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        旋挖鉆機(jī)在特殊工況中的減壓鉆進(jìn)研究

        2021-06-16 12:55:16張繼光賈學(xué)強(qiáng)
        鉆探工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:施工

        張繼光,賈學(xué)強(qiáng),蘇 陳,賈 煒

        (1.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司,江蘇 徐州221001;2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北 廊坊065000)

        0 引言

        隨著近年來國內(nèi)旋挖鉆進(jìn)行業(yè)的快速發(fā)展,越來越多的旋挖鉆進(jìn)入巖要求被提出,而為適應(yīng)這一市場趨勢,旋挖鉆機(jī)廠家推出了入巖性能強(qiáng)勁的中大型旋挖鉆機(jī)。伴隨著旋挖鉆機(jī)型號越來越大,作為旋挖壓力、扭矩等參數(shù)的直接傳遞者——鉆桿這一工作裝置在逐步地加粗、加重[1]。這種情況下,雖然旋挖鉆機(jī)對硬巖地層的適應(yīng)能力在逐步加強(qiáng),但是在處理強(qiáng)度不太高的脆性巖層或者軟硬交替易斜孔地層時,過大的鉆桿自重則成為鉆進(jìn)時的一種負(fù)擔(dān),甚至?xí)υO(shè)備自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響[1]。本文從旋挖鉆機(jī)破碎巖石的機(jī)理出發(fā),列舉部分工況下加壓過大導(dǎo)致的入巖問題[2],探討在一些特殊工況下采取減壓鉆進(jìn)模式的工法。

        1 旋挖鉆機(jī)在入巖鉆進(jìn)中的工作模式

        1.1 碎巖機(jī)理

        旋挖鉆機(jī)入巖鉆進(jìn)可劃歸為硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。鉆進(jìn)時,鉆頭切削具在軸向壓力(鉆具自重以及動力頭壓力)的作用下壓入巖石,在回轉(zhuǎn)水平力(扭矩)的作用下沿孔底破碎巖石。結(jié)合壓頭壓入巖石的基本現(xiàn)象和旋挖截齒的特點(diǎn),這里可以推論出以下觀點(diǎn)(主要討論脆性巖石):

        (1)截齒在軸向壓力足夠大時,在接觸巖石的瞬間過程中,可發(fā)生多次躍進(jìn)侵入,但是這種躍進(jìn)侵入以破碎坑中鉆渣被充分清除(保證足夠小的接觸面積)為前提;

        (2)截齒在扭矩作用下,切割破碎坑前部巖石,并排除其中的鉆渣,保證下次躍進(jìn)侵入;

        (3)截齒在旋轉(zhuǎn)過程中,不斷向下侵入,因此在軸向力和水平力的共同作用下,導(dǎo)致孔底巖石以螺旋層形式連續(xù)被破碎[3]。

        1.2 碎巖過程

        旋挖鉆機(jī)在鉆孔作業(yè)時,動力頭驅(qū)動液壓馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)和齒輪箱兩級減速帶動鉆桿旋轉(zhuǎn),同時加壓油缸加壓使動力頭產(chǎn)生垂直向下的壓力,通過鉆桿傳遞給鉆頭,該加壓力和鉆具自重一起對鉆頭切削形成軸向壓力,切削齒在壓力作用下壓入巖石,在回轉(zhuǎn)水平力(扭矩)的作用下沿孔底破碎巖石。因此,在旋挖鉆頭每旋轉(zhuǎn)一周的過程中,其孔底破巖的曲線都可以視為是螺旋線,即侵深不斷增大,水平切削阻力不斷增大[4]。

        2 旋挖鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)入巖問題

        在大多數(shù)工況下,旋挖鉆機(jī)都會采用加壓鉆進(jìn)入巖的工藝,但在某些工況(如脆性巖石鉆進(jìn)、易傾斜地層鉆進(jìn)等)下,加壓鉆進(jìn)會出現(xiàn)一些問題,比如動力頭轉(zhuǎn)速波動造成動力頭事故、鉆機(jī)整機(jī)的上下高頻振動[5]、鉆孔極易傾斜、鉆桿彎曲折斷等等,這些問題都對入巖鉆進(jìn)中設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及成孔質(zhì)量造成了極大的影響。

        2.1 動力頭轉(zhuǎn)速波動造成動力頭事故

        從旋挖截齒碎巖過程可以看出,巖石破碎并不是連續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行的,而是呈現(xiàn)跳躍式的有規(guī)律變化:在每一次剪切發(fā)生之后,施加在截齒上的水平力Px就會減小,接觸到巖石之后,Px力會再次增大。因此,在整個鉆進(jìn)過程中,水平力的變化可用圖1表示。而Px水平力的產(chǎn)生,是動力頭扭矩提供的,水平力的波動也就導(dǎo)致了動力頭轉(zhuǎn)速的波動,圖1也可以看作動力頭轉(zhuǎn)速的變化曲線[5-6]。

        針對這一現(xiàn)象,很多鉆機(jī)廠家推出了低速大扭矩的入巖鉆進(jìn)模式,雖然該模式能使巖石水平切削狀態(tài)盡可能的平穩(wěn),但是不能完全消除轉(zhuǎn)速的波動,動力頭轉(zhuǎn)速長時間的波動會引發(fā)各處密封件的失效,降低馬達(dá)和減速機(jī)的壽命。

        圖1 切削力波動曲線Fig.1 Fluctuation cur ve of the cutting for ce

        2.2 旋挖鉆機(jī)整機(jī)上下高頻振動

        在旋挖鉆進(jìn)過程中,躍進(jìn)式侵入是隨著回轉(zhuǎn)過程不斷發(fā)生的。躍進(jìn)的過程中,動力頭帶著鉆桿一起向下移動,侵入結(jié)束后,阻力增大。根據(jù)動量守恒定律,動力頭和鉆桿移動受阻產(chǎn)生的動量損失,最終通過動力頭反饋到整機(jī)之上,導(dǎo)致整機(jī)產(chǎn)生振動。這種振動的頻率和幅度則完全由轉(zhuǎn)速和壓力決定:即轉(zhuǎn)速越高,躍進(jìn)侵入的頻率越大,振動頻率越大;壓力越大,單次侵深越大,振動的幅度也就越大[7]。

        這種入巖產(chǎn)生的振動對設(shè)備各零部件的損傷極大,長時間的入巖鉆進(jìn),不可避免地會在一定程度上影響設(shè)備的使用壽命。

        2.3 旋挖鉆孔傾斜

        鉆孔傾斜(這里主要分析地層因素)是旋挖鉆進(jìn)過程中經(jīng)常遇到的一類問題。這類問題通常發(fā)生在軟硬交替地層(如圖2)、含有大漂石、孤石地層或者松軟地層,在這些地層中,由于鉆頭在孔底受力不均勻,導(dǎo)致鉆頭在加壓力的作用下向較軟的一側(cè)偏斜,最終導(dǎo)致鉆孔傾斜[8-11]。

        圖2 鉆進(jìn)軟硬互層破碎阻力分布Fig.2 Breaking resistance distribution in drilling har d and soft alternate formation

        另外,隨著樁基工程的孔深不斷加深,樁徑不斷增大,在鉆孔內(nèi)部,鉆桿和鉆頭的細(xì)長比較大,這樣隨著鉆進(jìn)深度的增加,即使動力頭不加壓,由于鉆桿和鉆具較細(xì)但自重過大,同樣會導(dǎo)致鉆孔傾斜[12-13]。

        2.4 加壓鉆進(jìn)易引發(fā)鉆桿事故

        在深孔鉆進(jìn)且地層較硬時,由于鉆桿多節(jié)伸出,壓力較大時,如孔稍有傾斜,或桅桿稍有后仰,鉆桿極易產(chǎn)生彎曲,此時,再大力孔口加壓,不僅不會提高進(jìn)尺效率,反而會增大孔斜,造成鉆桿第三、四節(jié)中段折彎,鍵條、管體開裂,鉆桿與鉆頭連接方頭嚴(yán)重受彎變形斷裂等事故,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[14]。

        綜上所述,旋挖鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)會帶來一定的負(fù)面效果,有些會對施工造成不可挽回的損失,因此本文提出,在某些特殊地層中(強(qiáng)度不高的巖石地層、軟硬交界地層),為提高設(shè)備的穩(wěn)定性,避免鉆孔施工傾斜,減少鉆桿的固障率,采用減壓鉆進(jìn)模式。

        3 減壓鉆進(jìn)模式的研究

        3.1 減壓鉆進(jìn)的概念

        減壓鉆進(jìn),即通過一定的技術(shù)手段來控制孔底碎巖工具的鉆進(jìn)壓力(切削鉆具所受軸向壓力),使其不超過鉆具的自重壓力。

        3.2 減壓鉆進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方式

        由于旋挖鉆進(jìn)過程中,旋挖鉆機(jī)動力頭必須隨鉆桿一起向下運(yùn)動(避免不同步造成摔桿、砸桿),這就使得孔底壓力大于鉆具自重壓力。因此,要想實(shí)現(xiàn)減壓鉆進(jìn),需要在主卷揚(yáng)上進(jìn)行改進(jìn),使主卷揚(yáng)鋼絲繩對鉆桿施加提升力,從而降低孔底壓力,且要保證動力頭與主卷揚(yáng)下放速度同步。

        3.3 減壓鉆進(jìn)的適用范圍

        采用減壓鉆進(jìn)工藝的一個充分條件是,孔底切削鉆具受到的軸向壓力過大(相對于地層強(qiáng)度而言)。因此,通過上述分析,將這種工藝的適用范圍總結(jié)如下:

        (1)施工地層方面:采用減壓鉆進(jìn)可大幅度減少鉆孔傾斜問題的發(fā)生,建議施工泥質(zhì)類巖石、軟硬交替地層、含漂石孤石地層、卵礫石地層、松軟砂層等考慮采用減壓鉆進(jìn)。

        (2)鉆機(jī)扭矩方面:鉆機(jī)型號加大會引發(fā)鉆桿鉆具自重隨之增加,建議中大噸位鉆機(jī)(360 kN·m以上)可考慮采用減壓鉆進(jìn)。

        (3)鉆孔直徑方面:小孔徑施工,鉆齒數(shù)量少,單個鉆齒的承載力大,會造成鉆機(jī)高頻振動;孔徑過大會引發(fā)鉆孔傾斜。因此建議鉆孔直徑小于1.2 m或大于3.0 m,可采用減壓鉆進(jìn),甚至犧牲一定的鉆進(jìn)效率來換取安全穩(wěn)定的施工。

        (4)鉆孔深度方面:深孔施工極易發(fā)生鉆孔傾斜問題,建議70 m以深鉆孔采用減壓鉆進(jìn),并增加孔內(nèi)扶正裝置,提高鉆孔垂直度。

        4 減壓鉆進(jìn)的工程應(yīng)用

        4.1 在小直徑鉆孔中的應(yīng)用

        在杭黃鐵路客運(yùn)專線HHZQ-7標(biāo)潭頭溪特大橋樁基施工過程中,使用徐工XR360型旋挖鉆機(jī)施工?1.8 m、深26 m左右的樁孔,地層依次為回填層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖以及微風(fēng)化泥巖,微風(fēng)化泥巖強(qiáng)度不高容易壓碎?,F(xiàn)場分別采用了1.8 m直接成孔和1.0 m一開再擴(kuò)孔2種方案進(jìn)行比對:

        (1)1.8 m截齒撈砂鉆頭直接成孔:使用動力頭加壓,采用動靜耦合的操作方式,轉(zhuǎn)速較高,但進(jìn)尺速度較慢,不足1 m/h,整機(jī)狀態(tài)為高頻小幅振動。

        (2)1.0 m截齒撈砂鉆頭一開鉆進(jìn),不進(jìn)行動力頭加壓,整機(jī)已呈現(xiàn)出低頻大幅度的振動,動力頭轉(zhuǎn)速很慢,雖然進(jìn)尺速度較快,但是出于安全的考慮不得不停止鉆進(jìn)。

        經(jīng)分析:該鉆機(jī)配置的鉆桿重力為145 k N,1.0 m鉆頭的重力為12 k N,截齒個數(shù)為11個;1.8 m鉆頭的重力為29 kN,截齒數(shù)量為22個。通過計算可得出,在自重條件下,1.0 m撈砂鉆頭其單個截齒所受軸向壓力為14 k N,1.8 m撈砂鉆頭其單個截齒所受軸向壓力為8 k N。這就表明,在1.0 m鉆頭鉆進(jìn)時,由于鉆具自重給切削齒施加的軸向壓力過大,導(dǎo)致鉆頭接觸躍進(jìn)式侵入過大,鉆進(jìn)無法進(jìn)行。

        改進(jìn)方案為:通過編程改變主卷揚(yáng)電控溢流閥限制條件,使主卷揚(yáng)給予60 kN提升力,1.0 m鉆頭上單個截齒所受軸向壓力降為7.7 kN。施工發(fā)現(xiàn),鉆機(jī)振動幅度明顯減小,主機(jī)穩(wěn)定性得到大幅提升,同時進(jìn)尺速度>3 m/h,實(shí)現(xiàn)了高效安全施工。

        4.2 在大直徑鉆孔中的應(yīng)用

        蕪湖長江二橋樁基施工中,采用XR460D型旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)?3.4 m/3.0 m變徑、80 m左右樁深的樁孔,地層從上至下為:粉砂、中砂、細(xì)砂、中砂、卵石土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,地層硬度整體偏低。施工工藝采用分級鉆進(jìn),護(hù)筒內(nèi)先施工?3.4 m鉆孔,超過護(hù)筒后,使用?3.0 m鉆頭鉆進(jìn),遇見硬層時分級鉆進(jìn),再擴(kuò)孔至?3.0 m。

        在試樁完成后,通過超聲波檢測,發(fā)現(xiàn)從護(hù)筒下部砂層開始,鉆孔有明顯的孔斜跡象,鉆孔垂直度超出了設(shè)計要求的0.5%。

        經(jīng)分析,X460D型鉆機(jī)的鉆具重力大(鉆桿和鉆頭總重力可達(dá)300 kN),在自放狀態(tài)下,鉆具重力全部施加于孔底,在鉆進(jìn)松軟砂層時會導(dǎo)致鉆進(jìn)速度過快,且鉆孔直徑較大,孔深較深,鉆具自立性差,故造成鉆孔傾斜。

        經(jīng)及時改進(jìn),在后續(xù)鉆孔施工遇松軟砂層時,通過使主卷揚(yáng)鋼絲繩承載一定的鉆具重力,降低孔底壓力,避免進(jìn)尺過快而造成鉆孔傾斜,鉆孔垂直度滿足了設(shè)計要求。

        5 結(jié)語

        通過對旋挖鉆機(jī)碎巖機(jī)理的分析,列舉加壓鉆進(jìn)在施工過程中易出現(xiàn)的問題,提出減壓鉆進(jìn)模式的概念和實(shí)現(xiàn)方式,并針對性地通過施工實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證,表明:在旋挖鉆機(jī)進(jìn)行部分特殊工況施工時,采用減壓鉆進(jìn),對減少設(shè)備的入巖振動、提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及保證成孔質(zhì)量(預(yù)防傾斜)都具有重要意義。

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