摘要：旋挖钻机破碎入岩到目前为止仍是一个世界性的难题，主要有如下原因：岩石是一种各向异性、不均质、不连续的物质，弄清岩石的破碎机理，创造合理的入岩条件实现快速掘进，既要依赖于力学理论和实验手段的发展，又要依靠现代基础施工设备和工法的不断进步；对旋挖钻机而言，入岩是一个新的挑战，既要使机器设备在施工过程各个环节中优化匹配，又要在工程中提高钻进破碎效率，因此对设备的设计理念、钻掘时的工法实践，都提出了更高的要求。 关键词：旋挖钻机；入岩；能量；
简述了旋挖钻机在桩基础施工中遇到的入岩问题，对入岩过程中岩石的受力状态以及影响因素进行分析，并针对入岩问题提出了解决的措施和建议。
一、参数验证性试验
在整个试验过程中，安排了常规的参数验证性试验：运用数理统计的方法，以提高岩石破碎效率、实现低成本快速钻进为目的，对不同组别的硬岩、风化岩，从工作装置（钻杆、钻具
等）、施工工艺和工法等角度设计了多组参数进行试验。尽管样本量偏小，但仍可得出一些倾向性的结论：
1.螺旋钻头锥角参量的变化、点式刀具截齿的不同排列方式、嵌岩筒钻的环切参量等对提高破碎岩石的效率具有重要影响。 2.采用不同的钻进加压模式，从能量场的角度，可合理分配破碎比功、控制钻进加压的脉动频率、提高截齿钻具的磨蚀性等，对入岩钻机的使用经济性有重要意义。 3.使用点式刀具是入岩破碎的基本前提，如何增加钻机的磋碾剪切和循环冲击劈岩效应是完善入岩工法、改进设备的基本方向。
二、入岩机理的初步分析
1.压头侵入岩石时载荷与侵深之间的关系。首先，截齿侵入岩石时，在它的前方出现一个袋状或球状的核，是物体在承受巨大压力作用下发生局部粉碎或显著塑性变形而形成的，称之为“密实核”。其次，压头侵入岩石的特点是：载荷p增加之初，侵深"按一定比例增加，当达到某一载荷临界值时会发生突然的跃进现象。待压头继续侵入到一个新的深度以后，
载荷p再度上升，侵深h和载荷p又恢复到某种比例关系。如此不断循环，越是脆性岩石这种跃进破碎越明显，塑性岩石则比较缓和。再次，在曲线上升段，增加单位载荷所增加的侵深近于常数，曲线下降部分与加载机构即钻杆刚性有关，不全取决于被侵入的岩石。另外，岩石在压头的作用下发生跃进式侵入后，崩碎的岩石坑作漏斗状，漏斗顶角的变化是不大的，不论压头形式、侵人方法、岩石种类如何，口角一般均保持在60。～75。之间。同理，由于旋挖钻机的转矩作用，会发生水平方向的截齿压头侵入一劈裂破坏效应，此时破碎椎体不是漏斗状，破碎角是与受力方向同向的锐角β。
2．钻进岩石时单位能量分析。点式刀具破碎岩石，可理解为机械能转变成表面能(把热能和声能折算在表面能内，一般其量级较小，可忽略)的过程。从能量守恒定律出发，破碎岩石功由两部分组成，一是轴向加压力作的功Wp，二是动力头输出转矩M作的功Wp。一般在单位面积内(1m直径)钻具在轴向力作用下所做的功wp与破碎进尺深度h的关系为：Wp=P·h，其中P为轴向加压力。另外，转矩所做的功wr用于克服摩擦作的功Wf和破碎岩石作的功Wp，
即；WF=Wh+Wn。
而
由此可得动力头转矩破碎岩石所作的有用功为；
式中r——点式刃齿平均半径；
ﾥ——岩石摩擦系数， 其值约
为0．4；
r剪一岩石的抗剪强度；
只压——岩石的抗压强度。
同时，钻头每转1周，破碎岩石所需要的功为WR，它等于岩石的抗压强度与破碎体积之积.即
WR=R压·A·h
式中Wr——破碎岩石所用的总功；
A——钻具的有效工作面积。
根据能量守恒原理，破碎岩石所需的功Wr应等于轴向加压力P所作的功Wp和动力头转矩破碎岩石所作的有用功眠之和。即;
这样，整理后得到钻具每转1周破碎进尺深度h的关系式为;
上式表明，可用岩石摩擦系数和岩石抗压强度来估算研磨进尺。
三、提高入岩效率的问题
1.轴向加压力。当加在钻头上的压力高于所钻岩石的压人硬度时，岩石就由表面破碎转为
体积破碎，钻速迅速增加，随着钻压的增加截齿的磨损量也随之增加，当压力增大到截齿的抗压强度时，截齿的磨损明显加剧，呈现破坏性磨损。因此，钻压有一个最优值，该值保证钻头以较高的速率钻进而截齿磨损最小。选取合理的轴压是实现高效碎岩的一个必要的前提条件，轴压应根据不同的岩石性质选取，要避免因轴压偏低造成截齿在岩石接触表面的磨损或疲劳破坏，要根据截齿直径，确定轴力比压，以获得较高的转速。
2.钻头截齿的冷却。人岩钻机进行特种工况施工时，所面对的是硬度较大、耐磨性较高的岩石地层。钻具与岩石摩擦时，会在摩擦接触面产生很高的温度，经实际测定，该温度主要取决于转速、岩石颗粒的硬度和钻具的硬度。接触面的温度在低于500～550℃时磨损率较小，超过这个温度时截齿的磨损率迅速增加。当间歇切削岩石时，其磨损要比连续长距离切削小得多，因为前者能得到一定程度的冷却。所以钻具的及时冷却十分重要，一般采取的冷却方式是水冷却，在湿钻过程中，冲洗液起到冷却降温的作用，以保证钻具的耐磨性，提高钻进效率。
3．岩石的可钻性分级。岩石的硬度是表述岩石破碎性质的，不同的岩石抵抗外界破坏的能力不同，对钻掘机械的要求也有所区别。应用相对广泛的史氏岩石分级方法采用断面积为1
～3mm2的平端压头，以发生第一次跃进破碎时压头断面的压强作为硬度指标，并将岩石分成12级。岩石的分级是用来判别钻机人岩效果的参考依据，对于不同硬度的岩石，应选用合理的转矩和轴压匹配。
4.岩石对钻具的磨蚀。入岩钻机在人岩过程中截齿的磨损十分明显，这是由于在截齿碎岩的同时岩石也对截齿有一定磨蚀作用。岩石的磨蚀作用包含两种不同机理，一种是擦蚀，其特征是被磨蚀物体的硬度小于磨蚀物体，后者在前者的表面上刮削下碎屑末；另一种类似于砚台受到墨的研磨，久而久之也要被磨蚀，称之为磨损。对于钢制工具而言，除了含石英颗粒的岩石以外，都是以磨损的形式为主。磨蚀体积与磨蚀路程成正比，正压力和磨蚀速度与体积之间的关系为
式中△VL单位路程所磨损的体积(磨损率)；
w一岩石的磨蚀性系数；
P——正压力。
在材质一定的情况下，适当地调整钻杆的轴向压力可以减小岩石对截齿的磨蚀速度。
5.冲击的内因.岩石是由各种不同强度的矿物组成的，各向异性和不均质是它的特征，而大多数中硬和坚硬的岩石是脆性体。在软的地方压人深，硬的地方压入浅，使刀体作上下往复运动，造成对岩石的冲击。冲击周期即为齿与岩石接触(齿压入岩石)一次所需的时间，保证完全破碎的条件是冲击周期大于破碎岩石所需的时间。截齿与岩石接触的时间还与岩石的性质有关，根据实测结果，同样条件下脆性岩石冲击破碎所需的时问比塑性岩石小8倍。人岩钻进中，截齿以一定的速度作圆周运动，在这个过程中对岩石进行不断的连续周期性冲击，达到碎岩进尺的目的。
总之，旋挖钻机破碎入岩到目前为止仍是一个世界性的大难题，岩石是一种各向异性、不均质、不连续的物质，弄清岩石的破碎机理，创造合理的入岩条件实现快速掘进，既要依赖于力学理论和实验手段的发展，又要依靠现代基础施工设备和工法的不断进步；对旋挖钻机而言，人岩是一个新的挑战，既要使机器设备在施工过程各个环节中优化匹配，又要在工程中提高钻进破碎效率，因此对设备的设计理念、钻掘时的工法实践，都提出了更高的要求。旋挖钻机工法网
参考文献：
[1]徐静．岩石破碎学．2018．
[2]王德森．关于旋挖钻机入岩机理和钻岩效率的分析.2020.
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