混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置研制與應(yīng)用

高鵬偉，劉 斌，羅曉薇，薛雙良

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 研制背景

隨著我國混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，噴射混凝土技術(shù)已廣泛應(yīng)用于豎井、隧道、涵洞、邊坡等地下混凝土支護或錨噴支護施工，噴射混凝土試驗檢測工作量也隨之進一步加大。根據(jù)市場調(diào)查，目前，全國混凝土鉆芯機專業(yè)生產(chǎn)廠家都沒有生產(chǎn)專門用于室內(nèi)噴射混凝土大板試件取芯的配套裝置。導(dǎo)致檢測機構(gòu)用于噴射混凝土大板試件取芯的裝置均為自行加工，有的過于笨重，每組試件取芯需要2～3人，嚴重浪費人力；有的缺少廢水及灰漿收集裝置，不利于環(huán)境保護；有的在取出一塊芯樣后，需人工推動大板試件進行下一塊的鉆取，無手動行走調(diào)節(jié)裝置。

我公司承建的東山供水工程施工二標及五標，施工二標段主洞段約10.115km，施工布置3條支洞；施工五標段主洞段長約2.27km，均為土洞，地質(zhì)情況為含沙低液限粘土，且地下水位線位于洞頂以上，施工布置2條支洞。根據(jù)地質(zhì)報告描述該隧洞巖石類別以Ⅳ、Ⅴ類為主，巖石條件差，開挖施工過程采用短進尺、弱爆破、勤支護方案，隧洞開挖過程中每天共有8個作業(yè)面進行開挖，每開挖0.5m～1m就要進行噴射混凝土支護作業(yè)。按照《水電水利工程錨噴支護施工規(guī)范》(DL/T 5181-2003)要求，噴射混凝土強度質(zhì)量檢測以噴射混凝土抗壓強度大板試件取芯樣檢測方法進行，工地試驗室每天至少需對14組大板試件進行室內(nèi)取芯作業(yè)，工作量非常巨大。

2 混凝土鉆芯機的選擇

混凝土鉆芯機采用銅陵長江金剛石工具有限責任公司生產(chǎn)的HZ-110型系列混凝土鉆芯機，可與金剛石薄壁鉆頭配套使用，操作安全可靠。廣泛用于鋼筋混凝土建筑物、磚石建筑物上的垂直或水平鉆孔、取芯。額定電壓220V，輸入功率1400W，最大鉆孔直徑φ100mm，空載轉(zhuǎn)數(shù)0～1900r/min，整機重量6kg。

3 混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置研制思路

研制的混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置是混凝土鉆芯機的專用配套設(shè)備，適用于各種工程領(lǐng)域內(nèi)按照鉆孔取芯法對噴射混凝土大板試件進行室內(nèi)芯樣鉆取工作。能夠與各種不同型號混凝土鉆芯機配套使用，具有成本低、生產(chǎn)效率高、取芯效果好、易于操作、實用性強、安全環(huán)保的特點。主要由三大部分組成，包括基座及鉆芯機旋轉(zhuǎn)固定盤、十字工作臺、試件固定集排水槽。

混凝土鉆芯機與基座連接牢固可靠；通過增加試件固定集排水槽及6孔蓋板，有效地防止取芯過程中鉆頭在高速運轉(zhuǎn)下與試件摩擦產(chǎn)生廢水及灰漿四濺，并對廢水及灰漿進行集中收集；通過設(shè)計縱向、橫向十字工作臺，順利將試件固定集排水槽中的大板試件移送至帶孔蓋板上任意一個孔位處進行取芯。

實用美觀，操作方便，能夠就地取材，縮短工作時間，提高工作效率，減少人員投入。

混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置見圖1。

圖1 混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置成果

4 混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置設(shè)計

4.1 基座及鉆芯機旋轉(zhuǎn)固定盤設(shè)計

采用槽鋼焊接成長560mm×寬500mm×高80mm的長方體，在長方體左、右兩側(cè)50mm位置焊接兩根槽鋼，形成基座；將外鋼管焊接在基座上側(cè)的中心點位置上，將內(nèi)鋼管與厚12mm的鋼板進行焊接，鋼板四周加工4個與混凝土鉆芯機底座預(yù)留孔直徑相同的孔，采用高強度螺栓可將混凝土鉆芯機與鋼板連接，牢固可靠，該部分可根據(jù)混凝土鉆芯機型號調(diào)節(jié)鋼板大小及孔位，使其可與各種型號混凝土鉆芯機配套；將內(nèi)鋼管套裝在外鋼管內(nèi)部，內(nèi)、外鋼管左右兩側(cè)中心部位用鉆床加工成φ15mm的通心孔。在使用過程中將混凝土鉆芯機轉(zhuǎn)動在基座中心位置，將旋轉(zhuǎn)套筒固定插銷插入通心孔內(nèi)，取芯作業(yè)完成后，將固定插銷取出，轉(zhuǎn)動混凝土鉆芯機收回，完成混凝土鉆芯機的旋轉(zhuǎn)固定過程。基座及鉆芯機旋轉(zhuǎn)固定盤設(shè)計加工圖詳見圖2。

圖2 基座及旋轉(zhuǎn)固定盤設(shè)計加工圖

4.2 十字工作臺設(shè)計

4.2.1 縱向十字工作臺

將兩個釬尾套分別套裝在兩根六棱鉆桿上，將鉆桿與兩根長300mm的角鋼進行焊接(角鋼呈“L”形敞開狀)，形成長方體。將兩個釬尾套移到距離底側(cè)角鋼60mm處，使用長250mm角鋼與兩個釬尾套末端靠內(nèi)側(cè)底部進行焊接，該部分角鋼與底部角鋼中心點位置開孔φ33mm。

在中、底部角鋼中心點開孔位置進行絲杠的連接。連接過程為：在長度300mm的絲杠一端焊接手柄輪，將螺母擰入絲杠緊貼手柄輪，在底部角鋼中心孔內(nèi)部焊接絲杠固定套一個，在中部角鋼中心孔位置焊接螺母一個，轉(zhuǎn)動手柄輪將絲杠完全擰入絲杠固定套及螺母內(nèi)，底部角鋼中心孔位置使用螺母焊接在角鋼內(nèi)側(cè)，形成對絲杠的固定。

縱向十字工作臺絲桿的最大工作長度為170mm，工作時轉(zhuǎn)動手柄輪，絲杠在作用力下推動角鋼兩側(cè)的釬尾套，使釬尾套在六棱鉆桿上能前后行走，整個過程絲杠與螺母連接緊密，釬尾套在六棱鉆桿上完成前后行走工作時通暢無阻。

4.2.2 橫向十字工作臺

在長550mm的六棱鉆桿上各套入兩個釬尾套，將鉆桿與兩根360mm長的角鋼進行焊接(角鋼呈倒“L”形反扣狀)，形成長方體。左、右兩塊角鋼上方再用一根550mm的角鋼反扣焊接為一體，將每根鉆桿上的兩個釬尾套移到鉆桿中心位置焊接在一起，使用長度250mm角鋼與兩個釬尾套末端靠右側(cè)底部進行焊接，該部分角鋼與右側(cè)角鋼中心點位置開孔φ33mm。

在中、右部角鋼中心點開孔位置進行絲杠的連接。連接過程為：在長度400mm的絲杠一端焊接手柄輪，將螺母擰入絲杠緊貼手柄輪；在右部角鋼中心孔內(nèi)部焊接絲杠固定套一個，在中部角鋼中心孔位置焊接螺母一個，轉(zhuǎn)動手柄輪將絲杠完全擰入絲杠固定套及螺母內(nèi)；右部角鋼中心孔位置使用螺母焊接在角鋼內(nèi)側(cè)，形成對絲杠的固定；在呈倒“L”形反扣狀的角鋼上開四個φ12mm的孔，開孔位置與試件固定集排水槽十字工作臺連接插銷一致。

橫向十字工作臺絲桿的最大工作長度為240mm，橫向十字工作臺工作中轉(zhuǎn)動手柄輪，絲杠在作用力下推動角鋼兩側(cè)的釬尾套，使釬尾套在鉆桿上形成左右行走，整個過程絲杠與螺母連接緊密，釬尾套在六棱鉆桿上完成左右行走工作時通暢無阻。十字工作臺設(shè)計加工圖詳見圖3。

圖3 十字工作臺設(shè)計加工圖

4.3 試件固定集排水槽設(shè)計

采用鋼板焊接成長570mm×寬385mm×高160mm的長方體，形成集排水槽。在水槽內(nèi)上下夾角位置焊接兩根螺紋鋼，目的是將大板試件墊高，防止取芯過程中鉆芯機鉆頭對水槽底板產(chǎn)生破壞。在水槽左右兩側(cè)的中心點位置開孔φ18mm，將固定螺栓擰入兩側(cè)孔內(nèi)后，將鋼片焊接在固定螺栓端頭，大板試件放入水槽后，擰緊左右兩側(cè)固定螺栓，取芯過程中試件卡位牢固可靠，不會發(fā)生位移及晃動現(xiàn)象；水槽左側(cè)底角位置開孔，將不銹鋼排水閥門焊接在孔位處；水槽底盤四周分別焊接4個φ12mm的十字工作臺連接插銷，位置與尺寸與橫向十字工作臺倒“L”形反扣狀角鋼的孔位一致；采用570mm×385mm鐵皮制作成6孔蓋板，水槽蓋板上下兩排均勻切割6個φ100mm孔，孔與孔之間間距為：橫排20mm，豎排50mm；將6孔蓋板蓋在水槽上，在鉆取任意一塊混凝土試件時，將其余5個孔用橡膠皮封堵，有效地防止了取芯過程中鉆頭在高速運轉(zhuǎn)下與試件產(chǎn)生的廢水及灰漿四濺問題。試件固定集排水槽設(shè)計加工圖詳見圖4。

圖4 固定集排水槽設(shè)計及加工圖

4.4 混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置整體組裝

將縱向十字工作臺焊接在基座上左、右兩側(cè)長390mm的槽鋼上，縱向十字工作臺前后兩塊角鋼中心位置分別焊接一塊長160mm×高50mm的墊鐵，然后將橫向十字工作臺前后鉆桿上的釬尾套焊接在兩塊墊鐵上，完成縱、橫向十字工作臺的組裝；將試件固定集排水槽下的連接插銷插入倒“L”形反扣狀的角鋼盤四邊孔位內(nèi)，使用高強度螺栓將混凝土鉆芯機與旋轉(zhuǎn)固定盤內(nèi)鋼管上方的鉆芯機鋼板底座預(yù)留孔牢固固定，整個焊接組裝完成后，對焊縫使用電砂輪機全面打磨，以保證焊縫的平整度；采用銀白色油漆對混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置進行整體噴涂，增加其美觀度。組裝完成后混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置整體尺寸為：長680mm×寬700mm×高370mm，重量48kg，為確?；炷零@芯機大板試件取芯裝置焊接質(zhì)量，整個焊接組裝過程均由持證上崗的高級電氣焊技師完成。

5 混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置應(yīng)用

加工完成后，對混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置進行了測試。在一塊大板試件上共鉆取了2組(6塊)芯樣，整個作業(yè)過程中混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置與混凝土鉆芯機連接緊密牢固，大板試件通過固定螺栓牢固固定在試件固定集排水槽上中，6孔蓋板與水槽接觸緊密，有效防止了廢水及灰漿四濺問題，取芯過程中產(chǎn)生的廢水及灰漿集中收集在試件固定集排水槽內(nèi)。

轉(zhuǎn)動縱、橫向十字工作臺上的手柄輪，絲杠在作用力下推動角鋼兩側(cè)的釬尾套，釬尾套在六棱鉆桿上完成前后左右行走工作時通暢無阻，可順利的將試件固定集排水槽中的大板試件移送至6孔橡膠皮蓋板上的任意一個孔位處進行取芯。取出的6塊芯樣外觀完整，通過測量6塊芯樣高度直徑最大為100.2mm，端面不平整度在100mm長度內(nèi)最大為0.01mm，芯樣端面與軸線的不垂直度最大為0.3°，完全符合有關(guān)技術(shù)標準要求。

該混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置已在我公司承擔檢測任務(wù)的山西晉中東山供水工程項目試驗室以及山西呂梁中部引黃工程項目試驗室推廣使用，通過2個多月時間，兩個項目試驗室施工現(xiàn)場取噴射混凝土大板試件共計624組，從取芯的效果來看，未發(fā)現(xiàn)由于該裝置原因?qū)е庐a(chǎn)生不符合技術(shù)標準的芯樣，取芯成功率達到100%，取芯裝置取出的芯樣效果見圖5。

圖5 取芯裝置取出芯樣的效果

6 結(jié)語

混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置的成功研制，填補了目前全國混凝土鉆芯機專業(yè)生產(chǎn)廠家都沒有生產(chǎn)專門用于室內(nèi)噴射混凝土大板試件取芯配套裝置的空白。混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置的使用，極大地縮短了混凝土大板試件取芯用時，由原來每組三塊芯樣用時大約15min縮短為6min。降低了人員投入，提高了工作效率，由原來的2～3人減少到現(xiàn)在的只需1人就可完成整個取芯作業(yè)。在本次取芯裝置設(shè)計中，大部分零部件使用工地現(xiàn)場的廢舊材料進行加工，極大地降低了制作成本，提高了廢舊物品的再利用率?；炷零@芯機大板試件取芯裝置的使用相對于之前人工取芯具有精確、方便、環(huán)保、一次性取芯2組等優(yōu)點。取芯裝置與鉆機連接處可調(diào)節(jié)鋼板大小及孔位，使其可與各種型號混凝土鉆芯機配套，可以將其應(yīng)用到公路檢測、裝修等其他領(lǐng)域。通過混凝土鉆芯機大板試件取芯裝置的研制與應(yīng)用，使試驗檢測人員充分意識到對檢測過程中所需的輔助工具進行改造，可達到省時省力的目的，提高了相關(guān)人員的思維力和創(chuàng)造性。