旋挖钻机硬岩钻进技术

1、旋挖钻机硬岩钻进技术1.1?岩工程性质1.1硬岩强度与承载力根据岩土匚程勘察规范GB50021-2001 1,对岩石坚硬程度分类:表1岩石坚硕程度分类E位(MPa)坚硬程度坚硬岩较锁岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度& 6060 范 3030$p1515 范 54单轴抗丿玉强皮60Nf30 MPa,岩石即属丁较硬岩范围，常见岩石如钙质砾岩、 泥质砂岩、泥质灰岩、强风化花岗岩、止长岩等。单轴抗斥强度fr 60 MPa,岩冇屈 丁坚硬岩范围，常见岩石如钙质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩及安山岩等。岩石的单轴抗压强度是通过勘探钻机取芯在实验室内测定的强度参数，未能全面 反映岩石所在地层的匚程性质，I大

2、1此除单轴抗斥强度外，判定岩石强度还有其他的指 标，其中最雨耍的是地基承载力特征值(fj，指通过原位试验确定该岩石地层可承受 上部荷载的能力，绝大多数地质报告提供的岩层强度指标也都是承载力指标。衣2岩石性质与地卑承载力对应表单位(KPa)风化程度强风化屮凤化微风化嶼质岩石7001500150040004000软质岩石600 1000100020002000由丁硬质岩石所具备的高强度和高承载力，使得它可以作为建筑物或构筑物基础 良好的持力层，因此在桩基础施工领域中，往往要求端承桩(入岩桩)桩端深入中风 化岩层$0.5米或者M1.5借桩径距离。1.2岩石强度的影响因素影响岩冇强度的因素是多方面的：

3、1矿物成分岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生fi接影响，如石英比例禽屋 高的石英岩强度高丁方解石比例倉最尚的大理岩。2. 结构常见的结构有结晶连接的岩石和胶结物连接的岩石，结晶颗粒大小和胶结联 结的形式都对岩石强度有重耍影响。3. 构造主耍是指矿物成分在岩石中分布的不均匀性和岩石结构的不连续性，如片状构造、板状构造、千枚状构造等。4水岩石被水饱和后强度有所降低，岩石几隙度越人，水的软化性表现的越明显。5风化风化作用促使岩石的原有裂隙进一步扩大，并产生新的风化裂隙，使岩石矿物 颗粒间的联结松散和使矿物颗粒沿解理面刖解。因此从上面影响因素可以看出：禽石英、长石、角闪石等硬质矿物比例心j;细粒结

4、晶或者钙质、硅质胶结；块状构造、矿物分布均匀；风化程度和含水最低的岩石强 度较高，反之较低。如下图：图1结晶结构、石英长石含灵高（硬岩）图2石英含杲高（硬岩）图3颗粒人，结构松散（软岩）图4粘十矿物（软岩）1.3硬岩钻进特性硬岩钻进特性包括：岩石可钻性、钻进速度与效率、孔壁稳定性、钻进成木等多 方面，下而对这些指标进行详细分析。可钻性：硬质岩石由丁强度和唤度较大，其钻进难度较大。此外，岩石的可钻性 与其风化程度、矿物成份、构造结构有很大的关系。钻进速度与效率：在强风化岩层，1米桩径为例，旋挖钻进速度人致0.52m/h,至中风化岩层，钻进速度约为0.250.5m/ho孔堆稳定性：岩层稳定性好，钻

5、孔孔唯稳定，岩层孔堆段一般无塌孔、剥落现彖。钻进成木：岩层钻进速度慢，油耗大，此外，钻齿磨损严朿、钻杆和钻机故障发 生率较其他地层高，因此钻进成本也是在所有地层屮垠人。旋挖施工中常见的哽岩有花岗岩、鈣质砂岩、石灰岩等地层。换质岩层的钻进难 度大、效率低，对设备配壳和操作方式要求高，因此对旋挖钻机硬岩钻机技术的研究有着I分巫耍的意义。下图5、6是石灰岩钻几和石英砂岩取芯的照片。图5石灰岩钻孔图6石英砂岩岩芯2.硬岩破碎理论单轴和三轴斥缩破坏试验中，硬质岩石都显小出典型弹脆性材料的力学特性和本 构关系。接下來将根据硬岩的这-本构关系及力学特性，进行硬岩的破坏理论研究并 探讨硬岩破坏的最佳边界条件。

6、旋挖钻机破岩成孔屈于机具破岩，即指通过机械驱动接触岩石的刀具接进行岩 石破祁的技术。依据破岩工具和破岩原理，可将机械破岩方法大体可以分为：冲击破 岩、切削破岩、冲击一切削破岩和动静荷载耦合切削破岩。结合三一现有旋挖钻机性 能，可实现的破岩方法有切削破岩、冲击一切削破岩和动静荷载耦A切削破岩三种。 机具破岩方法可看作是被破坏岩石的受力边界条件。岩石的位移边界条件是多种多样的，与岩石受力破坏时所处的状态有关。旋挖钻 机在冏岩内破岩成孔且的岩石位移边界条件称为岩石孔内位移边界条件。当旋挖钻机 在周閑具有h由面的岩体即孤立岩体破岩成孔的岩石位移边界条件称为岩石孔内H 由而位移边界条件。依据以上岩石破坏

7、受力与位移边界条件分析可知，旋挖钻机破岩 过程中根据钻机实际性能來选择岩石破坏最佳受力与位移边界条件是高效破岩的关 键。切削破岩岩石破坏边界条件力边界条件1冲击一切削破岩动静荷我耦命切削破岩孔内位移边界条件I位移边界条件、图7弹性压头侵入状态图8弹脆性压头侵入状态孔内自由面位移边界条件21破岩方式及岩石受力分析1 切削破岩通过实验室研究发现，利用刮刀能够破碎抗斥强度为187 MPa的白云岩，随切割 深度与切割宽度比增大，岩石破碎比能逐渐减小，当切割深度为切割宽度的2/3至1/2 时，切割效率最宙j。但这种破岩方法由丁刀具寿命的原因，多用丁煤和软岩，也可用 丁节理非常发育的硬岩。根据旋挖钻机的.

8、作特性，在硬岩中使用切削破岩方法钻进 在现阶段是不能实现的。故忽略此种破岩方式的研究。2 冲击一切削破岩冲击一切削破岩是破傑坚硬脆岩的有效方法，与旋挖钻机匸作条件下得加载类型 和加载方式极为相似，这是宙丁组成岩石的晶粒软硬不一而导致刀刃尚低起伏和产生 冲击荷载，旋挖钻机钻进加用力恒定时的破岩钻进即是此种破岩方式的实际应用。下面分析旋挖钻机钻头在冲击动荷载情况下的岩石损伤特点：中间裂纹动态侵入断裂过程一般产生hertz、中间、径向和侧向裂纹，前三种裂纹产生丁加载过程且中间和径向裂纹在卸载过程中扩展，而侧向裂纹完全是在卸载时产生和扩展 的。冲击作用下，岩石硬度、弹模随加载率的变化而变化，因此径向裂

9、纹长度耍考虑 材料的硬度和弹模的变化。可得c =巒（目/弘严/位严眄Y心严（1）式中m为压头质0； v是儿何因子；c为径向裂纹长度；是与岩石材料、钻头形 状无关的无最纲常数：E, H为被侵入材料的弹模和硬度。3 动静荷载耦合切削破岩将典熨的硬脆性岩石在动滚耦介载荷作用下的载荷一侵深曲线简化成如图9所示。 图中实线表示预加静斥作用的载荷一侵深关系，虚线表示冲击作用的载荷一侵深关系。 将上述折线用数学式來分析静压+冲击耦介破碎岩石的载荷一侵深，曲线的斜率为：(2)式中巧一（j,j+l）载荷一侵深段j端的载荷：賂一山+1）载荷F深段j+l端的载荷：S 厲j+1）载荷一侵深段j端的侵入深必 S -（j

10、j+1）荷一侵深段j+1端的侵入深 度。疋斜率（.0）表示岩石发生弹性变形和岩石破碎，负斜率（匕)+cx2(6)旋挖钻机钻进花岗岩时一般采用筒钻开椚后使用螺旋钻破坏岩芯的钻进方式，由 公式(6)可以看出，这种方法可以有效减小钻齿侵入岩石时所需要压力，具体效果 与开榊深度和钻齿丿玉入岩石点与开杷I的距离有关。当钻齿斥入岩石点与开榊的距离过 大时，此效应的效果就不明显了。(例如：桩径1.5m的花岗岩钻孔，筒钻开槽深度为 lm时，采用筒钻开槽后螺旋钻破坏岩芯的施工方法一次成孔时，根据公式(6)计算， 螺旋钻中心齿侵入岩石所需斥强为孔内边界条件的0.6倍)。使用扎内开槽形成孔内n由面边界条件的钻入方法

11、对旋挖钻机钻入较硬花岗岩是 有利的，其效果可根据开杷/深度与钻齿钻齿压入岩石点与开杷的距离确定。2.3结论根掘对硬岩力学特性和木构关系的研究，对硬质岩石的破坏理论进行研究并探讨 破坏岩石的最佳边界条件，定性的找出钻孔破坏硬岩的最佳力边界条件及位移边界条件，为尚效钻进技术的研究打下基础。3硬岩地层旋挖钻进荷载施加方式根据第二节“硬岩破曲理论研究分析可知：1、岩石的体积破碎与载荷（动、筋 载荷）成一定的递增函数关系。因此在一定范I韦I内加大静床力和冲击力可以使破碎体 积很快增加，提岛破岩效率；2、在冲击力破岩之前，先预加静压力对岩石进行预应 力损伤，对提高破岩效率意义重大：3、若冲击力采用加载卸载

12、加载周而复始的破碎 循环，对J：破碎岩石是特别有利的作业方式。通过对岩石破碎各种理论分析和探索，揭示出机械破岩的载荷作业模式和规律, 可得出以卜结论：动静耦合加斥方式破岩是旋挖钻机钻进较硬花岗岩地层最有效的破 岩加压方式。加压曲线示意图如下所示：图12动静耦介加压曲线示意图图中指钻进过程中施加的高斥（即冲击荷载）值，马指钻进过程中施加的低 压（即静荷载）值，心、丫2、厶指施加各类荷载的时间。动、静载荷耦介作用的加载点人（亦即动载的施加点）应是任岩石己发生体积破 碎、岩屑己崩出、丿来实体乂得到充分斥实之后，即传统的载荷一侵深曲线处丁负斜率 段，此时施加动荷载破岩效率般高，即在此时施加动荷载旋挖钻

13、进硬岩速度故快，但 此加载点需耍机手根据钻机震动情况判断岩石受力破坏状态來确定。-（2时间段 长短根据进尺快慢情况和钻机震动情况调节。G T右时间段长短根据钻淹捞进钻斗 快慢情况调节。施加高压、低压的交互操作,加压曲线如图12所示。其钻入过程为：施加高压 时钻齿钻进土体，钻杆转速减缓，扭矩增大，是钻齿钻入破坏土体的过程：施加低压 时，钻杆转速加快，扭矩减小，是将钻下的土体扫进钻斗的过程。4硬岩地层钻进所需钻杆、钻具及钻进方式4.1硬岩地层旋挖钻进所需钻杆钻进单轴饱和抗斥强度30MPa以上的硬质岩层,其地棊承载力一般烏于600KPa, 已不适用摩阻杆钻进，需根据孔径、孔深及钻机情况配备相应机锁杆

14、。4. 2硬岩地层旋挖钻进所需钻具根据第二节“硬岩破碎理论研究成果可知：当旋转钻头附近存在有H由面时，钻 头侵入时岩石会产生侧旁的破碎，有利丁提高钻头入岩效率。例如：桩径l-Sm的花 岗岩钻孔，筒钻开槽深度为lm时，采用筒钻开榊后螺旋钻破坏岩芯的施方法一次 成孔时，经计算，螺旋钻中心齿侵入岩石所需压强仅为孔内边界条件的0.6倍。在钻 进花岗岩困难时使用筒钻开杷、螺旋破碎、截齿捞砂斗捞砂是保证在花岗岩旋挖髙速 钻进的经典钻进方式。所以，硬岩地层旋挖钻进所需钻具一般为：筒钻、单头单螺螺 旋、截齿捞砂斗。4. 3硬岩地层旋挖钻进所需钻进方式当孔径较小时，旋挖钻进所需瑕佳钻进方式为一次性钻进：筒钻开槽

15、-螺旋破碎 岩柱T截齿捞砂斗捞渣。当钻孔孔径较大时，需分二级或三级钻进，即先在钻孔中心 打小孔,最后再使用筒钻及捞砂斗扩孔至设计尺寸。下面以SR 250R钻机为例,参考 单轴抗压能力为3060 MPa的较硬花岗岩地层，依据以上研究成果和实际工程施工 经验列出各种孔径的钻孔所需钻进方式。农3各种孔径的钻孔所碍钻进方式及钻进效率分析孔径(m)分级方法钻进方法钻进效率(m/h)1.0不分级1.0筒钻+1.0螺旋+1.0截齿捞砂斗21.25不分级1.25筒钻+1.25螺旋+1.25截齿捞砂斗21.5不分级1.5筒钻+1.5螺旋+1.5截齿捞砂斗1521.8两级钻进1.2筒钻+1.2螺旋+1.2截齿捞砂

16、斗 +1.8筒钻+1.8截齿捞砂斗1 2.52.0两级钻进1.2筒钻+1.2螺旋J.2截齿捞砂斗+2.0筒钻+2.0截齿捞砂斗1 1.52.2三级钻进1.2筒钻+1.2螺旋J.2截齿捞砂斗 +1.8筒钻+1.8截齿捞砂斗 +2.2筒钻+2.2截齿捞砂斗0.512.5三级钻进1.2筒钻+1.2螺旋+2.2截齿捞砂斗 +2.0筒钻+2.0截齿捞砂斗 +2.5筒钻+2.5截齿捞砂斗0.5注：本表根据现场经验得出，仅作为参考，儿体匚程碍根据实际情况儿体分析4.小结本节内容以花岗岩钻进为例,重点研究了硬岩地层旋挖钻进荷载加载方式、所需 钻杆及钻具、钻进方式，从加压操作方式和钻进方式两方而入手，达到旋挖钻

17、进硬岩 最佳匸法效果，为旋挖钻进硬岩下一阶段的研究和旋挖钻机0硬岩中的钻进提供实践 指导和理论支持。附：施工案例1.1施工地点：广东省深圳市平安大厦1.2设备及选用钻具：SR220钻机；现场钻具：机锁杆；41.5m I茨岩筒钻、*1.5m 土层双底捞砂斗、ei.Om螺钻头。1.3桩孔情况：桩深为42m左右，桩径为4)1.5m,约300多个。图1桩孔布置图2地层资料1.4地质情况：境土、粗砾粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩。 其中难钻地层为强风化花岗岩地层（图1所示的绿色虚线部分桩几）和屮风化花岗岩 地层抗压强度约为35MPa,符介本项目研究范围，此部分桩的少部分桩孔钻至微风化

18、花岗岩地层。图3 强风化花岗岩钻渣图4中（微）风化花岗岩钻渣2施工过程2.1问题分析及处理通过观察现场施工发现：旋挖钻机（使用1）1.5m 土层双底捞砂斗）钻进强风化花 岗岩地层效率低I、且除齿现象严重。 旋挖钻机（使用土层双底捞砂斗）钻进强风化花岗岩地层效率低下且 磨齿现象严雨； 旋挖钻机（使用e 1.5m 土层双底捞砂斗）在中风化花岗岩地层不进尺；分析以上现象的原因主要：操作人员加压方式不及钻具的配介施工不当。2.2解决方案（1）改进加压方式根据本文第四节“硬岩钻进匸法研究”成果可知，动静耦介加斥方式破岩是旋挖 钻机钻进较硬花岗岩地层最有效的破岩加压方式。加压曲线示意图如下所示:低压乌图5动静耦介加压曲线示意图施加高压、低压的交互操作,加压曲线如图5所示。其钻入过程为:施加高压时 钻齿钻进土体，钻杆转速减缓，扭矩增大