)，則多是靜載壓入，油缸推力產(chǎn)生剪切。常規(guī)的回轉(zhuǎn)剪切方式，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力及扭矩足夠大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生破碎效果較好的體積破碎，當(dāng)二者有一項(xiàng)參數(shù)不足時(shí)，通過(guò)重復(fù)的研磨或者沖擊則會(huì)產(chǎn)生效率較低的表面研磨破碎或者疲勞破碎，雖然效率低，但是還是能獲得進(jìn)尺;但是抓斗的壓入剪切則比較局限，當(dāng)抓斗壓力與推力足夠大時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)體積破碎，但是二者參數(shù)不能滿足要求，特別是壓力不足時(shí)，即使通過(guò)重復(fù)抓取，鑒于抓取頻率的限制，其也難以產(chǎn)生破碎效率較低的研磨或者疲勞破碎，這也就決定其入巖的局限性。

通過(guò)上述分析，可以看出抓斗對(duì)于巖層施工還是相對(duì)乏力的，通常情況下，在巖石抗壓強(qiáng)度在15 MPa以下的軟質(zhì)巖、較軟巖施工時(shí)，通過(guò)反復(fù)多次抓取，雖然都能實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺，但是效率往往不高;而對(duì)于強(qiáng)度更高一些的較硬巖、硬質(zhì)巖來(lái)說(shuō)，進(jìn)尺的實(shí)現(xiàn)可能性更是微乎其微。

4 提高抓斗入巖效率問(wèn)題探討

通過(guò)上述分析，影響抓斗在巖石地層抓取效率的原因主要包括以下幾個(gè)方面:抓斗自重、油缸閉合力、斗齒布置規(guī)格以及抓取方式等，其中油缸閉合力的大小是由抓斗體自重決定的，因此若要探討抓斗入巖效率的提升，可從以下3個(gè)方面著手。

4．1 斗體自重

如圖3所述，斗齒接觸地層第一階段發(fā)生的侵入是在重力作用下產(chǎn)生的，而第二階段的提升閉合則更多的依賴于閉合油缸的閉合力，由于閉合油缸的運(yùn)動(dòng)是以斗體總成為支撐，所以說(shuō)其所能產(chǎn)生的最大有效閉合力也不可能超過(guò)斗體自重。

因此，從提高抓斗切入巖層的單次侵入量和抓斗閉合力對(duì)堅(jiān)硬地層的破壞效率兩個(gè)方面考慮，入巖抓斗的斗體自重需要加大。但是，加大斗體自重也是有弊端的，近期在鄭州地鐵二號(hào)線施工的某廠家連續(xù)墻抓斗，在標(biāo)配600 mm(斗體厚度)抓斗斗體(重20 t)的主機(jī)上配置了800 mm斗體(重26 t)，雖然其抓取硬地層的效率與現(xiàn)場(chǎng)另一廠家更大型號(hào)主機(jī)的效率相差無(wú)幾，但是800 mm的加重斗體使得該主機(jī)幾乎一直處于極限負(fù)載條件下作業(yè)，設(shè)備故障不斷。因此加大斗體自重，不但對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，也對(duì)效率提升是否與成本投入成正比提出了考驗(yàn)。

當(dāng)然這也只是針對(duì)目前這種鋼絲繩抓斗，不具備外界加壓條件的情況提出的簡(jiǎn)單辦法，如果將來(lái)能夠在抓斗斗體實(shí)現(xiàn)額外加壓，那也將是值得考慮的選擇。

4．2 斗齒形狀及布置

4．2．1 斗齒形狀

根據(jù)前文分析，從減少斗齒與地層接觸面積這個(gè)方面講，斗齒無(wú)疑是形狀越尖銳入巖效率越高。但斗齒越尖銳，磨損就會(huì)越快，因此，抓斗斗齒形狀的選用可參考如圖5所示的3類挖掘機(jī)鏟斗配置的斗齒(考慮到抓斗單斗閉合與挖機(jī)斗體閉合類似)，分別適應(yīng)不同地層:

對(duì)于第一種平頭齒(圖5a)，是現(xiàn)階段抓斗經(jīng)常配置的齒形，該種齒由于與地層接觸面積大，攜渣能力強(qiáng)，通常被應(yīng)用在土層施工;第二種 TL齒(圖5b)，該種齒比較尖銳，與地層接觸面積最小，但是由于耐磨性較低以及齒尖強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，其并不適用硬巖地層施工，通常應(yīng)用在軟質(zhì)巖(10 MPa以內(nèi))的巖層施工;對(duì)于第三種RC齒(圖5c)，其齒尖結(jié)構(gòu)介于前兩者之間，并且齒尖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐磨性都較高，因此該類齒通?？捎糜谳^硬巖層施工。

圖5 常用斗齒類型

另外，如果選用截齒，則必須舍棄齒身的長(zhǎng)度，單次侵入量會(huì)下降。此外如果選用截齒，一方面抓斗對(duì)地層的適應(yīng)性會(huì)大大降低;另一方面，受截齒破碎范圍的影響，需要加密截齒的布置(這一點(diǎn)原因會(huì)在下文涉及)，這樣一來(lái)，希望通過(guò)布置截齒來(lái)降低與地層接觸面積的初衷會(huì)大大折扣。當(dāng)然，截齒的最大優(yōu)點(diǎn)是耐磨、強(qiáng)度高，對(duì)于堅(jiān)硬地層的適應(yīng)性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斗齒的。因此對(duì)于抓取堅(jiān)硬地層(強(qiáng)度在25 MPa以上)可以配置截齒，但是考慮到抓斗主要依靠斗體自重(不能額外加壓)靜壓力破碎地層的工作方式，即使配置截齒，其效率提升也不會(huì)顯著;對(duì)于抓取較軟巖，還是推薦配置斗齒，對(duì)于較軟巖的抓取效率提升也是本文討論重點(diǎn)。

4．2．2 斗齒布置間距

前文提到，雖然斗齒與地層之間接觸后會(huì)產(chǎn)生破碎坑，產(chǎn)生的兩個(gè)相鄰斗齒產(chǎn)生的破碎坑能否重疊，及兩個(gè)斗齒之間能否留下殘余體未被破碎，這一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，需要考慮斗齒的布置間距。根據(jù)A．T．包爾德諾娃和 H．H．巴符洛娃的平頭壓入試驗(yàn)［4］，當(dāng)兩個(gè)切削工具距離大于或等于(D1+D2)/2，則如圖6陰影ABC所示部分巖體有可能不會(huì)被破碎;通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)破碎坑的直徑與巖石性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于脆性巖石(花崗巖、大理巖之類)，D1∶d=5～8;對(duì)于塑脆性巖石(泥巖、頁(yè)巖之類)，D1∶d=3～4(D1為破碎坑直徑;d為壓頭直徑)。適宜的間距應(yīng)當(dāng)是在(D1+D2)/3 與(D1+D2)/2 之間［5］。

圖6 斗齒布置間距

4．2．3 斗齒初始角度布置

由于抓斗破碎方式的特殊性，其上布置的斗齒與地層的夾角不是固定不變的，從開(kāi)始抓取到閉合位置，其與地層平面的夾角要經(jīng)過(guò)90°的變化，但是并不能說(shuō)探討斗齒布置角度的意義不大。

在硬地層抓取時(shí)，抓斗剛接觸地層時(shí)形成的初始破碎程度對(duì)后期抓取效率影響較大，而初始破碎則是受抓斗斗齒與地層剛接觸時(shí)的角度影響，當(dāng)角度越接近90°時(shí)，斗體的自身重力通過(guò)斗齒作用在地層上的豎直分力越大，產(chǎn)生的破壞效果也就越好。因此在抓斗處于張開(kāi)狀態(tài)時(shí)，雖然抓斗斗體存在一定弧度，但其上所布置斗齒與水平方向應(yīng)盡量垂直，以保證初始破碎效果。

4．2．4 斗齒布置方式

在進(jìn)行巖層抓取時(shí)，在斗齒地層的部位會(huì)產(chǎn)生破碎，但是在抓取斗齒之間的巖體由于沒(méi)有產(chǎn)生破碎，而是呈現(xiàn)比較完整的狀態(tài)，這會(huì)加大抓取的難度，如果通過(guò)布置斗齒，進(jìn)行部分破碎，從一定意義上來(lái)說(shuō)會(huì)提高一定的入巖效率，圖7為某廠家抓斗的斗齒布置方式簡(jiǎn)圖，可以參考。

圖7 內(nèi)外高低斗齒布置方式

內(nèi)層齒是布置在抓斗的刮泥板結(jié)構(gòu)之上與斗體座相連，抓斗斗頭閉合時(shí)，其不會(huì)隨斗頭運(yùn)動(dòng)，因此該排齒的布置有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)同樣可以起到刮泥結(jié)構(gòu)的作用;

(2)內(nèi)排齒的布置，可以增大巖土的局部破碎面積，減小抓取難度;

(3)采用高低齒的布置方式，內(nèi)排齒首先接觸地層，在重力作用下，產(chǎn)生局部破碎，在抓斗閉合過(guò)程中，內(nèi)排齒逐漸隨斗體做抬升，使抓斗自重完全落在抓斗閉合一定程度之后的外排齒之上，這樣就不會(huì)影響外排齒對(duì)地層的破碎效果。

4．3 加載方式

現(xiàn)階段有很多抓斗廠家推出了沖抓斗，即利用主機(jī)配置的特制卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)，在槽底抓取時(shí)，將抓斗提取一定高度后，使抓斗以自由落體對(duì)槽底巖石進(jìn)行沖擊，如此反復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)破碎。關(guān)于利用這種沖抓實(shí)現(xiàn)入巖效率提高的方式，是基于破碎比功考慮的，破碎單位體積巖所耗費(fèi)的能量——破碎比功是一定的，當(dāng)沖擊作用產(chǎn)生足夠的沖擊功超過(guò)破碎比功，則可實(shí)現(xiàn)破碎，在一定范圍內(nèi)，沖擊功越大，破碎效果越好。

另外一些試驗(yàn)表明:在一定的預(yù)壓力作用下沖擊破碎巖石，巖石表現(xiàn)的強(qiáng)度要降低50% ～80%，這就意味著，它比無(wú)預(yù)壓的鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)法的效率要高出3～5倍。這也就意味著，如果在抓斗上可以添加偏振器或者氣動(dòng)沖擊器(潛孔錘)之類的器具，即使不用將抓斗反復(fù)提升下放形成沖擊，也能依靠沖擊器具產(chǎn)生的沖擊力達(dá)到較好的破碎效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所探討的增加抓斗自重、改變斗齒形狀與布置方式，都是基于實(shí)現(xiàn)體積破碎的方式，這些方式相對(duì)較軟的巖石(單軸抗壓強(qiáng)度在10 MPa以內(nèi))還有一定的效率提升，并且這些方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外抓斗設(shè)備廠家得到了應(yīng)用。最后述及的沖擊方式或者孔底偏振錘、潛孔錘，則是針對(duì)于更堅(jiān)硬(10 MPa以上)的巖石地層，在體積破碎無(wú)法發(fā)生的情況下，使破碎趨向于疲勞破碎發(fā)展。這些方法或涉及到較大的主機(jī)改動(dòng)，或技術(shù)理論還不成熟，大部分還是停留在理論階段，到具體實(shí)現(xiàn)還需要很長(zhǎng)的一段路要走。

［1］ 鄢泰寧，孫友宏．巖土鉆掘工程學(xué)［M］．湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2001．

［2］ 殷琨，王茂森，彭枧明，等．沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)［M］．北京:地質(zhì)出版社，2010．

［3］ 楊烈，李奇林．挖掘機(jī)斗齒結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析［J］．工程機(jī)械，2010，41(12):9－11．

［4］ 徐小荷，余靜．巖石破碎學(xué)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1984．

［5］ 張組培，劉寶昌．碎巖工程學(xué)［M］．北京:地質(zhì)出版社，2004．

［6］ 馬守明．地下連續(xù)墻抓斗挖掘設(shè)備及工藝［J］．探礦工程，1995，(3)．

［7］ 吳強(qiáng)．利勃海爾地下連續(xù)墻液壓抓斗［J］．工程機(jī)械與維修，2006，(3)

［8］ 馬守明．連續(xù)墻抓斗設(shè)備的概念［J］．探礦工程，2000，(1):20－22．