旋挖钻机入岩施工一直是长期困扰我们旋挖钻机施工的一大难题，尤其是中小型旋挖钻机的入岩施工更是难上加难。

摘要：旋挖钻机入岩施工一直是长期困扰我们旋挖钻机施工的一大难题，尤其是中小型旋挖钻机的入岩施工更是难上加难。江苏泰信机械科技的旋挖钻机KR125A在四川中风化石灰岩层上施工，孔直径φ900mm，成功入岩1000mm，并完整取出岩芯。体现出KR125A的高可靠性，较好解决了中小型旋挖钻机难以入岩的难题。

1、中小型旋挖钻机入岩技术难点

中小型旋挖钻机入岩一直以来有以下几个技术难点：

（1）轴向加压力小；

（2）自身重量轻；

（3）岩石对设备本身冲击大。

由于旋挖钻机轴向加压力的不足，很难实现高效的破碎岩石"跃进式破碎"的形式，主要有两方面的原因，○1岩石是具有各向异性、不均质、不连续的组织物，且岩石位于地底深处，地质条件复杂；○2中小型旋挖钻机本身重量小，既要保证中小型旋挖钻机的机动和灵活性，又要保证自身的重量能够承受住岩石的反作用冲击力，同时又能保证自己的安全和稳定性，这样对中小型的钻机似乎是一个挑战。钻机的设计，以及适当的施工工法，都对旋挖钻机设计者提出了一个新的要求。江苏泰信机械科技生产的中小型旋挖钻机KR125A在这个方面做出了重大的突破，在四川工地中风化石灰岩上施工，孔直径φ900mm，成功入岩1000mm，岩石单轴抗压强度达到30MPa，耗时是1.2小时。工法是采用的是筒钻，利用截齿的研磨或者疲劳破坏，再配备特制的工具将岩芯折断，并用筒钻将岩芯完整取出。

2、入岩施工

2013年4月江苏泰信机械科技的KR125A旋挖钻机在四川重庆施工，地质条件为中风化石灰岩层，单轴抗压强度为30MPa，孔径φ900mm，要求入岩1000mm，采用的是4×9.5m机锁杆，采用的钻具是带截齿筒钻，主要原理是利用筒钻截齿的自转和公转，对岩石进行磨削。如下图所示。

旋挖钻机的加压施工方式主要采用"恒定加压与点动加压相结合的方式"，恒定加压主要是产生静载，为磨削岩石提供恒定的加压力，点动加压主要形成对岩石的一定的冲击，实现岩石的局部破碎，这两种方式加压相互结合实现岩石的快速切削。由于岩石的软硬不均，转速会随着负载发生变化，造成钻进的过程中产生快慢交替的情况，亦对岩石造成一定的冲击作用，从而达到加速岩石切削的作用。

另外在钻进的过程中要不断产生加注水或者泥浆，主要是起到润滑和对钻斗降温的作用，减少钻头因为发热导致的设备损坏。

3、岩芯的取出

当使用筒钻钻进达到规定的要求的时候，需要将岩石进行切断并取出。因为小钻机自身重量轻以及扭矩小，不能直接将岩石切断，这就需要专用的楔形钻斗(如右图)，利用楔形加压的原理，楔形钻斗的加压力F产生对岩芯的径向分力F1，最终将岩石折断。如下图所示，将楔块插入岩芯与孔壁的缝隙中，再施加加压力F（利用钻杆下放形成的冲击力），从而将岩心成功的折断。再更换筒钻将折断的岩芯取出。

4、岩石的入岩机理分析

KR125A旋挖钻机之所以能够成功的快速入岩，主要是由于钻机本身设计严格遵守欧盟的EN791安全设计标准，在充分考虑旋挖钻机安全性、稳定性的基础上，将整机重量进行合理分布后又实现其灵活性，可靠的设计结构可承受小型机锁杆的反作用力，从而实现较大的加压力传递和较高的入岩效率，取得了最优的结果。

KR125A旋挖钻机充分考虑岩石破碎机理的三个阶段：研磨破碎区段、疲劳破碎区段和跃进破碎区段。

（1）研磨破碎区段：在较小的轴压力作用下，钻斗与岩石接触所产生的接触压力显著小于岩石的极限强度或者压入硬度，破碎是靠摩擦切削，此阶段的破碎颗粒小，钻头有一定的磨损。

（2）疲劳破碎区段：当压力载荷增加到一定的值，仍未达到岩石的极限强度或者压入硬度时，旋转钻头多次与岩石冲击接触，使得岩石的产生微裂纹，微裂纹越多，岩石的强度就降低的多，当岩石的强度降低到一定的程度时，经过钻头多次冲击的岩石便会形成大颗粒的岩石碎屑，从而形成疲劳破碎。

（3）跃进破碎区段：在足够的轴压力作用下，钻头与岩石所产生的接触压力大于或者等于岩石的极限强度或者压入硬度时，则岩石产生跃进破碎。跃进破碎的颗粒比较大。

KR125A入岩的岩石破碎机理，就是利用研磨破碎区段和疲劳破碎区段。解决了中小旋挖钻机的自身重量轻，提供的轴压小的问题，在加压与动力头转速上取得合理的值，同时又能保持住中小钻机的机动灵活的优势。在取出岩芯的问题上采用有效合理的工法，以及合适的钻具，成功将完整的岩芯取出。

5、结论：

（1）利用岩石的破碎机理，调整旋挖钻机的设计，配备合适的钻具，使得旋挖钻机入岩是完全可行的，并在实践中得到充分的论证。解决了中小型旋挖钻机不能入岩的问题。

（2）小型钻机由于其自身重量较轻，要实现入岩必须使用机锁杆以将整机重量传递到作业面，但较大的反作用力对整机结构的可靠性提出更高要求。

（3）在岩石上钻孔，必须配备合适的钻具，尤其是取出岩芯这个问题上，必须配备合适的工具，因此在钻机工具的研究也是必不可少的，并将是我们今后旋挖钻机入岩的研究的一个大的方向。

（4）旋挖钻机的工法研究更加必不可少的，比如合理分配加压力与动力头转速的关系，入岩时候必须加注水或者泥浆，对钻具进行降温以及增加润滑。

（5）对中小型旋挖钻机尤为重要的是由于自身重量的限制，在保证稳定性的情况下，合理分配钻杆、钻具、桅杆与钻机总重量的比例关系，同时又能发挥中小旋挖钻机的灵活、耗油低的特点。

参考文献：

[1]钻探工程技术黄河水利出版社2009年，马锁柱，张海秋。

[2]国家标准，国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002），中国建筑工业出版社，2002。

[3]岩土工程勘察规范GB50021-2001。(来源：工程机械在线)