工程案例SR200R旋挖鉆機入巖試驗及若干問題探討

1、【工程案例】SR200R旋挖鉆機入巖試驗及若干問題探討從2007年8月9日至2007年9月7日，北京市三一重機有限公司用新研制的SR200R旋挖鉆機進行了入巖試驗，試驗地點是北京周口店“永富強采石場”，入巖地質為全風化至未風化花崗巖。9月7日試驗人員為幾十位參觀客戶和樁工協(xié)會專家現(xiàn)場鉆進，用1250嵌巖筒鉆4分鐘鉆進弱風化花崗巖118mm，用1000單頭單螺鉆頭2分鐘鉆進弱風化花崗巖196mm?，F(xiàn)場專家和客戶對入巖效果比較滿意。相關實驗記錄見表一“現(xiàn)場試驗記錄”。 入巖試驗場地地理環(huán)境入巖試驗場地地理環(huán)境試驗結論：已經(jīng)證實SR200R入巖旋挖鉆機可實現(xiàn)在Ra210MPa的花崗巖中鉆進。已經(jīng)證實

2、通過操作手法的運用能對硬巖產生沖擊作用，從而提高了鉆機的入巖能力和效率。已經(jīng)證實通過交替使用不同結構的鉆頭可使2種以上的鉆頭間互相形成自由面，增進了入巖鉆進效率。已經(jīng)證實鉆孔垂直精度達1/100。 通過用SR200R入巖旋挖鉆機對灰?guī)r和花崗巖的鉆孔試驗，體會和認識到如下六個問題：     一、入巖旋挖鉆機主機應具備的基本條件：     巖石中能量耗散規(guī)律和動態(tài)斷裂準則明確指出：“當加載能量小于某一門檻值時，其加載能量完全不參與裂紋擴展，全部為無用耗散能量；當加載能量達到動態(tài)斷裂準則時，巖石動態(tài)破壞，無功耗散能量大約為15?！币赃@一理論為出發(fā)點，入巖旋挖鉆

3、機必須具備大的加壓能力和大的動力頭功率（大扭矩和高轉速）。首先，巖石巖石在大加壓力作用下，可實現(xiàn)巖石節(jié)理的貫通和裂紋形成，內聚力消失從而只克服摩擦力就能從巖體上分離；可實現(xiàn)小巖體在壓力作用下被擠壓向自由面，裂紋擴展到自由面，小巖體被剪斷從巖體上分離；也可實現(xiàn)RQD大于75的完整巖石在碾壓作用下形成巖屑。只有完整的巖石被變?yōu)樗閴K和碎屑，才能實現(xiàn)鉆進。其次，大扭矩和高轉速的液壓動力頭是實現(xiàn)沖擊作業(yè)的必要條件。在鉆頭截齒切削軌道上，截齒撞擊凸起的巖體，動力頭被減速，當截齒越過凸起的巖體轉速加快沖向新的凸出巖體，在高速、低速的轉化中巖體不斷被撞擊，高速與低速間速度差越大，凸出巖體得到的沖擊越大，只有大

4、扭矩和高轉速的液壓動力頭才能增大高速與低速間速度差，對于旋挖鉆機（功率較小的破巖機械）入巖而言，沖擊能有效的制造出一些大的載荷從而越過巖石脆性斷裂或塑性屈服的“門檻值”，旋挖鉆機要入巖必須實現(xiàn)沖擊過程。從入巖工況看，必須提高設備自身抗振動能力。入巖作業(yè)中的振動來源是鉆頭與巖石間的相互作用、鉆桿彎曲變形、鉆頭偏心、鉆具質量分布不均等。鉆壓在增壓、減壓、浮動模式下連續(xù)循環(huán)，這一循環(huán)是操作者控制的，其頻率大約為0.100.3Hz，這也是入巖鉆進的振源之一。其次，入巖作業(yè)中某一個或幾個鉆齒不斷撞擊凸起的巖石形成不規(guī)律的“剎車”現(xiàn)象，鉆具轉速越高、巖石凹凸不平越多“剎車”頻次越高，這一振動有時頻率很高，

5、而且振動的激勵、疊加和衰竭規(guī)律性也很差。從以上振動來源看，無法通過主動振動來抵消被迫振動造成的對設備的損壞，必須提高設備自身抗振動能力。     從巖石破碎的脆性斷裂或塑性屈服的“門檻值”看，要求必須給巖石施加足夠的力。這就要求入巖旋挖鉆機必須有足夠的重量，以實現(xiàn)鉆機大加壓能力。     總之，大加壓力、動力頭大功率和鉆機必須有足夠的自重，是入巖對旋挖鉆機設備本身最基本的要求。二、旋挖能入巖是依靠沖擊作用實現(xiàn)的：     從入巖鉆進中對巖石作用力的方式看，各種鉆機都力求實現(xiàn)對巖石的沖擊作用，因為沖擊使設備輸出的力遠遠超出靜力輸出。例如

6、潛孔錘是通過沖擊器直接沖擊巖石；反循環(huán)鉆進中牙輪滾刀、楔形滾刀等是通過滾刀上各個點回轉半徑不同實現(xiàn)自轉過程對巖石的沖擊。     旋挖鉆機入巖作業(yè)是通過控制鉆壓來實現(xiàn)對巖石沖擊的。鉆壓在圖二所示的模式下連續(xù)循環(huán)浮動、增壓、減壓三個節(jié)拍。增壓時鉆頭轉動阻力增大而減速，減壓時鉆頭轉動阻力減小而加速，從動量、沖量轉化方程（）可知速度變化越大，變化時間越短對巖石的沖擊力越大。通過沖擊，有效解決了鉆機對巖石作用力不足，難以超越破碎巖石最低載荷值問題。通過對巖石的沖擊也有利于自由面的形成。鉆頭連續(xù)轉動中，刀頭間歇地沖擊巖石，結果在刀具運行方向上不斷形成凹凸不平，舊的凸起被破壞后又形成新

7、的凸起。這些凹凸不平是鉆進的自由面，無論是大自由面還是小自由面都有利于巖石受載荷（特別是受沖擊載荷）后變形從整塊巖體上剝離形成巖屑，從而增加了鉆進效率。機大的加壓能力和大的動力頭功率是實現(xiàn)入巖的設備條件，將設備能力轉化為有效破巖能力必須經(jīng)過脈沖加壓操作方式的合理配合。從圖二“入巖鉆進的合理加壓模式”看，旋挖鉆機入巖加壓模式為動、靜載聯(lián)合作用，靜載可以提高沖擊動載的作用力峰值。靜載還可以將鉆齒壓在孔底巖石上，使動載作用直接傳遞到巖石，減少功率傳遞損失和彈性碰撞的功率損失。動載有利于使對巖石的作用載荷超越一個門檻值。 入巖鉆進的合理加壓模式嵌巖筒鉆在入巖加壓模式下形成的切削軌跡三、旋挖鉆機入巖能力

8、和加壓模式的有效傳遞及鉆桿應滿足的基本要求：     旋挖鉆機入巖鉆進中，設備的扭矩和加壓力以及加壓模式在巖石上的體現(xiàn)是通過鉆桿傳遞的，鉆桿在主機能力及對巖石作用方式的傳遞上起至關重要的作用。     為了實現(xiàn)對巖石的沖擊作用，操作人員必須控制加壓裝置對鉆桿進行加壓、減壓、浮動的循環(huán)操作，以使巖石受到?jīng)_擊。如果這種脈沖式的加壓力在傳遞過程中被結構的彈性變形吸收，巖石就得不到有效的沖擊。本次試驗中為單節(jié)鉆桿，這有利于傳遞可控鉆壓，圖二為合理的入巖加壓模式，壓力在大小循環(huán)中可能通過多層桿的傳遞被衰減，多層鉆桿傳遞壓力模

9、式問題需重點考慮，鉆桿層數(shù)越少越有利于鉆機對巖石沖擊作用的形成，在多層鉆桿未完全伸出時，鉆桿緩沖彈簧剛性越大越有利于脈沖鉆壓的傳遞。     脈沖鉆壓峰值點過大的鉆壓會使鉆桿局部發(fā)生失穩(wěn)變形或因失穩(wěn)某一局部反復承受徑向交變載荷發(fā)生疲勞斷裂。因此，鉆桿管體要加厚，以增強徑向變形抗力；材料彈性要加大，以增強在交變載荷下抗疲勞能力。四、入巖作業(yè)中鉆頭必須得到重點關注：     在巖石的力學性能中，抗壓能力最強，抗拉伸、剪切、彎曲能力差得多，而地下鉆孔作業(yè)機具受作業(yè)空間限制很難直接對巖石進行直接的拉伸、剪切、彎曲。這就需要

10、通過鉆頭將設備提供的壓力和扭矩轉化為對巖石的拉伸、剪切、彎曲。要使鉆頭有效鉆進巖層，應從以下5個方面解決問題。     1、鉆頭結構與布齒：鉆頭結構與布齒決定能鉆出什么形狀的自由面、自由面的大小、自由面多少。從下圖四、圖五、圖六可以看出，鉆頭前期鉆進為后期鉆進提供了自由面， 圖四、錐螺旋鉆頭鉆進形成得自由面點擊此處查看全部新聞圖片圖五、 錐螺旋鉆進形成的自由面圖六、錐螺旋和筒鉆交替作業(yè)所形成的自由面    先期鉆進的鉆頭為下一個鉆進的鉆頭制造了巖體破碎的自由面。巖體受力后，無拘束的自由面為小巖塊運行提供了空間，從圖四看刀具上的壓力已被

11、轉化成剪切力、拉伸力或彎矩，巖體在這些力的作用下從大巖體上剝離。兩種以上的鉆頭交替作業(yè)能互相提供自由面（如圖六），使鉆進效率大大提高，從而提高了破巖能力，降低了對主機過大的功率需求。對入巖而言，不同的巖層性質要有針對性地配用鉆頭，鉆頭的結構、鉆頭上刀具的形狀（截齒、斗齒等）和布置（疏密、空間角度）要根據(jù)巖體強度、節(jié)理的發(fā)育程度、節(jié)理的傾斜角、孔隙比、結構間距、巖體抗剪強度的內聚力和摩擦角等巖石性質針對性設置，萬能作業(yè)鉆頭是不存在的。2、巖屑的運動：巖屑對鉆頭在孔內鉆進有阻礙作用，巖屑的阻力小，設備能力用于做有效功。用螺旋鉆頭、嵌巖筒鉆、撈渣斗等鉆頭配合鉆孔中，一般運用螺旋輸送原理輸送和引導渣屑

12、運動和排出。渣屑流動順暢的鉆頭鉆進較省力。 圖七、嵌巖筒鉆上形成渣屑運行的結構圖八、單頭單螺錐螺旋圖十、渣屑從螺旋導渣條間隙進入鉆筒3、齒的失效形式：齒是直接作用于巖石的刀具，在使用中主要失效形式大致有四種：其一，摩擦熱過大，齒與巖層接觸面逐層軟化（甚至熔化）被巖石擠壓、摩擦發(fā)生流動；其二，耐磨性差；其三，一個鉆頭上同時作業(yè)的鉆齒少而超負荷作業(yè)；其四，沖擊載荷過大斷齒。其它還有硬質合金過軟、硬質合金與胎體焊接不合格等。過熱軟化而失效的截齒屬于胎體材料熱強性差；胎體上出現(xiàn)大的犁溝，說明胎體硬度遠低于磨料硬度；硬質合金出現(xiàn)可見的犁溝，為硬質合金太軟；硬質合金脫落原因為釬焊質量差；少數(shù)齒超負荷作業(yè)為

13、鉆頭布齒不規(guī)矩。目前，齒失效最大原因是齒質量太差，首先是專業(yè)廠家生產的截齒在市場上占有率低，非專業(yè)廠家基本不了解什么性能的齒能滿足使用要求；其次，用戶買齒時圖便宜，不考慮性價比。 圖十一、失效的截齒    4、幾種鉆頭的配合使用：幾種鉆頭的配合使用的目的在于交互提供利于巖石破碎的自由面，將巖石破碎后，再把破碎了的巖石取出。這就涉及二個問題，第一，鉆頭的結構交互提供利于巖石破碎的自由面的可能性；第二，每種鉆具鉆進深度的掌握。用旋挖鉆頭入巖最常用的鉆頭配合模式有適合硬巖（15Ra200MPa）的模式：錐螺旋鉆頭嵌巖筒鉆硬巖撈砂斗其它工具（如大塊石打撈鉆頭）和適合軟巖（5Ra20

14、MPa）的模式：平頭螺旋鉆頭硬巖撈砂斗。還有旋挖鉆機配反循環(huán)工法和旋挖鉆機配大口徑氣動潛孔錘工法等，但這二種工法均不能體現(xiàn)旋挖鉆機的優(yōu)勢，在此不多說明。     5、如何撈取大塊巖石：用鉆桿帶鉆頭直接撈取孔內脫落的大塊石是旋挖工法中撈取大塊巖石的最有效辦法。操作者要會感知大塊巖石已經(jīng)從巖體上脫落，大塊巖石從巖體上脫落后還要根據(jù)巖石的特性判斷是破碎后撈渣還是整體打撈。現(xiàn)在市場上缺少從孔內整體打撈大塊巖石工具。但必須解決在深孔撈取大塊巖石問題，大塊巖石不能撈出鉆進就無法繼續(xù)進行。五、必須力求減少因振動造成的設備損壞和事故發(fā)生：     在

15、“入巖旋挖鉆機主機應具備的基本條件”中闡述了設備振動的成因，振動危害如下：設備結構在振動作用下應力循環(huán)加速，結構出現(xiàn)過早疲勞失效。因為振動方向的不確定性，鉆機結構受載更為復雜，在結構內部形成過多的三軸力，設備更容易被破壞。由于振動的激勵、疊加和衰竭使很多結構從受靜載荷變?yōu)閯虞d荷，而且大多為沖擊載荷，對設備提出了更高的要求。加速了組織缺陷的發(fā)育和成長，如焊接微裂紋和熱影響區(qū)硬化區(qū)軟化區(qū)的過渡層、材料的內部缺陷、熱處理微缺陷等都會從振動中吸收能量得到發(fā)育和成長等。     為了減少因振動造成的設備損壞和事故發(fā)生，應從以下幾點設計生長適合入巖旋挖鉆機：從動載和疲勞的角度來計算結構可靠性。嚴格選擇材料，選用適合的加工工藝并嚴格執(zhí)行。減少容易在振動中失效結構（如：螺接）的應用。     六、對用入巖旋挖鉆機施工提出的幾點建議：     1、刀具的有效使用壽命是影響鉆進效率和經(jīng)濟性的最重要因素，必須選用合格的截齒（或斗齒）。2、要選擇與工程配套性良好的一種鉆桿和幾種鉆頭。3、鉆進巖性不同的地質要采取不同的操作手法。4、控制每次鉆進的深度、掌握清渣方法和時機、刀具的冷卻等。5、巖層的鉆進效率是土層的1/201/5，設備與工具損耗也比土層大得多，要選擇工程造價合理的工程。