王三牛,李 洪,宋 剛,邵玉濤

(中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000）

多功能旋挖鉆機長螺旋鉆具的研制

王三牛,李 洪,宋 剛,邵玉濤

(中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000）

通過對長螺旋鉆進過程中阻力矩的計算,得出了不同直徑和孔深情況下的阻力矩值,依此對長螺旋鉆具的強度進行比對,給出了不同口徑的長螺旋鉆具參數(shù)。還介紹了長螺旋鉆頭的不同結構形式及配套器具,簡述了多功能鉆機長螺旋鉆進施工工藝。

多功能旋挖鉆機;長螺旋鉆具;鉆進阻力矩;強度;配套器具

旋挖鉆進技術作為當今一種高效優(yōu)質的鉆進方法,其應用領域越來越寬,為了適應不同的工況及工法,一機多能的多功能旋挖鉆機應用而生,繼國外有了高扭矩、大噸位的多功能旋挖鉆機之后,我國多家旋挖鉆機生產(chǎn)廠家相繼研制成功了多功能多用途的旋挖鉆機,既保證了常規(guī)的旋挖鉆進,同時可進行長螺旋鉆進、全套管鉆進等多種技術的施工。我們研制的系列大扭矩長螺旋鉆具成功的與多功能旋挖鉆機配套使用,在俄羅斯、阿聯(lián)酋、沙特、印度、越南等多個國家取得了很大的成功。正是由于多功能旋挖鉆進技術的應用,才使得旋挖鉆進技術變得幾乎無所不能。俗話說,工欲善其事,必先利其器。多功能旋挖鉆機要想真正發(fā)揮其多功能的作用,其配套的鉆具及鉆頭將是其成敗的關健。

1 長螺旋鉆具設計

1.1 長螺旋鉆具鉆進時的阻力矩計算

設計長螺旋鉆具時,首先明確的是螺旋直徑和鉆孔的深度(螺旋長度）,根據(jù)這2個條件和地層情況,我們可以確定鉆進過程中阻力矩大小,根據(jù)阻力大小來設計長螺旋鉆具結構尺寸以滿足鉆具作業(yè)時的強度要求。

長螺旋鉆進時的扭矩由2部分組成,一是鉆頭切削巖土所產(chǎn)生的阻力矩,二是螺旋排土所需的扭矩,兩者之和即為鉆具鉆進過程中的阻力矩。

1.1.1 鉆頭切削巖土所產(chǎn)生的阻力矩M1

M1與鉆進速度V、鉆頭直徑D、巖石強度σ及轉速n有關:

1.1.3 長螺旋鉆具鉆進時的阻力矩M

它反映了鉆具及設備在鉆進不同地層不同孔徑及深度時所承受的阻力大小。

1.2 根據(jù)阻力矩確定合理的鉆具幾何尺寸

長螺旋施工一般適用松散的覆蓋層、砂土層、砂粘土層、硬粘土層等,以硬粘土層為例,強度極限σ為10 MPa,在轉數(shù)為20 r/min、鉆進速度在0.4 m/ min,容重ρ=17000 N/m3,通過上述扭矩計算公式計算出各種不同直徑和孔深情況下地層的阻力矩(表1）?？梢岳帽碇械臄?shù)值對長螺旋鉆具結構參數(shù)進行強度比對,以便確定合理的幾何尺寸。

表1 不同直徑和孔深情況下地層的阻力矩

1.3 長螺旋鉆具的結構設計

1.3.1 長螺旋鉆頭設計

鉆頭設計一般為雙頭單螺結構,以保證螺旋鉆具鉆進時受力平衡。由于承受地層切削阻力,所以鉆頭起始螺片的厚度是螺桿上螺旋片厚度的2倍左右。鉆頭上設計有超前導向前尖,它可以根據(jù)地層設計成不同結構形式,有桃形、一字形、螺旋形和四分頭截齒形,其目的就是利于吃入地層中,并起到定心導正作用。一字形、桃形和螺旋前尖適合于軟土層,截齒形前尖由于刀頭上鑲焊有硬質合金適合于較硬地層。為了保證注漿工序要求,鉆頭下部設有出渣口,出渣口可以在底部也可以在側部,其結構均為單向開啟,此種結構可防止鉆屑進入輸漿通道內(nèi)。鉆頭上安裝的切削齒可根據(jù)地層不同設計成斗齒、截齒及特制的專用齒等,并可以在齒磨損后方便更換。其結構見圖1、2。

1.3.2 長螺旋鉆桿的結構設計

螺旋鉆桿設計主要參數(shù)有螺旋直徑、螺距、螺片厚、螺旋升角、中心管直徑及厚度、連接接頭和通孔直徑。接頭與鉆桿內(nèi)徑的尺寸通常有2種形式:一種是鉆桿內(nèi)徑大于接頭內(nèi)徑,此種結構鉆桿強度大,更適合于大噸位的多功能鉆具,但是由于整個鉆桿柱的液流通道不是一個內(nèi)平通道,不利于清理鉆桿內(nèi)壁的沉淀泥漿皮,所以靠增設內(nèi)管以期達到與接頭內(nèi)徑相同,從而保證注漿順暢及清理方便;另一種是鉆桿內(nèi)徑與接頭內(nèi)徑相同,對于直徑<800 mm的小直徑的長螺旋鉆桿,一般直接將鉆桿內(nèi)徑與接頭內(nèi)徑設計為相同尺寸,此種結構的鉆具的優(yōu)點是整個鉆桿柱內(nèi)徑為內(nèi)平式,便于清理鉆桿內(nèi)壁的沉淀泥漿皮,因此被國內(nèi)外廣泛使用。

圖1 用于土層鉆進的長螺旋鉆頭

圖2 用于巖石鉆進的截齒長螺旋鉆頭

連接接頭分六方形和花鍵型結構,花鍵型接頭導正性好,傳遞扭矩大,但加工復雜,一般很少采用。六方接頭便于加工,對于一般鉆具而言也完全可以滿足使用要求,所以使用更廣泛。接頭材質一般為45鋼調(diào)質處理,中心管采用27S iMo合金鋼管,螺旋片16Mn。螺距及螺旋片的升角設計主要考慮減少排土阻力,一般螺旋升角在10°左右,螺距根據(jù)螺旋直徑大小而設計,一般在300～600 mm之間,為了保證注漿時不漏漿,在連接接頭處應設置密封圈。具體螺旋結構見圖3,鉆具規(guī)格參數(shù)見表2。

圖3 長螺旋鉆具結構圖

2 長螺旋鉆進配套器具的設計

2.1 長螺旋刮土器的設計

長螺旋在提離孔口時甩土困難,所以要求有專用刮土器來清理鉆具,目前常用的有下面2種結構形式。

表2 長螺旋鉆具規(guī)格參數(shù)

2.1.1 簡易型刮土器

此結構型刮土器可以安裝在鉆機下部的導正護桶上,當鉆具上下移動時螺片帶動刮土器上的鋼絲刷轉動,由于鋼絲刷具有一定的剛性,所以能有效的把螺旋片上的土給刮下來,見圖4。

圖4 簡易型刮土器

2.1.2 液壓型刮土器

該結構裝置安裝在鉆機桅桿上,刮土器由懸臂、油缸及可回轉鋼絲刷組件組成,利用鉆機液壓系統(tǒng)動力,油缸推動刮土器靠近螺旋鉆具實施刮土操作,當不用時收回油缸,使刮土器離開螺旋鉆具。整個過程鉆機操作手一人即可完成。其機構如圖5所示,這種結構是可操作性強,成本相對高,該部件一般隨主機配套。

2.2 主動鉆桿及旋轉彎頭

多功能鉆機的動力由動力頭通過主動鉆桿傳遞到螺旋鉆頭,該主動鉆桿為機鎖式,長度為3～6 m,既可傳扭又可加減壓,同時其長度可補償鉆機桅桿高度不足,見圖6。主動鉆桿中心設計有輸漿管以便注漿使用。主動鉆桿上端接回轉彎頭,回轉彎頭另一端接輸漿膠管,當動力頭帶動主動鉆桿旋轉時,回轉彎頭把輸漿膠管與主動鉆桿回轉動力分離,為了防止膠管隨鉆桿旋轉,在動力頭外殼上固定一導桿,導桿的長度跟主動鉆桿的長度相當,在與膠管連接的鋼管彎管處焊接一個空套,導桿通過該空套起到承受反扭矩的作用,同時,在動力頭進行主動鉆桿倒桿時也起一定的導正作用。主動鉆桿下端焊接一過渡接頭與長螺旋接頭連接,通過此連接把動力傳遞到長螺旋鉆具上進行鉆進作業(yè)。

圖5 液壓型刮土器

圖6 回轉彎頭總成

2.3 長螺旋鉆具導正器

長螺旋鉆具在施工時,是先將鉆桿柱連接好然后連接于鉆機的桅桿上,開始工作時鉆機的動力頭處于桅桿的上死點,在動力頭旋轉作用下帶動鉆具下行,為了壁免鉆具擺動偏斜,在孔口須增設鉆具導正裝置。螺旋導正裝置可設計成兩瓣形半圓體,一端用鉸鏈固定在鉆機桅桿上,中間穿過長螺旋鉆具,加鉆桿時可方便開合。

3 多功能鉆機長螺旋鉆進施工技術

多功能鉆機長螺旋鉆進具有傳統(tǒng)長螺旋鉆機的所有特征及功能,不僅可以實現(xiàn)干法成孔新工藝進行灌注樁施工,也可以進行CFG樁及超流態(tài)混凝土樁的施工。

3.1 灌注樁施工

施工流程:對準孔位→啟動鉆機→旋轉鉆進至設計樁深位置→提鉆→下鋼筋籠→灌混凝土成樁。

用多功能長螺旋鉆機進行傳統(tǒng)的灌注樁施工,由于要提鉆后下鋼筋籠灌漿,所以它適合于不易坍塌和縮徑的完整地層,如粘性土、粉土等中等密實以上的樁土,并可以進行大直徑樁作業(yè),獲得很高的單樁承載力。由于振動小、噪聲低,干式作業(yè)不需要泥漿護壁,所以對周圍環(huán)境污染小。

3.2 CFG及超流態(tài)混凝土樁施工

施工流程:對準孔位→啟動鉆機→旋轉鉆進至設計樁深位置→啟動混凝土泵壓注混凝土同時提升鉆具→下鋼筋籠(用震動器下）成樁。

該工藝適用于填土層、淤泥層、粘性土層、粉土層、砂土層及卵礫層等,采用特殊截齒鉆頭也可進入強、中風化巖石。多功能長螺旋鉆機在鉆進至設計深度后,利用提鉆的同時,通過鉆桿內(nèi)的心管或直接由鉆桿內(nèi)腔通道經(jīng)鉆頭上的出漿口向孔底灌注超流態(tài)混凝土,提出鉆桿后向孔內(nèi)打入鋼筋籠成樁,由于所施工的孔始終處于滿眼狀態(tài),所以不易產(chǎn)生孔壁坍塌及縮徑等質量問題,同樣是采用干式作業(yè),不需要泥漿護壁,因此提高樁的承載力,對環(huán)境污染也小。另一個優(yōu)點是施工作業(yè)各工序環(huán)節(jié)銜接緊密,減少了提鉆后灌注工序,施工效率高。

4 結語

多功能長螺旋鉆機由于具有輸出扭矩高的特點,因而適合更廣泛的鉆孔直徑和深度需要,可以完成一般常規(guī)長螺旋鉆孔機無法完成的施工作業(yè);由于鉆機移動性強、作業(yè)工序銜接緊密,勞動強度低,施工效率高,深受廣大施工人員的歡迎。研制的系列大扭矩長螺旋鉆具與多功能旋挖鉆機配套使用,保證了多功能鉆機長螺旋鉆進施工技術的順利實施。

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D iscussion of Continuous Auger Drill ing Technology with M ulti-function Auger Drill

WANG San-niu,L I Hong, SONG Gang,SHAO Yu-tao(The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China）

Based on the calculation of resistance moment in continuous auger drilling,resistancemoment valuesof different borehole diameter and depth were obtained.The comparison wasmade on the drilling tool intensity,and continuous auger drilling toolparametersof different borehole diameterwere presented.The paper also introduced the different continuous au-ger drilling bitwith different structures and accessory tools,briefly discussed the construction technology of continuous au-ger drillingwith multi-function drill.

multi-function auger drill;continuous auger drilling tool;drilling resistance moment;intensity;accessory tool

P634.4

:A

:1672-7428(2010）05-0045-04

2010-02-02;

2010-05-10

王三牛(1957-）,男(漢族）,山西人,中國地質科學院勘探技術研究所大口徑鉆頭與鉆具研制中心生產(chǎn)部經(jīng)理、教授級高級工程師,探礦工程專業(yè),從事旋挖鉆進設備及鉆具、各種地質鉆探、水文水井鉆探、非開挖施工用巖石回擴鉆頭及鉆具、工程施工用鉆具及鉆頭的研究和開發(fā)工作,河北省廊坊市金光道77號。