YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的工程應(yīng)用及技術(shù)改進(jìn)

吳浩，趙曉冬

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局，河北　涿州)

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YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的工程應(yīng)用及技術(shù)改進(jìn)

吳浩，趙曉冬

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局，河北涿州)

摘要：介紹了國(guó)內(nèi)首臺(tái)YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)在尾礦壩勘察、巖土工程勘察及鋼管樁施工的工程應(yīng)用及技術(shù)改進(jìn)，鉆機(jī)具有鉆進(jìn)速度快、取樣質(zhì)量高、可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)沉管等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具有較好的市場(chǎng)開發(fā)前景，應(yīng)深入研究、優(yōu)化改進(jìn)，逐步開發(fā)出多規(guī)格、多品種的產(chǎn)品和配套工具，以滿足不同工程的施工需要。

關(guān)鍵詞:聲頻；振動(dòng)；鉆機(jī)；勘察

1YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)

聲頻振動(dòng)鉆機(jī)利用動(dòng)力頭內(nèi)偏心單元的高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生150～200Hz高頻振動(dòng)力，當(dāng)振動(dòng)體與鉆柱的自振頻率疊合時(shí)，產(chǎn)生共振及駐波，將極大的能量傳遞給鉆頭。此外，高頻振動(dòng)能夠排開鉆頭周圍的巖土顆粒，甚至帶來(lái)巖土顆粒的局部液化(見圖1)，上述三者的綜合作用可實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)和高質(zhì)量地質(zhì)取樣。

圖1　聲頻振動(dòng)鉆進(jìn)原理

2011年8月中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)聯(lián)合研制出YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)(見圖2)，經(jīng)工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)，完成設(shè)計(jì)指標(biāo)。2012年7月，該鉆機(jī)順利通過國(guó)內(nèi)地質(zhì)裝備領(lǐng)域權(quán)威專家鑒定，鑒定意見為：YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)是國(guó)內(nèi)首臺(tái)振動(dòng)深度達(dá)50m的鉆機(jī)。該鉆機(jī)性能先進(jìn)，結(jié)構(gòu)有突出創(chuàng)新，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)聲頻振動(dòng)鉆機(jī)研制的空白，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖2　YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)

2工程應(yīng)用及技術(shù)改進(jìn)

該鉆機(jī)自研制成功后，陸續(xù)開展了下列工程應(yīng)用及相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。

2.1尾礦壩勘察

2.1.1工程概況

魯能集團(tuán)一尾礦壩占地面積約1341畝，用于存儲(chǔ)鋁礦冶煉后的廢渣廢液。該壩由黃土分層碾壓堆筑而成，壩體總庫(kù)容約2100 萬(wàn)m3。隨著產(chǎn)能增加，原有庫(kù)容難以滿足要求，擬將壩高增加以擴(kuò)大庫(kù)容。為此需要勘察壩基土體并評(píng)價(jià)壩體穩(wěn)定性。傳統(tǒng)泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)會(huì)對(duì)壩基土體造成水浸污染和擾動(dòng)，影響壩基黃土含水量、孔隙度等參數(shù)的測(cè)試。此外，泥漿滲漏可能對(duì)壩體造成破壞，加之施工現(xiàn)場(chǎng)偏遠(yuǎn)，水源運(yùn)輸不便，故只能采用無(wú)循環(huán)振動(dòng)鉆進(jìn)方式，選用了YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行勘察取樣。

2.1.2鉆機(jī)使用情況

鉆機(jī)完成壩體不同部位6個(gè)鉆孔的勘察任務(wù)。孔深35m、20m和15m不等，鉆遇地層主要為黃土、黏土和卵石，每隔2m取出一段長(zhǎng)20~30cm的原狀土樣，并裝入土樣盒。鉆機(jī)使用中體現(xiàn)如下優(yōu)點(diǎn)：(1)取樣質(zhì)量高。采用無(wú)循環(huán)鉆進(jìn)方式，最大限度的避免了泥漿對(duì)土體的污染和擾動(dòng)，并有效防止泥漿滲漏對(duì)壩體造成的潛在破壞，也解決了水源運(yùn)輸不便的難題。(2)鉆進(jìn)速度快。從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，純鉆進(jìn)速度可達(dá)0.2~0.4m/s，機(jī)械鉆速可達(dá)2.8m/min。(3)樣品長(zhǎng)、取樣完整，見圖3。

圖3　取出0.6m長(zhǎng)土樣

2.1.3問題及技術(shù)改進(jìn)

鉆機(jī)使用中主要暴露如下問題：(1)動(dòng)力頭上聯(lián)軸器的連接螺栓被振落、振彎，見圖4；(2)取樣鉆頭損壞嚴(yán)重，見圖5。

圖4　聯(lián)軸器上振落、振彎的螺栓

圖5　卷刃的鉆頭

針對(duì)上述問題，在聯(lián)軸器上改用了防松螺栓和瑞典Nordlock防松墊圈，見圖6；對(duì)取樣鉆頭進(jìn)行刃部淬火，見圖7。

圖6　防松墊圈

圖7　刃部淬火的鉆頭

2.2高層建筑巖土勘察

2.2.1工程概況

2013年河北涿州地質(zhì)嘉園高層住宅樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深7.6m，地上18層，地下2層。工程勘察等級(jí)乙級(jí)。布置勘探取樣孔6個(gè)。深度35.1～45.1m不等，地層以黏土、粉土、砂土為主。

2.2.2鉆機(jī)使用情況

使用YSZ-50型聲頻鉆機(jī)施工了3個(gè)鉆孔，取出原狀土樣20盒，較好地完成了勘察取樣任務(wù)，施工中采用半合管鉆具，獲取的土樣見圖8。

圖8　半合管取樣

2.2.3問題及技術(shù)改進(jìn)

施工后期，發(fā)生液壓泵損壞現(xiàn)象，該泵為力士樂負(fù)載敏感軸向柱塞變量泵，拆檢后發(fā)現(xiàn)斜盤已經(jīng)斷裂，滑靴已經(jīng)嚴(yán)重磨損，見圖9。

圖9　破壞的斜盤和滑靴

泵的吸空是造成該現(xiàn)象的主要原因，產(chǎn)生吸空的一個(gè)主要因素是吸油管道布置方式不合理，位置偏高(圖10)。吸油過濾器液位以上至吸油法蘭處存在大量空氣，造成泵的吸油不暢，導(dǎo)致滑靴的不斷磨損，滑靴磨掉的金屬顆粒進(jìn)入液壓管路，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，液壓油也逐漸腐蝕變質(zhì)，油液的污染加劇，最后造成了滑靴進(jìn)一步的磨損和泵的進(jìn)一步的吸空，最終的導(dǎo)致斜盤斷裂。

圖10　吸油法蘭原位置

為了消除吸油不暢，將吸油管道置于低位，略高于油箱底面(圖11)，保持吸油管道中始終充滿油液，不會(huì)發(fā)生吸空現(xiàn)象，有效延長(zhǎng)液壓泵的使用壽命。

圖11　調(diào)整后吸油法蘭的位置

此外，拆修液壓泵時(shí)，應(yīng)關(guān)閉液壓油箱，宜在泵的吸油管路中加裝球閥。

2.3鋼管樁施工

2.3.1工程概況

2014年第二勘探局承接中鐵航空港北京南站開陽(yáng)路道路改造工程項(xiàng)目，為防止道路開挖引發(fā)路邊建筑物的下沉和傾斜，采用鋼管樁支護(hù)方案。需要在路邊預(yù)先鉆進(jìn)孔徑152mm、深度6.7m的鉆孔，然后下入6m長(zhǎng)鋼管(外徑150mm、壁厚3mm)。地層特點(diǎn)是：地表為0.5～0.7m的瀝青混凝土路面，以下7米分別為黏土、粉土和砂土。

2.3.2鉆機(jī)使用情況

使用YSZ-50型聲頻鉆機(jī)進(jìn)行鋼管樁施工(見圖12)，選用螺旋鉆桿、螺旋鉆頭、三翼刮刀鉆頭和三牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，摸索出三翼刮刀鉆頭破除瀝青混凝土路面、土層換用螺旋鉆頭的鉆進(jìn)工藝，純鉆進(jìn)速度可達(dá)3m/min，完成單個(gè)鉆孔平均用時(shí)30min，曾出現(xiàn)一個(gè)夜班(8h)施工20個(gè)鉆孔的記錄，充分表明聲頻鉆機(jī)鉆進(jìn)效率很高。此外，遇到地下6m砂層坍塌、鋼管無(wú)法下入時(shí)，可采用聲頻振動(dòng)將鋼管沉入設(shè)計(jì)深度，而同行的SH-30型沖擊鉆和汽車鉆無(wú)此功能，只能通過超鉆完成下管任務(wù)，該鉆機(jī)優(yōu)勢(shì)顯著。

圖12 　YSZ-50型聲頻鉆機(jī)施工鋼管樁

2.3.3問題及技術(shù)改進(jìn)

鉆機(jī)施工中發(fā)現(xiàn)以下問題：(1)缺少絞車、靠人工搬運(yùn)和下入鋼管，增大施工危險(xiǎn)并降低施工效率；(2)動(dòng)力頭的扭矩和轉(zhuǎn)速需要進(jìn)一步提升；(3)柴油機(jī)功率富余較多。

為此，對(duì)鉆機(jī)做了技術(shù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)增加了短節(jié)副桅桿和絞車，方便鋼管的搬運(yùn)和下入，更換了扭矩和轉(zhuǎn)速更大的回轉(zhuǎn)型動(dòng)力頭(動(dòng)力頭參數(shù)見表1)，該動(dòng)力頭可實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)串并聯(lián)的兩擋切換。動(dòng)力頭速度和扭矩有了更大的調(diào)節(jié)范圍，顯著提高了鉆進(jìn)效率，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域，改進(jìn)后的動(dòng)力頭和副桅桿見圖13和14。

表1　回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭參數(shù)

圖13　回轉(zhuǎn)型動(dòng)力頭

圖14　副桅桿及絞車

3結(jié)語(yǔ)

聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的研制在中國(guó)起步較晚，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局在該領(lǐng)域做了超前的探索，研制成功YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，通過多個(gè)工程項(xiàng)目的使用，展現(xiàn)出鉆機(jī)獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有良好的市場(chǎng)開發(fā)前景。應(yīng)不斷深入研究和廣泛使用、改進(jìn)優(yōu)化，以滿足不同工程的施工需要。

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作者簡(jiǎn)介：吳浩(1984-)，男(漢族)，江蘇徐州人，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事地勘裝備研發(fā)及工程施工，Tel：15132245198，E-mail：wuh1984@126.com。

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號(hào):P634.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)01-0020-03