GDL-1型多工藝環(huán)境勘察鉆機的研制與應(yīng)用

王春蕾，曲冰麗，高明帥，薛善忠，楊雨濛，黃東帥，張向峰，李曉丹

(1.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120； 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，鄭州 451464)

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)化進程的不斷深化，生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的逐步布局，對土地污染與水污染問題的監(jiān)測與治理逐漸受到重視，同時隨著城鎮(zhèn)化進程推進，對工程勘察及環(huán)境調(diào)查的鉆探需求也大幅增加[1, 2]。在工程勘察、地質(zhì)調(diào)查和環(huán)境取樣等施工中，作業(yè)孔通常數(shù)量多且分布密集，因此縮短轉(zhuǎn)場時間、適用多種施工工藝、提高施工效率、保證施工質(zhì)量尤為重要[3, 4]。為保證工程勘察的質(zhì)量，獲取環(huán)境調(diào)查的準(zhǔn)確結(jié)果，研發(fā)匹配其施工工藝的鉆探設(shè)備變得至關(guān)重要。

中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司研制的GDL-1型多工藝環(huán)境勘察鉆機搭載履帶底盤，轉(zhuǎn)場靈活，模塊化動力頭設(shè)計可實現(xiàn)多種功能，廣泛應(yīng)用于直推式原狀土取樣、螺旋鉆進成井、地下水采樣及工程勘察等領(lǐng)域的各種需求。

1 總體方案及核心部件

1.1 總體結(jié)構(gòu)

GDL-1型多功能環(huán)境勘察鉆機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機采用液壓傳動與集中控制，主要由履帶底盤組件、多功能動力頭、給進機構(gòu)、工具絞車、動力系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、液壓支腿、操作臺等部件組成。鉆機配備多功能裝置，可滿足多工藝施工需求，整機結(jié)構(gòu)緊湊，運輸方便，轉(zhuǎn)場靈活。

圖1 GDL-1型多工藝環(huán)境勘察鉆機

1.2 功能參數(shù)(表1)

表1 GDL-1型多工藝環(huán)境勘察鉆機主要技術(shù)參數(shù)

1.3 底盤組件

底盤組件主要由平臺底架和履帶行走裝置組成，平臺底架上部安裝給進系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部件，下部連接履帶行走裝置。鉆機采用組合式履帶，可選裝橡膠履帶板，便于在城市施工。

底盤組件的四腳設(shè)計了液壓缸控制的高支腿，作業(yè)前可伸縮調(diào)節(jié)桅桿的角度；長途運輸時不需要起吊，可直接采用高支腿上車，運輸方便。

1.4 多功能動力頭

鉆機配備的多功能動力頭具有沖擊及回轉(zhuǎn)功能，最大沖擊功450 J，最高轉(zhuǎn)速320 r/min，最大扭矩4000 N·m。不需要更換動力頭，僅通過更換動力頭下方連接組件、切換液壓控制，就可實現(xiàn)動力頭沖擊與回轉(zhuǎn)功能的快速轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)用同一動力頭滿足多種工藝需求。

動力頭下方安裝采樣組件可通過高頻沖擊壓入進行直推取樣，如圖2(a)；安裝套管組件可通過螺旋鉆進行無循環(huán)液的建井與取樣，如圖2(b)；安裝套管及水龍頭組件可通過回轉(zhuǎn)+泥漿循環(huán)進行取心，如圖2(c)。模塊化設(shè)計實現(xiàn)多工藝的自由轉(zhuǎn)換。

圖2 多功能動力頭示意圖

1.5 給進及平移機構(gòu)

給進機構(gòu)由給進液壓缸、鏈條、桅桿、動力頭托架及鵝頭等組成。兩條給進液壓缸和鏈條組成倍速機構(gòu)，通過給進液壓缸的伸縮帶動安裝在托架上的動力頭沿著桅桿上下移動。

動力頭托架具備自動平移功能，通過操縱平移液壓缸可推動力頭側(cè)移讓出中心通道，為多種提吊方式和取心作業(yè)讓開作業(yè)空間，如圖3所示。

圖3 動力頭托架示意圖

1.6 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

鉆機配置了雙泥漿循環(huán)系統(tǒng)，配套泥漿泵和螺桿泵兩種循環(huán)泵，可適配不同的鉆進工藝需求。在大口徑不取心全面鉆進時可選大排量的螺桿泵，在常規(guī)口徑地質(zhì)取心作業(yè)時可選小排量的泥漿泵。兩種循環(huán)泵均由馬達驅(qū)動，可進行無級調(diào)速，兩者之間可通過液壓控制實現(xiàn)模式的快速切換，滿足不同工況下循環(huán)液的快速供給。

1.7 液壓系統(tǒng)

鉆機采用液壓傳動與集中控制，液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓閥、液壓馬達、液壓缸、減速機、散熱器及管件等組成，如圖4所示。主要功能有履帶行走、支腿液壓缸、升降液壓缸快速升降、動力頭回轉(zhuǎn)、沖擊、液壓絞車、泥漿泵、加減壓鉆進及散熱風(fēng)扇等。

圖4 GDL-1多工藝環(huán)境勘察鉆機液壓系統(tǒng)示意圖

采用兩個雙聯(lián)泵，泵1和泵2單獨控制左、右履帶行走馬達，實現(xiàn)行走馬達的單獨控制。同時泵1負(fù)責(zé)回轉(zhuǎn)動力頭的慢速回轉(zhuǎn)功能；泵2經(jīng)過分流合流閥實現(xiàn)絞車升降、驅(qū)動泥漿泵，以及動力頭的沖擊功能。泵1和泵2合流后實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動力頭的快速回轉(zhuǎn)及升降液壓缸快速升降。

泵3實現(xiàn)升降液壓缸的慢速升降,即加減壓鉆進功能，同時用于驅(qū)動散熱風(fēng)扇對液壓油進行散熱，使液壓油溫度保持在合適溫度范圍內(nèi)。

泵4實現(xiàn)支腿液壓缸的升降及起落桅桿，實現(xiàn)鉆機的固定。為使鉆機工作時穩(wěn)固，支腿液壓缸設(shè)計雙向液壓鎖鎖緊回路，該回路可使液壓缸在任意位置鎖止。

整機液壓系統(tǒng)設(shè)計安全閥及調(diào)整系統(tǒng)壓力的溢流閥。為保證鉆塔起落安全性，保證其在起塔或落塔過程中動作均勻無沖擊，起塔液壓缸安裝了平衡閥。

2 多工藝取樣方案

GDL-1型鉆機設(shè)計了多工藝鉆探平臺，針對不同的施工需求，通過更換動力頭下方組件，切換液壓控制，實現(xiàn)動力頭低速大扭矩和高速小扭矩之間的快速轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)與沖擊的功能，滿足用同一動力頭進行沖擊取樣、回轉(zhuǎn)取心、螺旋鉆進成井等多種工藝需求。針對不同需求，相應(yīng)配置了多工藝的鉆具組合施工方案,具體配置見表2。

表2 GDL-1型鉆機多工藝取樣方案鉆具適配表

2.1 沖擊取樣

GDL-1型鉆機可通過更換沖擊采樣組件進行土壤沖擊取樣作業(yè)。動力頭上配有沖擊器，根據(jù)高頻頂部沖擊的原理，靠沖擊、擠壓、直推的方式，能夠確?？焖巽@進，對目的層產(chǎn)生較小壓縮，實現(xiàn)原狀取樣[5, 6]。沖擊動力頭具有回轉(zhuǎn)功能，在取樣地表堅硬無法直接取樣作業(yè)時，可先進行回轉(zhuǎn)破巖鉆進再進行沖擊取樣。沖擊取樣動力頭配置了雙管直推取樣鉆具進行土壤取樣作業(yè)，根據(jù)取樣目的層條件，鉆具分為不提鉆和提鉆兩種形式。

在地層比較完整的情況下進行不提鉆取樣作業(yè)，配套不提鉆雙管取樣鉆具，如圖5所示。

1. 外管沖錘帽；2. 減振器；3.取樣管絲錐；4. 取樣管接頭；5. PVC取樣管；6. 內(nèi)鉆桿短節(jié)；7. 外鉆桿；8. 削靴；9. 內(nèi)管帽；10. 內(nèi)鉆桿；11. 分離式鉆頭；12、13. 拋棄式削靴座

沖擊頭通過定位帽與外管沖錘帽連接，通過靜壓直推、高頻沖擊使鉆具鉆入地層，當(dāng)削靴到達取樣預(yù)計深度時，停止下壓和錘擊，取出內(nèi)鉆桿和取樣管，完成一個取樣回次，再將連接內(nèi)鉆桿的新的取樣管重新放入孔底的外管內(nèi)，進行新一回次的取樣作業(yè)。

在鉆遇破碎地層或涌砂涌水地層時進行提鉆取樣作業(yè)，配套提鉆雙管取樣鉆具，如圖6所示。到達取樣預(yù)計上部深度時，取出內(nèi)鉆桿，鉆具切入土體進行取樣后，提出整個鉆具獲得土樣，如此往復(fù)進行取樣作業(yè)。

1. 外管沖錘帽；2. 鉆具轉(zhuǎn)換接頭；3. 內(nèi)桿沖錘帽；4. 內(nèi)鉆桿；5. 內(nèi)管塞；6. PVC取樣管；7. 鉆具；8. 巖心爪；9. 活塞式鉆頭；10. 削靴

2.2 螺旋建井

在布設(shè)小口徑長期地下水監(jiān)測井時，需要進行螺旋建井施工，GDL-1型鉆機通過更換動力頭套管組件，進行大扭矩低轉(zhuǎn)速和無循環(huán)泥漿作業(yè)。鉆機可提供4000 N·m的回轉(zhuǎn)扭矩，滿足外徑120 mm中空螺旋鉆具鉆進需求，如圖7所示。動力頭連接回轉(zhuǎn)驅(qū)動帽，驅(qū)動鉆頭進行回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進，將螺旋鉆具的外管鉆至目的層，其螺旋鉆桿內(nèi)部和地下土壤隔絕，然后將內(nèi)管取水管組合通過中空螺旋鉆具下至孔底，再依次灌入濾料層和止水層，完成螺旋建井施工。

1. 回轉(zhuǎn)驅(qū)動帽；2. 鎖緊螺釘；3. 螺旋鉆具；4. 鉆頭；5. 頂部可鎖帽；6. PVC井管；7. O形密封圈；8. 預(yù)制濾砂管；9. PVC過水管；10. PVC塞堵；11. 木質(zhì)/塑料堵頭

2.3 回轉(zhuǎn)取心

GDL-1型鉆機在回轉(zhuǎn)取心作業(yè)時，動力頭選用套管及水龍頭組件。傳統(tǒng)的直徑42 mm、50 mm地質(zhì)鎖接頭鉆桿，銜接單管或雙管鉆具，動力頭帶動鉆具回轉(zhuǎn)并加壓，以獲取土壤樣品或巖心，同時進行泥漿正循環(huán)，攜帶巖屑、清潔孔底、冷卻及潤滑鉆頭、維持井壁穩(wěn)定[7]。如圖8所示,傳統(tǒng)的單管取樣鉆具具有強度大、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低等優(yōu)點，但巖心損耗大，適用于較完整穩(wěn)固、不怕沖刷的地層取心。雙管取樣鉆具又分為單動雙管和雙動雙管兩種，有內(nèi)管可保護巖心免受循環(huán)液的沖蝕，因此適用于松軟、破碎、怕沖刷地層的取心鉆進。

1. 鎖接頭；2. 鉆桿；3. 鎖接頭；4. 保護接頭；5. 巖心管接頭；6. 單層巖心管；7. PDC鉆頭

動力頭配有兩個液壓馬達，通過切換馬達的串并聯(lián)控制可實現(xiàn)最大扭矩4000 N·m和最高轉(zhuǎn)速320 r/min兩種回轉(zhuǎn)能力的轉(zhuǎn)換，在復(fù)雜地層、砂礫層以及卵石層實現(xiàn)快速鉆進。

3 多方式提吊作業(yè)

GDL-1型鉆機配備了多種提吊方式，機械化程度高的沖擊頭+提引器方式、傳統(tǒng)的絞車提立根方式及便捷的沖擊頭側(cè)置卡瓦方式，可根據(jù)實際施工需要進行選配。

3.1 自動提引器方式

鉆機配置了提引器，通過沖擊頭與提引器的組合，可簡單快速地實現(xiàn)鉆桿的提吊和擰卸等工藝流程，如圖9所示。提引器卡接在沖擊頭的轉(zhuǎn)換接頭上，提引器的下部旋轉(zhuǎn)體保證了扁插可以自由旋轉(zhuǎn)，為下放鉆桿提供了靈活的操作空間。

提吊鉆桿時，將鉆桿上接頭置于提引器下部的扁插內(nèi)，沖擊頭向上運動(圖9a、9b)，從孔口提出鉆桿直至孔口夾持器夾住下一根鉆桿的上接頭。通過沖擊頭旋轉(zhuǎn)，帶動提引器轉(zhuǎn)動，從而對鉆桿進行卸扣操作(圖9c、9d)。沖擊頭帶著鉆桿向下運動，將鉆桿從孔口上方的豎直位置下放至傾斜位置，便于施工人員下放鉆桿(圖9e、9f)。

圖9 提引器提吊鉆具的操作流程

這種方式適合傳統(tǒng)的地質(zhì)鎖接頭鉆桿，雖然單次提取一根鉆桿，但作業(yè)流暢，機械化程度高，無需人工擰卸操作，在保證施工效率的同時，降低了人工勞動強度。

3.2 絞車提立根方式

鉆機配有傳統(tǒng)的絞車提吊方式，在桅桿頂部配有鵝頭，在平臺上配有主絞車。沖擊頭通過托架可以向側(cè)方平移讓出孔口中心，通過絞車鋼絲繩配合人工擰卸鉆桿進行6 m立根提吊作業(yè)，此方式為設(shè)備基礎(chǔ)模式。

3.3 沖擊頭連續(xù)提吊方式

對小口徑外平鉆桿進行連續(xù)長行程提吊作業(yè)時，可在沖擊頭側(cè)方選配V形夾片卡瓦，在沖擊頭側(cè)移讓出中心孔口時，鉆具會由于自重被鎖緊在沖擊頭側(cè)置的卡瓦之間，隨著沖擊頭的上移，將鉆具快速提離孔底，如圖10所示。此方式需要人工輔助擰卸鉆桿，但是單次提立根的長度不再受桅桿高度的限制，不需要多次重復(fù)擰卸。此方式僅需要動力頭讓出中心孔位就可以迅速進行提吊作業(yè)，操作簡單便捷，大大提高了施工效率。

圖10 沖擊頭側(cè)置卡瓦提吊鉆具示意圖

4 野外試驗

GDL-1型鉆機在完成廠內(nèi)試驗后，與河南省環(huán)境保護廳、開封市環(huán)境保護局和焦作市環(huán)境保護局合作，分別在河南省開封市、焦作市進行了野外施工試驗，共進行了75個點位的土壤、水質(zhì)取樣施工，對多種工藝流程進行了生產(chǎn)試驗，在精準(zhǔn)快速完成現(xiàn)場施工作業(yè)的同時，不會造成土壤的污染及擾動，所取土樣連續(xù)完整、保真率高，野外試驗如圖11所示。施工過程中設(shè)備整體運行狀態(tài)良好，進一步驗證了設(shè)備的高效性與可靠性。

圖11 GDL-1型鉆機野外試驗

5 結(jié)語

工程勘察和環(huán)境調(diào)查的應(yīng)用場景具有復(fù)雜性和多樣性，配置履帶、車載、拖車等多種裝載形式，搭載多動力模式的多工藝鉆探平臺，可以滿足工程勘察及環(huán)境取樣的發(fā)展需求，是未來淺層勘探裝備發(fā)展的方向。

中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司研制的GDL-1型多工藝環(huán)境勘察鉆機，由全液壓控制，搭載多工藝鉆探平臺，配套多種工藝方法及鉆具，配置靈活，可快速切換，真正實現(xiàn)一機多用，高效取樣。后期在多工藝平臺上可通過更換或增加動力、絞車、自動標(biāo)貫器、液壓控制等模塊配置，更換平臺的裝載形式，可實現(xiàn)對金剛石繩索取心、標(biāo)準(zhǔn)貫入等工藝的實施，增加對多樣的施工場地、施工需求及復(fù)雜地層的適用性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在野外試驗過程中GDL-1型鉆機運行良好，各工藝之間轉(zhuǎn)換便捷，驗證了GDL-1型鉆機優(yōu)越的適配性和施工能力，為行業(yè)提供了高質(zhì)量和先進的技術(shù)裝備支撐。