1、旋挖鉆機入巖機理和鉆巖效率的分析摘要：旋挖鉆機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、不連續的物質，弄清巖石的破碎機理，創造 合理的入巖條件實現快速掘進，既要依賴于力學理論和實驗手段的發展，又要依 靠現代基礎施工設備和工法的不斷進步；對旋挖鉆機而言，入巖是一個新的挑戰， 既要使機器設備在施工過程各個環節中優化匹配，又要在工程中提高鉆進破碎效 率，因此對設備的設計理念、鉆掘時的工法實踐，都提出了更高的要求。關鍵詞：旋挖鉆機；入巖；能量；簡述了旋挖鉆機在樁基礎施工中遇到的入巖問題，對入巖過程中巖石的受力 狀態以及影響因素進行分析，并針對入巖問題提出了解

2、決的措施和建議。一、參數驗證性試驗在整個試驗過程中，安排了常規的參數驗證性試驗：運用數理統計的方法， 以提高巖石破碎效率、實現低成本快速鉆進為目的，對不同組別的硬巖、風化巖， 從工作裝置（鉆桿、鉆具等）、施工工藝和工法等角度設計了多組參數進行試驗。 盡管樣本量偏小，但仍可得出一些傾向性的結論：螺旋鉆頭錐角參量的變化、點式刀具截齒的不同排列方式、嵌巖筒鉆的環 切參量等對提高破碎巖石的效率具有重要影響。采用不同的鉆進加壓模式，從能量場的角度，可合理分配破碎比功、控制 鉆進加壓的脈動頻率、提高截齒鉆具的磨蝕性等，對入巖鉆機的使用經濟性有重 要意義。使用點式刀具是入巖破碎的基本前提，如何增加鉆機的磋碾

3、剪切和循環沖 擊劈巖效應是完善入巖工法、改進設備的基本方向。二、入巖機理的初步分析壓頭侵入巖石時載荷與侵深之間的關系。首先，截齒侵入巖石時，在它的 前方出現一個袋狀或球狀的核，是物體在承受巨大壓力作用下發生局部粉碎或顯 著塑性變形而形成的，稱之為“密實核”。其次，壓頭侵入巖石的特點是：載荷 p增加之初，侵深按一定比例增加，當達到某一載荷臨界值時會發生突然的躍進 現象。待壓頭繼續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 又恢復到某種比例關系。如此不斷循環，越是脆性巖石這種躍進破碎越明顯，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， 曲線下降部分與加載

4、機構即鉆桿剛性有關，不全取決于被侵入的巖石。另外，巖 石在壓頭的作用下發生躍進式侵入后，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，由于旋挖鉆機的轉矩作用，會發生水平方向的截齒壓頭侵入一 劈裂破壞效應，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。鉆進巖石時單位能量分析。點式刀具破碎巖石，可理解為機械能轉變成 表面能（把熱能和聲能折算在表面能內，一般其量級較小，可忽略）的過程。從能 量守恒定律出發，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 力頭輸出轉矩M作的功Wp。一般在單位面積內（1

5、m直徑）鉆具在軸向力作用下所 做的功wp與破碎進尺深度h的關系為：Wp=Ph，其中P為軸向加壓力。另外， 轉矩所做的功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由此可得動力頭轉矩破碎巖石所作的有用功為；W,產Wf 叫 =2刨-2江孕P式中r點式刃齒平均半徑；巖石摩擦系數，,，一 4 其值約為 0.4；r剪一巖石的抗剪強度；只壓一一巖石的抗壓強度。同時，鉆頭每轉1周，破碎巖石所需要的功為WR,它等于巖石的抗壓強度與 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。根據能量守恒原理，破碎巖石所需的功Wr應等于軸向加壓

6、力P所作的功Wp 和動力頭轉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1周破碎進尺深度h的關系式為；. _ jliA衣用, A 戶上式表明，可用巖石摩擦系數和巖石抗壓強度來估算研磨進尺。三、提高入巖效率的問題軸向加壓力。當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，當壓力增大到截齒的抗壓強度時，截齒的磨損明顯加劇，呈現破壞性磨損。 因此，鉆壓有一個最優值，該值保證鉆頭以較高的速率鉆進而截齒磨損最小。選 取合理的軸壓是實現高效碎巖的一個必要的前提條件，軸壓應根據

7、不同的巖石性 質選取，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 截齒直徑，確定軸力比壓，以獲得較高的轉速。鉆頭截齒的冷卻。人巖鉆機進行特種工況施工時，所面對的是硬度較大、 耐磨性較高的巖石地層。鉆具與巖石摩擦時，會在摩擦接觸面產生很高的溫度， 經實際測定，該溫度主要取決于轉速、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。 當間歇切削巖石時，其磨損要比連續長距離切削小得多，因為前者能得到一定程 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，提高鉆進效率。巖石的可鉆性分級。巖石的硬度是表述巖石破碎性質的，不同的巖石抵 抗外界破壞的能力不同，對鉆掘機械的要求也有所區別。應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，以發生第一次躍進破碎時壓頭斷 面的壓強作為硬度指標，并將巖石分成12級。巖石的分級是用來判別鉆機人巖 效果的參考依據，對于不同硬度的巖石，應選用合理的轉矩和軸壓匹配。巖石對鉆具的磨蝕。入巖鉆機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；P正壓力。在材質一定的情況下，適當地調整鉆桿的軸向壓力可以減小巖石對截齒的磨 蝕速度。沖擊的內因.巖石是由各種不同強度的礦物組成的，各向異性和不均質是 它的特征，而大多數中硬和堅硬的巖石是脆性體。在軟的地方壓人深，硬的地方 壓入淺，使刀體作上下往復運動，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有關，根據實測結果，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。人巖鉆進中，截齒以一 定的速度作圓周運動，在這個過程中對巖石進行不斷的連續周期性沖擊，達到碎 巖進尺的目的。總之，旋挖鉆機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、不連續的物質，弄清巖石的破碎機理，創造合理的入巖條件 實現快速掘進，既要依賴于力學理論和實驗手段的發展，又要依靠