作者：黎中银，夏柏如，吴方晓

摘要：通过对岩石破碎理论的分析，揭示出岩石的破碎效率受动静载荷大小、预加静压力大小及加载方式的影响。基于岩石破碎机理，对北京三一重机有限公司SR220R型入岩旋挖钻机进行技术改造，通过动静耦合周期加载、利用施工工法构造岩石自由面和不进行钻头速度控制三种方式，实现对岩石的冲击-静压-拖动剪切的联合作用效果，提高旋挖钻机的破岩效率。北京周口店和长春伊通大桥现场试验结果表明， SR220R入岩旋挖钻机可实现岩石的跃进破碎，达到高效入岩的目的。

1 引言

　　随着大规模城市化建设及大量基础设施建设中混凝土灌注桩工程的持续增长，旋挖钻机得到了前所未有的发展空间。但旋挖钻机轴压的施与能力仅为传统岩石掘进机的1/10～1/5，而作用在岩石上的力只有超出岩石抗压强度极限的30～50％，岩石才能顺利地从岩体上破碎下来[1]。旋挖钻机自身不充足的加压能力很难达到岩石理想的破碎效果。利用机动性能良好的旋挖钻机达到高效破岩的目的则成为工程界的一大愿望，也是一大难题。岩石是一个各向异性、不均质不连续的组织物，弄清岩石在钻深孔这一边界条件下的破碎机理，创造合理的入岩条件，实现入岩工程的高效掘进，既要依赖于“在小能力输入且大作业面掘进中对破碎理论的把握，又要依靠现代基础施工设备和工法去不断适应并切合掘进深孔岩石实际，达到旋挖钻机高效入岩的目的。基于岩石破碎理论，本文从设计理念和钻掘工法两方面进行了旋挖钻机高效入岩机理研究，并利用现场试验对理论分析加以验证。

2 岩石破碎理论
2.1传统岩石破碎理论
　　传统的岩石破碎理论将岩石随轴压的增加而呈现出的不同破碎形式分成三个区段：1）研磨破碎区段；2）疲劳破碎区段；3）跃进破碎区段，如图1所示[1，2]。
　　1）研磨破碎区段：在较小轴压力的作用下，破碎是靠旋转钻头与岩石接触所产生摩擦力的作用引起的表面磨损。此区段岩石破碎速度甚小，破碎颗粒小，钻头磨损严重。
　　2）疲劳破碎区段：当压力载荷增加到一定值，但仍未达到岩石极限强度或压入硬度时，旋转钻头多次与岩石冲击接触，使岩石产生微裂纹。岩石内微裂纹越多，强度降低越多，当强度降到某一程度时，经过旋转钻头多次冲击岩石，便形成大颗粒岩屑的疲劳破碎。相比于研磨破碎区段，岩石的破碎速度要大的多。
　　3）跃进破碎区段：在轴压力继续增大到一定值时，旋转钻头与岩石接触所产生的接触压力等于或大于岩石的极限强度或压入硬度，则岩石产生跃进式破碎。跃进破碎产生的破碎粒度大，破碎速度大于疲劳破碎区段，并随轴压力的增加而线性增加。该区段钻头磨损小，岩石破碎过程所消耗的比功率也最小。此区段破碎条件必须满足σ=P/A≥σ临 ，然而，随着钻孔直径的加大和岩石硬度增加，静压荷载下旋转钻头施压很难达到这一条件。但在冲击载荷作用下，载荷以应力波的形式增加，瞬间可达极大值，应力波大小可按关系式：△F=mv/△t计算，当岩石硬度较高时，减小△t，则应力相应被减小，冲击载荷△F相应增加。利用该特性可解决静压力不足难以破碎岩石的问题。

 图1  不同轴压下岩石破碎的三个区段

Fig.1 Three sections of rock cracking under different axle load

2.2 自由面岩石破碎理论

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。J• Brych设计了自由面岩石破碎实验。在煤壁上先劈开一宽6mm，深150mm的槽，如图2所示。钻头用硬质合金制造，端面积1cm2，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/mm2如图3所示。对旋挖钻机而言，相邻钻头同时侵入岩石时,则会互相为对方创造自由面[3]，J•Brych实验对旋挖钻机钻头的布齿很有参考价值，对硬度接近于煤层的岩石而言，旋挖转机相邻截齿的间距应小于10cm。

图2  自由面岩石破碎实验示意图

Fig.2  Diagram of the experiment of rock cracking with freedom face

图3 轴压与钻头距自由面距离曲线

Fig.3  Relationship of invasion intensity and the distance between the drilling head and the freedom face

2.3动静载耦合岩石破碎理论

虽然国内外学术界和工程界对静态加载模式对岩石的破坏研究进行的非常深入并取得了丰硕的成果，但是最新的岩石脆性断裂研究发现：对静压作用下的岩石施加冲击应力脉冲能够有效地促进裂纹的发展，亦即冲击载荷及其与静压的耦合能明显提高岩石的破碎效果^[4,5]。

1) 静载岩石损伤特点

对压头侵入脆性材料的研究结果表明，是属于弹性侵入还是弹脆性侵入，主要取决于压头形状和被侵入材料的性质。一般弹性侵入时主要残生hertz裂纹和表面附近的周向压缩，如图 所示。弹脆性侵入时一般产生径向、中间和侧向裂纹，除产生上述三种基本裂纹外，在压头下方一般还要形成一个密实核，如图 所示。

根据M.V.Swain拉碎侵入理论得到侵入载荷与径向裂纹长度的关系和破碎体积可以估计为，即

   （1）

式(1)中，为侵入载荷，为径向裂纹长度。ξ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； 为压头特征角（即压头半顶角）；A是与几何形状有关的无量纲常数一般取为3/4；K_C为材料断裂韧性。

图4 弹性压头侵入状态

Fig.4 Invasion of elasticity drilling head

图5 弹脆性压头侵入状态

Fig.5 Invasion of elasticity and fragile drilling heat

2）动载岩石损伤特点

动态侵入断裂过程与静态情况基本相似，一般长生hertz、中间、径向和侧向裂纹，前三种裂纹产生于加载过程且中间和径向裂纹在卸载过程中扩展，而侧向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）

式(2)中m为压头质量； 是几何因子。式(2)表明压头动态侵入时，径向裂纹长度与压头质量和冲击速度成一定的函数关系，随压头质量和冲击速度增加而增加。

3） 动静耦合加载岩石损伤特点

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:

  （3）

2）静载荷产生损伤，动载形成体积破碎:

（4）

3）动、静载均产生体积破碎:

（5）

式(3,4,5)中,ξL,ξ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：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^[9]。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。

3 SR220R入岩旋挖钻机

北京三一重机有限公司经过长期不懈的探索和实践，将先进实用的岩石破碎机理应用到旋挖钻机设计理念之中，成功研制出SR220R入岩旋挖钻机（图6），辅以合理的钻掘工法可达到高效入岩的目的，其先进性主要体现在：1）动静载耦合加载；2）创造孔底自由面；3）根据岩石特性选择不同的钻头。 

图6  SR220R入岩钻机

Fig.6  SR220R Rock Rotary Drilling Rig

3.1 动静载耦合加载

从入岩理论可知，动静耦合的载荷作业模式对破岩具有极高的效率，SR220R入岩旋挖钻机通过先进的控制技术实现了旋挖钻机的动静耦合加压模式。如图7所示，加载模式为动静载荷耦合加载，通过控制器预设基础钻压P1、峰值钻压P2、动静载时间等参数。静载作用时间t1后，控制系统实现自动加压到P2。压力增大过程中，作用在岩石上的某些截齿压垮其下部的岩石突然跳跃下行，其它截齿冲击到岩石上被岩面阻挡条件时，岩石发生跃进式破碎。当压力达到P2后，如果始终以P2作用在岩石上，截齿跳跃下行的现象就会很少出现，这样，密实核贮能可能足够，但跨越破碎门槛值的力就很难达到。钻机自身的加压力就达不到岩石的跃进式破碎条件，掘进岩石的过程就变成了研磨或疲劳破碎。此时开始减压贮能，压力从P2减到P1。通过较长时间贮能和较短时间冲击，实现了岩石跃进式破碎的条件^[10]。此外，旋挖钻机钻头旋转驱动方式为液压驱动，当给钻头的加压力增大时，钻头旋转摩擦阻力增大，钻头旋转减速；当给钻头的加压力减小时，钻头旋转加速；钻头转动快慢交替同样对岩石表面凸起部位形成冲击凿削作用，实现了在输入能量相同的前提下，短时间内大冲击力的输出，从而超出岩石破碎的“门槛值”。较长时间静载可使密实核贮存足够能量，进入跃进式破碎阶段，实现了SR220R旋挖钻机高效入岩的目的。

           图7  加压模式曲线

Fig.7  Curve of pressure mode

3.2 创造孔底自由面

SR220R入岩旋挖钻机所用钻头，通过合理布齿，使齿间相互为对方创造自由面，为高效碎岩创造条件。从岩石破碎机理可知，自由面有利于岩石破碎，而自由面又要根据岩石硬度、脆性、分形维度、表面能等综合考虑。其目标是2条或2条以上的不同裂纹间可以通过外力作用较容易地交叉贯通，并且有利于裂纹与自由面贯通。图8为锥螺旋钻进所制造的自由面。图8中1、2、3等多处位置发生较大岩块剥落。因为自由面的存在使截齿作用周边小岩体“受限面”由5个变为1～4个，掘进过程即省力，又大大提高了小岩体破碎脱离的机会。

图8 钻孔自由面

Fig.8  Rree face of drilling holes

3.3 根据岩石特性的选择不同的钻头

岩石的抗拉强度、抗剪强度远远低于岩石的抗压强度，很好的利用岩石这一特性就能为高效入岩创造条件，同时，有利于设备节能。首先，在钻进脆性岩层时，SR220旋挖转机选择截齿作为刀具，截齿在钻头带动公转时自传，使截齿产生滑动。滑动的出现使岩石在剪切条件下碎岩，由于岩石的剪切强度大大低于岩石的抗压强度，使岩石易于破碎，所用钻头见图9。如果沉积岩大多数存在自然分层，则应选择相应直径和相应齿数的筒式钻头（图10），以达到小截面做功而钻成大孔的目的—钻进效率高且省功。

图9  脆岩钻具 

Fig.8  Drilling tools for fragile rocks

 图10  层岩钻头  

Fig.9  Drilling bucket of layered rock

通过对理论上的应用以及在设计上的探究，在传统设计理念的基础上大胆开拓新的思维方向，采取上述之措施，使SR220R钻机实现对岩石的冲击—静压—拖动剪切的联合作用，此种方式有最佳的破岩效率，冲击载荷作用时，岩石形成足够大的开裂区，静压下截齿随钻头旋转将岩石从岩体上剥离带走，实现高效碎岩的目的。

4 SR220R入岩旋挖转机试验

4.1 北京周口店花岗岩入岩试验

新研制的SR220R入岩钻机于2007年8月29日至9月7日完成了入岩特种工况实验，试验地点是北京市周口店“永富强采石场”，试验在花岗岩采石场进行，试验所选岩层从全风化直至未风化。始钻地层为中风化花岗岩，终钻进入微风化花岗岩。钻进方法为不同钻头交替配合钻进，先用单头单螺锥螺旋钻头钻进并预制自由面，再用嵌岩筒钻钻进破碎岩体。钻机加压方式为“动静载耦合”，静载提供基础加压力，动载提供峰值加压力，低频脉冲动载叠加于静载之上，在动载变化中形成对岩石的冲击作用。提供旋转扭矩的动力头为液压驱动，操作不控制转速，转速随着负载变化，由于岩石软硬不均，作业新岩面漏斗坑的存在和钻头截齿分散点式布置，钻头的转动也在快慢交替，类似脉冲作用，钻速的快慢变化使截齿产生了对凸起点的凿削作用。现场可以很清楚的看到粉碎体、碎断体、断裂体共存的渣屑，钻屑明显显示了“跃进式破碎”碎岩结果，“跃进式破碎”在机械破碎岩石工程中效率最高，是掘进岩石工程中最希望看到的。

试验中创造了φ1250孔径，10min钻进32cm的钻速。为便于对比，周口店试验还使用了恒定加压力方式钻进、恒定转速的方式钻进，地层选择了Ra≈60～100MPa、Ra≈100～130 MPa、Ra≈180～210 MPa和Ra较小的地层。对于试验孔径1.25m而言，钻机钻压静载200KN，峰值载荷400KN时，可以在Ra≤130MPa的花岗岩中实现“跃进式破碎”。当岩石抗压强度提高时，钻屑明显变细，粒径范围多在0.03～2.5mm之间，明显为研磨或疲劳破碎产物。周口店现场试验记录摘要见表1。采用合理的施力作用方式，在Ra为110MPa花岗岩钻进，单纯钻进效率可达5～6m/h；在Ra为210MPa花岗岩钻进，单纯钻进效率可达0.4～0.9 m/h；在Ra＝5～22MPa的泥岩和Ra＝70～120MPa的钙质砂岩交互层钻进10m，平均钻速可达2～3 m/h。当施力作用方式不合理时，截齿只产生对岩石的研磨或疲劳破坏，此时效率极低为0.04 m/h左右。

2007年11月，北京市三一重机有限公司还在长春伊通河大桥组织了实际钻孔试验，难钻进地层为泥岩砂岩交互层，层深高程从-13m～-28m，泥岩层最厚70cm，砂岩层最厚30cm，岩石强度：泥岩、泥板岩Ra＝5～22MPa，钙质砂岩Ra＝70～120MPa，从地下13m至28m包含7个砂岩层。砂岩层采用“动静载耦合加压”，泥岩层采用“中间短间歇停止加压、其余时间恒定加压”，在此地层平均成孔速度为2.1 m/h。

 表1  周口店现场试验记录摘要

Table 1  Abstract of field test record (Zhoukoudian)

表2 伊通河大桥199#墩台1#桩孔钻进记录

Table2  Bridge of Yitong River 1# pile hole of 199# frusta

 

北京周口店和长春伊通大桥现场试验结果表明：

1）在脆性大的岩层钻进时，动静耦合的加压力加载方式可对岩石产生冲击作用，比恒定加压力加载方式钻进效率高出3倍。

2）在弹塑性岩层钻进时宜采用较长时间恒定加压力加载＋短时间靠钻杆钻头自重加压（浮动），这种加载方式有利于钻进转速的提高和渣屑的畅通运行，这种钻进加载方式最适合泥质岩层。

3）不对钻头转速进行控制，钻头在旋转工作中所受到的反作用力发生变化时，其转速会在快慢之间交替变换，此时截齿冲击凿削岩面可提高破碎效率。

4）钻头交替作业时，如果自由面配合合理，可使钻进效率大大提高。

5）在作业中，截齿即公转又自转，对脆性岩层入岩作业是有利的。

6）相对岩石强度而言，施压能力不足时，无论加载方式如何变化，破岩效率都极低而且效率基本相同。

（7）入岩钻头的结构形式和交替使用钻头的选择搭配对入岩效果有至关重要的影响。

5 结论

基于岩石破碎理论，通过改进旋挖钻机的设计，并且在科学的指导方法下作业施工，SR220R旋挖钻机入岩取得了令人满意的效果。在动静耦合载荷及先进的施工工法等措施的保障下，可实现岩石的跃进破碎，达到高效入岩的目的。但是以高效入岩为基础，探索出一条高效节能，在低损耗的情况下发挥设备的有效力量，提高能量的利用率，提高设计的合理性等一系列问题还有待进一步探讨和研究：

1）探索和完善旋挖施工理论，并在这个理论的指导下使旋挖钻的高效入岩更具普遍化，更容易在现实的施工中得以实现，使其社会价值成倍数增加；

2）在岩石上高效钻孔，不仅依赖于设备对岩石工程的有效性和适应性，还依赖于工具的不断发展与进步。

3）旋挖钻机入岩工法研究、调研、统计、总结和推广工作势在必行。