雙向多功能氣動(dòng)潛孔錘鉆具的研制與應(yīng)用前景預(yù)測(cè)

王 玉 溪，陳 秉 政，鄧 樹 密

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司, 四川 成都 610072)

1 概 述

雙向潛孔錘擠密鉆進(jìn)技術(shù)是一種適用于軟土地層的高效成孔技術(shù)，已成功應(yīng)用于各類土質(zhì)邊坡錨固工程、高壓旋噴工程和城市地下管線非開挖施工等領(lǐng)域。但這種潛孔錘遇到富含漂石、孤石以及卵(礫)石含量較多的松散地層時(shí)，采用常規(guī)的擠密鉆進(jìn)不但效率低，而且常因鉆頭體長(zhǎng)時(shí)間與地層中的石塊摩擦得不到冷卻而導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重、甚至出現(xiàn)燒鉆現(xiàn)象；漂卵(礫)石無(wú)法擠密時(shí)仍易發(fā)生卡鉆、埋鉆、孔壁坍塌等一系列問題，鉆孔難度仍然沒有得到解決。如果采用通常的跟套管鉆進(jìn)工藝，不但跟管鉆進(jìn)成孔操作復(fù)雜、成本高，而且遇到復(fù)雜地層時(shí)其跟管深度也會(huì)受到限制。新型多功能氣動(dòng)潛孔錘貫通式反循環(huán)排渣鉆進(jìn)作為一種新方法被提出，其用于各類復(fù)雜地層施工不僅可以大幅度提高鉆孔成孔效率，而且有利于文明施工和環(huán)境保護(hù)，能夠徹底解決所遇到的復(fù)雜地層快速成孔的技術(shù)難題。

2 雙向多功能氣動(dòng)潛孔錘鉆具的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 雙向多功能氣動(dòng)潛孔錘鉆具結(jié)構(gòu)

筆者收集了原雙向潛孔錘推廣應(yīng)用方面存在的問題后進(jìn)行了認(rèn)真地分析，確定了研究方向和思路，研制出了直徑130 mm 的雙向多功能氣動(dòng)潛孔錘，其結(jié)構(gòu)見圖1。

1-上接頭；2-逆止閥；3-配氣軸；4-上軸套；5-上缸體；6-上護(hù)罩；7-調(diào)整墊；8-配氣軸；9-芯管；10-外缸套；11-內(nèi)缸套；12-內(nèi)隔環(huán)；13-配氣襯套；14-活塞；15-復(fù)位彈簧；16-矛頭總成；17-扁銷；18-O型密封圈；19-內(nèi)六角緊l固螺釘；20-O型密封圈；21-彈簧座；22-回程彈簧圖1 PDH-130 型雙向多功能氣動(dòng)潛孔錘鉆具結(jié)構(gòu)圖

2.2 雙向多功能氣動(dòng)潛孔錘鉆具的工作原理

如圖1所示，改進(jìn)型雙向氣動(dòng)潛孔錘主要由上接頭、逆止閥、配氣軸、上軸套、上缸體、上護(hù)罩、配氣座、芯管、外缸套、內(nèi)缸套、配氣襯套、活塞、復(fù)位彈簧、矛頭總成(或反循環(huán)鉆頭總成)等部件組成，其中實(shí)現(xiàn)雙向沖擊功能的沖擊器主體部件安裝在外缸套內(nèi)。

改進(jìn)型雙向氣動(dòng)潛孔錘的工作過程為：鉆頭或矛頭的上接頭上與鉆桿相聯(lián)，下與配氣軸聯(lián)接，配氣軸與芯管過盈配合聯(lián)接，芯管與砧座相聯(lián)，其內(nèi)腔構(gòu)成壓縮空氣的排出通道。配氣軸與上軸套通過扁銷聯(lián)接，上軸套、沖擊器主體外缸套、內(nèi)缸套構(gòu)成壓縮空氣的進(jìn)氣通道。鉆進(jìn)過程中，壓縮空氣經(jīng)鉆桿進(jìn)雙向氣動(dòng)潛孔錘的下接頭，推開逆止閥進(jìn)入配氣軸內(nèi)腔，經(jīng)配氣軸的進(jìn)氣通道進(jìn)入沖擊器主體外缸套與內(nèi)缸套之間的環(huán)狀間隙、進(jìn)入沖擊器遠(yuǎn)離鉆頭的一腔推動(dòng)活塞下行，以一定的速度沖擊砧座，沖擊行程結(jié)束。活塞運(yùn)動(dòng)速度與方向的改變，壓縮空氣經(jīng)配氣軸的進(jìn)氣通道進(jìn)入沖擊器主體外缸套與內(nèi)缸套之間的環(huán)狀間隙，經(jīng)由內(nèi)缸套上所開的進(jìn)氣孔道進(jìn)入沖擊器靠近鉆頭的一腔，推動(dòng)活塞上行至初始位置，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)旋沖鉆進(jìn)。活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，大部分氣體經(jīng)芯管內(nèi)腔、配氣軸排氣通道排出，部分氣體通過砧座內(nèi)腔、鉆頭內(nèi)氣體通道及鉆頭端部的排氣孔排出，冷卻鉆頭刃齒及鉆頭體外表面。提鉆遇卡時(shí)，將沖擊器反轉(zhuǎn)一定的角度，上軸套內(nèi)部環(huán)形布置的五處扁銷沿配氣軸滑槽滑動(dòng)，配氣軸帶動(dòng)芯管向上浮動(dòng)，沖擊活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、行程改變，沖擊器切換至反向沖擊狀態(tài)后即可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆具并將鉆具整體、逐步提出孔口。

3 各類地層中鉆孔的基本配置

3.1 鉆具基本性能參數(shù)

改進(jìn)后的鉆具基本性能參數(shù)見表1。

3.2 土層鉆進(jìn)時(shí)鉆具的基本配置

表1 改進(jìn)后的鉆具基本性能參數(shù)表

3.2.1 造孔設(shè)備

采用巖芯鉆機(jī)或履帶式潛孔鉆機(jī)。由于該鉆具具有提鉆反向沖擊功能，需要對(duì)巖芯鉆機(jī)卡盤推力球軸承部位和履帶式潛孔鉆機(jī)的動(dòng)力頭裝置進(jìn)行局部改裝以防高頻振動(dòng)、沖擊對(duì)鉆機(jī)產(chǎn)生破壞作用，改進(jìn)后的動(dòng)力頭裝置見圖2。

圖2 改進(jìn)后的動(dòng)力頭裝置示意圖

3.2.2 造孔機(jī)具組合

采用雙向擠密式潛孔錘配階梯形仿真鉆頭體(圖3和4)實(shí)現(xiàn)不排土快速擠密鉆進(jìn)，鉆桿采用普通φ73或φ89外平鉆桿。

3.3 漂卵(礫)石層鉆進(jìn)時(shí)鉆具的基本配置

3.3.1 造孔設(shè)備

鑒于漂卵(礫)石地層復(fù)雜，鉆進(jìn)難度較大，對(duì)設(shè)備性能要求較高，因此，建議在此類地層中采用全液壓履帶式潛孔鉆機(jī)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與機(jī)具的優(yōu)良組合，才能發(fā)揮出該鉆具的優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到快速鉆進(jìn)、提高工效、降低成本的目標(biāo)。同樣，需要對(duì)履帶式潛孔鉆機(jī)的動(dòng)力頭裝置進(jìn)行局部改裝，以防止高頻振動(dòng)、沖擊對(duì)鉆機(jī)產(chǎn)生破壞作用。

圖3 不排土擠密鉆頭仿真模型示意圖

圖4 不排土擠密鉆頭實(shí)物圖

3.3.2 造孔機(jī)具組合

采用平底三切口預(yù)留中心孔反循環(huán)排渣鉆頭(圖5和6)，實(shí)現(xiàn)在漂卵(礫)石地層中反循環(huán)排渣快速成孔鉆進(jìn)。由于在該類地層中鉆具與地層之間摩擦力較大，為了減少孔內(nèi)事故發(fā)生的頻率，建議采用φ89或更大直徑的鉆桿。

圖5 貫通式反循環(huán)排渣鉆頭仿真模型示意圖

圖6 貫通式反循環(huán)排渣鉆頭實(shí)物圖

4 多功能鉆進(jìn)方式的切換組合

為適應(yīng)不同地層的鉆進(jìn)，該鉆具在功能設(shè)計(jì)上通過更換底部鉆頭體及上部過渡接頭、交叉配置裝置目前可以實(shí)現(xiàn)三種不同功能模式的鉆進(jìn)，具體情況為：

(1)雙向沖擊回轉(zhuǎn)擠密鉆進(jìn)。將鉆頭更換為階梯形或螺旋形鉆頭，根據(jù)地層情況在鉆頭體上適當(dāng)預(yù)留部分小孔，以達(dá)到冷卻鉆頭的作用，該配置適用于土層鉆進(jìn)。

(2)局部反循環(huán)排渣鉆進(jìn)。將鉆頭更換為中空三翼式平底碎巖鉆頭，以實(shí)現(xiàn)巖石破碎和排渣功能，通過上部過渡接頭及交叉配氣裝置將貫通式潛孔錘中空部分排除的鉆渣切換到單通道鉆桿與孔壁之間的間隙，按照正循環(huán)方式將鉆屑排出孔外。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是所更換的部件少，易于操作及快速切換，人工消耗少，施工成本低；缺點(diǎn)是空氣流攜帶鉆屑通過過渡接頭直接進(jìn)入鉆桿與地層間隙形成對(duì)孔壁的沖刷，對(duì)擠密地層具有一定的破壞作用，而且?guī)r屑直接返出孔口，對(duì)周邊環(huán)境及空氣質(zhì)量亦將造成一定的污染，不利于環(huán)保鉆進(jìn)。該方式僅適用于大量粘土、粉土地層以及偶夾卵石地層。

(3)雙向沖擊反循環(huán)排渣鉆進(jìn)。將鉆頭更換為中空三翼式平底碎巖鉆頭，以達(dá)到破碎巖石和排渣的功能；還需更換上部過渡接頭連接鉆桿為雙壁鉆桿，外徑110 mm，內(nèi)徑不小于50 mm。為減輕鉆桿重量，優(yōu)化了雙壁鉆桿組合，將主要傳力部分的內(nèi)鉆桿采用地質(zhì)管材按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范加工，將外鉆桿改為高強(qiáng)度鋁合金加工。如此實(shí)施，雖然加大了鉆桿外徑尺寸，但總體上減輕了鉆桿重量，有利于人工搬運(yùn)及加減鉆桿。采用這種方式，巖屑通過反循環(huán)方式排除到指定位置，對(duì)周邊環(huán)境幾乎不產(chǎn)生任何粉塵影響。

5 研究方向

通過大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合目前巖土工程的施工特點(diǎn)及需求，可將該鉆具與高壓旋噴及注漿結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)潛孔錘造孔及高噴一體化。目前國(guó)內(nèi)已有單位研制成功了潛孔錘鉆噴一體化鉆具，但其適用的地層有限，一般僅能在不發(fā)生大范圍塌孔的地層中應(yīng)用，如在粘土層、碎石土層以及砂土等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的地層中使用，而在復(fù)雜的漂、卵(礫)石等地層中會(huì)因鉆具不具有反向沖擊功能容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆等事故。

該鉆具若要實(shí)現(xiàn)鉆噴(注)漿一體化施工，需在孔口增加一套水氣漿切換關(guān)閉裝置，對(duì)孔底鉆頭體部位需要進(jìn)行改進(jìn)，將高壓旋噴或注漿的噴嘴組合在鉆具底端通過采取孔底投擲鋼球的方式封閉氣體循環(huán)通道以實(shí)現(xiàn)鉆孔和噴(注)漿功能的切換；對(duì)于覆蓋層注漿，則可采用自下而上分段的方式在鉆完的孔內(nèi)直接投入鋼球封閉氣流通道后利用預(yù)留的出漿口注漿、逐段上拔鉆桿。因其具有反向沖擊功能，可以解決局部卡鉆、夾鉆的事故。

6 結(jié) 語(yǔ)

改進(jìn)后的雙向潛孔錘鉆具根據(jù)不同地層特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)擠密、局部排渣反循環(huán)和全孔反循環(huán)等多種功能的鉆進(jìn)，基本上解決了復(fù)雜地層快速成孔及環(huán)境污染的難題，改進(jìn)并完善后的鉆具在各類地層中的鉆進(jìn)應(yīng)用既取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，又創(chuàng)造了一定的社會(huì)效益。如果能將鉆噴(注漿)功能實(shí)現(xiàn)一體化，將引領(lǐng)巖土工程領(lǐng)域施工的又一次革新，其推廣應(yīng)用前景非常光明。