解決易糊鉆地層的鉆頭設(shè)計(jì)要點(diǎn)

概述
　　在大直徑鉆孔施工中,我們經(jīng)常會(huì)遇到硬塑粘土層。在硬塑粘土層鉆進(jìn)時(shí)非常容易糊鉆形成泥包鉆頭,使得鉆孔施工無法正常進(jìn)行。特別是當(dāng)硬塑粘土層的層厚在全孔深度中所占比例比較大的情況下,如果不能很好的解決糊鉆問題將會(huì)嚴(yán)重影響到工程的質(zhì)量和工期。防止糊鉆采取的措施一般有合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)、提高循環(huán)排渣系統(tǒng)的效率、正確設(shè)計(jì)和制作鉆頭以及提高操作手的操作水平等。在這些措施中,改善鉆頭的設(shè)計(jì)和制作是最為有效的了。
　　用于硬塑粘土層鉆進(jìn)的鉆頭大多采用三翼或四翼梳齒鉆頭,在設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮如何提高切削性能外,一定要重視鉆渣的排渣迅速流暢,讓鉆渣不在任何表面停留而產(chǎn)生重復(fù)切削和碰撞,以防止形成泥團(tuán)造成糊鉆。
　　1 鉆頭受力分析
　　在第四系地層中鉆進(jìn)時(shí),土層的變形以塑性變形為主,也就是在小范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)單元(顆粒間)的局部流動(dòng)。隨著這種局部流動(dòng)的增加,土層塑性變形程度超過一定限度而破壞,這時(shí)鉆頭受力較小。在硬質(zhì)土層或軟質(zhì)巖層中鉆進(jìn),鉆頭作用在巖石縫隙的平面上時(shí),巖石應(yīng)力超過縫隙處的摩擦力就會(huì)發(fā)生機(jī)械性剪切變形,巖石成塊狀、片狀碎裂破壞。巖石的結(jié)構(gòu)并不均勻,往往會(huì)在內(nèi)部最弱的粘結(jié)部位首先破壞。由于在巖石中鉆進(jìn)每次切削量較小,我們假設(shè)巖石為連續(xù)的被切削材料,且是各向同性的。基于這樣的前提,我們就可以只研究鉆頭對(duì)巖石的切屑受力情況(如圖1)。
　　設(shè)P為鉆壓,每個(gè)鉆翼受地層的反力的合力為:
　　 式1-1
　　式中: ――第i個(gè)鉆翼受到的地層反力;
　　 P――鉆頭的壓力;
　　 ――鉆翼的數(shù)量;
　　 ――鉆翼刀刃與鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線的夾角。
　　由幾何關(guān)系可知,鉆頭刀刃的比壓 為:
　　 式1-2
　　式中: ――單片鉆翼上刀刃的總長(zhǎng)度。
　　由于同一個(gè)鉆頭上各個(gè)鉆翼中的刀刃安裝位置要相互錯(cuò)開排列,所以有:
　　 式1-3
　　式中: ――各鉆翼中刀刃相互重疊的修正系數(shù)。粘土層 ;砂土層、卵石層 ;頁巖或軟質(zhì)巖層 。
　　根據(jù)式1-2和式1-3:
　　式1-4
　　由此可見,鉆頭作用于地層的比壓與鉆頭鉆翼的數(shù)量無關(guān)。
　　進(jìn)一步來分析,若鉆翼與鉆桿的軸向夾角為 ,那么刀刃與巖層的受力情況如圖2。
　　由圖3分析可知比壓在刀刃切削角平分線上的分力 :
　　 式1-5
　　 鉆桿驅(qū)動(dòng)鉆頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),作用在單位刀刃長(zhǎng)度上的力為:
　　 式1-6
　　 式中: ――傳動(dòng)功率;
　　 ――鉆頭的有效效率;
　　 ――鉆頭的轉(zhuǎn)速。
　　鉆頭切削土層時(shí),刀刃比壓在土層中產(chǎn)生的摩擦力為:
　　式1-7
　　式中: ――鉆頭與地層的摩擦系數(shù)。
　　由式1-6和式1-7得到鉆桿扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力 :
　　 式1-8
　　扭轉(zhuǎn)力在刀刃切削角平分線上的分力為 :
　　 式1-9
　　單位刀刃作用在被切削層的力 是比壓在刀刃切削角平分線上的分力 與扭轉(zhuǎn)力在刀刃切削角平分線上的分力 之和。即:
　　式1-10
　　如圖5所示,刀刃與切削層接觸處產(chǎn)生的最大接觸壓力 為:
　　 式1-11
　　式中: ――合金刀刃刃角的曲率半徑;
　　 ――刀刃與土層接觸處孔壁的曲率半徑;
　　 ――土層或巖層的泊松系數(shù)(橫向變形系數(shù));
　　 ――合金刀刃的泊松系數(shù)(橫向變形系數(shù));
　　 ――土層或巖層的彈性模量;
　　 ――合金刀刃的彈性模量;
　　因?yàn)?,所以可將式1-11改寫為 式1-12
　　任何切削過程都有刀刃壓入被切物料并使其發(fā)生塑性變形的過程,根據(jù)塑性變形理論可知,與刀刃接觸的被切削部位產(chǎn)生塑性變形時(shí),有如下數(shù)學(xué)表達(dá)式:
　　式1-13
　　若需產(chǎn)生切削作用,則必須滿足 ,即: 式1-14 式中:K――被切削材料滑移線的抗剪強(qiáng)度;
　　 ――刀刃的切削角(弧度)。
　　由式1-14可求得 值。
　　以上計(jì)算可以作為鉆頭設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)問題,還要考慮具體的底層情況進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。其中巖石的機(jī)械鉆進(jìn)是在某些地方消除組成巖石的礦物粘聚力,這些粘聚力的消除是由一系列壓碎破壞,也就是受拉、受剪的脆性破壞所引起的,所以巖石鉆進(jìn)在本質(zhì)上與金屬不同。而粘土層、硬塑的土層及軟質(zhì)巖層的鉆進(jìn)與金屬鉆削則有許多相同之處,有時(shí)就會(huì)形成糊鉆現(xiàn)象,一次解決糊鉆問題的鉆頭還有一些特殊要求。
　　2 鉆頭糊鉆的形成和后果
　　2.1糊鉆的形成
　　在第四系地層鉆進(jìn)時(shí),切削下來的土屑會(huì)部分地粘附在刀刃、鉆翼和鉆桿等部位。如果這些粘附的土屑在繼續(xù)的鉆進(jìn)過程中不能被切削分力推出,或被泥漿沖刷掉,那么就會(huì)在鉆翼上滑動(dòng)受阻,就會(huì)粘附得越來越多,最后就粘牢固了,也就是糊鉆現(xiàn)象就形成了。
　　2.2糊鉆的后果
　　鉆頭糊鉆以后,對(duì)成孔施工的影響很大,主要反映在一下幾個(gè)方面:
　　2.2.1鉆進(jìn)效率較低
　　鉆頭糊鉆形成泥包以后,泥包與鉆進(jìn)地層切削面的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了刀刃與地層的接觸面積,從而消耗了了大部分鉆壓,使鉆進(jìn)速度明顯下降,如果不采取適當(dāng)措施,幾個(gè)小時(shí)也不會(huì)進(jìn)尺,使鉆進(jìn)效率大大降低。
　　2.2.2成井質(zhì)量差
　　由于鉆進(jìn)速度太慢,操作人員就會(huì)煩躁不安,采取各種非常規(guī)手段來提高鉆進(jìn)速度,不由自主地加大鉆壓,違背通常情況下的“加大配重、減壓鉆進(jìn)、看表松繩、保證垂直”的基本原則,致使重力糾偏的作用失去控制,使成孔的偏斜度驟增,垂直精度往往連1%也難以保證。
　　2.2.3增加施工成本
　　鉆孔速度上不去,成孔時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng),增加了施工成本,浪費(fèi)了能源,只能使設(shè)備空運(yùn)轉(zhuǎn),不能產(chǎn)生應(yīng)有的效益,反而增大了各種支出成本。
　　2.2.4加劇設(shè)備磨損
　　設(shè)備長(zhǎng)期處于滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷的使用狀態(tài),運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng),設(shè)備磨損也就越嚴(yán)重。
　　3 防糊鉆鉆頭設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　筆者通過多年大直徑鉆孔施工的工程實(shí)踐,認(rèn)為下面幾個(gè)有關(guān)鉆頭設(shè)計(jì)要點(diǎn)對(duì)解決糊鉆的問題是非常有效的。
　　3.1 翼板布置
　　翼板在圓周的布置要利于鉆渣向鉆頭中心移動(dòng)。梳齒鉆頭的吸渣口一般都設(shè)置在中心管的底部,當(dāng)鉆孔直徑比較大時(shí),梳齒鉆頭為了使鉆渣能夠迅速地向中心管吸渣口移動(dòng),除了增大循環(huán)液的流速外,讓鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的徑向速度指向圓心,使鉆渣獲得一個(gè)移向中心的作用力。在圖1-1所示的翼板布置中,翼板向鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的相反方向且平行鉆頭中心線位移了一個(gè)距離S,這就使鉆渣受到一個(gè)方向指向中心的徑向力,距離S越大,徑向力就越大。
　　3.2 排渣結(jié)構(gòu)
　　在大直徑鉆孔施工中大多采用反循環(huán)排渣,由于鉆孔外緣部分的孔底循環(huán)液流速比較低,鉆渣不能迅速的向中心管吸渣口移動(dòng),留在切削表面的鉆渣受到切削刀或翼板的重復(fù)破碎和碰撞碾壓形成泥包鉆頭。在這種情況下,我們將鉆頭的錐角設(shè)計(jì)為70°～90°,外緣部分的鉆渣能夠自身向下落到鉆孔截面較小處,由于此時(shí)循環(huán)液較高流速的作用,鉆渣迅速地向吸渣口移動(dòng),大大減少了鉆渣的重復(fù)破碎和碾壓,這就在孔底鉆渣排輸過程中降低了泥包翼的可能性。
　　3.3 鉆頭前導(dǎo)和切削刃
　　我們?cè)诜治鲆蚝@形成泥包鉆頭的過程時(shí)發(fā)現(xiàn),首先產(chǎn)生泥包的位置是前導(dǎo)鉆頭及其附近的翼板和切削刀,其次是鉆頭最外緣處的翼板和切削刀。通常我們使用的梳齒鉆頭朝前都有一個(gè)前導(dǎo)鉆頭,其主要的功能就是由它超前完成一個(gè)小孔,在吸渣口周圍形成一個(gè)比較寬闊的空間,以利于收集鉆渣并由此進(jìn)入吸渣口。但是在硬塑粘土層鉆進(jìn)時(shí),尤其是鉆孔直徑比較大的情況下,前導(dǎo)孔中的大量鉆渣不能及時(shí)排走,由前導(dǎo)鉆頭在前導(dǎo)孔里擾動(dòng)粘結(jié),很快形成泥包。為了解決這個(gè)問題,圖2-1所示的四翼梳齒鉆頭設(shè)計(jì)沒有采用前導(dǎo)鉆頭,而是將兩個(gè)對(duì)稱的翼板延長(zhǎng)至錐頂相交,另外對(duì)稱的兩個(gè)翼板向下齊于中心管的底面,當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)起來后,吸渣口下面是一個(gè)圓錐容腔,并且輪廓母線于整體鉆頭是一個(gè)直線,循環(huán)液及鉆渣流動(dòng)排碴通暢不容易堆積而造成包泥堵鉆。
　　3.4 設(shè)計(jì)精度要求
　　提高鉆頭的加工精度對(duì)于防止糊鉆是非常關(guān)鍵的措施。在加工過程中一定要控制好例如同圓度、垂直度、跳動(dòng)、擺動(dòng)等。這些技術(shù)要求應(yīng)該在設(shè)計(jì)圖紙中明確給出,以保證鉆頭在硬塑粘土層中的使用效果。
　　4施工使用實(shí)踐
　　以上所述的幾個(gè)鉆頭設(shè)計(jì)要點(diǎn),經(jīng)過宿淮高速公路五標(biāo)特大橋、青島跨海大橋等鉆孔工程的應(yīng)用已經(jīng)獲得了明顯的效果。特別是在宿淮高速公路五標(biāo)特大橋鉆孔工程中,直徑2.5米,深90米的鉆孔,硬塑粘土層累計(jì)厚度達(dá)到58米。采用該結(jié)構(gòu)的鉆頭施工后沒發(fā)生過糊鉆,單孔施工周期縮短了一半的時(shí)間。
　　結(jié)語
　　改善鉆頭的設(shè)計(jì)和制作是解決易糊鉆地層鉆進(jìn)施工最為有效的措施,正確設(shè)計(jì)和制作鉆頭要注意翼板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、排渣口的布置設(shè)計(jì)、鉆頭前導(dǎo)和切削刃的設(shè)計(jì)以及鉆頭在加工時(shí)的加工精度的保證等四個(gè)方面的要點(diǎn),這樣就能很好地解決糊鉆地層鉆進(jìn)問題,提供施工效率,創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。