干旋挖鉆機(jī)這么久，知道怎么入巖最省勁嗎？

一、入巖旋挖鉆機(jī)主機(jī)應(yīng)具備的基本條件

巖石中能量耗散規(guī)律和動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)則明確指出：“當(dāng)加載能量小于某一門(mén)檻值時(shí)，其加載能量完全不參與裂紋擴(kuò)展，全部為無(wú)用耗散能量；當(dāng)加載能量達(dá)到動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)則時(shí)，巖石動(dòng)態(tài)破壞，無(wú)功耗散能量大約為15％?！币赃@一理論為出發(fā)點(diǎn)，入巖旋挖鉆機(jī)必須具備大的加壓能力和大的動(dòng)力頭功率（大扭矩和高轉(zhuǎn)速）。首先，巖石巖石在大加壓力作用下，可實(shí)現(xiàn)巖石節(jié)理的貫通和裂紋形成，內(nèi)聚力消失從而只克服摩擦力就能從巖體上分離；可實(shí)現(xiàn)小巖體在壓力作用下被擠壓向自由面，裂紋擴(kuò)展到自由面，小巖體被剪斷從巖體上分離；也可實(shí)現(xiàn)RQD大于75的完整巖石在碾壓作用下形成巖屑。只有完整的巖石被變?yōu)樗閴K和碎屑，才能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。其次，大扭矩和高轉(zhuǎn)速的液壓動(dòng)力頭是實(shí)現(xiàn)沖擊作業(yè)的必要條件。在鉆頭截齒切削軌道上，截齒撞擊凸起的巖體，動(dòng)力頭被減速，當(dāng)截齒越過(guò)凸起的巖體轉(zhuǎn)速加快沖向新的凸出巖體，在高速、低速的轉(zhuǎn)化中巖體不斷被撞擊，高速與低速間速度差越大，凸出巖體得到的沖擊越大，只有大扭矩和高轉(zhuǎn)速的液壓動(dòng)力頭才能增大高速與低速間速度差，對(duì)于旋挖鉆機(jī)（功率較小的破巖機(jī)械）入巖而言，沖擊能有效的制造出一些大的載荷從而越過(guò)巖石脆性斷裂或塑性屈服的“門(mén)檻值”，旋挖鉆機(jī)要入巖必須實(shí)現(xiàn)沖擊過(guò)程。從入巖工況看，必須提高設(shè)備自身抗振動(dòng)能力。入巖作業(yè)中的振動(dòng)來(lái)源是鉆頭與巖石間的相互作用、鉆桿彎曲變形、鉆頭偏心、鉆具質(zhì)量分布不均等。鉆壓在增壓、減壓、浮動(dòng)模式下連續(xù)循環(huán)，這一循環(huán)是操作者控制的，其頻率大約為0.10～0.3Hz，這也是入巖鉆進(jìn)的振源之一。其次，入巖作業(yè)中某一個(gè)或幾個(gè)鉆齒不斷撞擊凸起的巖石形成不規(guī)律的“剎車(chē)”現(xiàn)象，鉆具轉(zhuǎn)速越高、巖石凹凸不平越多“剎車(chē)”頻次越高，這一振動(dòng)有時(shí)頻率很高，而且振動(dòng)的激勵(lì)、疊加和衰竭規(guī)律性也很差。從以上振動(dòng)來(lái)源看，無(wú)法通過(guò)主動(dòng)振動(dòng)來(lái)抵消被迫振動(dòng)造成的對(duì)設(shè)備的損壞，必須提高設(shè)備自身抗振動(dòng)能力。

從巖石破碎的脆性斷裂或塑性屈服的“門(mén)檻值”看，要求必須給巖石施加足夠的力。這就要求入巖旋挖鉆機(jī)必須有足夠的重量，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)大加壓能力。總之，大加壓力、動(dòng)力頭大功率和鉆機(jī)必須有足夠的自重，是入巖對(duì)旋挖鉆機(jī)設(shè)備本身最基本的要求。

二、旋挖能入巖是依靠沖擊作用實(shí)現(xiàn)的

從入巖鉆進(jìn)中對(duì)巖石作用力的方式看，各種鉆機(jī)都力求實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的沖擊作用，因?yàn)闆_擊使設(shè)備輸出的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出靜力輸出。例如潛孔錘是通過(guò)沖擊器直接沖擊巖石；反循環(huán)鉆進(jìn)中牙輪滾刀、楔形滾刀等是通過(guò)滾刀上各個(gè)點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑不同實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)巖石的沖擊。

旋挖鉆機(jī)入巖作業(yè)是通過(guò)控制鉆壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石沖擊的。鉆壓在圖二所示的模式下連續(xù)循環(huán)浮動(dòng)、增壓、減壓三個(gè)節(jié)拍。增壓時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大而減速，減壓時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)阻力減小而加速，從動(dòng)量、沖量轉(zhuǎn)化方程可知速度變化越大，變化時(shí)間越短對(duì)巖石的沖擊力越大。通過(guò)沖擊，有效解決了鉆機(jī)對(duì)巖石作用力不足，難以超越破碎巖石最低載荷值問(wèn)題。通過(guò)對(duì)巖石的沖擊也有利于自由面的形成。鉆頭連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)中，刀頭間歇地沖擊巖石，結(jié)果在刀具運(yùn)行方向上不斷形成凹凸不平，舊的凸起被破壞后又形成新的凸起。這些凹凸不平是鉆進(jìn)的自由面，無(wú)論是大自由面還是小自由面都有利于巖石受載荷（特別是受沖擊載荷）后變形從整塊巖體上剝離形成巖屑，從而增加了鉆進(jìn)效率。鉆機(jī)大的加壓能力和大的動(dòng)力頭功率是實(shí)現(xiàn)入巖的設(shè)備條件，將設(shè)備能力轉(zhuǎn)化為有效破巖能力必須經(jīng)過(guò)脈沖加壓操作方式的合理配合。從圖二“入巖鉆進(jìn)的合理加壓模式”看，旋挖鉆機(jī)入巖加壓模式為動(dòng)、靜載聯(lián)合作用，靜載可以提高沖擊動(dòng)載的作用力峰值。靜載還可以將鉆齒壓在孔底巖石上，使動(dòng)載作用直接傳遞到巖石，減少功率傳遞損失和彈性碰撞的功率損失。動(dòng)載有利于使對(duì)巖石的作用載荷超越一個(gè)門(mén)檻值。

三、旋挖鉆機(jī)入巖能力和加壓模式的有效傳遞及鉆桿應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求

在巖石的力學(xué)性能中，抗壓能力最強(qiáng)，抗拉伸、剪切、彎曲能力差得多，而地下鉆孔作業(yè)機(jī)具受作業(yè)空間限制很難直接對(duì)巖石進(jìn)行直接的拉伸、剪切、彎曲。這就需要通過(guò)鉆頭將設(shè)備提供的壓力和扭矩轉(zhuǎn)化為對(duì)巖石的拉伸、剪切、彎曲。要使鉆頭有效鉆進(jìn)巖層，應(yīng)從以下5個(gè)方面解決問(wèn)題。

1、鉆頭結(jié)構(gòu)與布齒：鉆頭結(jié)構(gòu)與布齒決定能鉆出什么形狀的自由面、自由面的大小、自由面多少。從下圖四、圖五、圖六可以看出，鉆頭前期鉆進(jìn)為后期鉆進(jìn)提供了自由面。

先期鉆進(jìn)的鉆頭為下一個(gè)鉆進(jìn)的鉆頭制造了巖體破碎的自由面。巖體受力后，無(wú)拘束的自由面為小巖塊運(yùn)行提供了空間，從圖四看刀具上的壓力已被轉(zhuǎn)化成剪切力、拉伸力或彎矩，巖體在這些力的作用下從大巖體上剝離。兩種以上的鉆頭交替作業(yè)能互相提供自由面（如圖六），使鉆進(jìn)效率大大提高，從而提高了破巖能力，降低了對(duì)主機(jī)過(guò)大的功率需求。對(duì)入巖而言，不同的巖層性質(zhì)要有針對(duì)性地配用鉆頭，鉆頭的結(jié)構(gòu)、鉆頭上刀具的形狀（截齒、斗齒等）和布置（疏密、空間角度）要根據(jù)巖體強(qiáng)度、節(jié)理的發(fā)育程度、節(jié)理的傾斜角、孔隙比、結(jié)構(gòu)間距、巖體抗剪強(qiáng)度的內(nèi)聚力和摩擦角等巖石性質(zhì)針對(duì)性設(shè)置，萬(wàn)能作業(yè)鉆頭是不存在的。

2、巖屑的運(yùn)動(dòng)：巖屑對(duì)鉆頭在孔內(nèi)鉆進(jìn)有阻礙作用，巖屑的阻力小，設(shè)備能力用于做有效功。用螺旋鉆頭、嵌巖筒鉆、撈渣斗等鉆頭配合鉆孔中，一般運(yùn)用螺旋輸送原理輸送和引導(dǎo)渣屑運(yùn)動(dòng)和排出。渣屑流動(dòng)順暢的鉆頭鉆進(jìn)較省力。

4、幾種鉆頭的配合使用：幾種鉆頭的配合使用的目的在于交互提供利于巖石破碎的自由面，將巖石破碎后，再把破碎了的巖石取出。這就涉及二個(gè)問(wèn)題，第一，鉆頭的結(jié)構(gòu)交互提供利于巖石破碎的自由面的可能性；第二，每種鉆具鉆進(jìn)深度的掌握。用旋挖鉆頭入巖最常用的鉆頭配合模式有適合硬巖（15≤Ra≤200MPa）的模式：錐螺旋鉆頭＋嵌巖筒鉆＋硬巖撈砂斗＋其它工具（如大塊石打撈鉆頭）和適合軟巖（5≤Ra≤20MPa）的模式：平頭螺旋鉆頭＋硬巖撈砂斗。還有旋挖鉆機(jī)配反循環(huán)工法和旋挖鉆機(jī)配大口徑氣動(dòng)潛孔錘工法等，但這二種工法均不能體現(xiàn)旋挖鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)，在此不多說(shuō)明。

5、如何撈取大塊巖石：用鉆桿帶鉆頭直接撈取孔內(nèi)脫落的大塊石是旋挖工法中撈取大塊巖石的最有效辦法。操作者要會(huì)感知大塊巖石已經(jīng)從巖體上脫落，大塊巖石從巖體上脫落后還要根據(jù)巖石的特性判斷是破碎后撈渣還是整體打撈?，F(xiàn)在市場(chǎng)上缺少?gòu)目變?nèi)整體打撈大塊巖石工具。但必須解決在深孔撈取大塊巖石問(wèn)題，大塊巖石不能撈出鉆進(jìn)就無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

五、必須力求減少因振動(dòng)造成的設(shè)備損壞和事故發(fā)生

在“入巖旋挖鉆機(jī)主機(jī)應(yīng)具備的基本條件”中闡述了設(shè)備振動(dòng)的成因，振動(dòng)危害如下：

①設(shè)備結(jié)構(gòu)在振動(dòng)作用下應(yīng)力循環(huán)加速，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)早疲勞失效。

②因?yàn)檎駝?dòng)方向的不確定性，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)受載更為復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成過(guò)多的三軸力，設(shè)備更容易被破壞。

③由于振動(dòng)的激勵(lì)、疊加和衰竭使很多結(jié)構(gòu)從受靜載荷變?yōu)閯?dòng)載荷，而且大多為沖擊載荷，對(duì)設(shè)備提出了更高的要求。

④加速了組織缺陷的發(fā)育和成長(zhǎng)，如焊接微裂紋和熱影響區(qū)硬化區(qū)軟化區(qū)的過(guò)渡層、材料的內(nèi)部缺陷、熱處理微缺陷等都會(huì)從振動(dòng)中吸收能量得到發(fā)育和成長(zhǎng)等。

為了減少因振動(dòng)造成的設(shè)備損壞和事故發(fā)生，應(yīng)從以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)生長(zhǎng)適合入巖旋挖鉆機(jī)：①?gòu)膭?dòng)載和疲勞的角度來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠性。

②嚴(yán)格選擇材料，選用適合的加工工藝并嚴(yán)格執(zhí)行。

③減少容易在振動(dòng)中失效結(jié)構(gòu)（如：螺接）的應(yīng)用。

六、對(duì)用入巖旋挖鉆機(jī)施工提出的幾點(diǎn)建議

1、刀具的有效使用壽命是影響鉆進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性的最重要因素，必須選用合格的截齒（或斗齒）。

2、要選擇與工程配套性良好的一種鉆桿和幾種鉆頭。

3、鉆進(jìn)巖性不同的地質(zhì)要采取不同的操作手法。

4、控制每次鉆進(jìn)的深度、掌握清渣方法和時(shí)機(jī)、刀具的冷卻等。

5、巖層的鉆進(jìn)效率是土層的1/20～1/5，設(shè)備與工具損耗也比土層大得多，要選擇工程造價(jià)合理的工程。