灌浆工程中常用的钻孔设备及结构示意图

灌浆工程的钻孔设备包括钻机和钻进工具。钻进工具是指水龙头以下与其连接组成的全套工具。钻进方法不同，机具配置也不同。图3-20为回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构示意图。

图3-20　在地回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构图

（a）金刚石钻进；（b）硬质合金钻进；（c）钢粒钻进
1—钻机；2—水弯头；3—进水管；4—灌浆水泵；5—储浆（水）槽；6—竖机钻杆；7—钻杆接头；8—岩芯管接头；9—岩芯管；10—金刚石扩孔器；11—金刚石钻头；12—合金钻头；13—沉淀管；14—三用接头；15—铁砂钻头

选择钻机主要考虑施工条件、岩石性质、钻孔深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素。钻机按照破碎岩石方法不同分为回转式钻机、冲击式钻机和冲击—回转式钻机。

1.回转式钻机

回转式钻机，是利用钻机的回转器带动钻具旋转，以磨削孔底岩石进行钻进。其钻具多为筒状，能取出完整柱状岩心。这种钻机的钻进速度较高，适用于各种硬度级别的岩石钻进，可钻直孔、斜孔、深孔。回转式钻机，由于结构和性能的不同，一般可分为立轴式钻机，转盘式钻机和动力头式钻机等。它是目前使用最多的一种钻孔设备，按回转机构的不同分为立轴式、转盘式和动力头式3种。立轴式又分为手把式、液压式、螺旋差动式和全液压式4种。其中立轴式液压钻机由于分档较多、转速高、机身轻、操作方便，能耗较低，是帷幕灌浆的主要设备。

立轴式液压钻机，是我国现在普遍使用的一种回转式钻机。该钻机可使用金刚石钻头，硬质合金钻头，钻粒钻头和鱼尾钻头等。可进行取心钻进和不取心的全孔钻进。用卷扬机也能配合进行冲击。现介绍几种不同型号的液压钻机。

（1）SGZ—ⅢA型钻机。SGZ—ⅢA型钻机，是水利水电系统钻探机械厂制造的立轴式岩心钻探机械。可钻凿与地面垂直或倾斜的孔。主要用于水电工程钻探，坝基灌浆，探矿，以及道路，桥梁和爆破等钻孔。

SGZ—ⅢA型钻机的特点是：①结构紧凑，质量轻，分解性好，便于搬运；②液压卡盘，液压给进和液压移动机体，大大减轻了操作人员的劳动强度；③手把集中，操作方便；④有孔底压力指示器，可随时控制、调整孔底压力；⑤转速档数多，可满足钢粒、硬质合金，金刚石等多种钻进工艺需要。

SGZ—ⅢA型钻机的动力装置，根据钻机使用场所的不同，可在订货时提出动力配备，用电动机或柴油机。

柴油机：采用485Q型高速柴油机，持续功率16～18kW，额定转速1500r／min。

电动机：采用Y140M—4型电动机，功率18.5kW，额定转速1470r／min。

（2）XU300—2型钻机。XU300—2型钻机与SGZ—ⅢA型钻机的适用范围相同。其特点是：①采用机械传动和液压传动相结合的结构，因而结构紧凑、质量轻；可拆性好，搬迁方便，能适应各种地形钻进；②采用液压给进、液压卡盘、液压移动钻机，并配有液压拧管机，操作方便，可大大减轻操作者的劳动强度；③配有压力表和空底压力指示器、立轴转速表、便于操作，及时掌握孔类情况，操作安全；④有4个正转速度、2个反转速度，可供选择使用。适用于硬质合金钻机、钻粒钻进。反转可供处理钻孔事故和特殊情况下反向钻进；⑤采用六方主动钻杆与液压卡盘相结合，可不停车倒杆，并可利用卷扬机升降钻具，进行快速扫孔。

（3）XY—2型钻机。XY—2型钻机是机械传动，液压给进立轴式岩心钻机。它除了适用于以钢粒、硬质合金、金刚石为主的岩心钻探外，也可用于工程地质勘察，水文、水井钻探及大口径钻进。其特点是：①钻机具有较多的转速级数（8档）和合理的调速范围。因此，适用范围广，可一机多用；②钻机功率大，结构合理；③质量轻、可拆性好，搬迁方便，适宜山区和水网使用；④结构简单、布局合理、便于保养和维护；⑤给进行程长，有利于提高钻机效率，减少堵、埋、烧结等事故；⑥采用双联油泵供油，系统压力稳定，油温较低，功率消耗少；⑦操作集中、简单、灵活可靠、便于掌握；⑧回转器适于任何倾角，液压卡盘定心正，夹持安全可靠，高速钻进稳定；⑨钻机可进行高速钻进，也可进行低速钻进。

此外常见其他类型钻机还有：XY—2B型钻机、XY—2PB型钻机、XY—2PC型钻机、GX—1T型钻机，这里不再详述。

2.冲击式钻机

冲击式钻机属于大口径型钻机，是利用钢丝绳将钻具提升到一定高度，然后自由下落，冲击地层，使孔底岩石破碎而进行钻进。其钻头多为十字形，不能采取完整岩心。该钻机适用于疏散岩石、软岩石和硬地层的钻孔工作。主要用于钻凿地质工程中的水文井，地基处理中的防渗墙槽孔，工农业中的机井、矿区副井、露天爆破孔和桥墩、水闸、高层建筑等地基工程造孔。各种冲击式钻机虽然型号不同，但其结构原理基本相同，都属于曲柄—连杆机构式的，将回转运动变为往复运动。这种钻机的最大特点是对各种不同地层适应性很大。造孔后，在孔壁周围形成一层密实土层，对稳定孔壁、提高桩基承载能力尤为有利。但其生产效率较低。常用的冲击式钻机有：CZ—22型、CZ—30型和KCL—100型。

（1）CZ—22型钻机。CZ—22型冲击式钻机，由主轴、工具卷筒、抽筒卷筒、滑车卷筒、冲击机构、桅杆、机架、操作机构和电器部分等组成，如图3-21所示。

图3-21　CZ—22型钻机

1—电动机；2—三角皮带；3—主轴；4—抽筒卷筒及大齿轮；5—滑车卷筒及大齿轮；6—冲击轴；7—工具卷筒及大齿轮；8—机架；9—轮胎；10—控制箱；11—拖架；12—冲击机构；13—桅杆拉杆；14—工作台；15—工具滑轮和抽筒滑轮；16—滑车滑轮；17—桅杆；18—操纵手把

动力机为电动机，通过三角皮带传动使主轴旋转更换电动机轴上3个不同直径的主动皮带轮，可改变主轴的转速，使钻具得到3种不同的冲击次数，工具卷筒、抽筒卷筒和滑车卷筒上的钢丝绳得到3种不同的线速度。

主轴是传动的分配机构，通过它可以将电动机的转动传递给钻机的各个工作机构。主轴在3个滚动轴承体内旋转，轴承座装在机架的大梁上。轴端有一个传动大皮带轮，是悬装在具有切槽的锥形衬套上。主轴上装有冲击小齿轮和抽筒小齿轮、滑车小齿轮，分别与冲击大齿轮、抽筒卷筒大齿轮、滑车卷筒大齿轮相啮合；冲击离合器、抽筒卷筒离合器和滑车卷筒离合器分别与冲击小齿轮、抽筒小齿轮和滑车小齿轮连为一体。

工具卷筒用于在钻进时起落钻具和调节钻具对孔底的位置。卷筒轴两端装在两个滚动轴承体内，轴承座固定在机架的大梁上。

冲击机构是把冲击轴的旋转运动变换为钻具的往复（冲击）运动的重要机构，如图3-22所示。

图3-22　CZ—22型钻机冲击机构

1—后导向滑轮；2—冲击梁架；3—主弹簧；4—辕杆；5—前导向滑轮；6—连杆；7—曲柄；8—冲击大齿轮；9—冲击轴；10—前导向轴；11—后导向轴

抽筒卷筒是用来在清洗钻孔时升降抽筒的；滑车卷筒是用来升降套管和进行安全起重工作时用的。当升降笨重的重物时可采用滑轮组。为了减少轴的根数，抽筒卷筒和滑车卷筒通过滚动轴承装在一根轴上，每个卷筒由单独的齿轮来传动，其结构与工具卷筒相似。为使抽筒卷筒上的钢丝绳使用部分与不使用部分分开，在卷筒中间焊有一个两半圆形的圆盘。

桅杆是供升降钻具、抽筒和套管之用。凡在桅杆负载能力范围内的，都可以用桅杆进行起吊。桅杆是由角铁、扁钢焊接而成的方形框架结构。

钻机的操作手把集中在钻机的左前角（面向钻机方向看），既便于操作，又便于观察孔内的情况，还便于右手扶着钢丝绳，凭手的感觉判断孔内钻进情况和地层的变化情况。钻机有4个离合器（工具卷筒、抽筒卷筒、滑车卷筒和冲击机构离合器）和3个制动器（工具卷筒、抽筒卷筒、滑车卷筒制动器），分别用6个操作手把进行操作，其中冲击机构和滑车卷筒共用一个离合器手把。

（2）CZ—30型钻机。CZ—30型钻机和CZ—22型钻机结构原理相同，但结构尺寸和质量均大于CZ—22型钻机，因而钻孔直径和钻孔深度也较CZ—22型钻机大。该钻机也有4个离合器、3个制动器，用5个手把分别进行操作，其中冲击机构和滑车卷筒共用一个离合器手把，抽筒卷筒的离合器和制动器共用一个离合器手把。(www.xing528.com)

（3）KCL—100型钻机。KCL—100型钻机和CZ—22型钻机相似，它与CZ—22型钻机不同的地方有：

1）KCL—100型钻机只有一节桅杆，工作高度降低了。

2）没有滑车卷筒。因此，在桅杆上部也没有滑车、滑轮。

3）钻具质量和钻孔直径都增大了，但钻孔深度减小了。

3.冲击反循环钻机

冲击反循环钻机，是在冲击钻机的基础上研制出的新型机。由抽筒抽砂，改为泵吸排砂，故称冲击反循环钻机。

GCF—1500型冲击反循环钻机是钻进灌注桩孔、大口径水井、回灌井、矿山通风孔和防渗、挡土连续墙槽孔施工的机械。其主要特点：

（1）采用射流反循环系统，易于实现正反循环的转换。

（2）冲击机构有手动和自动两种操作方式，冲击卷扬有自动同步装置。技术先进，工作可靠。

（3）钻机有高压射水装置，钻进土层时，用正循环方法，从而提高钻进效率。

（4）设有步履机构，按极坐标方式自动就位，中孔对位准确、迅速。

GCF—1500型冲击反循环钻机技术性能参数见表3-10。

表3-10　GCF—1500型冲击反循环钻机技术性能参数表

4.冲击回转式钻机

冲击回转式钻机是以回转式钻机为基础，在钻头上部连接一个专门的冲击器（也称潜孔锤）的一种机械。在钻进中，钻机提供一定的轴向压力和回转力矩，冲击器给钻具一定频率的冲击能量，在孔底以冲击和回转切削的共同作用破岩钻进。按使用动力的不同，其常用的冲击器有风动式和液动式。与回转式钻机相比，它钻孔速度快、机动灵活、费用较低。冲击回转式钻机的种类较多，灌浆工程中常用的型号及其性能见表3-11。

表3-11　部分冲击回转钻机型号及性能表

5.钻具

钻具及钻进工具，由主动钻杆、钻杆、钻铤、岩芯管、沉淀管、各种连接接头、接箍及钻头组成。这里主要介绍几种常用的钻头和扩孔器。

（1）硬质合金钻头。硬质合金钻头的结构要素有钻头体、切削具出刃、切削具镶焊角、切削具在钻头底面的布置、切削具在钻头上的数目、钻头的水口和水槽等。

硬质合金钻头适合于在可钻性为7级以下硬度的岩石中钻孔，有较高的钻进效率。与钻粒钻头相比，它具有钻进时钻机平稳、成本低、孔壁圆整、不受钻孔方向限制等优点，但在坚硬岩石中钻进效率不高。常用硬质合金钻头的结构型式有：阶梯肋骨钻头、内外镶硬合金钻头、三八式硬合金钻（也称三八连续掏槽式硬合金钻头）、扭方柱硬质合金钻头（也称“负前角阶梯钻头”）、毛式钻头、三翼片阶梯硬质合金钻头等。

（2）金刚石钻头。

1）金刚石钻头与扩孔器。金刚石钻头具有钻进效率高、钢材消耗少等优点。它不受岩石硬度、钻孔方向的限制。金刚石钻头与扩孔器可分为表镶和孕镶两种方式，这里主要介绍的是孕镶金刚石钻头与扩孔器。

2）金刚石取芯钻具。灌浆工程先导孔和检查孔常常需要采取岩芯，合理地选择和使用取芯钻具是提高岩芯采取率的重要条件。常用的有单管取芯钻具、单动双管取芯钻具，较特殊的有三层岩芯管取芯钻具、喷射式孔底反循环取芯钻具等。

3）钻粒钻头。由于人造金刚石的应用，金刚石钻进工艺发展迅速，钻粒钻进的应用大大缩小。钻粒钻头标准系列有φ75、φ91、φ110、φ130、φ150五种规格。钻进效率的高低，钻头水口起主要作用，常用的钻头水口形状有单弧形、双弧形、单斜边、双斜边、斜梯形等。

4）冲击器。按动力方式，冲击器可分为液动冲击器、风动冲击器（潜孔锤）和机械作用式冲击器。前两种用得较多。风动冲击器（潜孔锤）。潜孔锤是在孔底做功的冲击器，分为阀式和无阀式两种型式。无阀式冲击器对风压要求较低、零件使用寿命长、适应性强，较多采用。潜孔锤由配气装置、活塞、气缸、外套和一些附属零件组成。液动冲击器是以冲洗泵输送的高压液流作为动力源的。液动冲击器种类较多，其中阀式冲击器比较成功。

6.测斜仪

在灌浆工程中，由于地质和工艺的原因，钻孔偏斜是不可避免的。但孔斜会产生极大的危害性，如容易导致孔内事故发生，可能使技术人员对灌浆质量作出错误的判断等。为了防止钻孔偏斜，都需要进行钻孔测斜。

在测斜工作中，磁针式测斜仪是应用最广泛的。它有许多型号：按记录数据方式分，有机械顶卡型、液体凝固型、电测记录型和照相记录型等；按一次下孔测取读数次数分，有单点式和多点式。磁针式测斜仪只能用于非磁性干扰条件下钻孔偏斜的测量，不能应用于随钻测量中。

灌浆孔不同于地质勘探孔，它是灌浆工程的一部分，数量很多，测斜工作量很大，因此用于灌浆孔的测斜仪应当满足一定的精度要求，性能稳定、坚实耐用操作和维修简便，一般不需要追求过高的精度。我国生产的多种型号的测斜仪，能满足灌浆工程钻孔施工的需要。部分测斜仪型号与规格性能见表3-12。

表3-12　部分测斜仪型号与规格性能表