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潜孔锤偏心跟管钻进技术的发展背景
在众多的复杂地层锚杆钻进施工中,塌孔、埋钻是施工人员经常碰到且又十分头疼的问题。采用常规的钻进工艺方法很难保证钻孔的质量和施工效率。潜孔冲击跟管钻进技术充分利用了风动潜孔锤冲击破碎岩石的优势,在碎岩钻进的同时,同时跟入套管保护钻孔孔壁,利用套管的刚性导向作用,可以抑制钻孔弯曲,保证钻孔的垂直度。
潜孔冲击跟管钻进按其结构型式主要分为两种类型:偏心式跟管钻具及同心式跟管钻具。同心跟管钻具因其外钻头的壁厚较厚,同样孔径施工,冲击功传递效果不如偏心钻具,只有在钻孔直径较大,选择高风压冲击器时,效果才比较好,但制造费用比偏心钻具高的多。偏心式跟管钻具不仅成孔直径大,而且结构简单,制造成本低,使用方便,因此得到了更广泛的应用。
气动反循环理论
本文基于气动反循环理论,借助ANSYS和FLUENT软件,针对路基注浆加固问题,分析并设计了一套新型气动反循环跟管钻具,主要研究成果如下: (1)通过国内外现有跟管钻具调研,基于高速铁路路基加固对钻孔要求,提出了气动反循环潜孔锤跟管钻具设计方案,创新设计了一种新型跟管钻头,采用中心钻头与扩孔钻头分置方式,中心钻头在底,扩孔钻头呈三瓣均布于中心钻头上部,正转扩孔,反转收拢,并完成了气路设计、柱齿拓扑设计、各部件接口设计和动力参数匹配等。 (2)基于有限元分析理论,应用ANSYS软件,对关键零部件如套管靴、钻头体、钻头体与中心钻头间连接销进行静力分析,完成了强度、刚度和可靠性校核。
穿过回填风化砂层到达完整原状岩层位可跟换普通潜孔锤头进行施工,就不必再继续跟管,钻进结束或需要更换中心钻具时,应先进行清孔,将孔底残渣吹尽,然后停止回转,把中心钻具缓缓向上提动,力的大小以刚好能提动中心钻具为合适,高度以偏心钻头后背与套管鞋前端接触为止;然后低速反转钻具,同时缓慢向上试提中心钻具。当观察到中心钻具可以顺利时,按照常规方法中心钻具,直到全部提出中心钻具。
起拔套管时,采用拔管器逐节拔出,液压千斤顶顶升时要慢,用力均匀。
有时会因孔底残留岩渣过多,偏心钻头回转部分被岩渣卡死而影响偏心钻头的收拢。当试提几次仍不能奏效时,应输送压气,重新对钻孔进行清洗,并使潜孔锤作短时间工作,然后重新进行中心钻具作业。
提钻吹孔时,只要导正器表面的孔露出套管靴,解除封闭状态,大量空气将通过此二孔进入套管,对套管内岩屑进行强吹。当钻进工作告一段落,将钻具提出时,可慢速反转钻具,偏心钻头又依靠惯性力和摩擦力收回,整套钻具的外径小于管靴、套管的内径,即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或将钻具提出孔外,套管留在孔内护壁。
本发明公开一种可实现正、反循环气动潜孔锤工法的旋挖钻机,包括旋挖钻机机身(13)、鹅头(7)、钢丝绳(6)、动力头(11)、钻杆(10)、水龙头(8)、随动架(9)、正反循环转换装置(12)以及正循环潜孔锤(14),水龙头、钻杆和正反循环转换装置内部都设有潜孔锤供气、气举反循环供气和排渣三条管路;
水龙头固定安装在随动架上,下端与钻杆连接,钻杆穿过动力头,传递旋挖动力;正反循环转换装置安装在钻杆与正循环潜孔锤之间。本发明通过拆除、安装正反循环转换装置,实现正、反循环施工;供气管路、排渣管路等全部从水龙头、钻杆和正反循环转换装置内部通过,无需改动动力头即可实现普通旋挖与气动潜孔锤旋挖之间的切换。
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