解決易糊鉆地層的鉆頭設計要點

概述
　　在大直徑鉆孔施工中,我們經常會遇到硬塑粘土層。在硬塑粘土層鉆進時非常容易糊鉆形成泥包鉆頭,使得鉆孔施工無法正常進行。特別是當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嚴重影響到工程的質量和工期。防止糊鉆采取的措施一般有合理選擇鉆進參數(shù)、提高循環(huán)排渣系統(tǒng)的效率、正確設計和制作鉆頭以及提高操作手的操作水平等。在這些措施中,改善鉆頭的設計和制作是最為有效的了。
　　用于硬塑粘土層鉆進的鉆頭大多采用三翼或四翼梳齒鉆頭,在設計時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生重復切削和碰撞,以防止形成泥團造成糊鉆。
　　1 鉆頭受力分析
　　在第四系地層中鉆進時,土層的變形以塑性變形為主,也就是在小范圍內的結構單元(顆粒間)的局部流動。隨著這種局部流動的增加,土層塑性變形程度超過一定限度而破壞,這時鉆頭受力較小。在硬質土層或軟質巖層中鉆進,鉆頭作用在巖石縫隙的平面上時,巖石應力超過縫隙處的摩擦力就會發(fā)生機械性剪切變形,巖石成塊狀、片狀碎裂破壞。巖石的結構并不均勻,往往會在內部最弱的粘結部位首先破壞。由于在巖石中鉆進每次切削量較小,我們假設巖石為連續(xù)的被切削材料,且是各向同性的?；谶@樣的前提,我們就可以只研究鉆頭對巖石的切屑受力情況(如圖1)。
　　設P為鉆壓,每個鉆翼受地層的反力的合力為:
　　 式1-1
　　式中: ――第i個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軸線的夾角。
　　由幾何關系可知,鉆頭刀刃的比壓 為:
　　 式1-2
　　式中: ――單片鉆翼上刀刃的總長度。
　　由于同一個鉆頭上各個鉆翼中的刀刃安裝位置要相互錯開排列,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 ;頁巖或軟質巖層 。
　　根據式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。
　　進一步來分析,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
　　 鉆桿驅動鉆頭作旋轉運動,作用在單位刀刃長度上的力為:
　　 式1-6
　　 式中: ――傳動功率;
　　 ――鉆頭的有效效率;
　　 ――鉆頭的轉速。
　　鉆頭切削土層時,刀刃比壓在土層中產生的摩擦力為:
　　式1-7
　　式中: ――鉆頭與地層的摩擦系數(shù)。
　　由式1-6和式1-7得到鉆桿扭轉產生的扭轉力 :
　　 式1-8
　　扭轉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;
　　因為 ,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,根據塑性變形理論可知,與刀刃接觸的被切削部位產生塑性變形時,有如下數(shù)學表達式:
　　式1-13
　　若需產生切削作用,則必須滿足 ,即: 式1-14 式中:K――被切削材料滑移線的抗剪強度;
　　 ――刀刃的切削角(弧度)。
　　由式1-14可求得 值。
　　以上計算可以作為鉆頭設計的基本依據。細節(jié)的結構問題,還要考慮具體的底層情況進行有針對性的設計。其中巖石的機械鉆進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,所以巖石鉆進在本質上與金屬不同。而粘土層、硬塑的土層及軟質巖層的鉆進與金屬鉆削則有許多相同之處,有時就會形成糊鉆現(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
　　在第四系地層鉆進時,切削下來的土屑會部分地粘附在刀刃、鉆翼和鉆桿等部位。如果這些粘附的土屑在繼續(xù)的鉆進過程中不能被切削分力推出,或被泥漿沖刷掉,那么就會在鉆翼上滑動受阻,就會粘附得越來越多,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,對成孔施工的影響很大,主要反映在一下幾個方面:
　　2.2.1鉆進效率較低
　　鉆頭糊鉆形成泥包以后,泥包與鉆進地層切削面的接觸面積遠遠超過了刀刃與地層的接觸面積,從而消耗了了大部分鉆壓,使鉆進速度明顯下降,如果不采取適當措施,幾個小時也不會進尺,使鉆進效率大大降低。
　　2.2.2成井質量差
　　由于鉆進速度太慢,操作人員就會煩躁不安,采取各種非常規(guī)手段來提高鉆進速度,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、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,成孔時間相應延長,增加了施工成本,浪費了能源,只能使設備空運轉,不能產生應有的效益,反而增大了各種支出成本。
　　2.2.4加劇設備磨損
　　設備長期處于滿負荷甚至超負荷的使用狀態(tài),運轉時間越長,設備磨損也就越嚴重。
　　3 防糊鉆鉆頭設計要點
　　筆者通過多年大直徑鉆孔施工的工程實踐,認為下面幾個有關鉆頭設計要點對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。梳齒鉆頭的吸渣口一般都設置在中心管的底部,當鉆孔直徑比較大時,梳齒鉆頭為了使鉆渣能夠迅速地向中心管吸渣口移動,除了增大循環(huán)液的流速外,讓鉆頭回轉時產生的徑向速度指向圓心,使鉆渣獲得一個移向中心的作用力。在圖1-1所示的翼板布置中,翼板向鉆頭轉動的相反方向且平行鉆頭中心線位移了一個距離S,這就使鉆渣受到一個方向指向中心的徑向力,距離S越大,徑向力就越大。
　　3.2 排渣結構
　　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,留在切削表面的鉆渣受到切削刀或翼板的重復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計為70°～90°,外緣部分的鉆渣能夠自身向下落到鉆孔截面較小處,由于此時循環(huán)液較高流速的作用,鉆渣迅速地向吸渣口移動,大大減少了鉆渣的重復破碎和碾壓,這就在孔底鉆渣排輸過程中降低了泥包翼的可能性。
　　3.3 鉆頭前導和切削刃
　　我們在分析因糊鉆形成泥包鉆頭的過程時發(fā)現(xiàn),首先產生泥包的位置是前導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前導鉆頭,其主要的功能就是由它超前完成一個小孔,在吸渣口周圍形成一個比較寬闊的空間,以利于收集鉆渣并由此進入吸渣口。但是在硬塑粘土層鉆進時,尤其是鉆孔直徑比較大的情況下,前導孔中的大量鉆渣不能及時排走,由前導鉆頭在前導孔里擾動粘結,很快形成泥包。為了解決這個問題,圖2-1所示的四翼梳齒鉆頭設計沒有采用前導鉆頭,而是將兩個對稱的翼板延長至錐頂相交,另外對稱的兩個翼板向下齊于中心管的底面,當鉆頭轉動起來后,吸渣口下面是一個圓錐容腔,并且輪廓母線于整體鉆頭是一個直線,循環(huán)液及鉆渣流動排碴通暢不容易堆積而造成包泥堵鉆。
　　3.4 設計精度要求
　　提高鉆頭的加工精度對于防止糊鉆是非常關鍵的措施。在加工過程中一定要控制好例如同圓度、垂直度、跳動、擺動等。這些技術要求應該在設計圖紙中明確給出,以保證鉆頭在硬塑粘土層中的使用效果。
　　4施工使用實踐
　　以上所述的幾個鉆頭設計要點,經過宿淮高速公路五標特大橋、青島跨海大橋等鉆孔工程的應用已經獲得了明顯的效果。特別是在宿淮高速公路五標特大橋鉆孔工程中,直徑2.5米,深90米的鉆孔,硬塑粘土層累計厚度達到58米。采用該結構的鉆頭施工后沒發(fā)生過糊鉆,單孔施工周期縮短了一半的時間。
　　結語
　　改善鉆頭的設計和制作是解決易糊鉆地層鉆進施工最為有效的措施,正確設計和制作鉆頭要注意翼板的結構設計、排渣口的布置設計、鉆頭前導和切削刃的設計以及鉆頭在加工時的加工精度的保證等四個方面的要點,這樣就能很好地解決糊鉆地層鉆進問題,提供施工效率,創(chuàng)造良好的經濟效益。