气举反循环钻机成孔原理

钻孔灌注桩施工时钻机的选择

（刘培良讲稿，王同民整理于武汉长江二桥工地）

一九九0～一九九七年

（一）刮刀钻头破岩原理：

刮刀钻头适用于在覆盖层、强风化岩层和软岩中钻孔。刮刀布置不宜过密，覆盖系数应在1.2～1.5之间。注意改善泥浆冲洗条件，以免形成泥包钻头。注意切入地层不宜过深,钻压适当不能过大。刮刀的材质应着重考虑岩石的机械强度、抗压入强度、抗剪强度和研磨性。现将刮刀钻头破岩机理分述如下：

1．P为使刮刀压入岩石的力，Tm为刮刀随钻头旋转的扭力，刮刀随钻头下放（给进）接近孔底工作面时：P＝0，Tm＝0。

2．在钻头自重的作用（包括配重）刮刀获得钻压值，得到Po的力，使刀锋压入岩层。此时：P＝Po，Tm＝0。

3．在钻头扭矩Tm的作有用下，刮刀获得扭力Tm，这时刮刀有了充分的工作条件使刮刀前的岩层产生挤压变形，并沿剪切面形成破岩切力τ，P＝Po ，Tm＝Tm。

4．刮刀随着钻头的旋转和给进，进行工作，在刮刀的推移下，岩屑不断加长而自折，被循环泥携带到孔外。

5．钻进过程示意图：

根据刮刀钻头破岩的工作原理，在钻进过程中必须考虑和满足的基本条件是：①加在孔底工作面上的钻压；②驱动钻头旋转的转盘扭矩和功率；③钻机转数；④泥浆循环量；⑤钻头型式。这五个基本条件是钻机必不可少的五个重要因素。它们和各种地层的关系与计算方法，在以下各节中进行介绍。

（二）钻压：

1．定义：钻孔时为使刀具压入岩石，所施加给刀具的力称为钻压。钻压是对钻进效率、钻头刀具寿命影响最大的一个钻孔参数。

2．钻压P与钻进速度V的关系：随着钻压P的增加，钻进速度V的变化可分为以下三个阶段：

a．岩石被挤压阶段：当P从零增加到Pa时，岩石由于刀刃的压力面被压密，刀具压入岩石的深度与钻压成正比，亦即V与P成直线关系，这时刀具只是以研磨作用使岩石呈表面破坏，钻孔速度低，刀具磨损量大。

b．岩石开始变形阶段：即Pa→Pb阶段，岩石在刀刃压力作用下开始变形，刀具压在岩石深度的增加大于钻压的增加，这时V与Pm成正比，M是决定刀具本身的参数（加齿尖角、齿距、刀具的排列方式等），当孔底无岩层时，M＝1.25～3.0（硬岩取小值、软岩取大值）孔底有岩时M≤1.0。

c．Pb－Pd阶段：为岩石有效破碎阶段，这时刀具压入岩的深度迅速增加，钻速的增加远大于钻压的增加，当钻压大于Pb时刀具磨损量降低。Pd是钻压的临界值，它是牙轮齿全部压入岩石时的钻压值，因此钻压超过Pd时，不仅钻速会降低，还将缩短刀具和轴承的寿命，引起孔斜和泥包钻头等一系列事故。因此掌握各种地层的Pd值是很重要的，钻进时应将钻压控制在Pb－Pd范围内。

3．线压强度：在钻孔钻进过程中，加到孔底工作面上的钻压，是通过刮刀上的刀锋压入岩层内一定深度h，刀锋与孔底的接触为一条线，故称为线压强度。线压强度既要满足钻孔的临界钻压值，又不能过大。但对钻孔桩来讲总是先通过表层较松、较软的地层，钻到较硬的持力层（磨擦桩）或者岩层内（柱桩），选择钻机时。钻压必须能克服钻孔桩将要通过的最硬最难钻的地层，因此目前国内外在安排钻机线压强度时，一般按规范的要求为：在覆盖层中钻孔N值＞5MP时，取线压强度 q＝40kg/cm，在风化岩层或软岩中钻孔时，取线压强度q＝80kg/cm，在岩石强度大于40MP时取g＝160～320kg/cm。岩石强度大于g＝80MP时，g＝400kg/cm。

南昌公路大桥泥砂岩很软，岩石池和极限抗压强度仅10MP稍多一些，取40kg/cm。4．钻压计算：

P=∑L*q

P=加在孔底的有效钻压（Kg）。

∑L：刮刀与孔底接触的总刀长（cm）。

q：线压强度。

例：①直径1.8m钻孔，当∑L=1.5*90=135 cm时(覆盖系数K=1.2~1.5)加到孔底的有效钻压值是:

P=135 cm*40=5400 Kg=5.4tf=54KN.(40为适宜的线压强度,根据地质选用).

②.直径2.5m的孔:当线压强度∑L=1.5*1.25=187.5 cm时,加到孔底的有效钻压值:

P=187.5*40=7500 Kg=7.5tf=75KN.

*注:有效钻压不等于空气中的钻头加配重.

5．钻头加配重后在空气中的重量，为了减压钻进的要求，钻头加配重在泥浆中重量的一部分成为加在孔底的有效钻压，另一部分重量使钻机始终在拉力状态下进行工作，促而达到重锤导向的目的,保证钻孔的垂直度：

Q＝7.85P/α＊(7.85－γ)

式中：Q:为钻头加配重在空气中的重量:（t）

P:为加到孔底的有效钻压值:（t）

7.85:钢材的比重:（t／m3）

为泥浆比重 :取γ＝1.25t／m3

α:为减压量，α值越小钻孔垂直度越高，在1000m以上的深井钻孔中，α取0.4,钻孔偏斜率＜1‰；国内煤矿坚井（100～500m）α取0.5，倾斜率＜2‰;钻孔桩深度较浅（100m 以内）α＝0.7,钻孔倾斜率＜3～5‰。

ф1.8m的钻孔：Q=7.85P/[a*(-γ)]= 7.85*5.4/[0.7*(7.85-1.25)]=9.17t=91.7KN ф2.5m的钻孔：Q=7.85P/[a*(-γ)]= 7.85*7.5/[0.7*(7.85-1.25)]=12.74t=127.4KN （三）钻孔转数n

刮刀钻头破碎岩石的条件是：依靠钻头自重（包括配重）使刀锋压入岩石一定深度h，和刮刀在孔底的移动速度。一般情况下钻头转速越高，钻孔破岩能力越强，钻孔速度越快，同时在考虑钻机转速时，还要适当考虑刀具的耐磨性，防止对孔壁造成过大的冲刷，现就它们之间的关系分述如下：

1．钻机转速与钻转速度的关系：

a．当钻机转速小于na时，钻机转速h与钻速V成直线关系，转速n越快，钻速越高；

b．当hb＞n＞na时，钻进速度V仍随着h的增加面提高，但速率减慢；

c．当h＞nb时，γ随着h的加大而降低，这是因为刀速太快，刀刃作用手岩石上的时间太短，破碎阻力增加之故。

由此可知钻机转速n

2．钻机转速与刀具磨损量的关系：钻进转速是影响刀具寿命的关键性因素，刀刃的单位进尺磨损量随转速n的增加而增加，因此对每一种岩石也有一个临界转速值，要使刀具磨损不超出一定范围，钻孔时应把转速n限制在此范围内。对于大直径和深孔来说，美国休斯公司把刀具在孔底移动的最大速度限制在0.96～1.9m／s范围内，当V＝1.91m／s时，钻机转速n＝36.510（式中n以转数计；D以m计；西德维尔特公司取V＜0.7m／s)。苏联根据大量统计资料规定V＞1.58m／s时，刀具磨损量迅速加快。

3．线速度V与钻孔时钻机转数n之间的关系：

n＝60V/πD