旋挖钻机在大直径硬岩地层施工工艺的研究

　　摘 要：旋挖钻机在硬岩地层钻进时，经常出现钻进困难、钻进效率低、机器故障率高等问题，导致施工效率较低。本文通过对分级钻进施工工序、分级方法的理论研究，提出了具体的施工工艺方法，并借助徐工XR460D旋挖钻机在徐州三环路高架桥中的施工进行实验验证，经验证此施工工艺可大大提高大直径硬岩钻进效率，极具推广意义。
　　关键词：旋挖钻机；大直径硬岩钻进；分级钻进；筒钻取芯
　　1、前言
　　旋挖钻机在大直径坚硬岩层钻进时，常出现钻进难、钻进效率低、机器故障率高的现象，导致旋挖钻机在大直径入岩施工中经济收益差，施工推广难等难题。解决旋挖钻机大直径硬岩地层钻进难，钻进效率低的问题，对旋挖钻机在硬岩层钻进施工的推广具有十分重要的意义。
　　本文结合徐工XR460D旋挖钻机（钻机性能见表1）在徐州三环路高架桥中的施工进行研究。此工况地质条件较复杂，岩层主要以灰岩为主，灰岩裂隙中等发育，且灰岩中溶洞发育多以中小型溶洞为主，灰岩最大饱和单轴抗压强度达90Mpa、钻孔直径在2m-3m之间，钻孔深度30m左右，施工难度较大，国内类似工况施工因为效率低、机器故障率高等问题，用户不能得到满意的经济收益，致使旋挖施工工法未在该工况施工中得到推广。

　　2、目前技术现状
　　目前旋挖钻机在解决大直径硬岩地层钻进中，大多采用以下施工工艺：
　　1）使用钻具组合施工工艺。即先使用筒钻钻进，然后使用螺旋钻头破碎，最后使用双底板捞砂斗捞渣。此种施工工艺，需频繁更换钻头，钻进辅助工时较多，导致效率较低，且截齿消耗量较大。
　　2）采用在大直径桩孔的中心先用旋挖钻机合理“取芯”，再用冲击钻冲击成孔的方法。这样的组合方式大大加快成孔速度，但施工中必须配置旋挖钻机与冲击钻，任何单独一台设备无法有效施工。
　　3）采用分级钻进施工工艺进行钻进。该工艺对大直径硬岩地层钻进较为有效，但由于目前研究及实践较少，存在分级方式混乱、不能合理使用钻头、没有规范的操作流程等问题，导致分级钻进施工工艺的优势无法发挥出来。
　　3、分级钻进的研究
　　通过对原有工艺的研究，发现分级钻进施工工艺极具研究价值，其工艺核心原则是将单次成孔较困难的大直径硬岩钻进，分成几个层次等级钻进，有效降低单次钻进难度，并通过各层次等级钻进间的相互影响，减小钻进难度，最终实现较大直径的钻进。
　　但由于目前对于分级钻进的研究还较少，理论缺乏，导致实际施工中施工工序、分级方法混乱，分级钻进的优势难以发挥，因此对于分级施工工艺的合理优化，将是解决大直径硬岩地层钻进的问题的核心。
　　3.1分级钻进理论研究
　　3.1.1分级钻进施工工序研究
　　通过对分级钻进的现场资料收集及理论计算，将分级钻机各级钻进时钻具使用及操作流程整理如下（如图１所示）：
　　第一步：先使用小孔径岩石筒钻钻进，并配合小孔径捞砂斗清渣，反复配合钻进到设计终孔位置。
　　第二步：使用大孔径岩石筒钻进行扩孔，钻进到一定深度后，扩孔切削下来的碎石，会将小孔径空间填满。
　　第三步：当小孔径空间被填满后，使用小孔径捞砂斗进行清渣，然后再使用大孔径岩石筒钻继续扩孔，如此反复，最后使用大孔径捞砂斗清孔到设计孔深位置。
　　3.1.2分级钻进方法研究
　　如何对桩孔进行分级设计一直是分级钻进研究的瓶颈，分级过少将导致每一级钻进难度增大，施工效率降低；分级过多将导致钻具配置增加，施工流程复杂，施工效率降低。只有最合理的分级才能将分级钻进的优势真正发挥出来。
　　根据J• Brych自由面岩石破碎理论，当旋转钻头附近存在有自由面时，钻头侵入时岩石会产生侧旁的破碎，有利于提高钻头入岩效率。钻头离自由面槽的距离在10cm之内时，钻进效率较高（如图２所示）。 　　为保证扩孔钻进时，小孔径破碎所形成的自由面，对扩孔钻进的有益影响，需保证筒钻内齿距小孔外径在10cm左右，加上筒钻破碎时自身所形成的12cm的圆环槽，便可确定分级方法。
　　由以上理论确定的每相邻钻孔直径差控制在44cm左右，但上述理论是建立在岩石完整的基础上，由于实际工况中，岩石存在一定破碎，且破碎程度差异较大，故实际分级时每相邻钻孔直径差控制在40-70cm，具体选择需根据地质资料。
　　3.1.3分级钻进时操作原则
　　1）第一级钻进时筒钻取芯优先的操作原则；
　　2）扩孔钻进时使用岩石筒钻原则。如果使用双底板扩孔钻进，边齿受力，中心悬空，会出现钻头易磨损的问题，而且使用岩石筒钻扩孔钻进比使用双底板扩孔钻进施工效率提高了2倍；
　　3）使用大孔径岩石筒钻进行扩孔原则。根据已施工小孔所容纳的土石方量与扩孔切削的碎石土石方量，计算当小孔空间填满时，大孔能扩孔的深度，合理安排扩孔钻进深度。
　　3.2分级钻进现场实验
　　通过以上理论研究，对徐工XR460D旋挖钻机在徐州三环路高架桥施工工程，进行现场验证（如图3所示）。
　　通过大量试验，最终找出适合XR460D在不同强度灰岩的最佳分级方法（如表3所示）， 　　由表可看出，岩石强度越小分级次数越少，分级极差越大，最大可达70cm；岩石强度越大，分级次数越多，分级极差越小，分级极差应控制在30-40cm左右。通过上述实验　情况可以看出，实际分级方法与理论提出的40-70cm极为吻合。
　　现场施工中，严格按照理论提出的分级工序进行施工，施工中工序流畅，各工序衔接较好，大大减少了因频繁更换钻头、工序衔接不上、现场施工混乱引起的施工时间浪费，大大提高了钻进效率。
　　3.3 分级钻进施工效果
　　采用上述分级钻进施工工艺，XR460D旋挖钻机于2012年7月在徐州三环路高架桥工地完成了250小时施工作业。在不到一个月的时间里，成功施工直径2.2米桩孔30余根，取出岩心硬度最高达到90MPa，为旋挖钻机在大孔硬地层的施工积累了宝贵经验。
　　而采用原有施工工艺，旋挖钻机基本无法完成在如此强度、大直径地层施工。此工艺的研究大大提升了旋挖钻机在大直径硬岩地层中的钻进优势。
　　4、结论
　　通过分级钻进施工工艺的合理优化，提出的施工工艺在实际施工中表现出较大的优势，极具推广意义。由于借助具体工程进行实验研究，受实验投入限制，无法配置所有规格钻头进行分级钻进对比研究，后期还需借助不同工程进行逐一验证。
　　此工程通过分级钻进的合理应用，研究国产旋挖钻机在大孔径、高硬度地层的施工效率，提升了旋挖钻机在大直径硬岩地层中的钻进优势，推动了旋挖工法的普及。
　　参考文献：
　　[1] 宋刚.硬岩地层旋挖钻进组合工艺的研究与应用[J].施工技术,2011,40(2):72-74.
　　[2]孙秀梅,刘建福.坚硬“打滑”地层孕镶金刚石钻头设计与选用[J].探矿工程(岩土钻凿工程),2009,36(2):75-78.
　　[3]柳正刚.旋挖钻进工艺在高架桥桩基工程中的应用[J].山西建筑,2008(10):153-154.
　　[4]新型硬岩钻进双筒环形钻具的研制与应用[J].地质装备,2012(2):56-58.