旋挖鉆機(jī)在特殊工況中的減壓鉆進(jìn)研究

張繼光，賈學(xué)強(qiáng)，蘇 陳，賈 煒

（1.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州221001；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000）

0 引言

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)旋挖鉆進(jìn)行業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的旋挖鉆進(jìn)入巖要求被提出，而為適應(yīng)這一市場(chǎng)趨勢(shì)，旋挖鉆機(jī)廠家推出了入巖性能強(qiáng)勁的中大型旋挖鉆機(jī)。伴隨著旋挖鉆機(jī)型號(hào)越來(lái)越大，作為旋挖壓力、扭矩等參數(shù)的直接傳遞者——鉆桿這一工作裝置在逐步地加粗、加重［1］。這種情況下，雖然旋挖鉆機(jī)對(duì)硬巖地層的適應(yīng)能力在逐步加強(qiáng)，但是在處理強(qiáng)度不太高的脆性巖層或者軟硬交替易斜孔地層時(shí)，過(guò)大的鉆桿自重則成為鉆進(jìn)時(shí)的一種負(fù)擔(dān)，甚至?xí)?duì)設(shè)備自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響［1］。本文從旋挖鉆機(jī)破碎巖石的機(jī)理出發(fā)，列舉部分工況下加壓過(guò)大導(dǎo)致的入巖問(wèn)題［2］，探討在一些特殊工況下采取減壓鉆進(jìn)模式的工法。

1 旋挖鉆機(jī)在入巖鉆進(jìn)中的工作模式

1.1 碎巖機(jī)理

旋挖鉆機(jī)入巖鉆進(jìn)可劃歸為硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭切削具在軸向壓力（鉆具自重以及動(dòng)力頭壓力）的作用下壓入巖石，在回轉(zhuǎn)水平力（扭矩）的作用下沿孔底破碎巖石。結(jié)合壓頭壓入巖石的基本現(xiàn)象和旋挖截齒的特點(diǎn)，這里可以推論出以下觀點(diǎn)（主要討論脆性巖石）：

（1）截齒在軸向壓力足夠大時(shí)，在接觸巖石的瞬間過(guò)程中，可發(fā)生多次躍進(jìn)侵入，但是這種躍進(jìn)侵入以破碎坑中鉆渣被充分清除（保證足夠小的接觸面積）為前提；

（2）截齒在扭矩作用下，切割破碎坑前部巖石，并排除其中的鉆渣，保證下次躍進(jìn)侵入；

（3）截齒在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，不斷向下侵入，因此在軸向力和水平力的共同作用下，導(dǎo)致孔底巖石以螺旋層形式連續(xù)被破碎［3］。

1.2 碎巖過(guò)程

旋挖鉆機(jī)在鉆孔作業(yè)時(shí)，動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)和齒輪箱兩級(jí)減速帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓油缸加壓使動(dòng)力頭產(chǎn)生垂直向下的壓力，通過(guò)鉆桿傳遞給鉆頭，該加壓力和鉆具自重一起對(duì)鉆頭切削形成軸向壓力，切削齒在壓力作用下壓入巖石，在回轉(zhuǎn)水平力（扭矩）的作用下沿孔底破碎巖石。因此，在旋挖鉆頭每旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，其孔底破巖的曲線都可以視為是螺旋線，即侵深不斷增大，水平切削阻力不斷增大［4］。

2 旋挖鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)入巖問(wèn)題

在大多數(shù)工況下，旋挖鉆機(jī)都會(huì)采用加壓鉆進(jìn)入巖的工藝，但在某些工況（如脆性巖石鉆進(jìn)、易傾斜地層鉆進(jìn)等）下，加壓鉆進(jìn)會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速波動(dòng)造成動(dòng)力頭事故、鉆機(jī)整機(jī)的上下高頻振動(dòng)［5］、鉆孔極易傾斜、鉆桿彎曲折斷等等，這些問(wèn)題都對(duì)入巖鉆進(jìn)中設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及成孔質(zhì)量造成了極大的影響。

2.1 動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速波動(dòng)造成動(dòng)力頭事故

從旋挖截齒碎巖過(guò)程可以看出，巖石破碎并不是連續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行的，而是呈現(xiàn)跳躍式的有規(guī)律變化：在每一次剪切發(fā)生之后，施加在截齒上的水平力Px就會(huì)減小，接觸到巖石之后，Px力會(huì)再次增大。因此，在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，水平力的變化可用圖1表示。而Px水平力的產(chǎn)生，是動(dòng)力頭扭矩提供的，水平力的波動(dòng)也就導(dǎo)致了動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，圖1也可以看作動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速的變化曲線［5-6］。

針對(duì)這一現(xiàn)象，很多鉆機(jī)廠家推出了低速大扭矩的入巖鉆進(jìn)模式，雖然該模式能使巖石水平切削狀態(tài)盡可能的平穩(wěn)，但是不能完全消除轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)會(huì)引發(fā)各處密封件的失效，降低馬達(dá)和減速機(jī)的壽命。

圖1 切削力波動(dòng)曲線Fig.1 Fluctuation cur ve of the cutting for ce

2.2 旋挖鉆機(jī)整機(jī)上下高頻振動(dòng)

在旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中，躍進(jìn)式侵入是隨著回轉(zhuǎn)過(guò)程不斷發(fā)生的。躍進(jìn)的過(guò)程中，動(dòng)力頭帶著鉆桿一起向下移動(dòng)，侵入結(jié)束后，阻力增大。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，動(dòng)力頭和鉆桿移動(dòng)受阻產(chǎn)生的動(dòng)量損失，最終通過(guò)動(dòng)力頭反饋到整機(jī)之上，導(dǎo)致整機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)的頻率和幅度則完全由轉(zhuǎn)速和壓力決定：即轉(zhuǎn)速越高，躍進(jìn)侵入的頻率越大，振動(dòng)頻率越大；壓力越大，單次侵深越大，振動(dòng)的幅度也就越大［7］。

這種入巖產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)設(shè)備各零部件的損傷極大，長(zhǎng)時(shí)間的入巖鉆進(jìn)，不可避免地會(huì)在一定程度上影響設(shè)備的使用壽命。

2.3 旋挖鉆孔傾斜

鉆孔傾斜（這里主要分析地層因素）是旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的一類(lèi)問(wèn)題。這類(lèi)問(wèn)題通常發(fā)生在軟硬交替地層（如圖2）、含有大漂石、孤石地層或者松軟地層，在這些地層中，由于鉆頭在孔底受力不均勻，導(dǎo)致鉆頭在加壓力的作用下向較軟的一側(cè)偏斜，最終導(dǎo)致鉆孔傾斜［8-11］。

圖2 鉆進(jìn)軟硬互層破碎阻力分布Fig.2 Breaking resistance distribution in drilling har d and soft alternate formation

另外，隨著樁基工程的孔深不斷加深，樁徑不斷增大，在鉆孔內(nèi)部，鉆桿和鉆頭的細(xì)長(zhǎng)比較大，這樣隨著鉆進(jìn)深度的增加，即使動(dòng)力頭不加壓，由于鉆桿和鉆具較細(xì)但自重過(guò)大，同樣會(huì)導(dǎo)致鉆孔傾斜［12-13］。

2.4 加壓鉆進(jìn)易引發(fā)鉆桿事故

在深孔鉆進(jìn)且地層較硬時(shí)，由于鉆桿多節(jié)伸出，壓力較大時(shí)，如孔稍有傾斜，或桅桿稍有后仰，鉆桿極易產(chǎn)生彎曲，此時(shí)，再大力孔口加壓，不僅不會(huì)提高進(jìn)尺效率，反而會(huì)增大孔斜，造成鉆桿第三、四節(jié)中段折彎，鍵條、管體開(kāi)裂，鉆桿與鉆頭連接方頭嚴(yán)重受彎變形斷裂等事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失［14］。

綜上所述，旋挖鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)會(huì)帶來(lái)一定的負(fù)面效果，有些會(huì)對(duì)施工造成不可挽回的損失，因此本文提出，在某些特殊地層中（強(qiáng)度不高的巖石地層、軟硬交界地層），為提高設(shè)備的穩(wěn)定性，避免鉆孔施工傾斜，減少鉆桿的固障率，采用減壓鉆進(jìn)模式。

3 減壓鉆進(jìn)模式的研究

3.1 減壓鉆進(jìn)的概念

減壓鉆進(jìn)，即通過(guò)一定的技術(shù)手段來(lái)控制孔底碎巖工具的鉆進(jìn)壓力（切削鉆具所受軸向壓力），使其不超過(guò)鉆具的自重壓力。

3.2 減壓鉆進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方式

由于旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中，旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭必須隨鉆桿一起向下運(yùn)動(dòng)（避免不同步造成摔桿、砸桿），這就使得孔底壓力大于鉆具自重壓力。因此，要想實(shí)現(xiàn)減壓鉆進(jìn)，需要在主卷?yè)P(yáng)上進(jìn)行改進(jìn)，使主卷?yè)P(yáng)鋼絲繩對(duì)鉆桿施加提升力，從而降低孔底壓力，且要保證動(dòng)力頭與主卷?yè)P(yáng)下放速度同步。

3.3 減壓鉆進(jìn)的適用范圍

采用減壓鉆進(jìn)工藝的一個(gè)充分條件是，孔底切削鉆具受到的軸向壓力過(guò)大（相對(duì)于地層強(qiáng)度而言）。因此，通過(guò)上述分析，將這種工藝的適用范圍總結(jié)如下：

（1）施工地層方面：采用減壓鉆進(jìn)可大幅度減少鉆孔傾斜問(wèn)題的發(fā)生，建議施工泥質(zhì)類(lèi)巖石、軟硬交替地層、含漂石孤石地層、卵礫石地層、松軟砂層等考慮采用減壓鉆進(jìn)。

（2）鉆機(jī)扭矩方面：鉆機(jī)型號(hào)加大會(huì)引發(fā)鉆桿鉆具自重隨之增加，建議中大噸位鉆機(jī)（360 kN·m以上）可考慮采用減壓鉆進(jìn)。

（3）鉆孔直徑方面：小孔徑施工，鉆齒數(shù)量少，單個(gè)鉆齒的承載力大，會(huì)造成鉆機(jī)高頻振動(dòng)；孔徑過(guò)大會(huì)引發(fā)鉆孔傾斜。因此建議鉆孔直徑小于1.2 m或大于3.0 m，可采用減壓鉆進(jìn)，甚至犧牲一定的鉆進(jìn)效率來(lái)?yè)Q取安全穩(wěn)定的施工。

（4）鉆孔深度方面：深孔施工極易發(fā)生鉆孔傾斜問(wèn)題，建議70 m以深鉆孔采用減壓鉆進(jìn)，并增加孔內(nèi)扶正裝置，提高鉆孔垂直度。

4 減壓鉆進(jìn)的工程應(yīng)用

4.1 在小直徑鉆孔中的應(yīng)用

在杭黃鐵路客運(yùn)專(zhuān)線HHZQ-7標(biāo)潭頭溪特大橋樁基施工過(guò)程中，使用徐工XR360型旋挖鉆機(jī)施工?1.8 m、深26 m左右的樁孔，地層依次為回填層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖以及微風(fēng)化泥巖，微風(fēng)化泥巖強(qiáng)度不高容易壓碎?，F(xiàn)場(chǎng)分別采用了1.8 m直接成孔和1.0 m一開(kāi)再擴(kuò)孔2種方案進(jìn)行比對(duì)：

（1）1.8 m截齒撈砂鉆頭直接成孔：使用動(dòng)力頭加壓，采用動(dòng)靜耦合的操作方式，轉(zhuǎn)速較高，但進(jìn)尺速度較慢，不足1 m/h，整機(jī)狀態(tài)為高頻小幅振動(dòng)。

（2）1.0 m截齒撈砂鉆頭一開(kāi)鉆進(jìn)，不進(jìn)行動(dòng)力頭加壓，整機(jī)已呈現(xiàn)出低頻大幅度的振動(dòng)，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速很慢，雖然進(jìn)尺速度較快，但是出于安全的考慮不得不停止鉆進(jìn)。

經(jīng)分析：該鉆機(jī)配置的鉆桿重力為145 k N，1.0 m鉆頭的重力為12 k N，截齒個(gè)數(shù)為11個(gè)；1.8 m鉆頭的重力為29 kN，截齒數(shù)量為22個(gè)。通過(guò)計(jì)算可得出，在自重條件下，1.0 m撈砂鉆頭其單個(gè)截齒所受軸向壓力為14 k N，1.8 m撈砂鉆頭其單個(gè)截齒所受軸向壓力為8 k N。這就表明，在1.0 m鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆具自重給切削齒施加的軸向壓力過(guò)大，導(dǎo)致鉆頭接觸躍進(jìn)式侵入過(guò)大，鉆進(jìn)無(wú)法進(jìn)行。

改進(jìn)方案為：通過(guò)編程改變主卷?yè)P(yáng)電控溢流閥限制條件，使主卷?yè)P(yáng)給予60 kN提升力，1.0 m鉆頭上單個(gè)截齒所受軸向壓力降為7.7 kN。施工發(fā)現(xiàn)，鉆機(jī)振動(dòng)幅度明顯減小，主機(jī)穩(wěn)定性得到大幅提升，同時(shí)進(jìn)尺速度＞3 m/h，實(shí)現(xiàn)了高效安全施工。

4.2 在大直徑鉆孔中的應(yīng)用

蕪湖長(zhǎng)江二橋樁基施工中，采用XR460D型旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)?3.4 m/3.0 m變徑、80 m左右樁深的樁孔，地層從上至下為：粉砂、中砂、細(xì)砂、中砂、卵石土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，地層硬度整體偏低。施工工藝采用分級(jí)鉆進(jìn)，護(hù)筒內(nèi)先施工?3.4 m鉆孔，超過(guò)護(hù)筒后，使用?3.0 m鉆頭鉆進(jìn)，遇見(jiàn)硬層時(shí)分級(jí)鉆進(jìn)，再擴(kuò)孔至?3.0 m。

在試樁完成后，通過(guò)超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)從護(hù)筒下部砂層開(kāi)始，鉆孔有明顯的孔斜跡象，鉆孔垂直度超出了設(shè)計(jì)要求的0.5%。

經(jīng)分析，X460D型鉆機(jī)的鉆具重力大（鉆桿和鉆頭總重力可達(dá)300 kN），在自放狀態(tài)下，鉆具重力全部施加于孔底，在鉆進(jìn)松軟砂層時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)速度過(guò)快，且鉆孔直徑較大，孔深較深，鉆具自立性差，故造成鉆孔傾斜。

經(jīng)及時(shí)改進(jìn)，在后續(xù)鉆孔施工遇松軟砂層時(shí)，通過(guò)使主卷?yè)P(yáng)鋼絲繩承載一定的鉆具重力，降低孔底壓力，避免進(jìn)尺過(guò)快而造成鉆孔傾斜，鉆孔垂直度滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)旋挖鉆機(jī)碎巖機(jī)理的分析，列舉加壓鉆進(jìn)在施工過(guò)程中易出現(xiàn)的問(wèn)題，提出減壓鉆進(jìn)模式的概念和實(shí)現(xiàn)方式，并針對(duì)性地通過(guò)施工實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，表明：在旋挖鉆機(jī)進(jìn)行部分特殊工況施工時(shí)，采用減壓鉆進(jìn)，對(duì)減少設(shè)備的入巖振動(dòng)、提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及保證成孔質(zhì)量（預(yù)防傾斜）都具有重要意義。