双管单动活门取土器

取样管长度 （mm）
内间隙比 （％）
内管超前距 （mm）
TD108×74
108
74
1200
1～6
20～70
TD146×110
146
110
1500
2 双管单动活门式取芯取土器 2.1 结构与性能
双管单动活门式取芯取土器的结构与皮切尔型取土器较为接近，也是由外管、内管两重岩芯管组成， 外管通过接头可与钻杆连接，能被钻杆带动一起旋转，下端装有合金钻头，内、外管连接处有连轴、轴 承和弹簧装置。不同的是双管单动活门式取芯取土器内、外管都由上、下两段组成，其中内管上段由内 管接头、弹簧装置和岩芯管组成，内管下段为装有半开键式塑料衬筒（相当于三重管单动回转取土器） 的半开管，半开管通过活接头（油任）与上端的岩芯管及下端的磁力翻板活门装置连接；两爿半开管采 用台阶式合接结构，在内壁的中间部位还设计了两条对称的键槽；半开键式塑料衬筒由两爿相同的半园 片，通过纵向截面处一对凹凸半园柱套合连接组成，且在连接处的外壁形成两条对称的长键，在键的两 端还各设计了一个凹槽，衬筒装入取土器内时，两条对称长键，分别嵌入取土器两爿半开管内壁的键槽 内，衬筒的连接面与半开管的连接面呈 90°，起到定位与防渗的作用；磁力翻板活门由活门座与磁力板组 成；活络管靴分上、下两节，中间有限位肩隔开，管靴设计有多种长度和不同的内间距比，以适用不同 的土性。外管上段为内管上段的外管，由外管接头与 Ф108mm 岩芯管组成，外管接头设计有回转轴承装 置与钻杆接通的冲洗液通道和与连轴连通的双向逆止球阀及排注两用孔；外管的下段由 Ф115mm 岩芯管
双管单动活门式取芯取土器就其工作原理属于回转压入式取土器。国外回转压入式取土器具代表性 的主要有皮切尔（Pitcher）型取土器和丹尼森（Denison）型取土器【2】，如图 1（皮切尔型和丹尼森型取 土器结构示意图）所示。
（a）皮切尔型
（b）丹尼森型
1－轴承；2－滑动阀；3－调压弹簧；4－内管接头；5－内管；6－外管；7－外管钻头；8－内管管靴。
图 1 皮切尔型和丹尼森型取土器结构剖视示意图
丹尼森型取土器有内、外两种岩芯管组成，外管接头与钻杆连接可旋转，下端装合金钻头，内管内 装有寸筒，下端连接管靴，取土时外管旋转，内管由于有轴承连接不跟转，只承受钻具重力和钻机施加 的压力，外管底端合金钻头切割土层的同时，内管管靴压入土层，随着取土器的钻进，土样被压进衬筒， 冲洗液则经过钻杆和外、内管间的环状间隙到达孔底，起到冷却钻头，清除被切割粉碎的土体的作用。
为了解决上述取芯、取样工程所存在的问题，提高岩土工程勘察的质量和效率，较好地满足生产技 术发展的需要，促使我们在公司顾问总工乌孟庄带领下研制能克服单管无泵取芯所有弊端，具有不使芯 样脱落的功能，且岩芯采取率不低于有关规范的规定，原状土质量达到Ⅰ～Ⅱ级标准，不低于常规取土 器的取土质量，钻进效率不低于常规的取样钻探工艺，这种取芯取土器就是“双管单动活门式取芯取土 器”。 1 目前国内外转压入式取土器的现状
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工程勘察 Geotechnical Investigation&Survrying 169
a.取芯取土器
b.取芯器
1、接手；2、分水头；3、注排两用孔；4、球阀室；5、轴承；6、连轴；7、密封座；8、弹簧； 9、内管接头；10、内管；11、外管；12、活接头（油任）；13、半开键式塑料衬筒；14、台阶式半开管；
1－外管接头；2－油封；3－平面轴承；5－黄油嘴；6－锁母；7－内管接头；8－小轴；9－导正套
10－钢球；11－衬管；12－外管；13－内管；14－钻头；15－管靴；16－卡簧；17－卡簧座；
图 2 三重管单动回转取土器结构剖视示意图
三重管单动回转取土器基本参数表
表2
型号
外管外径 （mm）
衬管内径 （mm）
皮切尔型取土器是丹尼森取土器的改进型，其特点是内管刃口的超前值，可通过一个竖向弹簧按土 层软硬程度自动调节内管管靴伸出外管的长度，因此取土效果较丹尼森型取土器好。
丹尼森型和皮切尔型取土器适用软塑～硬塑的粘性土、粉土及粉细砂，土样质量Ⅰ～Ⅱ级。现国内 适合粘性土、粉土、粉细砂的回转压入式取土器，主要是国家建设部于 1996 年 1 月 5 日作为建筑工业行
有磁性，翻板就吸附在管靴的外壁上；提钻时管靴则从活门座中下落，在管靴落出活门座的瞬间，翻板
在磁力作用下，随着翻落使活门关闭，能有效地挡住管靴以上内管中可能下滑的土样，如照片 3 所示。
于 40kN，故能随着钻机压力的改变，及时调节内管的受压状态和管靴伸出外管的长度，使土芯、土样能
顺利通过管靴进入内管和衬筒。现设计每个回次进尺不大于 2m，进入内管上段岩芯管的土作为土芯，进
入内管下段衬筒段的土作为原状不扰动土样。当取土器达到取土深度停止钻进时，逆止球阀的阀球依靠
自重落回球阀座，堵断排泄通道，使内管处于封闭真空状态。钻进时管靴上节进入活门座后，由于翻板
关 键 词 ： 双向逆止球阀；排注两用孔；半开键式塑料衬筒；磁力翻版；土芯采取率
0 引言
0.1 目前岩土工程勘察钻探取芯取土工艺的现状 目前国内岩土工程勘察采取原状土样一般采用无芯间隔取样和全断面间隔取样两种钻探取样工艺，
其性能对比如表 1 所示，从表中可以看出，这两种勘探工艺方法都存在较大的缺陷，使用大螺纹钻具或 单、双套岩芯管合金钻具不易保证土芯的质量和取芯率，甚至影响取土质量，而无芯间隔取样则根本不 取芯，所以以上两种勘探工艺都不能达到全断面取芯取样的质量要求。
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短接与 Ф122mm 合金钻头组成，为内管的下段和磁力翻板活门及活络管靴的外管。内、外管的上段比其 下段长，但直径比下段小，连接外管下段短接的合金钻头直径又比短接大，取芯取土器具有有利于钻进 的阶梯式结构外型。
随着国家经济建设的发展，工程建设项目，尤其是国家重大工程项目，对岩土工程勘察质量的要求
越来越高，对于第四纪松散覆盖层既要采取原状土样，进行土的物理力学性质试验，又要采取全断面岩
芯，准确了解土层的性质及其变化规律，有些行业勘察规范已经明确规定，粘性土岩芯采取率不宜小于 80％，砂土不宜小于 65％【1】。显然，上述目前国内常用的一些钻探工艺方法，已不能很好的满足生产技
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业标准发布的三重管单动回转取土器，三重管回转取土器的基本结构和技术参数见图 2（三重管单动回转 取土器结构剖视示意图）与表 2（三重管单动回转取土器基本技术参数表）；此外大多是丹尼森型或皮切 尔型取土器的仿制品，由于此类取土器与同样是先清孔后取土的压入或击入的常规取土器相比，取土工 艺较复杂，且软粘性土及砂土易脱落。虽然三重管单动回转取土器等一些回转压入取土器，在管靴上端 安装了卡簧，可以起到防止土样脱落的作用，但土样进入管靴顶开卡簧时，土样的周边势必受到卡簧的 扰动影响，对于砂土、粉土来说还会由于摩阻力的增大损坏卡簧。另外取土器的价格和使用成本相对较 高，尤其是进口产品。因此，此类取土器至今未能在国内工程实践中得到普及使用。
的土芯，然后进行无泵钻进取芯
Байду номын сангаас
三翼合金钻 无芯间隔取样工艺（先 头钻具或岩 粘性土、粉 清孔，不取芯，后取样） 芯管合金钻 土、粉细砂
头钻具
0.2 目前社会对岩土工程勘察工艺的要求
1、适用性好 2、清孔效率高
表1
缺点 1、土芯的原始结构遭切割而 破坏 2、操作不当易造成缩孔或塌 孔，致使采取原状土样质量受 影响 3、对粉性土、砂土取芯清孔 效果差，不适用 4、硬塑状粘性土层常常由于 钻进扭力过大而起拔困难，钻 进深度明显受到限制 1、土芯易脱落，尤其是软弱 粘性土和松散砂土 2、为防止土芯脱落，常采用 超深挤压，强力闭塞等方法， 造成进尺误差、缩孔、孔底原 始土层受到扰动等不利影响 1、不能满足全断面取芯的要 求 2、不能了解两个土样之间间 隔段土层的确切情况
勘探工艺
钻具
常用取芯取样勘探工艺性能对比
适用土层
优点
大螺纹钻具
全断面取芯间隔取样 工艺（先取芯清孔后取 样）
粘性土
1、能把所取粘性土芯全部从孔内 取出 2、操作得当的话，则清孔较为干 净，可保证取土器下达孔底
单、双套岩芯 管合金钻头 钻具
粘性土、粉 土、粉细砂
1、适用性较好 2、土芯能基本保持原始结构 3、可采用分水或球阀接头先送冲 洗液修理缩孔、塌孔或清除掉落
双管单动活门式取芯取土器、半开键式塑料衬筒以及磁力翻板活门装置的基本结构详见照片 1、图 3、 照片 2、图 4 以及图 5。而双管单动活门式取芯取土器主要技术参数见表 3。
照片 1 双管单动活门式取芯取土器
照片 2 半开键式塑料衬筒
双管单动活门式取芯取土器主要技术参数表
表3
土 性
流 塑～ 软塑 粘性 土、 粘质 粉土 及间 夹层 状土 可 塑～ 硬塑 粘性 土、 粘质 粉土 及间 夹层 状土 松 散～ 密实 砂质 粉 土、 粉细 砂
管钻进深入，土样渐渐被压进内管下段的衬筒，继续进入内管上段（岩芯管），与此同时原先进入内管的
孔内泥浆，被土芯顶托出逆止球阀，通过排泄孔回流孔内。泥浆冲洗液则经过钻杆与内、外管间的环状
间隙泵入孔底，起到冷却钻头、保护孔壁，把被切割粉碎的砂、土带出孔内的作用。在钻进过程中，还
可根据钻进的具体情况，通过钻机液压和弹簧装置，使外管上、下活动，由于弹簧最大的承受压力不小
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a.活络管靴进入活门座时的状况（钻进时）
b.活络管靴落出活门座时的状况（提钻时）
1、活门座；2、磁力翻版；3、管靴上节；4、限位肩；5、管靴下节
图 5 磁力翻板活门装置结构剖视示意图
双管单动活门式取芯取土器取土时，外管随钻杆旋转，合金钻头切割土层，内管在钻机液压和钻具
自重的作用下，其下端连接的管靴下节在被压入土中的同时上节推开磁力翻板活门进入活门座，随着外
双管单动活门式取芯取土器
董教社
（中交第三航务工程勘察设计院有限公司）
提 要 ： 双管单动活门式取芯取土器，具有独特的结构和性能，主要体现在外管接头的双向逆止球阀与排注两 用孔，带键槽的台阶式半开管与活接头（油任）连接结构及半开键式塑料衬筒，用来防止土芯脱落的磁力翻版 活门等结构。适用于流塑-硬塑状的粘性土、粘质粉土、间夹层状土和松散~密实的砂质粉土、粉细砂。原状土 样的质量达到 I-II 级土样的质量要求，钻进效率高于其它取芯取样勘探工艺 50%以上，适于水上钻探。
15、磁力翻板及活门座；16、钻头；17、活络管靴。
图 3 双管单动活门式取芯取土器和双管单动活门式取芯器结构剖视示意图
1
1
2
2
3 4
3
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2
3 3
1－凹半圆柱；2－凸半圆柱；3－凹槽；4－凸凹半圆柱套键 图 4 半开键式塑料衬筒结构剖视示意图
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术发展的需要，对于难度较大的重点和重大的岩土工程勘察项目更是显得有较多的不足和欠缺，譬如： 杭州湾大桥、苏通大桥、马来西亚槟城第二跨海大桥以及上海大连路隧道等工程，勘探孔深（有的甚至 达 150m 左右）、水上施工条件复杂、业主和设计对取芯率和取样的要求高(基本要求全芯取样)、工期紧， 面对这种情况，许多勘察单位深感力不从心。有些单位为了赶工期或抓工况，把清孔与取原状土样两道 工序合为一道工序，以岩芯管内的土芯替代原状土样，将割取的土芯装进土样筒送室内试验，可想而知， 这种偷工的方法，对于硬塑状粘性土或许扰动影响小些，对于软弱粘性土、粉土、砂土来说土样受到的 扰动破坏则不容置疑，其原状土质量根本不可能达到Ⅰ～Ⅱ级的要求。至于其采用的取芯工艺所存在的 一些问题依然不可避免。
内间 距比 （％）
0
≤1.5
1.5～4
管靴 超 前 刃口 （mm） （°）
60～100
5～7 20～40
外管外径 mm 上段 下段
钻头 外径 （mm）
内管 外径 （mm）
土样 直径 （mm）
土样 长度 （mm）
土芯 长度 （mm）
取土器 总长 （mm）
108
115
122
89
76
300
≤1700 3000