1、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 fr 60 60fr30 30fr15 15fr5 fr5 单轴抗压强度60fr30 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fr 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
2、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(fak)，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 7001500 15004000 4000 软质岩石 600l000 l0002000 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
3、 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
4、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、.52m/h，至中风化岩层，钻进速度约为0.250.5 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
6、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
7、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
8、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岩石破坏边界条件 力边界条件 位移边界条件 孔内位移边界条件 孔内自由面位移边界条件 切削破岩 冲击切削破岩 动静荷载耦合切削破岩 载过程且中间和径向裂纹在卸载过程中扩展，而侧向
9、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 2 3 1 3 2 3 1 2 3 ( ) d d cC E H K mV （1） 式中m为压头质量；是几何因子；C 为径向裂纹长度；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： 1 1( )/(
10、)j j j j jK F F U U （2） 式中 jF (j,j+1)载荷侵深段j端的载荷； 1jF (j,j+1)载荷侵深段j+l端的载荷；jU (j, j+1)载荷侵深段j端的侵入深度； 1jU (j,j+1)载荷侵深段j+1端的侵入深度。正斜率( jK 0)表示岩石发生弹性变形和岩石破碎，负斜率（ jK 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，
11、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
12、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（ jK 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
13、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: 2 3 13 2 3 231/2 7 6 5 4 3 4 7 4 ( ) (1 ) (cot ) ( ) (1 ) c SL c SC EH D K PV A E H D KH P （ ） （3） 2）静载荷产生损伤，动载形成体积破碎: 2 3 1 3 2 3 1 2 31/2 7 6 5 4 3 4 1 27 41 ( ) (1 ) 2 (cot ) ( ) (1 )null null(1 )1 2d d s cL d d s c dsC E H D K mVV A E
14、 H D K HPmV （ ） （4） 3）动、静载均产生体积破碎: * * 2 31/2 7 6 3 4 1/2 7 63 4 4 311 21 1C ( ) (cot ) ( ) ( )(cot ) *( ) 2mV )/ *(1 ) 1 2 2s d d d d cL S Ld d d cSdx k P x P k KV A E H P AE H k KPE mVmV （ ） （5） 式(3,4,5)中, L , 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
15、： (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
16、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（ jK 0）段。结合图9可以看出，最佳加载点为图中的( 2P，2h )、( 4P， 4h )或( 6P， 6h )点。 2.2钻进位移边界条件分析 应用侵入岩石所用压力P作为研究指标，重点研究岩石的孔内位移边界条件、孔内自由面位移边界条件下岩石的钻进及破碎效果。 1.孔内边界条件和孔内自由面边界条件对破岩效果的影响 当旋转钻头附近存在有自由面时，钻头侵入时岩石会产生侧旁的破碎，有利于提高钻头入岩效率。JBrych 设计了自由面岩石破碎实验。在煤壁上先劈开一宽 6mm，深 15
17、0mm 的槽，如图 10 所示。钻头用硬质合金制造，端面积 1 2cm ，钻头离自由面槽的距离不同，侵入岩石时所需要的轴压也不同。随着离自由面槽的距离增加，钻头侵入岩石所需轴压也逐渐增大。但在钻头离自由面槽的距离超过 10cm 以上时，侵入岩石所需轴压趋于平稳，达到极值12.5Kg/ 2mm 如图11所示。 钻头距自由面距离L（cm）轴压P（Kg/mm2 ）0 2 4 6 8 10 12 142.557.51012.5图10 自由面岩石破碎实验示意图 图11 轴压与钻头距自由面距离曲线 参考煤的拉压比(1:1111:16)和花岗岩的拉压比(1:501:12.5)及煤与花岗岩的应力强度因子、弹性
18、模量之比可以看出，在相同边界条件下，煤与花岗岩的破坏模式基本相同，所以可以应用以上试验数据进行花岗岩孔内位移边界条件、孔内自由面位移边界条件下的破坏理论研究。由于煤与花岗岩仅仅在相同边界条件下，煤与花岗岩的破坏模式基本相同，其力学指标有很大的差别，所以应用以上试验结果中的数值时不引用各数值的单位。 本试验（绝大部分岩石试验）存在尺寸效应，即试验结论与岩石及开槽深度的尺寸有关。但在一般的旋挖钻机入岩使用筒钻施工过程中，筒钻单次侵入岩层厚度为1m左右，与本试验初始数据为一个数量级，故在此不计尺寸效应的影响。 依据以上分析，将图11中的试验结论数据同比增大20/3倍并拟合图中曲线得到： 2arcta
19、n( )P ax b cx dx e （6） 旋挖钻机钻进花岗岩时一般采用筒钻开槽后使用螺旋钻破坏岩芯的钻进方式，由公式（6）可以看出，这种方法可以有效减小钻齿侵入岩石时所需要压力，具体效果与开槽深度和钻齿压入岩石点与开槽的距离有关。当钻齿压入岩石点与开槽的距离过大时，此效应的效果就不明显了。（例如：桩径1.5m的花岗岩钻孔，筒钻开槽深度为1m时，采用筒钻开槽后螺旋钻破坏岩芯的施工方法一次成孔时，根据公式（6）计算，螺旋钻中心齿侵入岩石所需压强为孔内边界条件的0.6倍）。 使用孔内开槽形成孔内自由面边界条件的钻入方法对旋挖钻机钻入较硬花岗岩是有利的，其效果可根据开槽深度与钻齿钻齿压入岩石点与开
20、槽的距离确定。 2.3结论 根据对硬岩力学特性和本构关系的研究，对硬质岩石的破坏理论进行研究并探讨破坏岩石的最佳边界条件，定性的找出钻孔破坏硬岩的最佳力边界条件及位移边界条件，为高效钻进技术的研究打下基础。 3硬岩地层旋挖钻进荷载施加方式 根据第二节“硬岩破碎理论研究”分析可知： 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。 通过对岩石破碎各种
21、理论分析和探索，揭示出机械破岩的载荷作业模式和规律，可得出以下结论：动静耦合加压方式破岩是旋挖钻机钻进较硬花岗岩地层最有效的破岩加压方式。加压曲线示意图如下所示： 图12 动静耦合加压曲线示意图 图中 1P指钻进过程中施加的高压（即冲击荷载）值， 2P 指钻进过程中施加的低压（即静荷载）值， 1t 、 2t 、 3t 指施加各类荷载的时间。 动、静载荷耦合作用的加载点 1t (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，即传统的载荷侵深曲线处于负斜率段，此时施加动荷载破岩效率最高，即在此时施加动荷载旋挖钻进硬岩速度最快，但此加载点需要机手根据钻机震动情况判
22、断岩石受力破坏状态来确定。 1t 2t 时间段长短根据进尺快慢情况和钻机震动情况调节。 2t 3t 时间段长短根据钻渣捞进钻斗快慢情况调节。 施加高压、低压的交互操作，加压曲线如图 12 所示。其钻入过程为：施加高压时钻齿钻进土体，钻杆转速减缓，扭矩增大，是钻齿钻入破坏土体的过程；施加低压时，钻杆转速加快，扭矩减小，是将钻下的土体扫进钻斗的过程。 高压 1P 低压 2P 1t 2t 3t4硬岩地层钻进所需钻杆、钻具及钻进方式 4.1硬岩地层旋挖钻进所需钻杆 钻进单轴饱和抗压强度30MPa以上的硬质岩层，其地基承载力一般高于600KPa，已不适用摩阻杆钻进，需根据孔径、孔深及钻机情况配备相应机锁
23、杆。 4.2硬岩地层旋挖钻进所需钻具 根据第二节“硬岩破碎理论研究”成果可知：当旋转钻头附近存在有自由面时，钻头侵入时岩石会产生侧旁的破碎，有利于提高钻头入岩效率。例如：桩径 1.5m 的花岗岩钻孔，筒钻开槽深度为 1m 时，采用筒钻开槽后螺旋钻破坏岩芯的施工方法一次成孔时，经计算，螺旋钻中心齿侵入岩石所需压强仅为孔内边界条件的 0.6 倍。在钻进花岗岩困难时使用筒钻开槽、螺旋破碎、截齿捞砂斗捞砂是保证在花岗岩旋挖高速钻进的经典钻进方式。所以，硬岩地层旋挖钻进所需钻具一般为：筒钻、单头单螺螺旋、截齿捞砂斗。 4.3硬岩地层旋挖钻进所需钻进方式 当孔径较小时，旋挖钻进所需最佳钻进方式为一次性钻进
24、：筒钻开槽螺旋破碎岩柱截齿捞砂斗捞渣。当钻孔孔径较大时，需分二级或三级钻进，即先在钻孔中心打小孔，最后再使用筒钻及捞砂斗扩孔至设计尺寸。下面以SR 250R钻机为例，参考单轴抗压能力为 3060 MPa 的较硬花岗岩地层，依据以上研究成果和实际工程施工经验列出各种孔径的钻孔所需钻进方式。 表3 各种孔径的钻孔所需钻进方式及钻进效率分析 孔径(m) 分级方法 钻进方法 钻进效率(m/h) 1.0 不分级 1.0 筒钻+1.0 螺旋+1.0 截齿捞砂斗 2 1.25 不分级 1.25 筒钻+1.25 螺旋+1.25 截齿捞砂斗 2 1.5 不分级 1.5 筒钻+1.5 螺旋+1.5 截齿捞砂斗 1
25、.52 1.8 两级钻进 1.2 筒钻+1.2 螺旋+1.2 截齿捞砂斗 +1.8筒钻 +1.8截齿捞砂斗 11.5 2.0 两级钻进 1.2筒钻+1.2螺旋+1.2截齿捞砂斗 +2.0筒钻 +2.0截齿捞砂斗 11.5 2.2 三级钻进 1.2筒钻+1.2螺旋+1.2截齿捞砂斗 +1.8筒钻 +1.8截齿捞砂斗 +2.2筒钻+2.2截齿捞砂斗 0.51 2.5 三级钻进 1.2筒钻+1.2螺旋+1.2截齿捞砂斗 +2.0筒钻 +2.0截齿捞砂斗 +2.5筒钻+2.5截齿捞砂斗 0.5 注：本表根据现场经验得出，仅作为参考，具体工程需根据实际情况具体分析 4.小结 本节内容以花岗岩钻进为例，重
26、点研究了硬岩地层旋挖钻进荷载加载方式、所需钻杆及钻具、钻进方式，从加压操作方式和钻进方式两方面入手，达到旋挖钻进硬岩最佳工法效果，为旋挖钻进硬岩下一阶段的研究和旋挖钻机在硬岩中的钻进提供实践指导和理论支持。 附：施工案例 1工程概况 1.1 施工地点： 广东省深圳市平安大厦 1.2 设备及选用钻具：SR220钻机； 现场钻具：机锁杆； 1.5m嵌岩筒钻、1.5m土层双底捞砂斗、1.0m螺钻头。 1.3桩孔情况：桩深为42m左右，桩径为1.5m，约300多个。 图1桩孔布置 图2地层资料 1.4 地质情况： 填土、粗砾粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩。其中难钻地层为强风化花岗岩地
27、层（图1所示的绿色虚线部分桩孔）和中风化花岗岩地层抗压强度约为35MPa，符合本项目研究范围，此部分桩的少部分桩孔钻至微风化花岗岩地层。 图3 强风化花岗岩钻渣 图4 中（微）风化花岗岩钻渣 2施工过程 2.1问题分析及处理 通过观察现场施工发现：旋挖钻机（使用1.5m土层双底捞砂斗）钻进强风化花岗岩地层效率低下且磨齿现象严重。 旋挖钻机（使用1.5m 土层双底捞砂斗）钻进强风化花岗岩地层效率低下且磨齿现象严重； 旋挖钻机（使用1.5m土层双底捞砂斗）在中风化花岗岩地层不进尺； 分析以上现象的原因主要：操作人员加压方式不及钻具的配合施工不当。 2.2解决方案 （1）改进加压方式 根据本文第四节
28、“硬岩钻进工法研究”成果可知，动静耦合加压方式破岩是旋挖钻机钻进较硬花岗岩地层最有效的破岩加压方式。加压曲线示意图如下所示： 图5 动静耦合加压曲线示意图 施加高压、低压的交互操作，加压曲线如图5所示。其钻入过程为：施加高压时钻齿钻进土体，钻杆转速减缓，扭矩增大，是钻齿钻入破坏土体的过程；施加低压时，钻杆转速加快，扭矩减小，是将钻下的土体扫进钻斗的过程。 （2）使用多种钻具配合施工 根据本文第二节“硬岩破碎理论研究” 及第四节“硬岩工法研究” 研究成果可知：当旋转钻头附近存在有自由面时，钻头侵入时岩石会产生侧旁的破碎，有利于提高钻头入岩效率。在钻进花岗岩困难时使用筒钻开槽、螺旋破碎、截齿捞砂斗
29、捞砂是保证在较硬花岗岩旋挖高速钻进的经典钻进方式。所以，较硬花岗岩地层旋挖钻进所需钻具一般为：筒钻、单头单螺螺旋、截齿捞砂斗。本工程就采用1.5m筒钻+1.0m螺旋+1.5m截齿捞砂斗三种钻具配合施工。 2.3改进后效果 采用我们提出的解决方案进行时候后： 在只有强风化花岗岩的孔时，施工效率由以前的40小时，变为30小时； 在底部有少量微风化花岗岩的孔时，施工效率由以前无法进尺，变为1小时1m，解决了此次支持的问题，也达到了本项目的检验的目的。 3总结 单轴抗压强度为 3060MPa 较硬花岗岩是花岗岩地层钻进的难点，也是目前入岩钻机最常遇到的钻进难题。 本文从“硬岩工程特性研究” 、“硬岩破碎理论研究”及“钻进工法研究”三个方面系统了阐述了“硬岩高效钻进”，提出了适用于硬岩的钻进方法，钻具配置等。并通过实际工程，验证了本研究的实用性。 从工程实践来看，硬岩钻进技术对实际工程指导作用比较明显，大大提高了硬岩的施工效率，扩大了旋挖钻机的应用范围，为客户争取了更大的利润。 高压 1P 低压 2P 1t 2t 3t
