一種基于水平定向鉆的模型試驗裝置

張晟斌, 劉繼國, 2, 劉夏臨 ,2, *, 舒 恒, 2, 程 勇, 趙 強, 馬保松

(1. 中交第二公路勘察設計研究院有限公司, 湖北 武漢 430056; 2. 中交集團隧道與地下空間工程技術研發中心, 湖北 武漢 430056; 3. 中山大學, 廣東 珠海 519082)

0 引言

采用水平定向鉆對隧道進行地質勘察時,由于勘察距離相對較長,且全孔取芯技術效率較低。故為了在保證隧道勘察精度的前提下提高勘察效率,目前水平定向鉆技術對隧道進行地質勘察主要采用三牙輪鉆頭全斷面破碎鉆進結合非連續提鉆取芯的勘察方法。基于此,通過模型試驗的方法,探究鉆進參數與巖石物理力學性質間的相互變化關系,可為水平定向鉆勘察孔圍巖質量評價提供可靠的數據支撐。

在數字鉆進試驗裝置設計方面,國內外學者做了大量研究。王玉杰等[1]利用自主研發的多功能數字鉆進測試系統提出單位體積研磨能與單軸抗壓強度之間的關系式,得到鉆進參數與巖石強度之間的關系模型(RDP-Rc); 該試驗系統主要包括伺服司鉆系統、氣壓加載系統以及數據檢測采集系統3部分,可采集試驗中的鉆進壓力、鉆頭轉矩、鉆進速度和轉速等參數。Yaar等[2]采用取芯鉆進試驗系統探究鉆進參數與巖石單軸抗壓強度之間的變化關系,得出鉆進速度隨著鉆進壓力的增大而增大,隨著砂漿單軸抗壓強度的增大而減小,并提出比能(單位時間內鉆壓和轉矩破碎單位巖石所消耗的機械能大小)與砂漿單軸抗壓強度之間的經驗關系式; 該試驗鉆機旋轉動力由電機驅動,利用壓力傳感器、轉速表與位移傳感器測量取芯鉆進過程中的進尺、鉆速、轉矩和鉆壓等參數。岳中琦[3]和Wang等[4]研發了一臺能夠自動且連續記錄和監測鉆進參數的鉆孔過程數字監測儀,包含距離傳感器、轉動傳感器、高壓空氣流驅動力傳感器和數據處理單元,應用于20多個施工和勘察場地的鉆孔數據的監測工作,可為工程巖體質量評價提供更直接有效的數據。周宏源[5]采用數字鉆探模型試驗裝置分析含水率、壓實度對鉆進力學響應量和強度參數影響規律,建立了鉆進響力學與巖土體強度參數間的量化關系數學模型,該裝置包括地下隱伏病害微損旋壓觸探系統和三維柔性邊界加載系統,可實時采集鉆進過程中的鉆頭轉矩、轉速、推進力和進尺速度等參數。劉正好[6]采用多功能智能鉆進感知裝置開展三軸加載下的掩體室內鉆進測試,揭示巖石參數、地應力大小對巖石鉆進參數的影響規律; 該試驗裝置由伺服鉆進系統、真三軸加載裝置、監測控制系統3部分組成,可實時測量鉆頭的鉆壓、轉矩、轉速和鉆進速度等參數。陳祖軍等[7]采用西安理工大學巖土所研發的XCY-1型巖體力學參數數字鉆系統,建立鉆進過程中機-巖相互作用的數學模型,提出了一種基于數字鉆技術的巖石主要強度參數解析方法,該鉆進系統主要由電氣控制系統、液壓系統、油泵傳動系統、實時監測系統和數據采集控制系統組成,可實時記錄鉆進過程中的鉆進參數。

以上學者研發的試驗裝置大多針對垂直鉆探或水平超前預報,其工作原理與水平定向鉆均不相同。但現場施工過程中影響水平定向鉆鉆進效率的因素有很多,且在實際鉆進過程中有多種因素(如鉆壓、轉矩、圍巖強度、節理裂隙等)同時影響水平定向鉆的破巖鉆進過程,因此,無法查明單一因素(如鉆壓、巖石強度等)對鉆進效率的影響規律。本文針對水平定向鉆技術用于隧道地質勘察方向,自主研發了水平定向鉆進模型試驗裝置,該裝置包括鉆進動力系統、旋轉動力系統、參數測量系統,其中動力系統主要由液動螺桿馬達和液壓油缸共同驅動,該裝置既保留了水平定向鉆的工作特性,又可實時測量試驗中的鉆進壓力、鉆進速度、鉆頭轉矩和轉速等參數,以研究鉆進參數與巖石強度之間的相互變化關系。

1 水平定向鉆鉆進試驗系統設計

1.1 水平定向鉆鉆進試驗系統簡介

水平定向鉆鉆進參數與巖石強度相關性模型試驗系統如圖1所示,該裝置包括鉆進壓力動力系統、旋轉動力系統和參數測量系統。鉆進動力系統包括液壓油缸、液壓系統、巖石箱和導軌; 旋轉動力系統包括BW250型號泥漿泵、液動螺桿馬達及三牙輪鉆頭; 參數測量系統包括拉線式位移傳感器、壓力傳感器、動態轉矩傳感器、液壓表和渦輪流量計。其中,拉線式位移傳感器固定在液壓油缸前端外表面,拉線頭固定在液壓油缸前端的法蘭上,用于測量油缸伸縮的位移大小; 壓力傳感器用螺釘固定在液壓油缸和巖石箱之間,用于實時測量液壓油缸頂進力的大小; 動態轉矩傳感器連接在液動螺桿馬達和鉆頭短節之間,用于測量液動螺桿馬達工作中的轉速和三牙輪鉆頭破碎巖石時產生的轉矩; 液壓表和渦輪流量計安裝在高壓水管中,用于測量試驗中水的壓力與流量。

圖1 試驗系統示意圖

該試驗系統的工作原理: 首先,調節BW250泥漿泵,通過觀察液壓表和渦輪流量計,使高壓水管內的水流量及壓力在液動螺桿馬達正常工作范圍內,保證液動螺桿馬達正常工作; 然后,將液動螺桿馬達固定在試驗架上,使液動螺桿馬達轉子僅正常旋轉而不做水平移動; 最后,控制油缸液壓系統,使巖石箱在油缸推力作用下緩慢勻速地向前移動,在液動螺桿馬達提供的旋轉動力作用下,三牙輪鉆頭緩慢破碎巖石并形成鉆孔。

試驗過程中,液壓系統和液壓油缸為三牙輪鉆頭提供水平頂進力; 液動螺桿馬達為試驗系統中破碎巖石的三牙輪鉆頭提供轉矩與轉速。水箱內的清水通過BW250泥漿泵增壓后,順著高壓水管流入液動螺桿馬達中,最后從三牙輪鉆頭噴嘴中流出。該試驗中的高壓水既可保證螺桿馬達正常工作,又起到冷卻鉆頭和沖刷鉆孔巖屑的作用。拉線式位移傳感器、壓力傳感器、動態轉矩傳感器、水壓力計、渦輪流量計分別用于測量試驗過程中的位移、鉆進壓力、轉矩、轉速、水的壓力與流量。

1.2 試驗設備與砂漿試件制備

1.2.1 試驗系統設備

試驗系統主要由鉆進壓力動力系統(見圖2)、旋轉動力系統(見圖3)和參數測量系統(見圖4)3部分組成。

(a) 液壓系統

(a) BW250型泥漿泵

(a) 拉線式位移傳感器

1)鉆進壓力動力系統包括液壓系統(見圖2(a))、液壓油缸(見圖2(b))、巖石箱(見圖2(c))和導軌(見圖2(d))。其中,液壓系統工作功率為1.5 kW,額定壓力為16 MPa,在液壓系統電磁換向閥部位安裝溢流閥和節流閥,試驗中可通過溢流閥來控制液壓油缸的頂進力,采用節流閥控制液壓系統的頂進速度;法蘭式液壓油缸行程為800 mm,頂進力為50 kN;巖石箱尺寸為40 cm×40 cm×60 cm(長×寬×高),左右側面各有9個螺孔,用于固定巖石;導軌長度為2 m,基本動額定負荷為77.57 kN,基本靜額定負荷為102.71 kN。

2)旋轉動力系統包括泥漿泵(見圖3(a))、液動螺桿馬達(見圖3(b))、中空短節(見圖3(c))、三牙輪鉆頭(見圖3(d))。其中,BW250型號泥漿泵為臥式三缸往復單作用活塞泵,適用于深度1 500 m以內的鉆機,且泵的機構內設置有變速箱可調節其轉動速度,實時調節泵的排量和壓力,以適應孔底鉆具工作狀態,鉆探人員也可根據泥漿泵的壓力和排量情況判別孔內鉆具是否正常工作。BW250型泥漿泵的技術參數主要參數如表1所示。圖3(b)中的直螺桿主要技術參數如表2所示。

表1 BW250型泥漿泵主要技術參數

表2 試驗用液動螺桿馬達參數

3)參數測量系統包括拉線式位移傳感器(見圖4(a))、壓力傳感器(見圖4(b))、動態轉矩傳感器(見圖4(c))、液壓表(見圖4(d))、渦輪流量計(見圖4(e))和無紙記錄儀(見圖4(f))。其中,拉線式位移傳感器最大量程800 mm,輸出信號為4～20 mA電流信號;壓力傳感器采用輪輻式重力測重傳感器,額定量程為5 t,輸出信號為4～20 mA電流信號;動態轉矩傳感器可同時測量螺桿轉速和三牙輪鉆頭轉矩2個參數,量程為0～800 N·m,以脈沖方波標準信號形式輸出,并有相應的信號采集儀表,以15次/s的頻率對試驗數據進行采集;LCD液晶顯示液壓表,量程為0～10 MPa,并以4～20 mA電流信號輸出DN40渦輪流量計,可測流量范圍1～20 m3/h,螺紋安裝,標準耐壓等級為6.3 MPa,以4～20 mA電流信號輸出;本次試驗采用無紙記錄儀收集試驗數據,可收集電流、電壓、RS485等信號,其中位移、鉆進壓力、泥漿循環系統壓力和流量4個參數每秒采集1次,而鉆頭的轉速和轉矩數據每秒采集15次左右。

1.2.2 水平定向鉆孔底鉆具動力原理

由于液動螺桿馬達是水平定向鉆用于隧道地質勘察的孔底動力來源,因此在分析鉆進參數與巖石強度之間的變化關系時,應首先了解螺桿的工作原理。如圖5所示,液動螺桿馬達主要由傳動軸總成、萬向軸總成、馬達總成、防掉總成和旁通閥總成5部分組成[8-9]。

圖5 螺桿馬達結構示意圖

螺桿馬達在工作過程中滿足能量守恒,即單位時間內輸入的水力能等于輸出的機械能[10],表達式為:

MTωT=ΔpQ。

(1)

式中:MT為液動螺桿馬達的理論轉矩;ωT為液動螺桿馬達理論角速度; Δp為液動螺桿馬達進出口壓降;Q為流經液動螺桿馬達的流量(即排量)。

鉆頭的理論轉速與理論角速度之間的定量關系為:

(2)

(3)

式(2)—(3)中:nT為鉆頭的理論轉速,即馬達的輸出轉速;q為馬達的每轉排量。

聯立式(1)—(3),可得:

(4)

NT=ΔpQ。

(5)

式(5)中NT為理論功率。

從式(4)—(5)可以看出,液動螺桿馬達的理論轉矩MT和鉆頭的理論轉速nT是2個相互獨立的參數,鉆頭的理論轉速nT僅與馬達本身的結構以及排量Q有關,液動螺桿馬達理論轉矩MT與馬達本身的結構及進出口壓降Δp有關。

1.2.3 試驗樣品制備

為了驗證該試驗系統的可行性,采用6塊尺寸為300 mm×300 mm×600 mm(長×寬×高)、強度等級為M15的長方體砂漿試塊。根據JGJ 98—2010《砌筑砂漿配合比設計規程》、JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》中的不同強度水泥砂漿配合比方案,考慮大塊砂漿難以養護的問題,采用32.5 MPa水泥,水泥、河砂與水的質量配比為1∶4∶0.7,最終各試塊的具體強度以室內單軸抗壓強度試驗結果為準。6塊砂漿試塊(A-1至A-6)的具體物理力學參數見表3。

表3 A-1至A-6砂漿試塊的基本物理力學參數

2 試驗方案與步驟

2.1 試驗方案

試驗中制作6塊強度等級為M15、尺寸為300 mm×300 mm×600 mm(長×寬×高)的長方體砂漿試塊,鉆進不同砂漿試塊時,通過調節液壓油缸系統,增加不同砂漿試驗中鉆進壓力值,分析不同鉆進壓力對水平定向鉆鉆進速度、轉矩、轉速、系統水壓力和水流量的影響規律。

2.2 試驗步驟

1)試驗系統檢測。打開BW250型泥漿泵檔位調至A2-B3,工作流量為250 L/min、水壓為2.5 MPa,測試液動螺桿馬達是否正常工作;調節液壓系統使液壓油缸推動巖石箱緩慢往前移動,同時檢測拉線式位移傳感器、輪輻式重力傳感器、動態轉矩傳感器、液壓表和渦輪流量計及參數采集儀是否正常,正常工作后將試驗系統全部關閉。

2)將巖石試塊固定在巖石箱。將巖石切割成300 mm×300 mm×600 mm(長×寬×高)的長方體,放入400 mm×400 mm ×600 mm(長×寬×高)的巖石箱內,在巖石兩側放入2塊鋼板,并用巖石箱側面的螺釘固定。其中,應將巖石300 mm×300 mm(長×高)的那面對準牙輪鉆頭。

3)打開旋轉動力系統。打開BW250型泥漿泵,并將檔位調至A2-B3,檢查動態轉矩傳感器、液壓表和渦輪流量計是否正常顯示。

4)調整油缸推進速度。打開液壓系統,通過調節液壓系統中的節流閥和泄壓閥,將液壓油缸推進速度調整到預定值大小,并將巖石緩慢勻速往前推動,在此過程中檢查拉線式位移傳感器、輪輻式重力傳感器是否正常。

5)查看無紙記錄儀,記錄巖石與鉆頭開始接觸時的位移數據。

6)控制試驗鉆孔深度。保持巖石勻速前進,在三牙輪鉆頭破碎巖石過程中,時刻關注無紙記錄儀位移數據,當鉆孔深度達到預定值大小時,關閉液壓系統和BW250型泥漿泵。

7)減小鉆進壓力因摩擦所產生的誤差。調節液壓系統的電磁換向閥,使巖石后退至初始位置,再次調節電磁換向閥,使液壓油缸按照試驗時的速度推進至鉆孔底部與三牙輪鉆頭接觸位置,記錄往前推進過程中的鉆進壓力數據,此時的鉆進壓力數據為油缸推動巖石箱與巖石時所產生的摩擦力值。

8)將巖石取出,換1塊巖石,重新調節液壓系統節流閥和泄壓閥,改變液壓油缸的推進速度繼續試驗。

9)重復步驟2)—8)直至試驗結束。

10)導出并處理數據。

3 試驗結果分析

3.1 鉆進成果

本次試驗共鉆進6塊強度等級為M15的砂漿試塊,鉆進深度為400～500 mm,施加的鉆進壓力平均值依次為5.14、2.98、12.24、5.59、8.3、10.05 kN。其中,圖6(a)為三牙輪鉆頭的鉆孔,圖6(b)為試驗后的6塊砂漿試塊。

(a) 三牙輪鉆頭鉆孔

3.2 不同鉆壓條件下鉆進參數的相互變化關系

3.2.1 鉆進參數隨鉆進深度變化關系

為了分析水平定向鉆鉆進壓力對轉矩、轉速、水壓力、水流量和鉆進速度的影響,本次試驗采用6塊強度等級為M15的砂漿試塊。經試驗測試可知6塊砂裝試塊的單軸抗壓強度分別為: 10.8、12.39、15.13、9.51、8.77、10.32 MPa。試驗中改變每塊砂漿的鉆進壓力,從中觀察各參數之間的變化規律。得出鉆進壓力、轉速、轉矩、鉆進速度、水壓力和水流量隨鉆進深度的變化關系如圖7所示。

(a) 鉆進壓力隨鉆進深度的變化關系

由圖7可以看出,隨著三牙輪鉆頭從剛接觸到完全鉆進砂漿試塊中,各鉆進參數隨鉆進深度的變化會先急劇變化,然后再穩定鉆進。由于不同砂漿試塊的鉆進壓力不同,導致不同砂漿試塊的各鉆進參數也發生相應的變化。由于試驗過程中鉆頭的轉速與系統水流量變化范圍較小,所以圖7(b)與圖7(f)的相互變化曲線沒有明顯層次感,本次試驗中的鉆頭轉速變化在158～163 r/min,水流量變化在15.6～16.0 m3/h。6塊砂漿試塊穩定鉆進后各鉆進參數平均值如表4所示。

表4 A-1至A-6砂漿試塊各鉆進參數平均值

3.2.2 各鉆進參數之間的變化關系

根據表4中6塊砂漿試塊鉆進參數的平均值,分別繪制如圖8所示的砂漿試塊A-1至A-6各鉆進參數之間的相互變化關系散點圖。

(a) 鉆進速度隨鉆進壓力的變化關系

由圖8(a)和圖8(b)可知,在砂漿試塊單軸抗壓強度相近的條件下,水平定向鉆的鉆進速度及鉆頭所受的轉矩隨鉆進壓力的增大呈現正相關變化關系,即隨著鉆進壓力的增加,水平定向鉆的鉆進速度與鉆頭破巖時所受的轉矩會不斷增加。三牙輪鉆頭破碎巖石主要采用沖擊壓碎和滑動剪切2種方式[11],當砂漿試塊單軸抗壓強度相近時,鉆進壓力越大,三牙輪鉆頭的切削齒侵入巖石就越深,破碎的效率就越高,產生的轉矩也越大[12]。另外,隨著鉆進壓力的持續增加,被剪切破壞的砂漿試塊與三牙輪鉆頭之間的內聚力不變,但摩擦力會逐漸上升,導致三牙輪鉆頭所受到巖石的剪切力也不斷增大,最終使砂漿試塊的破壞速度也在不斷增大[13]。

圖8(c)和圖8(d)分別為試驗中砂漿的轉矩與水壓力、鉆頭的轉速與水流量之間的相互變化關系,根據1.2.2節液動螺桿馬達的工作原理可知,當螺桿的型號固定時,試驗中三牙輪鉆頭所受到的轉矩大小與水壓力增量呈正相關,即試驗中的水壓力會因為砂漿的轉矩增大而增大;鉆頭的轉速與系統中的水流量呈正相關關系,即試驗中的水流量會因為鉆頭轉速的增大而增大。

由圖8(e)可知,當試驗中的液動螺桿馬達型號固定之后,在三牙輪鉆頭破巖鉆進過程中,鉆頭的轉矩與轉速呈現反相關的變化關系,即鉆頭的轉速隨著三牙輪鉆頭轉矩的增大而減小。這是因為試驗中砂漿試塊的轉矩是鉆頭受到的旋轉阻力,當旋轉阻力相應增大時,鉆頭的轉速會相應地減小,但總體變化不大。例如: 當A-3砂漿試塊的轉矩是6塊砂漿試塊中的最大值83.66 N·m時,鉆頭的轉速卻為6塊砂漿試塊中的最小值159.42 r/min; 當A-1砂漿試塊的轉矩是6塊中的最小值33.14 N·m時,鉆頭的轉速卻是6塊中的最大值161.04 r/min。

4 結論與討論

1)基于水平定向鉆用于隧道地質勘察的工作原理,研發一種水平定向鉆探模型試驗裝置。該裝置包括鉆進壓力動力系統、旋轉動力系統和參數測量系統3部分,既保留了水平定向鉆的工作特性,又可實時測量試驗中鉆頭的轉速、轉矩、鉆進速度、鉆進壓力、系統的水流量和水壓力等參數,解決了工程現場難以獲取的孔底鉆頭轉矩及轉速等參數問題。

2)采用6塊強度等級為M15的砂漿試塊對該試驗系統進行測試,得出: 鉆進壓力在液動螺桿馬達工作范圍內時,水平定向鉆的鉆進速度與鉆頭的轉矩隨著鉆進壓力的增大而增大,基本呈正比例變化關系;系統水壓力和鉆頭轉矩呈正比例變化關系; 系統水流量和鉆頭的轉速呈正相關變化關系。因此該試驗系統可以真實地反應水平定向鉆的工作特性。

3)目前,該試驗系統沒有考慮圍壓對鉆進參數的影響,可以將放置巖石的位置(巖石箱)改裝為可施加三軸圍壓的巖石箱,以此來分析不同圍壓大小對鉆機參數的影響以及不同圍壓條件下鉆進參數與巖石單軸抗壓強度之間的定量關系。