旋挖钻机硬岩钻进技术

旋挖钻机硬岩钻进技术1.硬岩工程性质1.1硬岩强度与承载力根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001中，对岩石坚硬程度分类：表1岩石坚硬程度分类 单位(MPa)坚硬程度坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度f r >6060≥f r＞30 30≥f r＞15 15≥f r＞5 f r≦5单轴抗压强度60≥f r＞30 MPa，岩石即属于较硬岩范围，常见岩石如钙质砾岩、泥质砂岩、泥质灰岩、强风化花岗岩、正长岩等。

单轴抗压强度f r>60 MPa，岩石属于坚硬岩范围，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工程性质，因此除单轴抗压强度外，判定岩石强度还有其他的指标，其中最重要的是地基承载力特征值(f ak)，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。

表2 岩石性质与地基承载力对应表单位(KPa)风化程度强风化中风化微风化硬质岩石700～1500 1500～4000 ≥4000软质岩石600～l000 l000～2000 ≥2000 由于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≥1.5倍桩径距离。

1.2 岩石强度的影响因素影响岩石强度的因素是多方面的：1.矿物成分岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接影响，如石英比例含量高的石英岩强度高于方解石比例含量高的大理岩。

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要影响。

3.构造主要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，岩石孔隙度越大，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崩解。

因此从上面影响因素可以看出：含石英、长石、角闪石等硬质矿物比例高；细粒结晶或者钙质、硅质胶结；块状构造、矿物分布均匀；风化程度和含水量低的岩石强度较高，反之较低。

如下图：图1 结晶结构、石英长石含量高（硬岩）图2 石英含量高（硬岩）图3 颗粒大，结构松散（软岩）图4 粘土矿物（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、钻进成本等多方面，下面对这些指标进行详细分析。

可钻性：硬质岩石由于强度和硬度较大，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，旋挖钻进速度大致0.5～2m/h，至中风化岩层，钻进速度约为0.25～0.5 m/h。

孔壁稳定性：岩层稳定性好，钻孔孔壁稳定，岩层孔壁段一般无塌孔、剥落现象。

钻进成本：岩层钻进速度慢，油耗大，此外，钻齿磨损严重、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中最大。

旋挖施工中常见的硬岩有花岗岩、钙质砂岩、石灰岩等地层。

硬质岩层的钻进难度大、效率低，对设备配置和操作方式要求高，因此对旋挖钻机硬岩钻机技术的研究有着十分重要的意义。

下图5、6是石灰岩钻孔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压缩破坏试验中，硬质岩石都显示出典型弹脆性材料的力学特性和本构关系。

接下来将根据硬岩的这一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。

旋挖钻机破岩成孔属于机具破岩，即指通过机械驱动接触岩石的刀具直接进行岩石破碎的技术。

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—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—切削破岩和动静荷载耦合切削破岩三种。

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。

旋挖钻机在围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。

当旋挖钻机在周围具有自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自由面位移边界条件。

依据以上岩石破坏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来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。

2.1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压强度为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，切割效率最高。

但这种破岩方法由于刀具寿命的原因，多用于煤和软岩，也可用于节理非常发育的硬岩。

根据旋挖钻机的工作特性，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－切削破岩冲击－切削破岩是破碎坚硬脆岩的有效方法，与旋挖钻机工作条件下得加载类型和加载方式极为相似，这是由于组成岩石的晶粒软硬不一而导致刀刃高低起伏和产生冲击荷载，旋挖钻机钻进加压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：图7 弹性压头侵入状态 图8 弹脆性压头侵入状态 动态侵入断裂过程一般产生hertz 、中间、径向和侧向裂纹，前三种裂纹产生于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，因此径向裂纹长度要考虑材料的硬度和弹模的变化。

可得231323123[()]][]d d c C E H K mV -=γγⅠξγ （1）式中m 为压头质量；γ是几何因子；C 为径向裂纹长度；ξ是与岩石材料、钻头形状无关的无量纲常数；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型的硬脆性岩石在动静耦合载荷作用下的载荷—侵深曲线简化成如图9所示。

图中实线表示预加静压作用的载荷—侵深关系，虚线表示冲击作用的载荷—侵深关系。

将上述折线用数学式来分析静压+冲击耦合破碎岩石的载荷—侵深，曲线的斜率为：11()/()j j j j j K F F U U ++=-- （2）式中j F －(j,j+1)载荷－侵深段j 端的载荷；1j F +－(j,j+1)载荷—侵深段j+l 端的载荷；j U －(j, j+1)载荷－侵深段j 端的侵入深度；1j U +－(j,j+1)载荷—侵深段j+1端的侵入深度。

正斜率(j K >0)表示岩石发生弹性变形和岩石破碎，负斜率（j K < 0）表示岩屑的形成以及压碎压实体。

如果刀具上的静载荷由零增加到5P ，那么曲线到达点（5P ，5h ），中间产生两次体积破碎，如果卸载，岩石发生弹性膨胀，侵深变小，卸载曲线到达点（0P ，6h )如果这时保持静压不变，并且加上冲击载荷时，曲线则由(5P ，5h )到达点(8P ，8h )位置，侵深随之继续增加，折线所围成的面积增加，表明所消耗的能量增加，如果停止加载，那么将沿着平行于第一条卸载曲线的路径卸载，到达点(0P ，9h )。

很显然，在静压基础上加上冲击能可增加岩石的破碎深度和体积。

如果要使破碎岩石体积最大，而破岩能量消耗小，则要根据岩石的破碎过程进行适时加载。

由图可直观地看出，当加载点确定在静载处于卸载(曲线呈负斜率)时加冲击载荷，对比静载处于加载段(曲线呈正斜率)时加冲击载荷，前者P-h 曲线所围成的面积比后者要小。

如果在发生大体积破碎时(曲线处于加载高峰点)加载，所加冲击能一部分将用于继续破碎静压作用下产生的岩石，余下的能量才用于增加侵深和体积，这种加载方式显然要多耗散破碎能量，这是不合理的。

由此说来，动、静载荷耦合作用的加载点(亦即动载的施加点)应是在岩石已发生体积破碎、岩屑已崩出、压实体又得到充分压实之后，即载荷－侵深曲线处于负斜率（j K < 0）段。

最佳加载点为图中的(2P ，2h )、(4P ，4h )或(6P ，6h )点。

图9 弹性压头侵入状态下面分析在旋挖钻机动静荷载耦合切削破岩情况下的岩石损伤特点：根据加载能量的大小可将动、静耦合作用分三种情况进行讨论：(1) 当冲击能量小于岩石破碎临界值，只对岩石产生损伤作用，而不发生体积破碎；静压则能产生体积破碎；(2) 静压只对岩石产生损伤，不参与体积破碎，冲击能对岩石发生实质性破碎；(3) 静压和冲击均能对岩石产生体积破碎。

径向裂纹长度和破碎体积如下：1）动载荷产生损伤，静载形成体积破碎:231323231/2765437[()[(1)]](cot )[()1)]c SL c S C EH D K P V A E H D K H P =-∝-ⅠⅠξ（ξ）ψ （3）2）静载荷产生损伤，动载形成体积破碎:213231231/27654341741[()[(1)]][2]{(cot )[()(1) ]} (1){[1]}2d d s c L d d s c d s C E H D K mV V A E H D K H P mV --=-∝--- γγⅠγγⅠξγ（ξ）ψγ （4）3）动、静载均产生体积破碎:**231/27631/276344311211C [()]]{(cot )[()]()(cot )*[()2mV )]/}*(1){[1]2}2s d d d d c L S L d d d c S d x k P x P k K V A E H P A E H k K P E mV mV ---=+⋅∝+⋅⋅-⋅-⋅⋅ γγⅠγγγγⅠⅠ（ξ）ψξψγγγ （5）式(3,4,5)中, L ξ,ξ是与岩石材料、钻头形状都无关的量纲，靠试验测定；E ，H ，Ed ，Hd 分别表示岩石在不同载荷作用下的弹性模量和硬度；Ks ，Kd分别表示在静载和动载下的岩石强度因子。

分析中可知：(1) 岩石的体积破碎与载荷（动、静载荷）成一定的递增函数关系。

因此在一定范围内加大静压力和冲击力可以使破碎体积很快增加，提高破岩效率；(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-加载周而复始的破碎循环，对于破碎岩石是特别有利的作业方式。

通过以上对岩石破碎各种理论分析和探索，揭示出了机械破岩的载荷作业模式和规律，为开发具有高效入岩功能的旋挖钻机、钻具和工法奠定了理论基础。

4.最优破岩方式通过以上分析可知，应用动静荷载耦合切削破岩是旋挖钻机钻进硬岩的最佳加载方式，最容易产生跃进式破坏的进尺效果，且动、静载荷耦合作用的加载点(亦即动载的施加点)应是在岩石已发生体积破碎、岩屑已崩出、压实体又得到充分压实之后，即载荷－侵深曲线处于负斜率（j K <0）段。