旋挖鉆機(jī)入巖機(jī)理和鉆巖效率的分析

1、旋挖鉆機(jī)入巖機(jī)理和鉆巖效率的分析摘要：旋挖鉆機(jī)破碎入巖到目前為止仍是一個世界性的難題，主要有如下原 因：巖石是一種各向異性、不均質(zhì)、不連續(xù)的物質(zhì)，弄清巖石的破碎機(jī)理，創(chuàng)造 合理的入巖條件實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，既要依賴于力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，又要依 靠現(xiàn)代基礎(chǔ)施工設(shè)備和工法的不斷進(jìn)步；對旋挖鉆機(jī)而言，入巖是一個新的挑戰(zhàn)， 既要使機(jī)器設(shè)備在施工過程各個環(huán)節(jié)中優(yōu)化匹配，又要在工程中提高鉆進(jìn)破碎效 率，因此對設(shè)備的設(shè)計(jì)理念、鉆掘時的工法實(shí)踐，都提出了更高的要求。關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī)；入巖；能量；簡述了旋挖鉆機(jī)在樁基礎(chǔ)施工中遇到的入巖問題，對入巖過程中巖石的受力 狀態(tài)以及影響因素進(jìn)行分析，并針對入巖問題提出了解

2、決的措施和建議。一、參數(shù)驗(yàn)證性試驗(yàn)在整個試驗(yàn)過程中，安排了常規(guī)的參數(shù)驗(yàn)證性試驗(yàn)：運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法， 以提高巖石破碎效率、實(shí)現(xiàn)低成本快速鉆進(jìn)為目的，對不同組別的硬巖、風(fēng)化巖， 從工作裝置（鉆桿、鉆具等）、施工工藝和工法等角度設(shè)計(jì)了多組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。 盡管樣本量偏小，但仍可得出一些傾向性的結(jié)論：螺旋鉆頭錐角參量的變化、點(diǎn)式刀具截齒的不同排列方式、嵌巖筒鉆的環(huán) 切參量等對提高破碎巖石的效率具有重要影響。采用不同的鉆進(jìn)加壓模式，從能量場的角度，可合理分配破碎比功、控制 鉆進(jìn)加壓的脈動頻率、提高截齒鉆具的磨蝕性等，對入巖鉆機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性有重 要意義。使用點(diǎn)式刀具是入巖破碎的基本前提，如何增加鉆機(jī)的磋碾

3、剪切和循環(huán)沖 擊劈巖效應(yīng)是完善入巖工法、改進(jìn)設(shè)備的基本方向。二、入巖機(jī)理的初步分析壓頭侵入巖石時載荷與侵深之間的關(guān)系。首先，截齒侵入巖石時，在它的 前方出現(xiàn)一個袋狀或球狀的核，是物體在承受巨大壓力作用下發(fā)生局部粉碎或顯 著塑性變形而形成的，稱之為“密實(shí)核”。其次，壓頭侵入巖石的特點(diǎn)是：載荷 p增加之初，侵深按一定比例增加，當(dāng)達(dá)到某一載荷臨界值時會發(fā)生突然的躍進(jìn) 現(xiàn)象。待壓頭繼續(xù)侵入到一個新的深度以后，載荷p再度上升，侵深h和載荷p 又恢復(fù)到某種比例關(guān)系。如此不斷循環(huán)，越是脆性巖石這種躍進(jìn)破碎越明顯，塑 性巖石則比較緩和。再次，在曲線上升段，增加單位載荷所增加的侵深近于常數(shù)， 曲線下降部分與加載

4、機(jī)構(gòu)即鉆桿剛性有關(guān)，不全取決于被侵入的巖石。另外，巖 石在壓頭的作用下發(fā)生躍進(jìn)式侵入后，崩碎的巖石坑作漏斗狀，漏斗頂角的變化 是不大的，不論壓頭形式、侵人方法、巖石種類如何，口角一般均保持在60。 75。之間。同理，由于旋挖鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩作用，會發(fā)生水平方向的截齒壓頭侵入一 劈裂破壞效應(yīng)，此時破碎椎體不是漏斗狀，破碎角是與受力方向同向的銳角B。鉆進(jìn)巖石時單位能量分析。點(diǎn)式刀具破碎巖石，可理解為機(jī)械能轉(zhuǎn)變成 表面能（把熱能和聲能折算在表面能內(nèi)，一般其量級較小，可忽略）的過程。從能 量守恒定律出發(fā)，破碎巖石功由兩部分組成，一是軸向加壓力作的功Wp，二是動 力頭輸出轉(zhuǎn)矩M作的功Wp。一般在單位面積內(nèi)（1

5、m直徑）鉆具在軸向力作用下所 做的功wp與破碎進(jìn)尺深度h的關(guān)系為：Wp=Ph，其中P為軸向加壓力。另外， 轉(zhuǎn)矩所做的功wr用于克服摩擦作的功Wf和破碎巖石作的功Wp，即；WF=Wh+Wn。而三*- 2 霓甲 p由此可得動力頭轉(zhuǎn)矩破碎巖石所作的有用功為；W,產(chǎn)Wf 叫 =2刨-2江孕P式中r點(diǎn)式刃齒平均半徑；巖石摩擦系數(shù)，,，一 4 其值約為 0.4；r剪一巖石的抗剪強(qiáng)度；只壓一一巖石的抗壓強(qiáng)度。同時，鉆頭每轉(zhuǎn)1周，破碎巖石所需要的功為WR,它等于巖石的抗壓強(qiáng)度與 破碎體積之積.即WR=R壓Ah式中Wr破碎巖石所用的總功；A鉆具的有效工作面積。根據(jù)能量守恒原理，破碎巖石所需的功Wr應(yīng)等于軸向加壓

6、力P所作的功Wp 和動力頭轉(zhuǎn)矩破碎巖石所作的有用功眠之和。即；W廣 Wp + W一 P況伽-#/)這樣，整理后得到鉆具每轉(zhuǎn)1周破碎進(jìn)尺深度h的關(guān)系式為；. _ jliA衣用, A 戶上式表明，可用巖石摩擦系數(shù)和巖石抗壓強(qiáng)度來估算研磨進(jìn)尺。三、提高入巖效率的問題軸向加壓力。當(dāng)加在鉆頭上的壓力高于所鉆巖石的壓人硬度時，巖石就由 表面破碎轉(zhuǎn)為體積破碎，鉆速迅速增加，隨著鉆壓的增加截齒的磨損量也隨之增 加，當(dāng)壓力增大到截齒的抗壓強(qiáng)度時，截齒的磨損明顯加劇，呈現(xiàn)破壞性磨損。 因此，鉆壓有一個最優(yōu)值，該值保證鉆頭以較高的速率鉆進(jìn)而截齒磨損最小。選 取合理的軸壓是實(shí)現(xiàn)高效碎巖的一個必要的前提條件，軸壓應(yīng)根據(jù)

7、不同的巖石性 質(zhì)選取，要避免因軸壓偏低造成截齒在巖石接觸表面的磨損或疲勞破壞，要根據(jù) 截齒直徑，確定軸力比壓，以獲得較高的轉(zhuǎn)速。鉆頭截齒的冷卻。人巖鉆機(jī)進(jìn)行特種工況施工時，所面對的是硬度較大、 耐磨性較高的巖石地層。鉆具與巖石摩擦?xí)r，會在摩擦接觸面產(chǎn)生很高的溫度， 經(jīng)實(shí)際測定，該溫度主要取決于轉(zhuǎn)速、巖石顆粒的硬度和鉆具的硬度。接觸面的 溫度在低于500550C時磨損率較小，超過這個溫度時截齒的磨損率迅速增加。 當(dāng)間歇切削巖石時，其磨損要比連續(xù)長距離切削小得多，因?yàn)榍罢吣艿玫揭欢ǔ?度的冷卻。所以鉆具的及時冷卻十分重要，一般采取的冷卻方式是水冷卻，在濕 鉆過程中，沖洗液起到冷卻降溫的作用，以保證

8、鉆具的耐磨性，提高鉆進(jìn)效率。巖石的可鉆性分級。巖石的硬度是表述巖石破碎性質(zhì)的，不同的巖石抵 抗外界破壞的能力不同，對鉆掘機(jī)械的要求也有所區(qū)別。應(yīng)用相對廣泛的史氏巖 石分級方法采用斷面積為13mm2的平端壓頭，以發(fā)生第一次躍進(jìn)破碎時壓頭斷 面的壓強(qiáng)作為硬度指標(biāo)，并將巖石分成12級。巖石的分級是用來判別鉆機(jī)人巖 效果的參考依據(jù)，對于不同硬度的巖石，應(yīng)選用合理的轉(zhuǎn)矩和軸壓匹配。巖石對鉆具的磨蝕。入巖鉆機(jī)在人巖過程中截齒的磨損十分明顯，這是由 于在截齒碎巖的同時巖石也對截齒有一定磨蝕作用。巖石的磨蝕作用包含兩種不 同機(jī)理，一種是擦蝕，其特征是被磨蝕物體的硬度小于磨蝕物體，后者在前者的 表面上刮削下碎屑

9、末；另一種類似于硯臺受到墨的研磨，久而久之也要被磨蝕， 稱之為磨損。對于鋼制工具而言，除了含石英顆粒的巖石以外，都是以磨損的形 式為主。磨蝕體積與磨蝕路程成正比，正壓力和磨蝕速度與體積之間的關(guān)系為V-CP式中AVL單位路程所磨損的體積（磨損率）；w 一巖石的磨蝕性系數(shù)；P正壓力。在材質(zhì)一定的情況下，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鉆桿的軸向壓力可以減小巖石對截齒的磨 蝕速度。沖擊的內(nèi)因.巖石是由各種不同強(qiáng)度的礦物組成的，各向異性和不均質(zhì)是 它的特征，而大多數(shù)中硬和堅(jiān)硬的巖石是脆性體。在軟的地方壓人深，硬的地方 壓入淺，使刀體作上下往復(fù)運(yùn)動，造成對巖石的沖擊。沖擊周期即為齒與巖石接 觸（齒壓入巖石）一次所需的時間，保證完全破碎的條件是沖擊周期大于破碎巖石 所需的時間。截齒與巖石接觸的時間還與巖石的性質(zhì)有關(guān)，根據(jù)實(shí)測結(jié)果，同樣 條件下脆性巖石沖擊破碎所需的時問比塑性巖石小8倍。人巖鉆進(jìn)中，截齒以一 定的速度作圓周運(yùn)動，在這個過程中對巖石進(jìn)行不斷的連續(xù)周期性沖擊，達(dá)到碎 巖進(jìn)尺的目的?？傊阢@機(jī)破碎入巖到目前為止仍是一個世界性的大難題，巖石是一種 各向異性、不均質(zhì)、不連續(xù)的物質(zhì)，弄清巖石的破碎機(jī)理，創(chuàng)造合理的入巖條件 實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，既要依賴于力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，又要依靠