國外中小口徑淺層巖土鉆機的多功能化

朱江龍，潘 飛

（中國地質裝備總公司，北京100102；中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100083）

國外中小口徑淺層巖土鉆機的多功能化

朱江龍1，2，潘 飛1

（中國地質裝備總公司，北京100102；中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100083）

本文從分析知名廠商的典型機型入手，對中小口徑鉆探設備如何實現多功能化進行了總結，論述了不同工藝的適用性、多機具適配、多結構的變化、多工法的嫁接等方式來實現多功能，便于國內鉆探設備研制時借鑒。

多功能；多工藝；液壓頂沖；潛孔錘；鉆機

淺層地表的巖土鉆掘，與人類生活息息相關，涉及到人居環境的方方面面，也是全球基礎工程建設的主要投資方向：城市建筑的基礎、公路鐵路的隧道、山體基坑的邊坡、水利水電的壩基、淺層能源的開采、地質災害的治理、工程地質勘查、環境地質勘查等等。由于其適用領域的廣泛性，施工環境的多樣性，淺層地表的復雜性，淺層鉆探的密集設計，基礎建設的投資效率等等，因此，國內外所有的淺層地表鉆探設備，都具備一個共性：多功能特征，以實現其高效率。

國內外眾多的淺表巖土鉆探設備，如何體現其“多功能”含義，實現其“多功能”模式，全球多家鉆探設備制造企業有著不同的詮釋和研制路線。本文選擇了幾種典型的“多功能”鉆機進行相關的論述。

1 “多種鉆進工藝”實現“多功能”

美國寶長年Boartlongyear公司的LX系列機型（LX4、LX6、LX10機型），原機型為DB520、DB525及DB540型，其外形見圖1，技術參數見表1，該系列機型可適用多種鉆進工藝方法：

表1 LX系列鉆機的主要鉆進參數

圖1 長年公司LX6（DB525）機型

（1）巖心鉆進（繩索取心或提鉆取心）；

（2）回轉鉆進；

（3）螺旋鉆進；

（4）空氣鉆進（潛孔錘鉆進）。

采用以上鉆進工藝，可以實現設備的一機多用途：

（1）工程勘察；

（2）取心鉆探；

（3）標貫取樣；

（4）微型樁孔；

（5）高壓旋噴；

（6）水文鉆孔；

（7）礦產勘探。

那么，長年LX系列機型又是如何實現多工藝，一機多用途呢？通過表2可以看出，長年公司通過設計回轉動力頭的高低檔位、變量馬達、馬達組合以及選配不同的動力頭等一系列技術路線，以獲得高速回轉取心鉆進、低速回轉DTH鉆進以及大扭矩雙動力頭跟管鉆進等不同工藝所需要的扭矩和轉速要求，從而達到一機多用的“多功能”運行效果。

表2 LX系列鉆機的適配動力頭

2 “頂部沖擊頭”實現“多功能”

歐州知名企業的多功能鉆機，如卡薩格蘭蒂（Kasagrand）、寶長年（Boartlongyear）、土力（Soilmec）、克萊姆（Klemm）等等，其頂部沖擊動力頭大多配套的是德國克虜伯（Krupp）公司和歐鉆（Eurodrill）公司的相關產品，見表3。

表3 克虜伯與歐鉆公司液壓動力頭型號

在多種型式的動力頭中，液壓頂部沖擊頭較為廣泛地體現其驅動鉆桿沖擊并回轉的多功能特性，鉆桿與套管都可以實現高頻沖擊與回轉鉆進，液壓頂部沖擊頭的結構如圖2和圖3，部分典型液壓頂部沖擊頭的技術參數如表4。

圖2 歐鉆液壓沖擊頭

圖3 歐鉆液壓頂部沖擊頭示意圖

表4 液壓頂部沖擊頭技術參數

在多功能巖土鉆機的頂部動力頭結構中，最能體現“多功能”特性的是頂部雙動力頭中的液壓沖擊回轉－回轉頭double－head drilling（rotary－percussion），見圖4和圖5。此類復合型頂部動力頭，既具備了高頻沖擊回轉鉆桿，大扭矩回轉套管，內、外管回轉保持不同的旋轉方向，內、外管又可以保持同步，也可以在任意位置進行超前鉆進，充分體現了針對淺層地表復雜地層的“多功能”特性。德國歐鉆公司雙動力頭（液壓沖擊回轉－回轉頭）的部分型號技術參數列表，見表5。

圖4 歐鉆公司液壓沖擊回轉－回轉頭

表5 歐鉆部分液壓頂部沖擊雙動力頭技術參數

圖5 歐鉆公司液壓沖擊回轉－回轉頭圖

3 “底沖鉆具”（空氣潛孔錘）與雙回轉動力頭實現“多功能”

在依靠上述結構實現鉆桿的頂部沖擊回轉與外套管的回轉之外，一些專業化公司，如美國長年公司，為雙回轉頭鉆機設計了另一種“多功能”模式：外套管回轉，鉆桿頂部回轉＋潛孔錘底部沖擊的鉆進模式，見圖6和圖7。這種通過孔底沖擊鉆具的配套實現的多功能模式，與頂部沖擊回轉鉆進相比較，各自具備一定的優勢，詳見表6。

圖6 歐鉆公司雙回轉動力頭

圖7 潛孔錘鉆具與雙回轉頭的銜接

表6 液壓頂錘與空氣潛孔錘的優劣勢比較

4 全方位變幅機構及可變桅桿實現“多功能”

表7為意大利土力（Soilmec）公司的中小型巖土鉆機的應用領域，通過表7可以看出，多功能鉆機的每一種基本機型都具備變幅機構，以滿足不同施工環境的應用，且在附加一定的附屬裝置，如旋噴附件、雙動力頭、加長桅桿等之后，更拓展了該機型的多功能性。與土力公司相同，克萊姆、卡薩、長年等同類產品的結構型式都具有靈活機動、全方位拓展的變幅機構，見圖8。

表7 意大利土力公司中小型巖土鉆機應用領域

圖8 多功能鉆機的擺幅機構

5 “多種施工工法”的嫁接實現“多功能”

以日本礦研RPD系列鉆機為例，主機結構與其他企業同類產品類似，在管棚、錨固、錨索、搶險、水井等施工中與其他鉆機也沒有區別。而其整機“多功能”則更多表現在主機之外的附加裝置的嫁接及施工工法的延展上。如：MWD超前地質預報、PS沖擊鋼絲繩取心工法、防突發水和注漿止水工法等等。RPD系列鉆機是通過傳感器信息處理技術、注漿止水技術及鋼絲繩取心技術與鉆機載體設計之間的融合，實現其在鐵路隧道、水電壩基建設中注漿孔、爆破孔、管棚支護鉆探中的綜合效能（鉆注一體、鉆取一體、超前預報）。

5.1 MWD超前地質預報工法

MWD工法通過鉆機上安裝的各種傳感器，測定、分析鉆機鉆孔時采集到的數據（鉆孔深度、鉆孔速度、轉速、扭矩、旋轉壓力、打擊能、打擊數、打擊壓力、推進力、送水量、排水量、送水壓力、排水壓力等），即時掌握掌子面前方的地質狀況，如：巖盤軟硬、有無涌水、有無空洞（溶洞）。采集到的數據和曲線圖表可以即時反應在顯示器上，操作員可以邊觀測顯示器的數據變化邊進行鉆孔作業。鉆探數據可即時保存便于后期研究。

5.2 PS沖擊式鋼絲繩取心工法

PS沖擊式鋼絲繩取心工法是將繩索取心鉆心鉆具在多功能鉆機上的適配，可以無需拔出鉆桿，在易坍塌的軟弱破碎巖層中進行取心作業，而且加入沖擊功能后可以實現鵝卵石和沙礫層的快速取心。

圖9 MWD工法示意圖

圖10 PS鋼絲繩取心工法

5.3 防涌、防突水和注漿止水工法

RPD鉆機的鉆具內部都設有單向閥，鉆孔過程中可阻止地下突發水通過鉆具涌出；根據不同地質條件，還配有各種型號的高壓孔口止水裝置。遇有高壓地下水時，可采取注漿止水或排水的方法處理。

圖11 注漿止水裝置

綜上所述，國外中小口徑巖土鉆機的多功能實現方式有所不同，但其基本特點，如：全液壓動力頭驅動、全方位變幅機構、具有頂部沖擊功能等是相同的。幾大知名廠商，如土力、寶峨、阿特拉斯、卡薩、長年等的產品各具特色，都已具備成熟的多功能鉆機產品體系，并不斷在謀求其新興領域（油頁巖）的拓展和完善。目前，國內同類產品正處于快速發展階段，不同技術層次的多功能鉆機不斷在基坑、隧道、邊坡、勘查、水電、抗旱、地溫能等市場上推出，多數機型側重于適用潛孔錘跟管鉆進工藝方法，而針對不同鉆進工藝、施工工法、適用地層、應用環境的，技術集成度較高的多功能鉆機產品尚未形成系列化研制和規模化生產，希望能夠從國外同類產品中得到一些借鑒。

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2012－04－04

朱江龍（1974－），男（漢族），1997年長春地質學院探礦工程專業畢業，中國地質大學鉆井工程在讀博士，目前任中國地質裝備總公司技術中心產品開發部主任，高級工程師，長期從事鉆探設備開發工作，Tel：13701073721，E－mail：zhujianglong＠cgeg.com.cn。