朱江龍，潘 飛

（中國地質(zhì)裝備總公司，北京100102；中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

國外中小口徑淺層巖土鉆機(jī)的多功能化

朱江龍1，2，潘 飛1

（中國地質(zhì)裝備總公司，北京100102；中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

本文從分析知名廠商的典型機(jī)型入手，對中小口徑鉆探設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)多功能化進(jìn)行了總結(jié)，論述了不同工藝的適用性、多機(jī)具適配、多結(jié)構(gòu)的變化、多工法的嫁接等方式來實(shí)現(xiàn)多功能，便于國內(nèi)鉆探設(shè)備研制時(shí)借鑒。

多功能；多工藝；液壓頂沖；潛孔錘；鉆機(jī)

淺層地表的巖土鉆掘，與人類生活息息相關(guān)，涉及到人居環(huán)境的方方面面，也是全球基礎(chǔ)工程建設(shè)的主要投資方向：城市建筑的基礎(chǔ)、公路鐵路的隧道、山體基坑的邊坡、水利水電的壩基、淺層能源的開采、地質(zhì)災(zāi)害的治理、工程地質(zhì)勘查、環(huán)境地質(zhì)勘查等等。由于其適用領(lǐng)域的廣泛性，施工環(huán)境的多樣性，淺層地表的復(fù)雜性，淺層鉆探的密集設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)建設(shè)的投資效率等等，因此，國內(nèi)外所有的淺層地表鉆探設(shè)備，都具備一個(gè)共性：多功能特征，以實(shí)現(xiàn)其高效率。

國內(nèi)外眾多的淺表巖土鉆探設(shè)備，如何體現(xiàn)其“多功能”含義，實(shí)現(xiàn)其“多功能”模式，全球多家鉆探設(shè)備制造企業(yè)有著不同的詮釋和研制路線。本文選擇了幾種典型的“多功能”鉆機(jī)進(jìn)行相關(guān)的論述。

1 “多種鉆進(jìn)工藝”實(shí)現(xiàn)“多功能”

美國寶長年Boartlongyear公司的LX系列機(jī)型（LX4、LX6、LX10機(jī)型），原機(jī)型為DB520、DB525及DB540型，其外形見圖1，技術(shù)參數(shù)見表1，該系列機(jī)型可適用多種鉆進(jìn)工藝方法：

表1 LX系列鉆機(jī)的主要鉆進(jìn)參數(shù)

圖1 長年公司LX6（DB525）機(jī)型

（1）巖心鉆進(jìn)（繩索取心或提鉆取心）；

（2）回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；

（3）螺旋鉆進(jìn)；

（4）空氣鉆進(jìn)（潛孔錘鉆進(jìn)）。

采用以上鉆進(jìn)工藝，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的一機(jī)多用途：

（1）工程勘察；

（2）取心鉆探；

（3）標(biāo)貫取樣；

（4）微型樁孔；

（5）高壓旋噴；

（6）水文鉆孔；

（7）礦產(chǎn)勘探。

那么，長年LX系列機(jī)型又是如何實(shí)現(xiàn)多工藝，一機(jī)多用途呢？通過表2可以看出，長年公司通過設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)動力頭的高低檔位、變量馬達(dá)、馬達(dá)組合以及選配不同的動力頭等一系列技術(shù)路線，以獲得高速回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)、低速回轉(zhuǎn)DTH鉆進(jìn)以及大扭矩雙動力頭跟管鉆進(jìn)等不同工藝所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速要求，從而達(dá)到一機(jī)多用的“多功能”運(yùn)行效果。

表2 LX系列鉆機(jī)的適配動力頭

2 “頂部沖擊頭”實(shí)現(xiàn)“多功能”

歐州知名企業(yè)的多功能鉆機(jī)，如卡薩格蘭蒂（Kasagrand）、寶長年（Boartlongyear）、土力（Soilmec）、克萊姆（Klemm）等等，其頂部沖擊動力頭大多配套的是德國克虜伯（Krupp）公司和歐鉆（Eurodrill）公司的相關(guān)產(chǎn)品，見表3。

表3 克虜伯與歐鉆公司液壓動力頭型號

在多種型式的動力頭中，液壓頂部沖擊頭較為廣泛地體現(xiàn)其驅(qū)動鉆桿沖擊并回轉(zhuǎn)的多功能特性，鉆桿與套管都可以實(shí)現(xiàn)高頻沖擊與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，液壓頂部沖擊頭的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3，部分典型液壓頂部沖擊頭的技術(shù)參數(shù)如表4。

圖2 歐鉆液壓沖擊頭

圖3 歐鉆液壓頂部沖擊頭示意圖

表4 液壓頂部沖擊頭技術(shù)參數(shù)

在多功能巖土鉆機(jī)的頂部動力頭結(jié)構(gòu)中，最能體現(xiàn)“多功能”特性的是頂部雙動力頭中的液壓沖擊回轉(zhuǎn)－回轉(zhuǎn)頭double－h(huán)ead drilling（rotary－percussion），見圖4和圖5。此類復(fù)合型頂部動力頭，既具備了高頻沖擊回轉(zhuǎn)鉆桿，大扭矩回轉(zhuǎn)套管，內(nèi)、外管回轉(zhuǎn)保持不同的旋轉(zhuǎn)方向，內(nèi)、外管又可以保持同步，也可以在任意位置進(jìn)行超前鉆進(jìn)，充分體現(xiàn)了針對淺層地表復(fù)雜地層的“多功能”特性。德國歐鉆公司雙動力頭（液壓沖擊回轉(zhuǎn)－回轉(zhuǎn)頭）的部分型號技術(shù)參數(shù)列表，見表5。

圖4 歐鉆公司液壓沖擊回轉(zhuǎn)－回轉(zhuǎn)頭

表5 歐鉆部分液壓頂部沖擊雙動力頭技術(shù)參數(shù)

圖5 歐鉆公司液壓沖擊回轉(zhuǎn)－回轉(zhuǎn)頭圖

3 “底沖鉆具”（空氣潛孔錘）與雙回轉(zhuǎn)動力頭實(shí)現(xiàn)“多功能”

在依靠上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆桿的頂部沖擊回轉(zhuǎn)與外套管的回轉(zhuǎn)之外，一些專業(yè)化公司，如美國長年公司，為雙回轉(zhuǎn)頭鉆機(jī)設(shè)計(jì)了另一種“多功能”模式：外套管回轉(zhuǎn)，鉆桿頂部回轉(zhuǎn)＋潛孔錘底部沖擊的鉆進(jìn)模式，見圖6和圖7。這種通過孔底沖擊鉆具的配套實(shí)現(xiàn)的多功能模式，與頂部沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比較，各自具備一定的優(yōu)勢，詳見表6。

圖6 歐鉆公司雙回轉(zhuǎn)動力頭

圖7 潛孔錘鉆具與雙回轉(zhuǎn)頭的銜接

表6 液壓頂錘與空氣潛孔錘的優(yōu)劣勢比較

4 全方位變幅機(jī)構(gòu)及可變桅桿實(shí)現(xiàn)“多功能”

表7為意大利土力（Soilmec）公司的中小型巖土鉆機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，通過表7可以看出，多功能鉆機(jī)的每一種基本機(jī)型都具備變幅機(jī)構(gòu)，以滿足不同施工環(huán)境的應(yīng)用，且在附加一定的附屬裝置，如旋噴附件、雙動力頭、加長桅桿等之后，更拓展了該機(jī)型的多功能性。與土力公司相同，克萊姆、卡薩、長年等同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式都具有靈活機(jī)動、全方位拓展的變幅機(jī)構(gòu)，見圖8。

表7 意大利土力公司中小型巖土鉆機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

圖8 多功能鉆機(jī)的擺幅機(jī)構(gòu)

5 “多種施工工法”的嫁接實(shí)現(xiàn)“多功能”

以日本礦研RPD系列鉆機(jī)為例，主機(jī)結(jié)構(gòu)與其他企業(yè)同類產(chǎn)品類似，在管棚、錨固、錨索、搶險(xiǎn)、水井等施工中與其他鉆機(jī)也沒有區(qū)別。而其整機(jī)“多功能”則更多表現(xiàn)在主機(jī)之外的附加裝置的嫁接及施工工法的延展上。如：MWD超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、PS沖擊鋼絲繩取心工法、防突發(fā)水和注漿止水工法等等。RPD系列鉆機(jī)是通過傳感器信息處理技術(shù)、注漿止水技術(shù)及鋼絲繩取心技術(shù)與鉆機(jī)載體設(shè)計(jì)之間的融合，實(shí)現(xiàn)其在鐵路隧道、水電壩基建設(shè)中注漿孔、爆破孔、管棚支護(hù)鉆探中的綜合效能（鉆注一體、鉆取一體、超前預(yù)報(bào)）。

5.1 MWD超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工法

MWD工法通過鉆機(jī)上安裝的各種傳感器，測定、分析鉆機(jī)鉆孔時(shí)采集到的數(shù)據(jù)（鉆孔深度、鉆孔速度、轉(zhuǎn)速、扭矩、旋轉(zhuǎn)壓力、打擊能、打擊數(shù)、打擊壓力、推進(jìn)力、送水量、排水量、送水壓力、排水壓力等），即時(shí)掌握掌子面前方的地質(zhì)狀況，如：巖盤軟硬、有無涌水、有無空洞（溶洞）。采集到的數(shù)據(jù)和曲線圖表可以即時(shí)反應(yīng)在顯示器上，操作員可以邊觀測顯示器的數(shù)據(jù)變化邊進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆探數(shù)據(jù)可即時(shí)保存便于后期研究。

5.2 PS沖擊式鋼絲繩取心工法

PS沖擊式鋼絲繩取心工法是將繩索取心鉆心鉆具在多功能鉆機(jī)上的適配，可以無需拔出鉆桿，在易坍塌的軟弱破碎巖層中進(jìn)行取心作業(yè)，而且加入沖擊功能后可以實(shí)現(xiàn)鵝卵石和沙礫層的快速取心。

圖9 MWD工法示意圖

圖10 PS鋼絲繩取心工法

5.3 防涌、防突水和注漿止水工法

RPD鉆機(jī)的鉆具內(nèi)部都設(shè)有單向閥，鉆孔過程中可阻止地下突發(fā)水通過鉆具涌出；根據(jù)不同地質(zhì)條件，還配有各種型號的高壓孔口止水裝置。遇有高壓地下水時(shí)，可采取注漿止水或排水的方法處理。

圖11 注漿止水裝置

綜上所述，國外中小口徑巖土鉆機(jī)的多功能實(shí)現(xiàn)方式有所不同，但其基本特點(diǎn)，如：全液壓動力頭驅(qū)動、全方位變幅機(jī)構(gòu)、具有頂部沖擊功能等是相同的。幾大知名廠商，如土力、寶峨、阿特拉斯、卡薩、長年等的產(chǎn)品各具特色，都已具備成熟的多功能鉆機(jī)產(chǎn)品體系，并不斷在謀求其新興領(lǐng)域（油頁巖）的拓展和完善。目前，國內(nèi)同類產(chǎn)品正處于快速發(fā)展階段，不同技術(shù)層次的多功能鉆機(jī)不斷在基坑、隧道、邊坡、勘查、水電、抗旱、地溫能等市場上推出，多數(shù)機(jī)型側(cè)重于適用潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝方法，而針對不同鉆進(jìn)工藝、施工工法、適用地層、應(yīng)用環(huán)境的，技術(shù)集成度較高的多功能鉆機(jī)產(chǎn)品尚未形成系列化研制和規(guī)?；a(chǎn)，希望能夠從國外同類產(chǎn)品中得到一些借鑒。

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2012－04－04

朱江龍（1974－），男（漢族），1997年長春地質(zhì)學(xué)院探礦工程專業(yè)畢業(yè)，中國地質(zhì)大學(xué)鉆井工程在讀博士，目前任中國地質(zhì)裝備總公司技術(shù)中心產(chǎn)品開發(fā)部主任，高級工程師，長期從事鉆探設(shè)備開發(fā)工作，Tel：13701073721，E－mail：zhujianglong＠cgeg.com.cn。