多功能旋挖鉆機(jī)長(zhǎng)螺旋鉆具的研制

王三牛,李 洪,宋 剛,邵玉濤

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

多功能旋挖鉆機(jī)長(zhǎng)螺旋鉆具的研制

王三牛,李 洪,宋 剛,邵玉濤

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

通過對(duì)長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)過程中阻力矩的計(jì)算,得出了不同直徑和孔深情況下的阻力矩值,依此對(duì)長(zhǎng)螺旋鉆具的強(qiáng)度進(jìn)行比對(duì),給出了不同口徑的長(zhǎng)螺旋鉆具參數(shù)。還介紹了長(zhǎng)螺旋鉆頭的不同結(jié)構(gòu)形式及配套器具,簡(jiǎn)述了多功能鉆機(jī)長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)施工工藝。

多功能旋挖鉆機(jī);長(zhǎng)螺旋鉆具;鉆進(jìn)阻力矩;強(qiáng)度;配套器具

旋挖鉆進(jìn)技術(shù)作為當(dāng)今一種高效優(yōu)質(zhì)的鉆進(jìn)方法,其應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬,為了適應(yīng)不同的工況及工法,一機(jī)多能的多功能旋挖鉆機(jī)應(yīng)用而生,繼國(guó)外有了高扭矩、大噸位的多功能旋挖鉆機(jī)之后,我國(guó)多家旋挖鉆機(jī)生產(chǎn)廠家相繼研制成功了多功能多用途的旋挖鉆機(jī),既保證了常規(guī)的旋挖鉆進(jìn),同時(shí)可進(jìn)行長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)、全套管鉆進(jìn)等多種技術(shù)的施工。我們研制的系列大扭矩長(zhǎng)螺旋鉆具成功的與多功能旋挖鉆機(jī)配套使用,在俄羅斯、阿聯(lián)酋、沙特、印度、越南等多個(gè)國(guó)家取得了很大的成功。正是由于多功能旋挖鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,才使得旋挖鉆進(jìn)技術(shù)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(jī)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(guān)健。

1 長(zhǎng)螺旋鉆具設(shè)計(jì)

1.1 長(zhǎng)螺旋鉆具鉆進(jìn)時(shí)的阻力矩計(jì)算

設(shè)計(jì)長(zhǎng)螺旋鉆具時(shí),首先明確的是螺旋直徑和鉆孔的深度(螺旋長(zhǎng)度）,根據(jù)這2個(gè)條件和地層情況,我們可以確定鉆進(jìn)過程中阻力矩大小,根據(jù)阻力大小來設(shè)計(jì)長(zhǎng)螺旋鉆具結(jié)構(gòu)尺寸以滿足鉆具作業(yè)時(shí)的強(qiáng)度要求。

長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)時(shí)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(jìn)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(jìn)速度V、鉆頭直徑D、巖石強(qiáng)度σ及轉(zhuǎn)速n有關(guān):

1.1.3 長(zhǎng)螺旋鉆具鉆進(jìn)時(shí)的阻力矩M

它反映了鉆具及設(shè)備在鉆進(jìn)不同地層不同孔徑及深度時(shí)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(zhǎng)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(qiáng)度極限σ為10 MPa,在轉(zhuǎn)數(shù)為20 r/min、鉆進(jìn)速度在0.4 m/ min,容重ρ=17000 N/m3,通過上述扭矩計(jì)算公式計(jì)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(duì)長(zhǎng)螺旋鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度比對(duì),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(zhǎng)螺旋鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 長(zhǎng)螺旋鉆頭設(shè)計(jì)

鉆頭設(shè)計(jì)一般為雙頭單螺結(jié)構(gòu),以保證螺旋鉆具鉆進(jìn)時(shí)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(shè)計(jì)有超前導(dǎo)向前尖,它可以根據(jù)地層設(shè)計(jì)成不同結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(zhì)合金適合于較硬地層。為了保證注漿工序要求,鉆頭下部設(shè)有出渣口,出渣口可以在底部也可以在側(cè)部,其結(jié)構(gòu)均為單向開啟,此種結(jié)構(gòu)可防止鉆屑進(jìn)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)見圖1、2。

1.3.2 長(zhǎng)螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋鉆桿設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)鉆桿強(qiáng)度大,更適合于大噸位的多功能鉆具,但是由于整個(gè)鉆桿柱的液流通道不是一個(gè)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(shè)內(nèi)管以期達(dá)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(duì)于直徑<800 mm的小直徑的長(zhǎng)螺旋鉆桿,一般直接將鉆桿內(nèi)徑與接頭內(nèi)徑設(shè)計(jì)為相同尺寸,此種結(jié)構(gòu)的鉆具的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)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(guó)內(nèi)外廣泛使用。

圖1 用于土層鉆進(jìn)的長(zhǎng)螺旋鉆頭

圖2 用于巖石鉆進(jìn)的截齒長(zhǎng)螺旋鉆頭

連接接頭分六方形和花鍵型結(jié)構(gòu),花鍵型接頭導(dǎo)正性好,傳遞扭矩大,但加工復(fù)雜,一般很少采用。六方接頭便于加工,對(duì)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(zhì)一般為45鋼調(diào)質(zhì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì),一般在300～600 mm之間,為了保證注漿時(shí)不漏漿,在連接接頭處應(yīng)設(shè)置密封圈。具體螺旋結(jié)構(gòu)見圖3,鉆具規(guī)格參數(shù)見表2。

圖3 長(zhǎng)螺旋鉆具結(jié)構(gòu)圖

2 長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)配套器具的設(shè)計(jì)

2.1 長(zhǎng)螺旋刮土器的設(shè)計(jì)

長(zhǎng)螺旋在提離孔口時(shí)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(jié)構(gòu)形式。

表2 長(zhǎng)螺旋鉆具規(guī)格參數(shù)

2.1.1 簡(jiǎn)易型刮土器

此結(jié)構(gòu)型刮土器可以安裝在鉆機(jī)下部的導(dǎo)正護(hù)桶上,當(dāng)鉆具上下移動(dòng)時(shí)螺片帶動(dòng)刮土器上的鋼絲刷轉(zhuǎn)動(dòng),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(jiǎn)易型刮土器

2.1.2 液壓型刮土器

該結(jié)構(gòu)裝置安裝在鉆機(jī)桅桿上,刮土器由懸臂、油缸及可回轉(zhuǎn)鋼絲刷組件組成,利用鉆機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)力,油缸推動(dòng)刮土器靠近螺旋鉆具實(shí)施刮土操作,當(dāng)不用時(shí)收回油缸,使刮土器離開螺旋鉆具。整個(gè)過程鉆機(jī)操作手一人即可完成。其機(jī)構(gòu)如圖5所示,這種結(jié)構(gòu)是可操作性強(qiáng),成本相對(duì)高,該部件一般隨主機(jī)配套。

2.2 主動(dòng)鉆桿及旋轉(zhuǎn)彎頭

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

圖5 液壓型刮土器

圖6 回轉(zhuǎn)彎頭總成

2.3 長(zhǎng)螺旋鉆具導(dǎo)正器

長(zhǎng)螺旋鉆具在施工時(shí),是先將鉆桿柱連接好然后連接于鉆機(jī)的桅桿上,開始工作時(shí)鉆機(jī)的動(dòng)力頭處于桅桿的上死點(diǎn),在動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)作用下帶動(dòng)鉆具下行,為了壁免鉆具擺動(dòng)偏斜,在孔口須增設(shè)鉆具導(dǎo)正裝置。螺旋導(dǎo)正裝置可設(shè)計(jì)成兩瓣形半圓體,一端用鉸鏈固定在鉆機(jī)桅桿上,中間穿過長(zhǎng)螺旋鉆具,加鉆桿時(shí)可方便開合。

3 多功能鉆機(jī)長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)施工技術(shù)

多功能鉆機(jī)長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)具有傳統(tǒng)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的所有特征及功能,不僅可以實(shí)現(xiàn)干法成孔新工藝進(jìn)行灌注樁施工,也可以進(jìn)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(duì)準(zhǔn)孔位→啟動(dòng)鉆機(jī)→旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁深位置→提鉆→下鋼筋籠→灌混凝土成樁。

用多功能長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)進(jìn)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(shí)以上的樁土,并可以進(jìn)行大直徑樁作業(yè),獲得很高的單樁承載力。由于振動(dòng)小、噪聲低,干式作業(yè)不需要泥漿護(hù)壁,所以對(duì)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(duì)準(zhǔn)孔位→啟動(dòng)鉆機(jī)→旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁深位置→啟動(dòng)混凝土泵壓注混凝土同時(shí)提升鉆具→下鋼筋籠(用震動(dòng)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(jìn)入強(qiáng)、中風(fēng)化巖石。多功能長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)在鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后,利用提鉆的同時(shí),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(zhì)量問題,同樣是采用干式作業(yè),不需要泥漿護(hù)壁,因此提高樁的承載力,對(duì)環(huán)境污染也小。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jié)語

多功能長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)由于具有輸出扭矩高的特點(diǎn),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(zhǎng)螺旋鉆孔機(jī)無法完成的施工作業(yè);由于鉆機(jī)移動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)工序銜接緊密,勞動(dòng)強(qiáng)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(zhǎng)螺旋鉆具與多功能旋挖鉆機(jī)配套使用,保證了多功能鉆機(jī)長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)施工技術(shù)的順利實(shí)施。

[1] 陳玉凡,朱祥.鉆孔機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1987.

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[4] 陳果,于躍生,趙繹鈞.長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工CFG樁常見質(zhì)量問題及應(yīng)對(duì)措施[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36,(1）.

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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(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)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(jí)高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事旋挖鉆進(jìn)設(shè)備及鉆具、各種地質(zhì)鉆探、水文水井鉆探、非開挖施工用巖石回?cái)U(kuò)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(hào)。