岩土锚固工程钻机及钻孔机具的配套选型

岩土锚固工程钻机及钻孔机具的配套选型

1．朱国平2．罗强

内容提要：本文通过介绍锚固工程施工钻孔工艺方法，阐述了相应的设备机具配套方法，提供的锚固钻机设备和机具参数对从事岩土锚固工程施工的工程技术人员具有一定的实用参考价值。

关键词：岩土锚固，钻孔，锚固钻机，跟管钻具

随着我国岩土锚固技术的不断发展，岩土锚固技术在水电、铁路、公路等基础工程建设以及滑坡、泥石流等地质灾害预防和整治工程中正得到日益广泛的应用。经过岩土锚固工程界广大技术专家、工程技术人员的不懈努力，我国的岩土锚固技术从理论到施工工艺技术已经有了长足的发展。新的施工工艺技术和方法的不断采用，更有力地促进了锚固钻机及钻孔机具的研究和开发。新设备和新机具的采用，又为我们的岩土锚固工程施工提供了有力的工艺保证手段。对于具体的锚固工程来说，能否合理地选用钻孔工艺方法和锚固钻机设备、机具配套，关系到锚固工程是否能经济有效地实施，甚至影响到工程施工质量和效

果。

岩土锚固施工钻孔工艺方法概述

依据岩土锚固对象的不同，常用的岩土锚固施工钻孔工艺方法有（1）风动潜孔锤空气钻进、（2）金刚石（合金）回转钻进、（3）干钻成孔、（4）振动成孔等。见下图：

在我们的工程施工中，重要的是要根据不同的施工对象选择合适的钻孔工艺方法以及设备、机具配套。

风动潜孔锤空气钻进

风动潜孔锤空气钻进因其冲击破碎岩石的高效率而在岩石锚固工程施工中被广泛地采用，其一般的钻进方法是大家都熟知的。但是由于锚固岩石地层的多变性和复杂性，需要采用一些基于一般钻进方法之上的特殊方法和手段。例如：风动潜孔锤单动力头套管跟进钻进、双动力头双动双管套管跟进钻进、单动力头双管空气反循环钻进等。选择或采用何种钻孔工艺方法来钻凿锚杆（索）孔，最基本的选择依据首先是要保证钻孔内钻出的岩渣能彻底排出孔外；其次是要能保持钻出的孔壁不会坍塌，这样才能保证在钻孔过程中不会产生埋钻、卡钻等事故，并能顺利地把锚杆（索）安装到位。我们的客户有相当一部分在施工过程中遇到了成孔难的问题，必须通过采用相应特殊的工艺方法和手段才能使工程得以顺利实施。

单动力头风动潜孔锤套管跟进

单动力头风动潜孔锤套管跟进是克服松散、破碎、卵砾石等复杂地层钻进的有效方法之一，根据钻具结构可分为：偏心式和同心式两种。其原理见下图

偏心式

偏心式跟管钻具由钻杆、风动潜孔冲击器、偏心钻头、套管和套管靴组成。钻进时，偏心钻头在套管鞋前钻出比套管外径大的钻孔，偏心钻具上的冲击力同时带动套管靴、套管与钻孔同步跟进，钻出的岩屑则通过套管与钻杆之间的环隙由空气上返至孔外，达到既保持钻孔内清洁又保护已钻出的钻孔目的。在松散、破碎地层施工完毕后，偏心钻头可通过反转回缩，并从套管内孔中提出内钻具，然后再用小一号冲击钻头在锚固段钻进，待锚索安装完毕后，再把套管从钻孔中拔出。这种钻具由于其结构简单，制造成本低，管靴可通过直径较大等优点而在工程施工中被广泛采用。

同心式

同心式跟管钻具组成与偏心式基本相同，不同之处是同心式套管靴与套管钻头之间有相对回转运动，所以在结构上同样规格的套管及管靴要比偏心式的小8～10mm，套管靴、套管钻头加工成本较高。其优点是中心钻头的使用寿命长，钻具回收成功机率高，操作比较容易。

双动力头双管套管跟进

与单动力头风动潜孔锤套管跟进工艺不同的是进行双动力头双管套管跟进钻孔时，首先要具备双动力头钻机，套管在钻孔过程中一般以与中心钻具相反方向进行回转。其钻具组成原理如左图：

这种工艺方法由于套管在钻进过程中进行回转和给进，使得钻孔深度可以较深，对地层的适应范围也广，可以在粘土、淤泥质、砂层或流砂地层钻进，也可以在松散、破碎、堆石体等岩石地层中采用风动潜孔锤空气钻进。

单动力头双管反循环钻进

与常规正循环钻进方法不同的是钻具组合中采用的是双壁钻杆。钻孔过程中，压缩空气经双壁钻杆内、外管之间的环状间隙送到冲击器上方的转换接头处，经转换接头送入冲击器工作，破碎下来的岩粉经冲击器上返至转换接头处，经转换接头进入双壁钻杆的中心管，由中心管将岩粉排出孔外。这种方法由于避免了上返压缩空气在地层裂隙中的漏失，使在排渣过程中能保持较高的上返速度，从而能把破碎下来的岩屑彻底从孔内排出，保证了孔内的清洁，从而获得较高的钻孔效率。对于大多数裂隙发育的漏失地层，钻孔过程中能有效地避免卡钻、埋钻等事故。但不适合用于松散、容易坍塌的地层。

另外一种钻具组合是由一个动力头同时驱动外管（套管）和钻杆同向回转，破碎下来的岩屑则类似于双动双管钻进方法，也是从外管和钻杆之间循环排出。

金刚石（合金）回转钻进

对于大多数岩石锚固及滑坡治理工程来说，钻孔时水（或泥浆）是被禁止使用的，但在一些抗浮锚杆、深基坑支护以及船闸室工程施工中，尤其是在地下水位较高的地区，往往采用回转钻进，水（或泥浆）循环排渣的传统钻孔方法。在一些大量含粉砂、砂砾岩和淤泥质土层中为了解决护孔问题，往往还采用全套管回转钻进法。例如：正在施工的江苏淮阴三线船闸工程，设计压力分散型锚索吨位50～80t，钻孔深度30～35m，采用φ168全套管钻进成孔，锚索则从φ168套管中安装，这样保证了成孔质量和锚索安装的顺利进行。

其它钻进成孔方法

在大多数粘土、黄土地层中进行锚固工程施工时，长螺旋钻进方法也常常被采用；对于孔径、孔深均不大的土层锚杆施工，还常常采用洛阳铲成孔。在南方地下水位较高的饱和土层中，（例如浙江、上海等）进行深基坑挂网喷锚施工时，现在还广泛采用振动冲击法把钢管直接打入地层中，然后压浆锚固。

岩土锚固工程钻机设备选型及配套

我们的钻探工程师在进行某项具体的锚索工程施工准备阶段，除了对地质情况进行充分的分析研究制订出合适的施工工艺方法之外，选择的锚固钻孔设备和机具要能与相应的施工工艺方法相互配套，这样才能收到事半功倍的效果。相关的因素包括以下几方面：

锚固钻机设备的能力

空气压缩机的能力（水泵能力）

钻杆、钻具的配套

2．1．锚固钻机设备的能力

对大多数施工单位来讲，总希望所购置的锚固钻机能得到最大限度的利用。但是在具体工程施工中，由于施工地质条件的多变性，地理、地貌条件的限制以及工程设计的特殊性，往往对锚固钻机设备的能力和结构提出一些特殊的要求。使用一种型号或规格的锚固钻机有时不能解决工程中的所有问题。科学和经济地选用锚固钻机设备，使其能力和实施的具体工程相匹配，关系到工程施工能否顺利实施。市场上提供的锚固钻机设备其能力和性能各不相同，重要的是要根据我们所施工的具体工程来选用相匹配的钻机。我们在选择钻机设备能力时，应考虑的相关因素参见下图。

工程实践证明：选用锚固钻机时能力宜大不宜小。选用能力较大的锚固钻机对提高工程施工效率有十分积极的作用，尤其是在一些地层复杂，钻孔过程中容易出现坍孔、卡钻、埋钻等异常事故的地区。但是在大多数山区，由于受地形和交通条件的限制，这时要选择可拆性好，搬迁、安装方便的轻便型锚固钻机。

我国的生产厂商经过多年的开发、研究，已经在岩土锚固钻机的性能、能力方面形成系列化供应的能力，可以满足目前深度在100米，锚固力在3000KN以内的大多数锚固工程施工的要求。

按不同能力划分的部分锚固钻机性能参数参见表1。

2．2．空气压缩机的能力

在岩石锚固钻孔过程中，进行风动潜孔锤空气钻进工艺所需的空气压缩机能力（风量、风压）要能满足最低清孔、排渣的需要，即上返风速应≥10m/s。在施工现场，由于受输气管线路距离长短、管线接头连接尺寸以及钻孔中地层裂隙的漏失等因素影响，在理论计算值的基础上应留有余地。当已有空气压缩机的能力不能满足时，则应从钻具配套方面（比如：钻杆加粗、漏失地层配套跟管钻具等）加以克服。有经济条件的单位应尽量采购风量、风压能力较大的空压机。例如：英格索兰的HP700、HP750等。实践证明，空气钻进钻孔效率与空压机的风量、风压成正比例增长。

2．3．钻杆、钻具的配套

钻杆

钻杆的选用要综合钻机能力和清孔排渣的需要。经验证明，选用直径较粗的外平式钻杆，缩小钻杆与孔壁之间的环状间隙，将十分有利于清孔排渣，尤其是当地层比较复杂时，可有效减少卡钻、埋钻等孔内事故，提高钻进效率。

常用钻杆规格、适用孔径、适配钻机型号参见表2。

潜孔冲击器

潜孔冲击器的选用要与空压机的能力相匹配，使用低风压潜孔冲击器比较经济，但钻孔效率受到一定的影响。对一些特别坚硬的岩石，则必须使用中、高风压的潜孔冲击器才能取得良好的钻进效率。

与阀式潜孔冲击器相比，无阀式潜孔冲击器因其耗风量小、结构简单，对风量、风压的适用范围宽，可与大部分风压≤1.2Mpa的空压机配套使用等特点而被广泛使用。

无阀式冲击器的型号、规格、适用钻孔直径参数见表3。

跟管钻具

了解和掌握施工地层的资料是选择是否采用跟管钻进工艺的依据，在复杂地层中（例如岩石堆积体、强风化破碎、裂隙发育严重、古滑坡体等）钻进施工时应配备跟管钻具；其次对跟管钻具的正确、合理使用也十分重要，在对所施工的地层资料进行仔细分析、研究的基础上，结合现场试验，能帮助我们制订出合适的施工钻进参数（例如：给进力、回转速度的大小，钻进速度的控制等）。

如前述，偏心式跟管钻具因其管靴通过直径大，结构简单，成本低等优点而在锚固工程中被广泛采用。一般根据锚索结构设计要求来选择相应的跟管钻具。

目前可供选用的偏心式和同心式跟管钻具规格见表4。

★具体选用时应根据套管靴的通过直径，结合锚索（杆）的结构尺寸加以综合考虑。

跟管钻具及其正确、合理使用也显得尤为重要，并且这些往往要通过才能掌握。

跟管套管和拔管机

由于受高频冲击交变载荷的作用，跟管套管材料及连接螺纹要具备较好的综合机械性能，一般套管及接头材料应采用合金结构钢並进行热处理;连接螺纹结构尺寸要具备一定的连接强度，且要便于拧卸。

拔管机是与跟管钻进工艺相配套的辅助机具。根据跟管套管直径、孔深的不同，可供选用的拔管机型号及规格参见表5。

几点体会

岩土锚固工程施工中，合理地选择锚固钻机设备和钻孔机具的配套，关系到钻孔质量和效率，从而影响到整个锚固工程的效率和效益。

钻孔设备和机具的配套要与地层情况和施工工艺方法综合考虑。对于复杂地层钻孔，选用设备能力要大，机具配套要齐全。配套多工艺钻进方法有助于提高工程施工综合效率。

锚固工程施工钻机设备规格有待进一步完善、性能有待进一步提高。应加快研究、开发适合于多工艺空气钻进的大功率锚固钻机，並研究与之相配套的钻进机具、施工工艺方法