郭新新，王振宇，汪波，程星源，喬小兵,2

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 甘肅長(zhǎng)達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

隨著隧道建設(shè)重心逐漸向西部復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)強(qiáng)支硬頂?shù)闹ёo(hù)模式在處治高應(yīng)力軟巖大變形中出現(xiàn)了諸多弊端，拆換拱現(xiàn)象頻發(fā)[1-2]。在此背景下，以“預(yù)應(yīng)力錨桿(索)系統(tǒng)”作為核心載體的主動(dòng)支護(hù)理論與技術(shù)，在部分典型軟巖大變形隧道中取得了顯著的支護(hù)效果，并由此逐漸被軟巖隧道工程界接受，成為了研究熱點(diǎn)之一[3-4]。但是，受高地應(yīng)力、巖性軟及破碎、圍巖變形大等諸多不利因素影響，高應(yīng)力軟巖隧道錨孔在施工過(guò)程中極易出現(xiàn)卡鉆、掉鉆，鉆孔效率低，保徑能力弱和錨孔直線(xiàn)度、圓順性差等多種問(wèn)題，成為制約預(yù)應(yīng)力錨桿(索)推廣應(yīng)用的難題之一[5-6]。隧道錨孔施工，關(guān)鍵在于錨桿(索)鉆孔設(shè)備，主要涉及鉆機(jī)和鉆具。其中，鉆機(jī)方面已開(kāi)發(fā)出了諸如臺(tái)車(chē)式智能液壓鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過(guò)程中推進(jìn)力與轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)，郭新新等[7]對(duì)軟巖隧道鉆機(jī)的合理選型進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。由此，研究選用合理的鉆具型式成為了高應(yīng)力軟巖隧道錨孔，尤其是深錨孔穩(wěn)定有效成孔的關(guān)鍵。針對(duì)錨桿(索)鉆具的研究，主要源自于煤礦巷道，莫銘忠等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式，研究了倒角方式和角度對(duì)PDC 鉆進(jìn)效率和抗沖擊韌性的影響，指出合理的倒角參數(shù)，可有效規(guī)避復(fù)合片的崩裂，并提高鉆進(jìn)效率。李彥等[9-10]均基于數(shù)值仿真手段，開(kāi)展了PDC 鉆具主要幾何參數(shù)的優(yōu)化研究，通過(guò)考慮強(qiáng)度、應(yīng)力、排屑效果和抗沖擊性能等因素，實(shí)現(xiàn)了不同條件下PDC 鉆具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。ROSTAMSOWLAT 等[11]基于原巖切削試驗(yàn)，研究了不同PDC 后傾角對(duì)巖石切削破碎比功及表觀界面摩擦角的影響。李田軍等[12]基于單齒受力模型和接觸力學(xué)理論，推導(dǎo)了PDC 鉆具碎巖功耗的理論計(jì)算公式，為PDC 鉆具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。綜上，煤礦領(lǐng)域?qū)DC 鉆具的破巖機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和選型等方面，已進(jìn)行了較為深入的研究，然而上述研究多以巷道工程中應(yīng)用的28～32 mm 的小孔徑(深)成孔技術(shù)[13]為對(duì)象，與交通隧道的錨孔(考慮耐久性，孔徑一般＞42 mm)存在明顯的尺度差異。此外，隧道工程錨孔施工多數(shù)仍是采用鉆機(jī)(YT28 為主)配一字型鉆具進(jìn)行深挖硬鑿，也缺乏對(duì)適用于高應(yīng)力軟巖隧道的深錨孔成孔鉆具研究。為此，本文以渭武高速木寨嶺公路隧道為工程背景，在借鑒煤礦巷道小孔徑(28～32 mm)(深)成孔技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)鉆具鉆進(jìn)機(jī)理的分析，選擇適宜的錨桿鉆機(jī)和多種不同型號(hào)、不同參數(shù)的鉆具，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)鉆孔和錨桿(索)安裝試驗(yàn)，最終通過(guò)測(cè)試和分析不同鉆具失效模式、使用壽命、鉆孔工效和錨桿(索)安裝便捷性等，提出高應(yīng)力軟巖隧道錨桿(索)適宜的成孔鉆具。

1 工程概況

在建渭武高速木寨嶺公路隧道穿越秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶，地層以軟質(zhì)炭質(zhì)板巖為主，圍巖松散破碎，強(qiáng)度小于30 MPa，且具有擠壓性、流變性、膨脹性、遇水崩解性和工程擾動(dòng)敏感性強(qiáng)等明顯的軟巖特點(diǎn)。 木寨嶺公路隧道總長(zhǎng)15.226 km，主洞斷面面積大于120 m2，埋深最大達(dá)629.1 m，埋深超500 m 的隧段超過(guò)60%。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，自重應(yīng)力為15.7 MPa，最大水平主應(yīng)力達(dá)18.76 MPa，屬于典型的高地應(yīng)力軟巖大斷面超長(zhǎng)隧道工程，圖1為隧道縱斷面地質(zhì)圖。

圖1 木寨嶺公路隧道地質(zhì)縱斷面圖(右線(xiàn))Fig.1 Geological longitudinal section map of Muzhailing highway tunnel(right line)

2 鉆孔特性分析

2.1 巖石特性

原設(shè)計(jì)支護(hù)體系下，隧道發(fā)生大變形區(qū)域，圍巖主要以薄層狀炭質(zhì)板巖為主，故鉆孔機(jī)具選型將以炭質(zhì)板巖為基礎(chǔ)進(jìn)行。木寨嶺公路隧道炭質(zhì)板巖如圖2(a)所示，具有泥質(zhì)變余結(jié)構(gòu)，巖性致密，結(jié)構(gòu)細(xì)，單軸飽和抗壓強(qiáng)度15.0～30.0 MPa，彈性模量1.2～2.5 GPa，力學(xué)特性上表現(xiàn)為微膨脹性，遇水易軟化(軟化系數(shù)0.4～0.6)，隧道開(kāi)挖臨空后，圍巖易發(fā)生塑性變形而擠入?？傮w巖性上，炭質(zhì)板巖表現(xiàn)為強(qiáng)度低、塑性高、組成顆粒細(xì)膩、微膨脹性和遇水易軟化(圖2(b))等特性，伴隨高地應(yīng)力、巖體破碎及水鉆(鉆孔)工藝等不利因素影響，預(yù)計(jì)鉆進(jìn)過(guò)程中將不可避免且極易出現(xiàn)鉆進(jìn)速率慢、塌孔、孔徑縮小和鉆具泥包等現(xiàn)象。

2.2 鉆機(jī)選型分析

錨桿鉆機(jī)按結(jié)構(gòu)類(lèi)型可主要?jiǎng)澐譃閱误w式、鉆車(chē)式和機(jī)載式。其中，單體式鉆機(jī)輕便、靈活，適用范圍最廣；鉆車(chē)式鉆機(jī)機(jī)械化程度高、扭矩大、功率大、鉆進(jìn)速度快，較適用于大斷面巷道及公路、鐵路隧道；機(jī)載式鉆機(jī)一般為在掘進(jìn)機(jī)上配備錨桿鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)掘錨一體功能。

木寨嶺公路隧道施工中采用三臺(tái)階法，上臺(tái)階(支護(hù)重點(diǎn))高度僅為3 m，故已有的鉆車(chē)式鉆機(jī)和機(jī)載式鉆機(jī)，如鉆神和三臂鑿巖臺(tái)車(chē)等，均難以適用。而單體式鉆機(jī)中的沖擊型鉆機(jī)，以YT28和YG80 為例，從采用的成孔工藝角度而言，對(duì)圍巖擾動(dòng)大，軟巖環(huán)境中，當(dāng)施工長(zhǎng)錨孔時(shí)極易發(fā)生塌孔和卡鉆。同時(shí)，沖擊型鉆機(jī)主要用于施打爆破孔，鑿孔方位上受限，一般難以施打拱腰以上錨孔。因此，木寨嶺公路隧道錨孔的施工以單體式錨桿鉆機(jī)的適用性最優(yōu)。

考慮現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力來(lái)源，結(jié)合施工組織效率和作業(yè)人員對(duì)機(jī)械的熟悉程度，確定錨孔施工鉆機(jī)采用MQT-130/3.2氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)，如圖3所示。

2.3 鉆進(jìn)力學(xué)模型

單體式錨桿鉆機(jī)采用旋轉(zhuǎn)破巖方式，配以PDC 鉆具為主。對(duì)于PDC 鉆具，合理的PDC 切削齒工作角(圖4)可大大提高PDC 鉆具的碎巖效率和使用壽命[14]。其中，后傾角α的大小主要決定了PDC復(fù)合片破碎地層的能力；側(cè)轉(zhuǎn)角β主要用于形成側(cè)向力，推動(dòng)巖屑向切削齒一側(cè)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較高的排屑效率和避免泥包的目的。

圖4 PDC切削齒工作角示意圖Fig.4 Schematic diagram of PDC cutting teeth working angle

圖5 (a)為單翼PDC切削齒入巖示意圖，相應(yīng)受力情況如圖5(b)所示。設(shè)作用于單個(gè)PDC 切削齒的軸向載荷和水平載荷分別為F1和F2，F(xiàn)n為巖石對(duì)PDC 的豎向反作用力，F(xiàn)s為巖石對(duì)PDC 底部的水平摩擦力，Pn為巖石對(duì)PDC 的水平向反作用力。當(dāng)切削齒壓入深度為d時(shí)，據(jù)李田軍等[15]提出的計(jì)算模型，F(xiàn)1和F2計(jì)算如下：

圖5 PDC切削齒模型Fig.5 Model of PDC cutting teeth

式中：E，ν，c和φ分別為巖石的變形模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角；f為PDC 切削齒與巖石之間的水平向摩擦因數(shù)；n為切削破裂面應(yīng)力分布系數(shù)，與PDC幾何參數(shù)有關(guān)，若取n=1，則破裂面的應(yīng)力呈線(xiàn)性分布；A為切削方向的接觸面積，由式(3)計(jì)算。

式中：R為PDC片半徑。

分析式(1)～(2)可知，軸向力F1和切向力F2主要受3 個(gè)方面因素影響，其一為巖石物理力學(xué)參數(shù)，如變形模量E、泊松比ν和滑動(dòng)摩擦因數(shù)f等；其二為PDC 片的幾何尺寸，如后傾角α和PDC 片半徑R等；其三為位移參數(shù)，主要是壓入深度d。

假設(shè)鉆進(jìn)過(guò)程炭質(zhì)板巖力學(xué)性能不變，并據(jù)地勘資料，取變形模量E=2.0 GPa，泊松比ν=0.37，摩擦角φ=32°，黏聚力c=0.9 MPa。結(jié)合典型板巖在水潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)f取值區(qū)間0.2～0.4[16]，再設(shè)定PDC 片半徑尺寸R=6.75 mm，壓入深度d=0.5 mm，分析滑動(dòng)因數(shù)f=0.2/0.3/0.4 時(shí)，后傾角α與F1，F(xiàn)2間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 不同f下α與F1和F2關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Curve of α with F1 and F2 under different f

由圖6 可知，總體上，隨著后傾角α變大，F(xiàn)1和F2呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；后傾角α＞20°，F(xiàn)1趨于平穩(wěn)；后傾角α＞15°，F(xiàn)2趨于平穩(wěn)；后傾角α＞60°，F(xiàn)1和F2再逐漸增大。上述α的量值變化規(guī)律與實(shí)際工程中后傾角α=20°時(shí)，PDC 片易切入巖石的工程實(shí)踐相吻合。理論分析可知，若繼續(xù)增大后傾角(α＞20°)，F(xiàn)1和F2雖可減小，但減小的量值非常有限，卻會(huì)大大增加排屑的困難度，故后傾角α的設(shè)計(jì)仍應(yīng)以20°為基準(zhǔn)。

當(dāng)滑動(dòng)因數(shù)f不同時(shí)，后傾角α的增減對(duì)F1和F2的影響程度并不一致，表現(xiàn)為F1和F2增減量值的差異。繪制α=15°/20°/25°時(shí)，滑動(dòng)因數(shù)f與F1，F(xiàn)2間的關(guān)系，如圖7 所示。由圖可知，隨著滑動(dòng)因數(shù)f變大，F(xiàn)1和F2均逐漸增大，但增幅存在差異。當(dāng)滑動(dòng)因數(shù)f較小時(shí)，后傾角α的增減對(duì)F1和F2的影響要小，具體量值上：f=0.2 時(shí)，以α=20°的F1和F2為基準(zhǔn)，α=15°/25°，ΔF1=0.33 kN/-0.19 kN，ΔF2=0.07 kN/- 0.03 kN； 對(duì) 應(yīng)f=0.4 時(shí)， ΔF1=0.49 kN/-0.28 kN，ΔF2=0.19 kN/-0.11 kN。

圖7 不同α下f與F1和F2關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Curve of f with F1 and F2 under different α

對(duì)于PDC 片，其在F1作用下壓入(破碎)巖石，在F2作用下向前移動(dòng)并切削破碎巖石。選以F2變化量為指標(biāo)進(jìn)行分析，即“f小時(shí)，適當(dāng)減小后傾角α值，對(duì)F2影響很小”。因此，當(dāng)f較小時(shí)，可取α＜20°，實(shí)現(xiàn)在F2基本不變的前提下，提升鉆進(jìn)性能，但應(yīng)開(kāi)展鉆孔對(duì)比試驗(yàn)。

設(shè)置側(cè)轉(zhuǎn)角β的目的在于提高對(duì)巖屑的側(cè)向推力，使其快速脫離鉆具中心，防止巖屑積聚情況的發(fā)生，提高清洗效率，量值一般控制在0～15°。工程實(shí)踐表明，后傾角α=20°前提下，側(cè)轉(zhuǎn)角β對(duì)PDC切削齒切削巖石效率的影響不明顯[17]，較大的側(cè)轉(zhuǎn)角β反而更易引起切削齒的損壞及失效，因此建議側(cè)轉(zhuǎn)角β取5°左右。

3 多因素綜合下的鉆具優(yōu)選現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

3.1.1 鉆具

選用與MQT-130/3.2 氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)匹配的4 種PDC 鉆具(圖8)，其中PDC-4 鉆具為由導(dǎo)向鉆具(小鉆具，2 翼)和擴(kuò)孔鉆具(大鉆具，3 翼)組合而成的小、大組合式鉆具。各鉆具的具體參數(shù)如表1所示。

表1 4種PDC鉆具關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of four PDC bits

圖8 4種PDC鉆具Fig.8 Four types of PDC bits

3.1.2 錨索與錨固劑

以“及時(shí)、主動(dòng)、強(qiáng)”為支護(hù)理念，原強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)體系變更為“樹(shù)脂錨固劑+錨索”為核心的主動(dòng)型支護(hù)體系。設(shè)計(jì)錨索采用5+10 m 的長(zhǎng)、短組合端錨形式，開(kāi)挖出渣完成后，即刻在圍巖面進(jìn)行錨索施工與預(yù)應(yīng)力加載(預(yù)緊力＞300 kN)。錨索采用Φ21.8 mm 直徑1×19S 結(jié)構(gòu)，為滿(mǎn)足后期注漿段保護(hù)層厚度(＞16 mm)要求[18]和方便注漿，錨孔直徑不小于45 mm，同時(shí)，為滿(mǎn)足樹(shù)脂錨索“三徑匹配”要求[19]，錨索錨固段加工成鳥(niǎo)籠形式(圖9)，直徑34 mm，樹(shù)脂錨固劑采用CKb3540 形式，每孔采用3節(jié)錨固劑(圖10)。

圖9 鳥(niǎo)籠型錨索Fig.9 Birdcage anchor cable

圖10 CKb3540錨固劑Fig.10 CKb3540 anchoring agent

3.2 試驗(yàn)方案與過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在右線(xiàn)典型炭質(zhì)板巖段YK218+800～+832，變更后初期支護(hù)參數(shù)為L(zhǎng)-530 cm 和L-1 030 cm 鳥(niǎo)籠錨索(預(yù)緊力＞300 kN)，間隔布置，即一個(gè)循環(huán)L-530 cm，下一循環(huán)采用L-1030 cm，環(huán)向間距100 cm，每環(huán)23 根，上臺(tái)階15 根，中臺(tái)階6 根，下臺(tái)階2 根；HW175 型鋼@80 cm，噴射C25早強(qiáng)砼@28 cm，預(yù)留變形量30 cm。后續(xù)監(jiān)控量測(cè)顯示YK218+800～+830 區(qū)段拱腰處累計(jì)收斂130～420 mm，對(duì)比YK218+780～+800 區(qū)段拱腰處累計(jì)收斂290～720 mm，預(yù)應(yīng)力錨索抑制圍巖大變形效果明顯。

試驗(yàn)過(guò)程：1)采用MQT-130/3.2+PDC-1/-2/-3/-4 鉆具于上臺(tái)階45°～90°錨孔，具體工況如表2 所示。2) 鉆至預(yù)定深度，進(jìn)行驗(yàn)孔與清孔，采用PVC 管將3 節(jié)CKb3540 樹(shù)脂錨固劑逐節(jié)推入至錨孔底部，后裝入錨索抵至錨固劑，再用“MQT-130/3.2 鉆機(jī)+錨索攪拌器”邊攪拌邊推入錨索至孔底，繼續(xù)攪拌10～20 s，停止攪拌，靜置1 min，取下鉆機(jī)與攪拌器，即完成錨索安裝。3) 繼續(xù)等待15 min，采用MQ22-300/63張拉機(jī)具，對(duì)錨索進(jìn)行張拉加載。

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

3.3 試驗(yàn)分析

評(píng)價(jià)錨孔施工的優(yōu)劣性，應(yīng)從3個(gè)方面進(jìn)行考慮，其一為鉆具的使用壽命；其二為鉆進(jìn)工效；其三為成孔效果。

3.3.1 失效模式與鉆具壽命

各鉆具的失效形式如圖11 所示，其中PDC-1失效模式為鉆具體螺紋段斷裂(非常規(guī)失效)，其余3 種PDC 鉆具失效模式一致，均為切削齒失效。PDC-2和PDC-4表現(xiàn)為切削齒過(guò)度磨損，致鉆進(jìn)效率、保徑能力明顯降低。PDC-3表現(xiàn)為切削齒過(guò)度磨損(常規(guī)失效)和切削齒斷裂崩刃(非常規(guī)失效)，2種形式各占50%左右。

圖11 4種PDC鉆具失效形式Fig.11 Failure modes of four PDC bits

PDC-1和PDC-4中導(dǎo)向鉆具的接頭螺紋皆為細(xì)螺紋形式，但僅PDC-1 出現(xiàn)了螺紋處斷裂，表明鉆具直徑增大時(shí)，螺紋處的應(yīng)力明顯增加，致常規(guī)小鉆具的細(xì)螺紋連接形式已不具備適用性，應(yīng)選用對(duì)結(jié)構(gòu)材料性能損傷較小的粗螺紋形式。PDC-2與PDC-3切削齒失效形式不一致，與較大的后傾角有助于切削齒的抗沖擊和抗研磨性的結(jié)論[20]相吻合。PDC-3和PDC-4中導(dǎo)向鉆具失效形式不一致，表明大直徑鉆具中的切削齒對(duì)后傾角更為敏感，即減小后傾角更易導(dǎo)致大直徑鉆具的非常規(guī)失效。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工要求與經(jīng)驗(yàn)，定義“鉆具使用壽命”為鉆具出現(xiàn)下述其中一種情況前的鉆進(jìn)長(zhǎng)度：1) 鉆進(jìn)0～5 m 時(shí)效率小于1 m/10 min，或鉆進(jìn)5～10 m 效率小于1 m/15 min，認(rèn)為失效；2) 非常規(guī)失效，包括鉆具體螺紋段斷裂和切削齒斷裂崩刃等；3) 保徑能力明顯下降，主要表現(xiàn)為錨索安裝困難明顯加大，難以操作。綜上，獲取4種PDC鉆具的平均使用壽命如圖12所示。

圖12 所示，PDC-1，PDC-2，PDC-3 和PDC-4鉆具的使用壽命為1.5，37.8，27.7 和58.5 m，其中，PDC-4鉆具的使用壽命由導(dǎo)向鉆具決定。對(duì)于PDC-1鉆具，其不具備適用性，在實(shí)際施工中共使用了5個(gè)鉆具，均出現(xiàn)螺紋斷裂，最大錨孔深度僅2.5 m。對(duì)比PDC-2 與PDC-3 鉆具，后傾角增加2.5°，使用壽命增加10.1 m，增長(zhǎng)36.5%。對(duì)比PDC-4與PDC-3鉆具，PDC-4中的導(dǎo)向鉆具直徑減小17 mm，使用壽命增加30.8 m，增長(zhǎng)111%。上述分析表明，后傾角與鉆具直徑是影響雙翼內(nèi)凹PDC鉆具使用壽命的關(guān)鍵因素之一。

圖12 4種PDC鉆具使用壽命Fig.12 service life of four PDC bits

綜合上述對(duì)失效模式和鉆具使用壽命的分析，4 種鉆具的優(yōu)劣性如下：PDC-4＞PDC-2＞PDC-3＞PDC-1。

3.3.2 鉆進(jìn)(平均)工效

圖13 為3 種鉆具鉆進(jìn)工效，其中圖13(a)為耗時(shí)，圖13(b)為以PDC-3 鉆進(jìn)耗時(shí)為基準(zhǔn)，繪制的PDC-2和PDC-4鉆進(jìn)耗時(shí)變化率。

圖13 鉆進(jìn)工效Fig.13 Drilling efficiency

由圖13 可看出，對(duì)比PDC-2 與PDC-3 鉆具，后傾角增加2.5°，鉆進(jìn)耗時(shí)明顯增加，0～5 m，5～8 m 和8～10 m 分別增加4，7 和8 min，對(duì)應(yīng)增長(zhǎng)率為0.8，2.3 和4.0 min/m，顯示后傾角增加，鉆進(jìn)功效明顯降低，且隨著鉆進(jìn)深度的增加，效率進(jìn)一步降低。對(duì)比PDC-4 與PDC-3 鉆具，鉆進(jìn)耗時(shí)差異較小，0～5 m、5～8 m 和8～10 m 僅分別僅減小1 min，1 min 和3 min，對(duì)應(yīng)增長(zhǎng)率為-0.1 min/m，-0.3 min/m 和-1.0 min/m，顯示總體上PDC-4 在鉆進(jìn)效率上并未有明顯優(yōu)勢(shì)。但相較而言，8～10 m 的鉆進(jìn)效率存在著較大的提升，原因主要是使用PDC-3鉆具在鉆進(jìn)8～10 m 時(shí)，部分錨孔出現(xiàn)了鉆具泥包現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率明顯降低，而PDC-4 在小、大鉆具連接部位增設(shè)了左右兩側(cè)出水通道，避免了鉆具泥包的形成。上述分析表明，后傾角是影響雙翼內(nèi)凹PDC 鉆具鉆進(jìn)工效的關(guān)鍵因素。小、大組合形式可有效避免炭質(zhì)板巖等巖層中出現(xiàn)鉆具泥包現(xiàn)象。

綜合上述對(duì)鉆進(jìn)工效和鉆進(jìn)過(guò)程的分析，4 種鉆具的優(yōu)劣性如下：PDC-4(略)＞PDC-3＞PDC-2。

3.3.3 安裝便捷性測(cè)試

對(duì)于成孔效果的檢驗(yàn)可從安裝的便捷性進(jìn)行分析。圖14 為現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中出現(xiàn)的2 種情形，當(dāng)成孔效果良好時(shí)僅單人操作即可將錨索插入至孔底(與錨固劑接觸位置)，如圖14(a)所示。而當(dāng)成孔效果差時(shí)，則需要錨桿鉆進(jìn)配以多人進(jìn)行“旋轉(zhuǎn)式”推入，如圖14(b)所示，作業(yè)強(qiáng)度與危險(xiǎn)性均增加。圖15 為采用PDC-2，PDC-3 和PDC-4 鉆具出現(xiàn)的“機(jī)械式”推入的比例。

圖14 錨索安裝Fig.14 Ⅰnstallation of anchor cable

由圖15 可知，10 m 錨孔出現(xiàn)“機(jī)械式”推入概率要明顯大于5 m，顯示隨著錨孔深度的增加安裝便捷性下降，推測(cè)原因?yàn)?，隨著錨孔深度增加，保徑能力、順直度和平順性均可能存在不同程度的降低。具體分析3種鉆具出現(xiàn)“機(jī)械式”推入概率， PDC-2-5 m， PDC-2-10 m 為20%， 31%；PDC-3-5 m，PDC-3-10 m為30%，47%；PDC-4-5 m，PDC-4-10 m 為6%，9%。上述量值顯示，出現(xiàn)“機(jī)械式”推入概率PDC-4＜＜PDC-2＜PDC-3，其中PDC-2 和PDC-3 鉆具的差異集中在后傾角度(差異2.5°)，表明后傾角度對(duì)成孔效果有影響。結(jié)合對(duì)鉆進(jìn)工效的分析可知，一定程度上減小后傾角可使鉆進(jìn)工效得到較大提升，但會(huì)減弱成孔效果，分析原因，應(yīng)是高地應(yīng)力軟弱地質(zhì)圍巖條件使得較快的成孔速率更易出現(xiàn)諸如塌孔、縮孔及斜孔等問(wèn)題，繼而引發(fā)錨索裝入困難。

圖15 “機(jī)械式”推入的比例Fig.15 Proportion of“mechanical”push-in

PDC-4＜＜PDC-2顯示了高地應(yīng)力軟弱地質(zhì)圍巖條件下，小、大組合式鉆具在成孔效果方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合其工作原理，分析原因如下：1) 導(dǎo)向鉆具快速切削出小錨孔，對(duì)后續(xù)擴(kuò)孔起到定位、導(dǎo)向的作用，減弱了鉆進(jìn)過(guò)程的斜孔效應(yīng)，有利于提高錨孔直線(xiàn)度；2) 導(dǎo)向鉆具在切削破巖過(guò)程中會(huì)對(duì)待擴(kuò)孔開(kāi)挖巖體造成局部擾動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)完整性降低，并實(shí)現(xiàn)孔壁周邊圍巖應(yīng)力的提前釋放，為后續(xù)擴(kuò)孔鉆具的成孔提供有利條件，減弱了塌孔及縮孔效應(yīng)；3) 擴(kuò)孔鉆具會(huì)通過(guò)光滑柱體壁面對(duì)孔壁粗糙處進(jìn)行打磨，提高孔壁圓順性。

綜合上述，從錨索的安裝便捷性分析成孔效果，3 種鉆具的優(yōu)劣性如下：PDC-4＞＞PDC-2＞PDC-3。

4 結(jié)論

1)小、大組合式鉆具可有效避免炭質(zhì)板巖(泥質(zhì)變余結(jié)構(gòu))等巖層中出現(xiàn)鉆具泥包現(xiàn)象，且在使用壽命、錨索安裝便捷性和錨固成功率等方面均具備明顯優(yōu)勢(shì)，能極大改善高地應(yīng)力軟弱破碎圍巖鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)的塌孔、縮孔及斜孔等情況。

2) 后傾角α是影響PDC 鉆具鉆進(jìn)工效的關(guān)鍵因素，應(yīng)以20°為基準(zhǔn)。軟弱破碎圍巖條件下，適當(dāng)減小后傾角可有效提升鉆進(jìn)效率，表現(xiàn)在后傾角由20°減小至17.5°，鉆進(jìn)10 m耗時(shí)減少19 min。

3) 后傾角α是影響雙翼內(nèi)凹PDC 鉆具使用壽命的關(guān)鍵因素之一，表現(xiàn)在后傾角由17.5°增加至20°，鉆具使用壽命增長(zhǎng)10.1 m、增幅36.5%。鉆具直徑增大對(duì)螺紋段結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，宜采用粗螺紋形式。