賈學強，蘇 偉，丁洪亮，劉永光

(徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇徐州221001)

隨著國內(nèi)二三線城市對地鐵工程建設的日益高漲，地下連續(xù)墻這種多功能結構體也越發(fā)為大家所熟悉，連續(xù)墻抓斗也越來越多地被應用。連續(xù)墻抓斗以其簡單獨特的抓取特點在土層施工有著巨大優(yōu)勢，可以說在眾多同類設備中獨占鰲頭，但是也正是因為這種施工特點，決定了其入巖效率低下的弊病。本文以抓斗抓取特點結合巖石破碎理論，對其入巖效率低下的原因進行分析，并對提高其入巖效率的若干設想進行探討。

1 抓斗土層抓取過程

抓斗施工是利用其斗體布置的斗齒切入地層，然后通過閉合油缸，實現(xiàn)斗體的閉合。在閉合的過程中，斗體會受到抓取地層的反力，當?shù)貙幼ト∽枇^小時，斗體所受阻力不足以克服斗體閉合油缸產(chǎn)生的閉合力，抓斗成功閉合，實現(xiàn)進尺。土層抓取如圖1所示。

2 抓斗巖層抓取過程

圖1 抓斗土層抓取示意圖

外載作用破碎巖層時，要考慮巖石破碎的特點，巖石在外載作用的破碎是一個逐漸發(fā)展的過程，在逐漸增大的外載作用下，破碎齒會逐漸侵入，最終在巖石表面，形成一個漏斗形狀的破碎坑，不管破碎齒、侵入方法或者巖石種類如何，漏斗頂角2β(見圖2)一般在120°～150°之間［1］。

這種破碎坑的形成，在抓斗進行巖石抓取時，也是適用的。當抓斗斗齒接觸地層時，在斗體重力作用下，會產(chǎn)生一定的壓力，當該作用力大于巖石的抗壓強度時，斗齒會破碎地層，在巖石表面形成破碎坑。以徐工配置的800抓斗為例，其自身質(zhì)量為26 t，其斗體配置的7個斗齒剛開始接觸地層時，與地層的接觸面積大致為2600 mm2，根據(jù)壓力計算公式，在抓斗初步接觸地層時，最大能在抗壓強度為100 MPa的巖石上，產(chǎn)生侵入，形成破碎坑。但是隨著侵入深度的增大，斗齒與地層的接觸面積也會逐漸增大，當斗齒侵入地層深度為123 mm時，與地層的接觸面積可達32000 mm2，在該接觸面積下，所能破碎的巖石強度要降低為8 MPa。這個數(shù)值也就是說，對于抗壓強度為8 MPa的巖石，在自重作用下產(chǎn)生的豎向進尺大致在123 mm左右。當然這只是在不考慮巖石裂隙發(fā)育等情況下的理論數(shù)值，實際破碎過程中由于地下復雜情況，該數(shù)值肯定會有一定偏差。因此當自重作用下，抓斗接觸巖層后會形成如圖3所示的破碎坑。

圖2 漏斗頂角

圖3 抓斗剛接觸巖層時形成的破碎坑

在抓斗達到上述狀態(tài)下，已經(jīng)達到抓斗工作的極限，在自重作用下，即使油缸推力達到最大，抓斗斗體也無法再閉合分毫。

為了實現(xiàn)進尺，需要繼續(xù)擴大破碎坑的范圍，而破碎坑的擴大則需要依靠斗齒再次侵入來實現(xiàn)。

斗齒侵入一定深度之后，其與地層的接觸面積會增大，而這部分面積的增大則是由于形成的破碎坑之間的粉末推擠在孔底無法排除導致的。因此，必須將破碎坑中殘留的粉末排出，才能實現(xiàn)進尺。在上文曾提到，在圖2所示狀態(tài)下，抓斗已達極限位置，要想實現(xiàn)閉合，需要將抓斗提離槽底，在提升過程中，將抓斗閉合，抓取破碎坑之內(nèi)的殘留鉆渣，減小下次斗齒與地層接觸面積。因此，在操作上，通過多次的提升下放抓斗，并且在提升抓斗同時需要對抓斗進行閉合，來實現(xiàn)抓斗斗齒在巖層的侵入深度。

但是由于抓斗斗齒的長度限制，當抓斗斗齒完全侵入地層時，受斗體側板限制，無法繼續(xù)侵入，此時下放抓斗時，不能將抓斗下放至孔底，而是需要將抓斗提離一定高度，使閉合油缸能夠產(chǎn)生一定的行程，斗體能夠閉合一定程度，從而使斗體斗齒在原有破碎坑側面形成新的破碎坑，當該次侵入再次受阻時則需要再次提高抓斗，如此反復，最終完成抓斗的閉合，實現(xiàn)進尺，該過程詳見圖4所示。

圖4 抓斗巖層抓取過程

3 抓斗入巖特點分析

常規(guī)的破巖方式有3種［2］，沖擊型、沖擊剪切型以及壓入剪切型。抓斗抓取巖石可以勉強算作壓入剪切型破碎，之所以說是勉強，因為通常所說的壓入剪切多是指在一定壓力下的回轉剪切碎巖，比如說旋挖鉆進、反循環(huán)鉆進等等，抓斗碎巖時，則多是靜載壓入，油缸推力產(chǎn)生剪切。常規(guī)的回轉剪切方式，當回轉壓力及扭矩足夠大時，會產(chǎn)生破碎效果較好的體積破碎，當二者有一項參數(shù)不足時，通過重復的研磨或者沖擊則會產(chǎn)生效率較低的表面研磨破碎或者疲勞破碎，雖然效率低，但是還是能獲得進尺;但是抓斗的壓入剪切則比較局限，當抓斗壓力與推力足夠大時，即可實現(xiàn)體積破碎，但是二者參數(shù)不能滿足要求，特別是壓力不足時，即使通過重復抓取，鑒于抓取頻率的限制，其也難以產(chǎn)生破碎效率較低的研磨或者疲勞破碎，這也就決定其入巖的局限性。

通過上述分析，可以看出抓斗對于巖層施工還是相對乏力的，通常情況下，在巖石抗壓強度在15 MPa以下的軟質(zhì)巖、較軟巖施工時，通過反復多次抓取，雖然都能實現(xiàn)進尺，但是效率往往不高;而對于強度更高一些的較硬巖、硬質(zhì)巖來說，進尺的實現(xiàn)可能性更是微乎其微。

4 提高抓斗入巖效率問題探討

通過上述分析，影響抓斗在巖石地層抓取效率的原因主要包括以下幾個方面:抓斗自重、油缸閉合力、斗齒布置規(guī)格以及抓取方式等，其中油缸閉合力的大小是由抓斗體自重決定的，因此若要探討抓斗入巖效率的提升，可從以下3個方面著手。

4．1 斗體自重

如圖3所述，斗齒接觸地層第一階段發(fā)生的侵入是在重力作用下產(chǎn)生的，而第二階段的提升閉合則更多的依賴于閉合油缸的閉合力，由于閉合油缸的運動是以斗體總成為支撐，所以說其所能產(chǎn)生的最大有效閉合力也不可能超過斗體自重。

因此，從提高抓斗切入巖層的單次侵入量和抓斗閉合力對堅硬地層的破壞效率兩個方面考慮，入巖抓斗的斗體自重需要加大。但是，加大斗體自重也是有弊端的，近期在鄭州地鐵二號線施工的某廠家連續(xù)墻抓斗，在標配600 mm(斗體厚度)抓斗斗體(重20 t)的主機上配置了800 mm斗體(重26 t)，雖然其抓取硬地層的效率與現(xiàn)場另一廠家更大型號主機的效率相差無幾，但是800 mm的加重斗體使得該主機幾乎一直處于極限負載條件下作業(yè)，設備故障不斷。因此加大斗體自重，不但對整機結構提出了更高的要求，也對效率提升是否與成本投入成正比提出了考驗。

當然這也只是針對目前這種鋼絲繩抓斗，不具備外界加壓條件的情況提出的簡單辦法，如果將來能夠在抓斗斗體實現(xiàn)額外加壓，那也將是值得考慮的選擇。

4．2 斗齒形狀及布置

4．2．1 斗齒形狀

根據(jù)前文分析，從減少斗齒與地層接觸面積這個方面講，斗齒無疑是形狀越尖銳入巖效率越高。但斗齒越尖銳，磨損就會越快，因此，抓斗斗齒形狀的選用可參考如圖5所示的3類挖掘機鏟斗配置的斗齒(考慮到抓斗單斗閉合與挖機斗體閉合類似)，分別適應不同地層:

對于第一種平頭齒(圖5a)，是現(xiàn)階段抓斗經(jīng)常配置的齒形，該種齒由于與地層接觸面積大，攜渣能力強，通常被應用在土層施工;第二種 TL齒(圖5b)，該種齒比較尖銳，與地層接觸面積最小，但是由于耐磨性較低以及齒尖強度較低的特點，其并不適用硬巖地層施工，通常應用在軟質(zhì)巖(10 MPa以內(nèi))的巖層施工;對于第三種RC齒(圖5c)，其齒尖結構介于前兩者之間，并且齒尖結構強度及耐磨性都較高，因此該類齒通?？捎糜谳^硬巖層施工。

圖5 常用斗齒類型

另外，如果選用截齒，則必須舍棄齒身的長度，單次侵入量會下降。此外如果選用截齒，一方面抓斗對地層的適應性會大大降低;另一方面，受截齒破碎范圍的影響，需要加密截齒的布置(這一點原因會在下文涉及)，這樣一來，希望通過布置截齒來降低與地層接觸面積的初衷會大大折扣。當然，截齒的最大優(yōu)點是耐磨、強度高，對于堅硬地層的適應性是遠遠大于斗齒的。因此對于抓取堅硬地層(強度在25 MPa以上)可以配置截齒，但是考慮到抓斗主要依靠斗體自重(不能額外加壓)靜壓力破碎地層的工作方式，即使配置截齒，其效率提升也不會顯著;對于抓取較軟巖，還是推薦配置斗齒，對于較軟巖的抓取效率提升也是本文討論重點。

4．2．2 斗齒布置間距

前文提到，雖然斗齒與地層之間接觸后會產(chǎn)生破碎坑，產(chǎn)生的兩個相鄰斗齒產(chǎn)生的破碎坑能否重疊，及兩個斗齒之間能否留下殘余體未被破碎，這一點的實現(xiàn)，需要考慮斗齒的布置間距。根據(jù)A．T．包爾德諾娃和 H．H．巴符洛娃的平頭壓入試驗［4］，當兩個切削工具距離大于或等于(D1+D2)/2，則如圖6陰影ABC所示部分巖體有可能不會被破碎;通過試驗，發(fā)現(xiàn)破碎坑的直徑與巖石性質(zhì)有關。對于脆性巖石(花崗巖、大理巖之類)，D1∶d=5～8;對于塑脆性巖石(泥巖、頁巖之類)，D1∶d=3～4(D1為破碎坑直徑;d為壓頭直徑)。適宜的間距應當是在(D1+D2)/3 與(D1+D2)/2 之間［5］。

圖6 斗齒布置間距

4．2．3 斗齒初始角度布置

由于抓斗破碎方式的特殊性，其上布置的斗齒與地層的夾角不是固定不變的，從開始抓取到閉合位置，其與地層平面的夾角要經(jīng)過90°的變化，但是并不能說探討斗齒布置角度的意義不大。

在硬地層抓取時，抓斗剛接觸地層時形成的初始破碎程度對后期抓取效率影響較大，而初始破碎則是受抓斗斗齒與地層剛接觸時的角度影響，當角度越接近90°時，斗體的自身重力通過斗齒作用在地層上的豎直分力越大，產(chǎn)生的破壞效果也就越好。因此在抓斗處于張開狀態(tài)時，雖然抓斗斗體存在一定弧度，但其上所布置斗齒與水平方向應盡量垂直，以保證初始破碎效果。

4．2．4 斗齒布置方式

在進行巖層抓取時，在斗齒地層的部位會產(chǎn)生破碎，但是在抓取斗齒之間的巖體由于沒有產(chǎn)生破碎，而是呈現(xiàn)比較完整的狀態(tài)，這會加大抓取的難度，如果通過布置斗齒，進行部分破碎，從一定意義上來說會提高一定的入巖效率，圖7為某廠家抓斗的斗齒布置方式簡圖，可以參考。

圖7 內(nèi)外高低斗齒布置方式

內(nèi)層齒是布置在抓斗的刮泥板結構之上與斗體座相連，抓斗斗頭閉合時，其不會隨斗頭運動，因此該排齒的布置有以下優(yōu)點:

(1)同樣可以起到刮泥結構的作用;

(2)內(nèi)排齒的布置，可以增大巖土的局部破碎面積，減小抓取難度;

(3)采用高低齒的布置方式，內(nèi)排齒首先接觸地層，在重力作用下，產(chǎn)生局部破碎，在抓斗閉合過程中，內(nèi)排齒逐漸隨斗體做抬升，使抓斗自重完全落在抓斗閉合一定程度之后的外排齒之上，這樣就不會影響外排齒對地層的破碎效果。

4．3 加載方式

現(xiàn)階段有很多抓斗廠家推出了沖抓斗，即利用主機配置的特制卷揚結構，在槽底抓取時，將抓斗提取一定高度后，使抓斗以自由落體對槽底巖石進行沖擊，如此反復，從而實現(xiàn)破碎。關于利用這種沖抓實現(xiàn)入巖效率提高的方式，是基于破碎比功考慮的，破碎單位體積巖所耗費的能量——破碎比功是一定的，當沖擊作用產(chǎn)生足夠的沖擊功超過破碎比功，則可實現(xiàn)破碎，在一定范圍內(nèi)，沖擊功越大，破碎效果越好。

另外一些試驗表明:在一定的預壓力作用下沖擊破碎巖石，巖石表現(xiàn)的強度要降低50% ～80%，這就意味著，它比無預壓的鋼絲繩沖擊鉆進法的效率要高出3～5倍。這也就意味著，如果在抓斗上可以添加偏振器或者氣動沖擊器(潛孔錘)之類的器具，即使不用將抓斗反復提升下放形成沖擊，也能依靠沖擊器具產(chǎn)生的沖擊力達到較好的破碎效果。

5 結語

本文所探討的增加抓斗自重、改變斗齒形狀與布置方式，都是基于實現(xiàn)體積破碎的方式，這些方式相對較軟的巖石(單軸抗壓強度在10 MPa以內(nèi))還有一定的效率提升，并且這些方法已經(jīng)在國內(nèi)外抓斗設備廠家得到了應用。最后述及的沖擊方式或者孔底偏振錘、潛孔錘，則是針對于更堅硬(10 MPa以上)的巖石地層，在體積破碎無法發(fā)生的情況下，使破碎趨向于疲勞破碎發(fā)展。這些方法或涉及到較大的主機改動，或技術理論還不成熟，大部分還是停留在理論階段，到具體實現(xiàn)還需要很長的一段路要走。

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