周亞峰 董世方 韋應(yīng)琪 劉俠龍

(蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 項(xiàng)目背景

在樁基井成孔作業(yè)中，沖擊式鉆進(jìn)方法是鉆孔技術(shù)中最傳統(tǒng)的方法，使用沖孔式打樁機(jī)進(jìn)行成孔作業(yè)所利用的正是這種沖擊式鉆進(jìn)的方法。沖孔式打樁機(jī)因其施工工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)地層無特殊要求,目前在樁基礎(chǔ)工程施工中仍發(fā)揮著重要的作用。為能快速打撈出墜井鉆頭，設(shè)計(jì)出泥漿井鉆頭打撈設(shè)備，一方面實(shí)現(xiàn)代替潛水員下潛工作，另一方面降低鉆頭墜井帶來的損失。

2 打撈方案

在成孔作業(yè)過程中，鉆頭會(huì)因鋼索斷裂墜井，這種情況相對(duì)來說普遍打撈難度小。解決方案是當(dāng)設(shè)備到達(dá)事故現(xiàn)場后，現(xiàn)場對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡單的調(diào)試，分析現(xiàn)場的打撈環(huán)境，將井中黏稠的泥漿沖出井，待泥漿井中泥漿黏稠度降低后，開始做打撈前期工作。調(diào)試設(shè)備探測系統(tǒng)、機(jī)械手臂系統(tǒng)，以及推進(jìn)系統(tǒng)，連接牽引鋼索和電纜，查看設(shè)備總體運(yùn)行狀態(tài)。將設(shè)備放入泥漿井中，通過鋼索緩慢下降，待設(shè)備與目標(biāo)鉆頭快要接觸時(shí)，地面操作人員根據(jù)水下聲吶探測器反饋過來的信息判斷鉆頭與設(shè)備的位置關(guān)系，啟動(dòng)水下推進(jìn)器對(duì)設(shè)備位置進(jìn)行微調(diào)，使得其契合在目標(biāo)鉆頭上，設(shè)備下降，使得核心電磁推桿裝置嵌套在鉆頭上部圓柱端。接下來機(jī)械手臂開始運(yùn)作，通過液壓桿讓三個(gè)機(jī)械手臂與鉆頭側(cè)面接觸靠緊，目的是穩(wěn)定設(shè)備，擺正設(shè)備姿態(tài)，防止設(shè)備在泥漿攪拌的復(fù)雜情況下與鉆頭脫落。待設(shè)備穩(wěn)定后，核心電磁推桿機(jī)構(gòu)嵌套在鉆頭上部的圓柱上，通過大角度的旋轉(zhuǎn)，找出鉆頭主孔，電磁驅(qū)動(dòng)連接桿穿過鉆頭主孔，實(shí)現(xiàn)鉆頭與設(shè)備的連接。之后操作人員根據(jù)具體的情況將設(shè)備與鉆頭通過地面卷揚(yáng)機(jī)設(shè)備緩慢吊出水面，從而完成打撈工作。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備外形設(shè)計(jì)

設(shè)備外形采用圓錐形結(jié)構(gòu)，主要考慮到與鉆頭容易契合，方便打撈設(shè)備工作。工作時(shí)圓錐形工作面與墜井鉆頭契合在一起，形成設(shè)備包裹鉆頭，完成第一步設(shè)備與鉆頭接觸工作。設(shè)備核心牽引捆綁裝置位于設(shè)備的中間偏上位置，采用雙層圓柱形結(jié)構(gòu)，配合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及傳感器探測模塊，對(duì)目標(biāo)鉆頭進(jìn)行連接。

3.2 核心電磁連接裝置設(shè)計(jì)

在主要穿過鉆頭主孔的桿件一端纏繞多匝線圈，配合圓盤基座上的電磁激勵(lì)裝置，通過兩只通反向電流的方式 ，實(shí)現(xiàn)磁極異同對(duì)調(diào)，在磁力同相吸引，異相排斥的電磁力作用下完成穿過鉆頭主孔的運(yùn)動(dòng)。

3.3 水下姿態(tài)微調(diào)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備在水下能較好快速連接設(shè)備，在設(shè)備上安裝水下推進(jìn)系統(tǒng)作為姿態(tài)微調(diào)系統(tǒng)，通過推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，使得設(shè)備在較大直徑的井下能夠多角度水平自由移動(dòng)，完成設(shè)備與鉆頭的初步契合，當(dāng)設(shè)備在推進(jìn)器的推動(dòng)下運(yùn)行到鉆頭正上方時(shí)，再次下放設(shè)備，進(jìn)行連接工作。

3.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

整套設(shè)備stm32f103微處理器作為核心控制單元，配合多種傳感器，電機(jī)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)整套設(shè)備的運(yùn)行。

3.5 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂的主要功能是設(shè)備在下潛與鉆頭契合時(shí)扶正設(shè)備或者鉆頭。

4 項(xiàng)目創(chuàng)新

4.1 有效避免人工打撈帶來的風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)器設(shè)備不同于工人，不用承擔(dān)人身危險(xiǎn)，設(shè)備能有效打撈事故鉆頭，有效規(guī)避了因人工打撈而帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 最大限度地降低因事故鉆頭帶來的工程損失

樁基井事故鉆頭打撈設(shè)備其自身具備的優(yōu)勢能快速應(yīng)對(duì)樁基井所發(fā)生的各種情況，能在短時(shí)間內(nèi)解決事故問題，從時(shí)間成本上就為工程減少了很大一部分損失。

5 結(jié)語

目前，沖孔式打樁機(jī)還廣泛應(yīng)用于灌注樁的施工中，發(fā)生鉆頭墜井事故也是時(shí)常發(fā)生。本設(shè)計(jì)方案提供了一種應(yīng)對(duì)鉆頭墜井后及時(shí)打撈的方案，通過機(jī)器操作的方式將深井中的鉆頭打撈出水，從而避免人工打撈風(fēng)險(xiǎn)，降低打撈成本。