旋挖鉆進(jìn)用牙輪筒鉆的結(jié)構(gòu)探討及應(yīng)用

韓益強(qiáng)

(山西省地礦建設(shè)總公司，山西 太原 030009)

0 引言

隨著旋挖鉆進(jìn)應(yīng)用的不斷普及，所鉆鉆孔直徑越來(lái)越大，深度越來(lái)越深，旋挖鉆進(jìn)在硬至堅(jiān)硬地層中的使用也越來(lái)越普遍，在硬至堅(jiān)硬地層中如何提高旋挖鉆進(jìn)的效率，降低施工成本，是目前旋挖行業(yè)需要重點(diǎn)攻克的一個(gè)技術(shù)難題。旋挖鉆具的生產(chǎn)廠家從鉆頭結(jié)構(gòu)、類型及施工工藝方面做了大量的研究工作[1-3]，研究出了多種對(duì)付硬巖鉆進(jìn)的鉆頭及工藝方法，如截齒筒鉆、螺旋鉆頭、截齒鉆頭、牙輪筒鉆及這些鉆具的組合。施工工藝上，利用旋挖鉆機(jī)鉆頭更換和起下鉆方便等特點(diǎn)，采用鉆具組合的方式，即先采用筒鉆克取環(huán)形槽，再用螺旋鉆頭去破碎心部巖石，最后用撈砂斗撈渣的方法；對(duì)于大直徑硬巖鉆進(jìn)采用分級(jí)鉆進(jìn)法，先用小徑筒鉆取心鉆進(jìn)，再用大一級(jí)筒鉆擴(kuò)孔的辦法；采用氣舉反循環(huán)進(jìn)行全斷面牙輪或滾刀鉆頭鉆進(jìn)法；利用空氣反循環(huán)進(jìn)行潛孔錘鉆進(jìn)等。這些工藝方法對(duì)于旋挖鉆進(jìn)對(duì)付硬巖地層均取得了較好的效果，對(duì)旋挖鉆進(jìn)技術(shù)的推廣起到了促進(jìn)作用。本文重點(diǎn)探討在旋挖鉆進(jìn)中牙輪筒鉆的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1 牙輪運(yùn)動(dòng)及破巖方式

眾所周知，三牙輪鑲齒鉆頭適合于硬巖地層鉆進(jìn)，其破巖方式主要是在鉆機(jī)施加的鉆壓下，硬質(zhì)合金齒壓入巖石進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)碎巖，當(dāng)牙輪硬質(zhì)合金齒對(duì)巖石產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度后，使得巖石產(chǎn)生體積破碎。三牙輪鑲齒鉆頭從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，牙輪的頂點(diǎn)交于鉆頭中心軸線，使得牙輪以純滾動(dòng)形式轉(zhuǎn)動(dòng)，由于滾動(dòng)摩擦遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦，使硬質(zhì)合金齒的磨損減緩，所以大大提高鉆頭的使用壽命，因此，三牙輪鑲齒鉆頭在石油、地?zé)帷⑻烊粴獾阮I(lǐng)域硬巖鉆進(jìn)中能夠得到廣泛的應(yīng)用。而用于旋挖鉆進(jìn)的牙輪筒鉆，破巖刀具牙輪沒(méi)辦法做到純滾動(dòng)布刀，牙輪相對(duì)于大口徑筒鉆來(lái)說(shuō)尺寸較小，其在鉆頭上基本是采用退頂布置(外牙輪)和超頂布置(內(nèi)牙輪)，牙輪布置及運(yùn)動(dòng)方式見(jiàn)圖1。這種情況下每個(gè)牙輪在孔底不可能做到純滾動(dòng)，都伴有滑移運(yùn)動(dòng)，這就形成滑動(dòng)摩擦，其破巖方式主要是壓入、沖擊、剪切，牙輪在孔底滑動(dòng)，增加了硬質(zhì)合金齒的切削功能，這對(duì)于軟地層或中硬地層來(lái)說(shuō)，有利于提高鉆進(jìn)效率，但相對(duì)于純滾動(dòng)三牙輪鉆頭，其硬質(zhì)合金齒磨損較快，影響牙輪壽命。了解筒鉆牙輪運(yùn)動(dòng)及破巖方式，在鉆頭設(shè)計(jì)上對(duì)牙輪及硬質(zhì)合金齒選型具有指導(dǎo)意義，如牙輪上硬質(zhì)合金齒的形狀大小和方向性等[4-7]。

圖1三牙輪鉆頭與筒鉆牙輪運(yùn)動(dòng)示意
Fig.1Movement mode of tri-cone bit and core barrel with roller bits

2 牙輪筒鉆設(shè)計(jì)

2.1 牙輪布置

在鉆頭底部布置牙輪，一般分為外牙輪和內(nèi)牙輪，對(duì)于直徑小的筒鉆，一般內(nèi)外牙輪間隔布置，而牙輪之間的間隔距離一般為300～400 mm。而對(duì)于直徑較大的筒鉆，可以考慮分組布置牙輪，即2個(gè)外牙輪中間1個(gè)內(nèi)牙輪為一組，這樣能盡量做到內(nèi)外牙輪破碎巖石的工作量一致并磨損同步。外牙輪掌背向外，主要是克取外圍巖石，保證鉆孔直徑及保護(hù)鉆頭體防止磨損，它有一定的外出刃，焊接牙掌時(shí)保證牙輪背錐與水平位置垂直，并與牙掌斜面的夾角在5°左右，這樣牙輪在轉(zhuǎn)動(dòng)克取巖石過(guò)程中，牙掌就不會(huì)受到孔壁磨損；同樣的，內(nèi)牙輪掌背向內(nèi)，主要克取內(nèi)圈巖石，與外牙輪形成破巖互補(bǔ)，即克取外牙輪留下的巖墻，焊接角度同外牙輪類似[8]。

2.2 牙輪規(guī)格的選擇

目前較多的采用2種牙輪規(guī)格，即?216和311 mm，考慮到鉆頭的公轉(zhuǎn)和牙輪的自轉(zhuǎn)速度的影響因素，鉆頭直徑1500 mm以下的選用?216 mm牙輪，直徑>1500 mm的牙輪筒鉆建議選用?311 mm規(guī)格牙輪。另外，筒鉆上的牙輪有焊接式和可更換式2種，焊接式的也分三牙輪用單片牙掌和特制直柄牙掌，可更換式牙掌要與專用牙掌座匹配，牙掌座焊接在筒鉆體上，通過(guò)螺栓將牙掌與座固定。

2.3 牙輪硬質(zhì)合金齒的要求

首先是齒的形狀，盡量選擇楔形齒或子彈頭齒，這兩種齒對(duì)牙輪旋轉(zhuǎn)方向沒(méi)有要求，不影響牙輪內(nèi)外排布。中硬地層選擇楔形齒，硬及堅(jiān)硬地層選擇子彈頭齒。盡量不選擇勺形齒，因它有方向性，外牙輪可以正常使用，內(nèi)牙輪由于旋轉(zhuǎn)方向相反，勺形齒克取巖石時(shí)其背椎弧面先接觸巖石，破巖效果會(huì)受到影響。中硬地層選擇楔形齒，堅(jiān)硬地層選擇子彈頭齒，后者硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度大。除對(duì)硬質(zhì)合金齒的形狀要求外，對(duì)硬質(zhì)合金的性能要求就是韌性好和抗彎強(qiáng)度高，這是因?yàn)橥层@直徑大，工作過(guò)程中由于地層或操作等原因產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷較大，選擇抗彎強(qiáng)度大的硬質(zhì)合金能減少斷齒現(xiàn)象[9]。

2.4 牙輪筒鉆克取環(huán)槽寬度設(shè)計(jì)

對(duì)于選用?216 mm牙輪作為刀具的筒鉆，環(huán)槽切削寬度為120 mm，選用?311 mm牙輪的筒鉆，環(huán)槽切削寬度為160 mm。這樣考慮既能保證內(nèi)外牙輪齒之間的破巖補(bǔ)償，又能做到克取最少的巖石面積，使鉆機(jī)的能量消耗和鉆頭破巖工作量達(dá)到最小，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 牙輪筒鉆槽寬及螺旋帶布置Fig.2 Groove width and spiral belt arrangement in core barrel with roller bits

2.5 筒鉆的高度設(shè)計(jì)

牙輪筒鉆的使用是要達(dá)到克取最少的巖石量，然后通過(guò)操作把巖心卡斷取上來(lái)，而巖心卡斷的難易與地層裂隙發(fā)育程度及巖心的長(zhǎng)徑比有關(guān)，裂隙比較發(fā)育、長(zhǎng)徑比大，巖心卡斷就比較容易；地層完整、鉆頭直徑大，卡斷就困難。所以我們只能從筒鉆高度設(shè)計(jì)來(lái)考慮，給出一個(gè)合理的鉆頭的長(zhǎng)徑比值，牙輪筒鉆筒子的凈高一般在1200～1800 mm。筒子凈高加高的優(yōu)點(diǎn)是鉆頭在孔內(nèi)鉆進(jìn)平穩(wěn)，沖擊負(fù)荷小，鉆機(jī)穩(wěn)定性好，進(jìn)尺效率高。

2.6 筒鉆外圍焊接螺旋扶正帶

其目的有兩個(gè)，其一就是扶正鉆頭和防止筒體磨損；其二螺旋扶正帶在鉆頭鉆進(jìn)的同時(shí)，引導(dǎo)巖渣運(yùn)動(dòng)，使得巖渣能沿著螺旋帶上升懸浮或排出達(dá)到清潔孔底，避免形成巖渣墊層，保證牙輪始終能與巖石面接觸[10]。

2.7 筒鉆與鉆頭的連接

筒鉆上部留有與旋挖鉆機(jī)的連接方頭，可根據(jù)鉆機(jī)配備的鉆桿確定方頭尺寸，連接方頭強(qiáng)度要滿足鉆機(jī)扭矩和軸向力要求，銷孔位置準(zhǔn)確。

2.8 可更換式牙輪及牙輪座的設(shè)計(jì)

對(duì)于筒鉆使用可更換式牙輪及牙輪座的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到以下兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是因?yàn)檠垒喿呛冈谕搀w上的，為防止牙輪座的焊接變形，牙輪座應(yīng)加工成四周封閉結(jié)構(gòu)，這樣牙輪座與牙輪裝配尺寸不會(huì)因焊接發(fā)生變化。再一個(gè)就是牙輪的固定鎖緊，不推薦采用彈簧圓柱銷固定方式，雖然這種鎖緊方式在雙輪銑固齒及全套管鉆進(jìn)固齒方面得到應(yīng)用，但是不適合牙輪筒鉆，原因就是牙輪筒鉆的沖擊負(fù)荷更大，牙輪筒鉆與孔壁的間隙大，銷子容易掉出，所以采用螺栓連接更為合理。在牙輪座上設(shè)計(jì)螺栓連接絲扣孔，在牙輪掌上設(shè)計(jì)連接通孔及螺栓帽窩，使得牙輪與牙輪座通過(guò)螺栓得到固定鎖緊，牙輪與座裝配見(jiàn)圖3。

圖3 可更換牙輪裝配示意Fig.3 Replaceable rollers

2.9 特殊筒鉆設(shè)計(jì)

對(duì)于直徑較大的入巖樁孔，巖心直徑大，鉆機(jī)卡斷巖心比較困難，可采用先打中心直徑較小的導(dǎo)向孔，然后采用逐級(jí)擴(kuò)孔的辦法直到設(shè)計(jì)直徑。在擴(kuò)孔筒鉆的設(shè)計(jì)上可采用單層牙輪擴(kuò)孔或多層階梯式牙輪擴(kuò)孔，鉆頭結(jié)構(gòu)一般帶前導(dǎo)筒，前導(dǎo)向長(zhǎng)度400～600 mm，底端裝有截齒，起到掃孔作用。短了起不到導(dǎo)向作用，長(zhǎng)了在擴(kuò)孔過(guò)程中容易卡鉆憋鉆。導(dǎo)向鉆頭的直徑設(shè)計(jì)為異徑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向體下端直徑接近導(dǎo)向孔直徑，起導(dǎo)向作用，上部縮徑部分開(kāi)有側(cè)窗，其目的就是擴(kuò)孔過(guò)程中破碎的巖塊能順利掉到孔內(nèi)，避免重復(fù)破碎。擴(kuò)孔牙輪與導(dǎo)向鉆頭之間徑向方向裝有截齒，其軸向位置要高于筒鉆牙輪300 mm左右，這樣在鉆進(jìn)過(guò)程中，前導(dǎo)孔和筒鉆形成的內(nèi)外破巖自由面，對(duì)截齒克取巖石就相對(duì)容易很多。

3 牙輪筒鉆鉆進(jìn)工藝

牙輪筒鉆用于鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石地層，在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩與軸向力作用下，牙輪上鑲嵌的硬質(zhì)合金齒壓入巖石產(chǎn)生破碎進(jìn)尺，地層的硬度、鉆頭壓力大小以及孔底巖渣清理干凈與否決定著鉆頭進(jìn)尺快慢。

3.1 牙輪筒鉆所需鉆壓

牙輪筒鉆所需鉆壓大小與鉆頭上的牙輪數(shù)量和地層巖石的硬度有關(guān)，通常根據(jù)鉆頭上的牙輪數(shù)量和規(guī)格確定鉆壓大小，對(duì)于?216 mm牙輪，單只牙輪所需的鉆壓為15～20 kN；?311 mm牙輪，單只所需鉆壓為20～25 kN。鉆頭所需的鉆壓就是每只牙輪所需的鉆壓與牙輪的數(shù)量乘積。比如10個(gè)?216 mm牙輪筒鉆所需鉆壓為150～200 kN。

3.2 牙輪筒鉆轉(zhuǎn)速

牙輪破碎巖石的特點(diǎn)是壓入破碎，它破巖的過(guò)程有個(gè)時(shí)間效應(yīng)，如果時(shí)間太短，那么硬質(zhì)合金齒就不能有效地壓入巖石而產(chǎn)生滑移，硬質(zhì)合金很快磨損。所以要限制鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度，一般情況下，保證牙輪的回轉(zhuǎn)線速度≯1.5 m/s即可?？梢愿鶕?jù)鉆頭的直徑大小來(lái)確定鉆機(jī)轉(zhuǎn)速。即：

n≤28.66/D

式中：n——鉆頭最大轉(zhuǎn)速，r/min；D——鉆頭直徑，m。

對(duì)于直徑1 m的鉆頭，建議最大轉(zhuǎn)速20 r/min[11]。

3.3 泥漿

雖然旋挖鉆進(jìn)是無(wú)循環(huán)鉆進(jìn)，但是鉆孔內(nèi)必須有充足的泥漿，以起到孔壁穩(wěn)定、冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆具和懸浮巖渣等作用。牙輪筒鉆在巖石樁孔施工中，孔壁相對(duì)泥土地層穩(wěn)定性要好，泥漿的主要作用是冷卻鉆頭和懸浮巖渣，選用適宜性能的泥漿既可以起到冷卻鉆頭潤(rùn)滑牙輪的作用又可以起到懸浮巖渣和清潔孔底的作用，避免鉆頭過(guò)熱、磨損和鉆頭重復(fù)破碎的現(xiàn)象發(fā)生。所用泥漿一般應(yīng)達(dá)到如下指標(biāo)：密度控制在1.05～1.15 g/cm3，粘度控制在17～20 s，含砂率控制在4%以內(nèi)。

4 牙輪筒鉆的應(yīng)用實(shí)例

山西省地質(zhì)勘查局現(xiàn)有旋挖鉆機(jī)近30臺(tái)，施工工地遍布全國(guó)各地。某勘察院在2017年承接了福清海上風(fēng)電樁基施工項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用550D型旋挖鉆機(jī)，鉆頭為中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的截齒旋挖鉆頭及系列牙輪筒鉆。所鉆地層為花崗巖，巖石最高硬度為132 MPa,鉆進(jìn)孔深60～80 m,鉆進(jìn)最大口徑為2800 mm。

采用鉆進(jìn)工藝為分級(jí)鉆進(jìn)法，即先用加密型?1500 mm牙輪筒鉆鉆進(jìn)小眼，再分級(jí)擴(kuò)孔，直至達(dá)到所要求直徑。由于該工程屬于特硬地層鉆進(jìn)，所以在設(shè)計(jì)?1500 mm鉆頭時(shí)，采用了如下結(jié)構(gòu)：一是增加鉆頭筒子高度至1600 mm,以增加細(xì)長(zhǎng)比，利于取心時(shí)巖心根部順利拔斷，同時(shí)由于增高了鉆頭的導(dǎo)向長(zhǎng)度，使鉆頭的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。在鉆頭的牙輪布局上采用了獨(dú)特的一內(nèi)兩外牙掌間隔布置，以保證牙輪工作量一致并基本同步磨損，牙輪選用?216 mm的楔型齒牙掌，為了防止因地層太硬造成鉆頭在孔內(nèi)的跳動(dòng)，牙輪掌的數(shù)量較常規(guī)筒鉆增加了50%，每只鉆頭焊接了15只牙掌，這樣不僅大大增加了鉆頭的穩(wěn)定性，同時(shí)由于增加了鉆頭與孔底的接觸點(diǎn)，使得鉆進(jìn)效率比常規(guī)設(shè)計(jì)提高了30%左右，取心成功率也提高了20%以上。

使用該鉆頭時(shí)，上部風(fēng)化地層一般所鉆巖心均可順利取出，下部堅(jiān)硬地層取心成功率也可達(dá)到85%以上，少數(shù)情況下巖心會(huì)因?yàn)楦繘](méi)有斷裂而將巖心留在孔底，此時(shí)將鉆頭裝上預(yù)先準(zhǔn)備的偏心楔，將筒鉆下至孔底時(shí)，通過(guò)加壓由偏心楔的斜面將巖心楔斷，然后由筒鉆將巖心帶出。所鉆?1500 mm小眼，轉(zhuǎn)速一般為7～8 r/min,在風(fēng)化地層中鉆速可達(dá)3～4 m/h,在微風(fēng)化地層中鉆速一般為20～30 cm/h。取出的巖心如圖4所示。

小眼完成后分3級(jí)擴(kuò)孔完成，即?1500/2000、2000/2500、2500/2800 mm。擴(kuò)孔牙輪鉆頭采用如圖5所示帶有導(dǎo)向筒的牙輪筒鉆，前導(dǎo)筒設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為800 mm,導(dǎo)筒直徑一般較前導(dǎo)孔小100 mm,這樣的設(shè)計(jì)既保證能起到導(dǎo)向扶正作用，避免在擴(kuò)孔時(shí)造成孔斜，又防止了由于導(dǎo)向筒直徑過(guò)大造成回轉(zhuǎn)扭矩太大影響鉆進(jìn)效率。導(dǎo)向筒上部設(shè)計(jì)有窗口，以方便將擴(kuò)孔時(shí)產(chǎn)生的巖渣掉入前導(dǎo)筒內(nèi)。擴(kuò)孔牙輪布置有?311 mm的牙輪掌，牙掌數(shù)量同樣采用加密型布置。筒子外壁每間隔500 mm布有螺旋扶正減磨帶，起到減少筒子外壁磨損的作用，并可引導(dǎo)巖渣上返最終掉入至鉆頭筒內(nèi)。該系列擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔轉(zhuǎn)速一般為3～4 r/min。一個(gè)孔深80 m的鉆孔，正常情況下2～3 d可完工。牙輪壽命一般平均每孔消耗10只。該工程進(jìn)展順利，牙輪筒鉆使用效果很好[12-14]。

圖4 用牙輪筒鉆取出的巖心Fig.4 Cores drilled by a core barrel with roller bits

圖5 帶有前導(dǎo)筒的牙輪筒鉆Fig.5 Core barrel with roller bits with the pilot barrel

5 牙輪筒鉆使用注意事項(xiàng)

(1)牙輪筒鉆下鉆時(shí)要緩慢操作，尤其是接近孔底時(shí)輕轉(zhuǎn)慢放，防止牙輪撞擊孔底造成牙輪損壞。

(2)當(dāng)牙輪筒鉆全部接觸孔底后，逐漸加壓到額定壓力，進(jìn)行正常的鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中注意鉆頭上負(fù)荷的變化和鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。

(3)要取心時(shí)，停止鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)，待巖渣沉淀后起拔鉆具，提出孔口取出巖心。有時(shí)候巖心卡在筒鉆內(nèi)造成取心困難，這時(shí)候鉆機(jī)操作手應(yīng)將筒鉆底部放在小于筒鉆內(nèi)徑的硬物體上來(lái)回提放幾次，就可以將卡在筒內(nèi)的巖心取出；如果巖心沒(méi)取上來(lái)，可以下帶有偏心楔鉆頭打撈，鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，在鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)扭矩作用下，偏心楔將巖心卡斷，將巖心取出。還有另一種就是在地層不太硬的情況下，可直接下?lián)粕岸啡タ巳r心[15]。

(4)牙輪的清理與檢查。每次提鉆后一定要用清水去清理牙輪，檢查牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況、齒的磨損、有無(wú)掉齒現(xiàn)象及牙輪軸承的曠量大小等，通過(guò)檢查也可以判斷牙輪使用正常與否及孔內(nèi)情況。

(5)遇到以下情況需要更換牙輪：

①牙輪出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，牙輪軸承不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)后在孔內(nèi)出現(xiàn)滑移，使得牙輪與巖石接觸的部分磨損造成偏磨現(xiàn)象；

②牙輪軸承密封失效，軸承間隙過(guò)大(3～5 mm)進(jìn)入泥砂，加劇軸承損壞；

③牙輪斷齒掉齒嚴(yán)重，如果孔內(nèi)有掉入的金屬物，牙輪硬質(zhì)合金齒會(huì)出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象，遇到這種情況，要清理孔內(nèi)金屬物和更換牙輪，否則會(huì)產(chǎn)生鏈鎖反應(yīng)。

(6)牙輪更換注意事項(xiàng)：在更換牙輪時(shí)不僅要考慮牙輪的高度一致，也要考慮牙輪內(nèi)外出刃及角度的一致。另一個(gè)問(wèn)題是焊接時(shí)注意焊接溫度，防止焊接溫度過(guò)高造成牙輪密封損壞，可以采用水冷卻的方法或間斷焊接。

6 結(jié)語(yǔ)

牙輪筒鉆由于其特有的碎巖機(jī)理，是目前旋挖鉆進(jìn)對(duì)付硬巖地層比較有效的方法，其不足之處就是由于是無(wú)循環(huán)鉆進(jìn)清渣不暢，相對(duì)于有循環(huán)牙輪鉆進(jìn)造成牙輪掌的磨損較快，使用壽命受到影響，若配合氣舉反循環(huán)等工藝同時(shí)結(jié)合全套管護(hù)壁，可有效地解決該問(wèn)題，提高鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命，節(jié)約鉆進(jìn)成本。