張晟斌, 劉繼國(guó), 2, 劉夏臨 ,2, *, 舒 恒, 2, 程 勇, 趙 強(qiáng), 馬保松

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖北 武漢 430056; 2. 中交集團(tuán)隧道與地下空間工程技術(shù)研發(fā)中心, 湖北 武漢 430056; 3. 中山大學(xué), 廣東 珠海 519082)

0 引言

采用水平定向鉆對(duì)隧道進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí),由于勘察距離相對(duì)較長(zhǎng),且全孔取芯技術(shù)效率較低。故為了在保證隧道勘察精度的前提下提高勘察效率,目前水平定向鉆技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行地質(zhì)勘察主要采用三牙輪鉆頭全斷面破碎鉆進(jìn)結(jié)合非連續(xù)提鉆取芯的勘察方法?；诖?通過模型試驗(yàn)的方法,探究鉆進(jìn)參數(shù)與巖石物理力學(xué)性質(zhì)間的相互變化關(guān)系,可為水平定向鉆勘察孔圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

在數(shù)字鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。王玉杰等[1]利用自主研發(fā)的多功能數(shù)字鉆進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)提出單位體積研磨能與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式,得到鉆進(jìn)參數(shù)與巖石強(qiáng)度之間的關(guān)系模型(RDP-Rc); 該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括伺服司鉆系統(tǒng)、氣壓加載系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)檢測(cè)采集系統(tǒng)3部分,可采集試驗(yàn)中的鉆進(jìn)壓力、鉆頭轉(zhuǎn)矩、鉆進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。Yaar等[2]采用取芯鉆進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)探究鉆進(jìn)參數(shù)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的變化關(guān)系,得出鉆進(jìn)速度隨著鉆進(jìn)壓力的增大而增大,隨著砂漿單軸抗壓強(qiáng)度的增大而減小,并提出比能(單位時(shí)間內(nèi)鉆壓和轉(zhuǎn)矩破碎單位巖石所消耗的機(jī)械能大小)與砂漿單軸抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式; 該試驗(yàn)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力由電機(jī)驅(qū)動(dòng),利用壓力傳感器、轉(zhuǎn)速表與位移傳感器測(cè)量取芯鉆進(jìn)過程中的進(jìn)尺、鉆速、轉(zhuǎn)矩和鉆壓等參數(shù)。岳中琦[3]和Wang等[4]研發(fā)了一臺(tái)能夠自動(dòng)且連續(xù)記錄和監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)的鉆孔過程數(shù)字監(jiān)測(cè)儀,包含距離傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、高壓空氣流驅(qū)動(dòng)力傳感器和數(shù)據(jù)處理單元,應(yīng)用于20多個(gè)施工和勘察場(chǎng)地的鉆孔數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)工作,可為工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)提供更直接有效的數(shù)據(jù)。周宏源[5]采用數(shù)字鉆探模型試驗(yàn)裝置分析含水率、壓實(shí)度對(duì)鉆進(jìn)力學(xué)響應(yīng)量和強(qiáng)度參數(shù)影響規(guī)律,建立了鉆進(jìn)響力學(xué)與巖土體強(qiáng)度參數(shù)間的量化關(guān)系數(shù)學(xué)模型,該裝置包括地下隱伏病害微損旋壓觸探系統(tǒng)和三維柔性邊界加載系統(tǒng),可實(shí)時(shí)采集鉆進(jìn)過程中的鉆頭轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力和進(jìn)尺速度等參數(shù)。劉正好[6]采用多功能智能鉆進(jìn)感知裝置開展三軸加載下的掩體室內(nèi)鉆進(jìn)測(cè)試,揭示巖石參數(shù)、地應(yīng)力大小對(duì)巖石鉆進(jìn)參數(shù)的影響規(guī)律; 該試驗(yàn)裝置由伺服鉆進(jìn)系統(tǒng)、真三軸加載裝置、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)3部分組成,可實(shí)時(shí)測(cè)量鉆頭的鉆壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)速度等參數(shù)。陳祖軍等[7]采用西安理工大學(xué)巖土所研發(fā)的XCY-1型巖體力學(xué)參數(shù)數(shù)字鉆系統(tǒng),建立鉆進(jìn)過程中機(jī)-巖相互作用的數(shù)學(xué)模型,提出了一種基于數(shù)字鉆技術(shù)的巖石主要強(qiáng)度參數(shù)解析方法,該鉆進(jìn)系統(tǒng)主要由電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、油泵傳動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)組成,可實(shí)時(shí)記錄鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)參數(shù)。

以上學(xué)者研發(fā)的試驗(yàn)裝置大多針對(duì)垂直鉆探或水平超前預(yù)報(bào),其工作原理與水平定向鉆均不相同。但現(xiàn)場(chǎng)施工過程中影響水平定向鉆鉆進(jìn)效率的因素有很多,且在實(shí)際鉆進(jìn)過程中有多種因素(如鉆壓、轉(zhuǎn)矩、圍巖強(qiáng)度、節(jié)理裂隙等)同時(shí)影響水平定向鉆的破巖鉆進(jìn)過程,因此,無(wú)法查明單一因素(如鉆壓、巖石強(qiáng)度等)對(duì)鉆進(jìn)效率的影響規(guī)律。本文針對(duì)水平定向鉆技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察方向,自主研發(fā)了水平定向鉆進(jìn)模型試驗(yàn)裝置,該裝置包括鉆進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量系統(tǒng),其中動(dòng)力系統(tǒng)主要由液動(dòng)螺桿馬達(dá)和液壓油缸共同驅(qū)動(dòng),該裝置既保留了水平定向鉆的工作特性,又可實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)中的鉆進(jìn)壓力、鉆進(jìn)速度、鉆頭轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù),以研究鉆進(jìn)參數(shù)與巖石強(qiáng)度之間的相互變化關(guān)系。

1 水平定向鉆鉆進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 水平定向鉆鉆進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

水平定向鉆鉆進(jìn)參數(shù)與巖石強(qiáng)度相關(guān)性模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,該裝置包括鉆進(jìn)壓力動(dòng)力系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)和參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。鉆進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)包括液壓油缸、液壓系統(tǒng)、巖石箱和導(dǎo)軌; 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)包括BW250型號(hào)泥漿泵、液動(dòng)螺桿馬達(dá)及三牙輪鉆頭; 參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括拉線式位移傳感器、壓力傳感器、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、液壓表和渦輪流量計(jì)。其中,拉線式位移傳感器固定在液壓油缸前端外表面,拉線頭固定在液壓油缸前端的法蘭上,用于測(cè)量油缸伸縮的位移大小; 壓力傳感器用螺釘固定在液壓油缸和巖石箱之間,用于實(shí)時(shí)測(cè)量液壓油缸頂進(jìn)力的大小; 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器連接在液動(dòng)螺桿馬達(dá)和鉆頭短節(jié)之間,用于測(cè)量液動(dòng)螺桿馬達(dá)工作中的轉(zhuǎn)速和三牙輪鉆頭破碎巖石時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩; 液壓表和渦輪流量計(jì)安裝在高壓水管中,用于測(cè)量試驗(yàn)中水的壓力與流量。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

該試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理: 首先,調(diào)節(jié)BW250泥漿泵,通過觀察液壓表和渦輪流量計(jì),使高壓水管內(nèi)的水流量及壓力在液動(dòng)螺桿馬達(dá)正常工作范圍內(nèi),保證液動(dòng)螺桿馬達(dá)正常工作; 然后,將液動(dòng)螺桿馬達(dá)固定在試驗(yàn)架上,使液動(dòng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子僅正常旋轉(zhuǎn)而不做水平移動(dòng); 最后,控制油缸液壓系統(tǒng),使巖石箱在油缸推力作用下緩慢勻速地向前移動(dòng),在液動(dòng)螺桿馬達(dá)提供的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力作用下,三牙輪鉆頭緩慢破碎巖石并形成鉆孔。

試驗(yàn)過程中,液壓系統(tǒng)和液壓油缸為三牙輪鉆頭提供水平頂進(jìn)力; 液動(dòng)螺桿馬達(dá)為試驗(yàn)系統(tǒng)中破碎巖石的三牙輪鉆頭提供轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。水箱內(nèi)的清水通過BW250泥漿泵增壓后,順著高壓水管流入液動(dòng)螺桿馬達(dá)中,最后從三牙輪鉆頭噴嘴中流出。該試驗(yàn)中的高壓水既可保證螺桿馬達(dá)正常工作,又起到冷卻鉆頭和沖刷鉆孔巖屑的作用。拉線式位移傳感器、壓力傳感器、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、水壓力計(jì)、渦輪流量計(jì)分別用于測(cè)量試驗(yàn)過程中的位移、鉆進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、水的壓力與流量。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與砂漿試件制備

1.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由鉆進(jìn)壓力動(dòng)力系統(tǒng)(見圖2)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)(見圖3)和參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)(見圖4)3部分組成。

(a) 液壓系統(tǒng)

(a) BW250型泥漿泵

(a) 拉線式位移傳感器

1)鉆進(jìn)壓力動(dòng)力系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)(見圖2(a))、液壓油缸(見圖2(b))、巖石箱(見圖2(c))和導(dǎo)軌(見圖2(d))。其中,液壓系統(tǒng)工作功率為1.5 kW,額定壓力為16 MPa,在液壓系統(tǒng)電磁換向閥部位安裝溢流閥和節(jié)流閥,試驗(yàn)中可通過溢流閥來(lái)控制液壓油缸的頂進(jìn)力,采用節(jié)流閥控制液壓系統(tǒng)的頂進(jìn)速度;法蘭式液壓油缸行程為800 mm,頂進(jìn)力為50 kN;巖石箱尺寸為40 cm×40 cm×60 cm(長(zhǎng)×寬×高),左右側(cè)面各有9個(gè)螺孔,用于固定巖石;導(dǎo)軌長(zhǎng)度為2 m,基本動(dòng)額定負(fù)荷為77.57 kN,基本靜額定負(fù)荷為102.71 kN。

2)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)包括泥漿泵(見圖3(a))、液動(dòng)螺桿馬達(dá)(見圖3(b))、中空短節(jié)(見圖3(c))、三牙輪鉆頭(見圖3(d))。其中,BW250型號(hào)泥漿泵為臥式三缸往復(fù)單作用活塞泵,適用于深度1 500 m以內(nèi)的鉆機(jī),且泵的機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有變速箱可調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)動(dòng)速度,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)泵的排量和壓力,以適應(yīng)孔底鉆具工作狀態(tài),鉆探人員也可根據(jù)泥漿泵的壓力和排量情況判別孔內(nèi)鉆具是否正常工作。BW250型泥漿泵的技術(shù)參數(shù)主要參數(shù)如表1所示。圖3(b)中的直螺桿主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 BW250型泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)用液動(dòng)螺桿馬達(dá)參數(shù)

3)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括拉線式位移傳感器(見圖4(a))、壓力傳感器(見圖4(b))、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器(見圖4(c))、液壓表(見圖4(d))、渦輪流量計(jì)(見圖4(e))和無(wú)紙記錄儀(見圖4(f))。其中,拉線式位移傳感器最大量程800 mm,輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào);壓力傳感器采用輪輻式重力測(cè)重傳感器,額定量程為5 t,輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào);動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器可同時(shí)測(cè)量螺桿轉(zhuǎn)速和三牙輪鉆頭轉(zhuǎn)矩2個(gè)參數(shù),量程為0～800 N·m,以脈沖方波標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)形式輸出,并有相應(yīng)的信號(hào)采集儀表,以15次/s的頻率對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;LCD液晶顯示液壓表,量程為0～10 MPa,并以4～20 mA電流信號(hào)輸出DN40渦輪流量計(jì),可測(cè)流量范圍1～20 m3/h,螺紋安裝,標(biāo)準(zhǔn)耐壓等級(jí)為6.3 MPa,以4～20 mA電流信號(hào)輸出;本次試驗(yàn)采用無(wú)紙記錄儀收集試驗(yàn)數(shù)據(jù),可收集電流、電壓、RS485等信號(hào),其中位移、鉆進(jìn)壓力、泥漿循環(huán)系統(tǒng)壓力和流量4個(gè)參數(shù)每秒采集1次,而鉆頭的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)每秒采集15次左右。

1.2.2 水平定向鉆孔底鉆具動(dòng)力原理

由于液動(dòng)螺桿馬達(dá)是水平定向鉆用于隧道地質(zhì)勘察的孔底動(dòng)力來(lái)源,因此在分析鉆進(jìn)參數(shù)與巖石強(qiáng)度之間的變化關(guān)系時(shí),應(yīng)首先了解螺桿的工作原理。如圖5所示,液動(dòng)螺桿馬達(dá)主要由傳動(dòng)軸總成、萬(wàn)向軸總成、馬達(dá)總成、防掉總成和旁通閥總成5部分組成[8-9]。

圖5 螺桿馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

螺桿馬達(dá)在工作過程中滿足能量守恒,即單位時(shí)間內(nèi)輸入的水力能等于輸出的機(jī)械能[10],表達(dá)式為:

MTωT=ΔpQ。

(1)

式中:MT為液動(dòng)螺桿馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)矩;ωT為液動(dòng)螺桿馬達(dá)理論角速度; Δp為液動(dòng)螺桿馬達(dá)進(jìn)出口壓降;Q為流經(jīng)液動(dòng)螺桿馬達(dá)的流量(即排量)。

鉆頭的理論轉(zhuǎn)速與理論角速度之間的定量關(guān)系為:

(2)

(3)

式(2)—(3)中:nT為鉆頭的理論轉(zhuǎn)速,即馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速;q為馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量。

聯(lián)立式(1)—(3),可得:

(4)

NT=ΔpQ。

(5)

式(5)中NT為理論功率。

從式(4)—(5)可以看出,液動(dòng)螺桿馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)矩MT和鉆頭的理論轉(zhuǎn)速nT是2個(gè)相互獨(dú)立的參數(shù),鉆頭的理論轉(zhuǎn)速nT僅與馬達(dá)本身的結(jié)構(gòu)以及排量Q有關(guān),液動(dòng)螺桿馬達(dá)理論轉(zhuǎn)矩MT與馬達(dá)本身的結(jié)構(gòu)及進(jìn)出口壓降Δp有關(guān)。

1.2.3 試驗(yàn)樣品制備

為了驗(yàn)證該試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性,采用6塊尺寸為300 mm×300 mm×600 mm(長(zhǎng)×寬×高)、強(qiáng)度等級(jí)為M15的長(zhǎng)方體砂漿試塊。根據(jù)JGJ 98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》中的不同強(qiáng)度水泥砂漿配合比方案,考慮大塊砂漿難以養(yǎng)護(hù)的問題,采用32.5 MPa水泥,水泥、河砂與水的質(zhì)量配比為1∶4∶0.7,最終各試塊的具體強(qiáng)度以室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。6塊砂漿試塊(A-1至A-6)的具體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 A-1至A-6砂漿試塊的基本物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案與步驟

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中制作6塊強(qiáng)度等級(jí)為M15、尺寸為300 mm×300 mm×600 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體砂漿試塊,鉆進(jìn)不同砂漿試塊時(shí),通過調(diào)節(jié)液壓油缸系統(tǒng),增加不同砂漿試驗(yàn)中鉆進(jìn)壓力值,分析不同鉆進(jìn)壓力對(duì)水平定向鉆鉆進(jìn)速度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)水壓力和水流量的影響規(guī)律。

2.2 試驗(yàn)步驟

1)試驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)。打開BW250型泥漿泵檔位調(diào)至A2-B3,工作流量為250 L/min、水壓為2.5 MPa,測(cè)試液動(dòng)螺桿馬達(dá)是否正常工作;調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)使液壓油缸推動(dòng)巖石箱緩慢往前移動(dòng),同時(shí)檢測(cè)拉線式位移傳感器、輪輻式重力傳感器、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、液壓表和渦輪流量計(jì)及參數(shù)采集儀是否正常,正常工作后將試驗(yàn)系統(tǒng)全部關(guān)閉。

2)將巖石試塊固定在巖石箱。將巖石切割成300 mm×300 mm×600 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體,放入400 mm×400 mm ×600 mm(長(zhǎng)×寬×高)的巖石箱內(nèi),在巖石兩側(cè)放入2塊鋼板,并用巖石箱側(cè)面的螺釘固定。其中,應(yīng)將巖石300 mm×300 mm(長(zhǎng)×高)的那面對(duì)準(zhǔn)牙輪鉆頭。

3)打開旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)。打開BW250型泥漿泵,并將檔位調(diào)至A2-B3,檢查動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、液壓表和渦輪流量計(jì)是否正常顯示。

4)調(diào)整油缸推進(jìn)速度。打開液壓系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中的節(jié)流閥和泄壓閥,將液壓油缸推進(jìn)速度調(diào)整到預(yù)定值大小,并將巖石緩慢勻速往前推動(dòng),在此過程中檢查拉線式位移傳感器、輪輻式重力傳感器是否正常。

5)查看無(wú)紙記錄儀,記錄巖石與鉆頭開始接觸時(shí)的位移數(shù)據(jù)。

6)控制試驗(yàn)鉆孔深度。保持巖石勻速前進(jìn),在三牙輪鉆頭破碎巖石過程中,時(shí)刻關(guān)注無(wú)紙記錄儀位移數(shù)據(jù),當(dāng)鉆孔深度達(dá)到預(yù)定值大小時(shí),關(guān)閉液壓系統(tǒng)和BW250型泥漿泵。

7)減小鉆進(jìn)壓力因摩擦所產(chǎn)生的誤差。調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的電磁換向閥,使巖石后退至初始位置,再次調(diào)節(jié)電磁換向閥,使液壓油缸按照試驗(yàn)時(shí)的速度推進(jìn)至鉆孔底部與三牙輪鉆頭接觸位置,記錄往前推進(jìn)過程中的鉆進(jìn)壓力數(shù)據(jù),此時(shí)的鉆進(jìn)壓力數(shù)據(jù)為油缸推動(dòng)巖石箱與巖石時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力值。

8)將巖石取出,換1塊巖石,重新調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)節(jié)流閥和泄壓閥,改變液壓油缸的推進(jìn)速度繼續(xù)試驗(yàn)。

9)重復(fù)步驟2)—8)直至試驗(yàn)結(jié)束。

10)導(dǎo)出并處理數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鉆進(jìn)成果

本次試驗(yàn)共鉆進(jìn)6塊強(qiáng)度等級(jí)為M15的砂漿試塊,鉆進(jìn)深度為400～500 mm,施加的鉆進(jìn)壓力平均值依次為5.14、2.98、12.24、5.59、8.3、10.05 kN。其中,圖6(a)為三牙輪鉆頭的鉆孔,圖6(b)為試驗(yàn)后的6塊砂漿試塊。

(a) 三牙輪鉆頭鉆孔

3.2 不同鉆壓條件下鉆進(jìn)參數(shù)的相互變化關(guān)系

3.2.1 鉆進(jìn)參數(shù)隨鉆進(jìn)深度變化關(guān)系

為了分析水平定向鉆鉆進(jìn)壓力對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、水壓力、水流量和鉆進(jìn)速度的影響,本次試驗(yàn)采用6塊強(qiáng)度等級(jí)為M15的砂漿試塊。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試可知6塊砂裝試塊的單軸抗壓強(qiáng)度分別為: 10.8、12.39、15.13、9.51、8.77、10.32 MPa。試驗(yàn)中改變每塊砂漿的鉆進(jìn)壓力,從中觀察各參數(shù)之間的變化規(guī)律。得出鉆進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆進(jìn)速度、水壓力和水流量隨鉆進(jìn)深度的變化關(guān)系如圖7所示。

(a) 鉆進(jìn)壓力隨鉆進(jìn)深度的變化關(guān)系

由圖7可以看出,隨著三牙輪鉆頭從剛接觸到完全鉆進(jìn)砂漿試塊中,各鉆進(jìn)參數(shù)隨鉆進(jìn)深度的變化會(huì)先急劇變化,然后再穩(wěn)定鉆進(jìn)。由于不同砂漿試塊的鉆進(jìn)壓力不同,導(dǎo)致不同砂漿試塊的各鉆進(jìn)參數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的變化。由于試驗(yàn)過程中鉆頭的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)水流量變化范圍較小,所以圖7(b)與圖7(f)的相互變化曲線沒有明顯層次感,本次試驗(yàn)中的鉆頭轉(zhuǎn)速變化在158～163 r/min,水流量變化在15.6～16.0 m3/h。6塊砂漿試塊穩(wěn)定鉆進(jìn)后各鉆進(jìn)參數(shù)平均值如表4所示。

表4 A-1至A-6砂漿試塊各鉆進(jìn)參數(shù)平均值

3.2.2 各鉆進(jìn)參數(shù)之間的變化關(guān)系

根據(jù)表4中6塊砂漿試塊鉆進(jìn)參數(shù)的平均值,分別繪制如圖8所示的砂漿試塊A-1至A-6各鉆進(jìn)參數(shù)之間的相互變化關(guān)系散點(diǎn)圖。

(a) 鉆進(jìn)速度隨鉆進(jìn)壓力的變化關(guān)系

由圖8(a)和圖8(b)可知,在砂漿試塊單軸抗壓強(qiáng)度相近的條件下,水平定向鉆的鉆進(jìn)速度及鉆頭所受的轉(zhuǎn)矩隨鉆進(jìn)壓力的增大呈現(xiàn)正相關(guān)變化關(guān)系,即隨著鉆進(jìn)壓力的增加,水平定向鉆的鉆進(jìn)速度與鉆頭破巖時(shí)所受的轉(zhuǎn)矩會(huì)不斷增加。三牙輪鉆頭破碎巖石主要采用沖擊壓碎和滑動(dòng)剪切2種方式[11],當(dāng)砂漿試塊單軸抗壓強(qiáng)度相近時(shí),鉆進(jìn)壓力越大,三牙輪鉆頭的切削齒侵入巖石就越深,破碎的效率就越高,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大[12]。另外,隨著鉆進(jìn)壓力的持續(xù)增加,被剪切破壞的砂漿試塊與三牙輪鉆頭之間的內(nèi)聚力不變,但摩擦力會(huì)逐漸上升,導(dǎo)致三牙輪鉆頭所受到巖石的剪切力也不斷增大,最終使砂漿試塊的破壞速度也在不斷增大[13]。

圖8(c)和圖8(d)分別為試驗(yàn)中砂漿的轉(zhuǎn)矩與水壓力、鉆頭的轉(zhuǎn)速與水流量之間的相互變化關(guān)系,根據(jù)1.2.2節(jié)液動(dòng)螺桿馬達(dá)的工作原理可知,當(dāng)螺桿的型號(hào)固定時(shí),試驗(yàn)中三牙輪鉆頭所受到的轉(zhuǎn)矩大小與水壓力增量呈正相關(guān),即試驗(yàn)中的水壓力會(huì)因?yàn)樯皾{的轉(zhuǎn)矩增大而增大;鉆頭的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)中的水流量呈正相關(guān)關(guān)系,即試驗(yàn)中的水流量會(huì)因?yàn)殂@頭轉(zhuǎn)速的增大而增大。

由圖8(e)可知,當(dāng)試驗(yàn)中的液動(dòng)螺桿馬達(dá)型號(hào)固定之后,在三牙輪鉆頭破巖鉆進(jìn)過程中,鉆頭的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)反相關(guān)的變化關(guān)系,即鉆頭的轉(zhuǎn)速隨著三牙輪鉆頭轉(zhuǎn)矩的增大而減小。這是因?yàn)樵囼?yàn)中砂漿試塊的轉(zhuǎn)矩是鉆頭受到的旋轉(zhuǎn)阻力,當(dāng)旋轉(zhuǎn)阻力相應(yīng)增大時(shí),鉆頭的轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)地減小,但總體變化不大。例如: 當(dāng)A-3砂漿試塊的轉(zhuǎn)矩是6塊砂漿試塊中的最大值83.66 N·m時(shí),鉆頭的轉(zhuǎn)速卻為6塊砂漿試塊中的最小值159.42 r/min; 當(dāng)A-1砂漿試塊的轉(zhuǎn)矩是6塊中的最小值33.14 N·m時(shí),鉆頭的轉(zhuǎn)速卻是6塊中的最大值161.04 r/min。

4 結(jié)論與討論

1)基于水平定向鉆用于隧道地質(zhì)勘察的工作原理,研發(fā)一種水平定向鉆探模型試驗(yàn)裝置。該裝置包括鉆進(jìn)壓力動(dòng)力系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)和參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)3部分,既保留了水平定向鉆的工作特性,又可實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)中鉆頭的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)壓力、系統(tǒng)的水流量和水壓力等參數(shù),解決了工程現(xiàn)場(chǎng)難以獲取的孔底鉆頭轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速等參數(shù)問題。

2)采用6塊強(qiáng)度等級(jí)為M15的砂漿試塊對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,得出: 鉆進(jìn)壓力在液動(dòng)螺桿馬達(dá)工作范圍內(nèi)時(shí),水平定向鉆的鉆進(jìn)速度與鉆頭的轉(zhuǎn)矩隨著鉆進(jìn)壓力的增大而增大,基本呈正比例變化關(guān)系;系統(tǒng)水壓力和鉆頭轉(zhuǎn)矩呈正比例變化關(guān)系; 系統(tǒng)水流量和鉆頭的轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)變化關(guān)系。因此該試驗(yàn)系統(tǒng)可以真實(shí)地反應(yīng)水平定向鉆的工作特性。

3)目前,該試驗(yàn)系統(tǒng)沒有考慮圍壓對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的影響,可以將放置巖石的位置(巖石箱)改裝為可施加三軸圍壓的巖石箱,以此來(lái)分析不同圍壓大小對(duì)鉆機(jī)參數(shù)的影響以及不同圍壓條件下鉆進(jìn)參數(shù)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的定量關(guān)系。