摘要：在现有的旋挖钻机施工中，硬岩钻进效率较低的问题是施工单位及业主在硬岩钻进施工中反映较强烈的问题，也是钻具设计人员及钻头生产厂家亟待解决的问题。本文针对这个问题已，结合广西金鲤水泥厂桩基础工程的实际施工情况，改进了旋挖钻具，探索性地将冲击—回转原理应用到旋挖钻进中，实现冲击—回转—局部气举反循环等多功能于一体的施工工艺。文中介绍了改进后旋挖钻具的工作原理。
关键词：旋挖钻具；旋挖钻机；冲击—回转
广西金鲤水泥有限公司水泥生产线工程厂址位于广西壮族自治区南宁市横县横州镇周塘村。据场地324个钻孔揭露取得的地质资料，经综合整理，按其岩性差异和埋藏条件，将场地内岩土层自上而下分为：素填土层（Q4ml）、第四系冲积层（Q4al）、残积层（Q4el）及双叠系基岩（P）共四个工程地质层。根据场区地质条件，拟采用多功能旋挖桩机旋挖钻进工艺成孔。施工后进度缓慢，存在钻进效率问题。场区局部持力层岩石强度较高，其抗压强度约为50～60MPa，此部分桩中、微风化岩层的钻进难度较大。采用专用的克岩钻头钻进时，每小时只能钻进0.50～1.00m。一旦遇到较浅的岩石持力层，钻进效率降低，影响施工进度。
笔者找到另一种钻进工艺——气动潜孔锤钻进工艺，是利用压缩空气驱动潜孔冲击器活塞，以较大的冲击功和高频率冲击潜孔锤钻头，同时在由钻杆传来的轴向压力和回转扭矩作用下，钻头回转，使岩石破碎，所产生的岩屑被高压气流携带上返至地表。该工艺克服了常规钻进中单一的切削破碎缺陷及泥浆携粉带来的漏失及孔壁坍塌等缺点，具有钻进效率高，钻孔质量好，钻头寿命长，孔内事故少，工程成本低的优势，是破碎岩石层的首选工艺。然而，气动潜孔锤钻进工艺的效率，受关键设备空压机的风量、风压制约较大，在大直径钻进中常出现上返气流小、大颗粒吹不上来，清孔效率比较低的现象；而旋挖钻进工艺恰恰相反，它的破碎能力比气动潜孔锤工艺较差，但它的清孔效率却较高。为此，笔者融合两种工艺的优点，提出改进旋挖钻具的一种设想——气动潜孔锤旋挖钻斗。
一、气动潜孔锤旋挖钻斗原理简介
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图1-1气动潜孔锤旋挖钻斗钻进原理示意图
气动潜孔锤旋挖钻斗由捆绑式气动潜孔锤体系和局部气举反循环体系两大体系组成。如图1-1所示，当钻机钻进到坚硬地层时，更换气动潜孔锤旋挖钻斗钻进。首先在起振前将气动潜孔锤旋挖钻斗下放至被切削岩层，然后开动捆绑式气动潜孔锤一边回转一边切削。回转速度应低于正常回转速度，这时高压空气通过孔口的气龙头和沿钻杆下入钻孔的高压胶管送至钻斗上部的进气管，再利用进气罐和配气罐两个特殊的分气装置分配到各单体气动潜孔锤中，驱动气动潜孔锤旋挖钻斗工作，振动冲击破坏地层，并由与钻杆相连的回转连接体传递扭矩，进一步施加切削力给地层。当遇到硬地层，可以适当采用钻机的加压油缸加压，以增大钻具对地层的正压力。气动潜孔锤体系冲击、回转时产生的废渣通过排渣管并最终进入气举混合管内和工作后从单体潜孔锤排放出的气体充分混合，该混合物由于气举混合管内外存在压力差而从回转连接体排渣口排至钻斗储渣筒，排出后的岩渣由于流通面积增大，岩渣的上升速度减小并将沉淀于钻斗上部的钻斗储渣筒内，从而形成局部气举反循环连续排渣。局部反循环沉渣后，将气动潜孔锤旋挖钻斗提升至地面适当位置，使斗底与地面相接触；反转钻具，使钻斗储渣筒与下部的气动潜孔锤体系脱离；再利用特殊设计的具有和旋挖钻斗一样的卸土功能的圆环形钻斗储渣筒进行卸土，即下移动力头撞击开合机构的压杆从而使钻斗储渣筒的底盘在自重和岩屑重力的作用下自动打开而进行卸土。卸土后，正转钻具并使局部气举反循环体系和气动潜孔锤体系对齐联接上，然后下钻进入下一个循环。
1、捆绑式气动潜孔锤体系
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图1-2捆绑式气动潜孔锤体系示意图
图1-2为捆绑式气动潜孔锤体系示意图，包括气举混合管、管路系统（进、排气管）、进、排气罐、配气罐、单体潜孔锤、排渣孔及起固定作用的固定盘和捆绑装置。工作原理是：通过特殊设置的气龙头将空压机管路与高压胶管相连，保证空压机送出的压缩空气能通过进气管进入特制的进气罐和配气罐两个分气装置而被分配到各单体潜孔锤中，潜孔锤在气体的作用下压缩活塞运动产生冲击作用；工作后从单体潜孔锤排放出的气体经由气举混合管特别设置的排气管路排入到特制的气举混合管中为局部气举反循环提供工作气压。另一方面，钻机带动钻杆及捆绑式气动潜孔锤体系旋转产生转动作用，这样整个捆绑式潜孔锤体系就产生了钻进效果较好的冲击—回转作用。
气体在该体系中流动的过程是：空压机排出压缩空气→高压胶管→进入进气管→进入进气罐→进入配气罐下部→进入单体潜孔锤的中心空隙驱动单体潜孔锤做功→排入单体潜孔锤内周围的孔隙→进入配气罐上部→进入排气罐→进入排气管→进入气举混合管，并混合钻渣、泥浆。
2、局部气举反循环体系
如图1-3所示，由于钻机在钻进过程中实施泥浆护壁，泥浆由钻杆与孔壁间的环状间隙运动至桩孔底部，气动潜孔锤体系冲击—回转时产生的废渣通过排渣管并最终进入气举混合管内和工作后从单体潜孔锤排放出的气体在气举混合管中充分混合，混合后形成的气水混合物在气举混合管内快速上升，由于排渣管上下出口的压力差，高压空气将从回转连接体的排渣口排出，由此将带动气举混合管内的泥浆从下向上高速流动并流出气举混合管。这样，在与气举混合管相连的排渣管的上出口处将形成负压并产生巨大的抽吸力量，将孔底的岩渣吸离孔底，并通过回转连接体排出，排出后的岩渣由于流通面积增大，岩渣的上升速度减小并将沉淀于钻头上部的钻斗储渣筒内。局部反循环沉渣后，将气动潜孔锤旋挖钻斗提升至地面适当位置，使斗底与地面相接触；反转钻具，使回转连接体下部接头的传扭块进入气举混合管上接头的键槽，使其可上下移动；提升钻具，使钻斗储渣筒与下部的气动潜孔锤体系脱离，转动钻机至适当位置，下移动力头撞击开合机构的压杆从而使钻斗储渣筒的底盘钩的下端向外移动而脱离底盘，此时底盘在自重和岩屑重力的作用下自动打开，钻斗储渣筒内的岩屑在水泥浆的润滑下，靠自身重力向下运动排出筒外。卸土后，再将钻具下放到地面适当位置而合起底盖；提升钻斗储渣筒至适合位置并正向回转，转动钻机使回转连接体下部外周侧的传扭块进入气举混合管上部接头的键槽并卡紧。再将气动潜孔锤旋挖钻斗放入孔中，进入下一个循环。
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图1-3局部气举反循环体系示意图
局部气举反循环钻进工作原理如图1-4所示。当钻头钻进至一定深度时在排渣管上出口和吸入口之间形成的压差可由下式计算[21]：
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（1-1）
公式1-1中：h0为排渣管吸入口到地面的高度(m)，h1为排渣管吸入口到上出口的高度(m)，ra为钻孔中气液流体的重度（kN/m3），rm为气举混合管内气液流体的重度（kN/m3）。
由此可见，当开始进行气举反循环前，ra等于rm，此时在排渣管上出口和吸入口之间形成的压差为rah1，随着气举混合管内的气体增加，rm将不断减小，ra肯定大于rm，将会建立一定的压差，从而形成局部气举反循环。
综合上述，该气动潜孔锤旋挖钻斗充分考虑了气动潜孔锤体系内、外单体潜孔锤沿周行程的差异，局部气举反循环系统清晰，各管路分工明确，钻斗工作时可同步完成回转—冲击—气举局部反循环排渣等多种施工工艺，具有均匀、高效钻进和顺畅排渣等优点，能提高大直径钻孔灌注桩的钻进效率。
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图1-4局部气举反循环钻进工作原理示意图
二、小结
本文结合广西金鲤水泥厂桩基础工程的实际施工情况，在初步分析气动潜孔锤钻进工艺和旋挖钻进工艺优缺点的基础上，通过改进提出了一种有望高效解决旋挖钻进硬岩时钻进效率低下问题的气动潜孔锤旋挖钻斗的设想。该钻斗能完成冲击、回转和局部气举反循环排渣等多种施工工艺，且不需专门的气举混合室。本文探讨了该钻斗中气动潜孔锤体系应满足的要求并详细介绍了钻斗的工作原理，但由于作者水平有限，本文侧重对气动潜孔锤旋挖钻斗宏观设计上的把握，未对钻斗中潜孔锤体系和局部气举反循环体系所涉及部件的细部构造和尺寸参数进行深入研究，因此在细部结构和尺寸参数及其优化上还有待进一步的完善。
参考文献
[1]刘三意，多工艺旋挖钻进技术研究：[博士论文]，北京：中国地质大学，2008
[2]张启君，张忠海，陈以田，旋挖钻机技术现状与市场前景，建筑机械化，2004年，第六期
[3]刘三意，刘家荣，大口径无循环钻进技术研究及发展，地质与勘探，2000年第二期
[4]陈继贤，旋挖钻机施工工艺和经济可行性探讨，科技情报开发与经济，2005年第六期
[5]阎逢君，谢鹏胜，无循环旋挖钻机操作规程的优化，探矿工程，2006第三期
论文作者:杨镇领
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：钻机论文; 体系论文; 局部论文; 工艺论文; 钻头论文; 钻杆论文; 岩屑论文; 《基层建设》2020年第1期论文;