第三节钻孔灌浆机具1 钻孔机具1.1 钻孔机具的一般配置灌浆工程的钻孔机具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。

不同的钻进方法机具配置不完全相同。

图2-3-1为回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构示意图。

本节介绍水利水电工程中常用的钻机和主要钻孔工具。

（a）（b）（c）（d）图2-3-1 回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构示意图a-金刚石钻进的钻具；b-硬质合金钻进的钻具；c-全断面钻进的钻具；d-钢粒钻进的钻具；1-钻机；2-动力机；3-水泵或泥浆泵；4-钻塔；5-钢丝绳；6-水龙头；7-送水管；8-吸水管；9-水箱；10-主动钻杆；11-套管；12-钻杆接箍；13-钻杆；14-钻杆锁接头；15-沉淀管；16-沉淀管接头；17-岩芯管；18-钻里钻头；19-钻铤；20-钻铤接箍；21-钻铤锁接头；22-岩芯管接头；23-扩孔器；24-金刚石钻头；25-全断面钻头；26-硬质合金钻头。

1.2 钻机应根据施工环境、岩石性质、钻孔深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素选择高效率的钻孔方法和钻机。

1.2.1 回转式钻机回转式钻机是目前使用最多的一种钻孔设备。

按其回转机构的不同，回转式钻机分为立轴式、转盘式和动力头式三种。

其中立轴式又分为手把式、液压式、螺旋差动式和全液压式四种。

其中，立轴式液压钻机由于分档较多，转速高，机体较轻，操作简便、能耗较低，是我国帷幕灌浆钻孔的主要设备，这种钻机按其钻进能力分为100米、300米、500（600）米、1000米，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种规格，在灌浆工程中四种规格的钻机都有应用，但应用较多的还是Ⅰ、Ⅱ型轻型钻机。

我国许多钻探机械厂都能生产各种规格的不同型号的立轴式液压钻机，表2-3-1为部分国产钻机型号和主要性能。

我国一直也从国外进口一些回转式钻机，但数量不多，使用不很广。

表2-3-1 灌浆工程常用的部分回转钻机型号和规格性能1.2.2 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），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的一种机械。

按使用动力的不同，常用的冲击器有风动式和液动式。

与回转钻进相比，它钻孔速度快，机动灵活，钻孔费用较低。

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2-3-2。

表2-3-2 部分冲击回转钻机型号及性能表1.2.3 冲击式钻机冲击式钻机（凿岩机）在灌浆工程中多用于回填灌浆、固结（浅孔）灌浆和衔接帷幕灌浆的钻孔。

虽然冲击钻机的钎杆也须作回转运动，但这种转动并不是在打击钎杆时发生，钎头刃在冲击破碎岩石时并不转动，是一种纯冲击式钻机。

在施工中常用的冲击钻机有手提式凿岩机、气腿式凿岩机（轻型、重型）等。

1.3钻具钻具即钻进工具，它由主动钻杆、钻杆、钻铤、岩芯管、沉淀管、各种连接接头、接箍以及钻头组成。

这里主要介绍几种常用的钻头和扩孔器。

1.3.1 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排布、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，不受钻孔方向的限制等优点，但在坚硬岩石中钻进效率不高。

常用硬质合金钻头主要参数见表2-3-3（1）阶梯肋骨钻头。

阶梯肋骨钻头是用T105型硬合金切削具焊接而成的，其特点是肋骨片较厚、水口宽、钻进时孔底呈阶梯状。

可钻进3～5级岩层。

如页岩、砂页岩和胶结不紧密的砂岩等。

表2-3-3 常用硬质合金钻头的型式及主要参数径”是指不包括合金出刃的钻头最大外径（D）。

全断面钻头的直径是指包括合金出刃的钻头最大外径。

（2）内外镶硬合金钻头。

内外镶硬合金钻头镶有T313型硬质合金，在较坚硬地层也可镶T105切削具，可斜镶也可直镶。

适用于3～5级岩层，如均质石灰岩、大理石、较松散的砂岩及页岩等，也可镶T110型合金，用以钻进5～7级和部分8级不均质岩层，如长兴灰岩、硅化灰岩和凝灰岩等。

（3）三八式硬合金钻头。

也称三八连续掏槽式硬合金钻头，这种钻头把T105、T107、 T110型小、中、大八角柱状硬质合金切削具顺序排成一组，产生连续掏槽，扩槽的破岩作用，耐磨性较高，适用于5～7级多裂隙地层。

（4）扭方柱硬质合金钻头。

也称“负前角阶梯钻头”，该钻头镶T130型硬质合金，方柱切削具扭转45°，分内、中、外三环分布。

并把切削具成10～15°负前角斜镶。

三环的底出刃不同，成阶梯状。

其特点是能承受较大的轴向压力，不易崩刃，可钻进5～7级及部分8级中硬岩层。

特别适用于钻进研磨性大，均匀性差的岩层，如辉长岩、玄武岩、砂岩、风化的辉绿岩、闪长岩、矽嘎岩、硅化的页岩和石灰岩等。

（5）矛式钻头。

矛式钻头是一种不取芯、全断面硬质合金钻头，钻头主翼片呈锥形，侧翼片较短，起扩孔保径作用，镶T310型硬质合金切削具。

钻头中间有一个φ27mm的水眼，为增大水流速度，可制成φ14mm的收敛式水眼，形成强力冲洗。

适用于钻进2～4级红色黏土，疏松砂岩及塑性强的地层。

（6）三翼片阶梯硬质合金钻头。

翼片阶梯硬质合金钻头体的形状呈炮弹形，可用普通钻粒钻头改制，翼片用15mm厚钢板制成阶梯形，在翼片边缘镶S306型硬质合金。

这种钻头适用于钻进3～4级页岩，部分5级砂页岩及灰岩，是适于强力规程的一种钻头。

其结构型式见图2-3-7，规格尺寸见表2-3-4。

表2-3-4 三翼阶梯式硬质合金钻头尺寸单位mm1.3.2 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或孕镶两种方式，这里主要介绍的是孕镶金刚石钻头与扩孔器。

根据地矿标准，孕镶金刚石钻头和扩孔器的规格分别见表2-3-5、表2-3-5 金刚石钻头尺寸表单位：mm表2-3-6 金刚石扩孔器尺寸表单位：mm(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。

①单管取芯钻具，它构造简单，制造容易，操作方便。

钻具强度大，使用费用低。

在完整、均质的岩层，或对取芯要求不很高的情况下使用。

②单动双管取芯钻具，这种钻具的内管接头与外管接头之间设有轴承组，可使内管不随钻杆转动，岩芯进入内管后能保持相对静止，也不受循环液冲洗，因此取芯率高。

使用单动双管取芯钻具能提高钻速和回次长度，降低金刚石消耗，延长钻头使用寿命。

单动双管取芯钻具可在节理、片理、裂隙发育和软硬互层的地层中使用，是金刚石钻进中常用和主要的配套工具之一。

③三层岩芯管取芯钻具，在某些粉状岩层、遇水溶解地层、胶结不好的土层或对岩芯品质要求很高的情况下，要在内管中设置第三层管，以便更好地保护岩芯。

第三层管有两种类型：一种是塑料管（低压聚乙烯管），另一种是金属半合管。

钻进时岩芯进入第三层管中，当装满岩芯的内管总成取出后，卸去两端的连接件，有内管中取出第三层管。

若是塑料管则用刀将其切开，若是半合管则将其分开即可取出满足要求的岩芯。

由于设置了第三层管，钻头内径将减小3mm左右。

④喷射式孔底反循环钻具，这种钻具分为弯管型和分水接头型两种形式。

其工作原理是冲洗液在泵压作用下由钻杆流至喷嘴喷出，经由称承喷装置进入弯管或分水接头，再流至钻具外的环状间隙，向上返出或向下流动。

由于高速射流的作用，喷嘴附近形成负压，导致岩芯管中所存冲洗液被吸附流进承喷装置混合、流出，从而形成孔底反循环。

喷射式孔底反循环钻具在硬、脆、碎地层中钻进，取芯可靠，采取率高，同时由于孔内清洁，能大大减少卡、埋钻事故。

1.3.3 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。

其结构尺寸见表2-3-7。

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。

表2-3-7 钻粒钻头尺寸表单位：mm1.3.4 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。

（1）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。

目前我国主要风动工具厂都能生产不同型号、性能和规格的无阀冲击器，其主要类型与技术参数见表2-3-8。

潜孔锤钻头一般有柱齿状或球齿状钻头，其型号有φ80、φ90、φ96、φ100、φ200、φ250等。

表2-3-8 部分潜孔锤的型号与技术参数（2）液动冲击器液动冲击器是以冲洗泵输送的高压液流做为动力源的。

液动冲击器种类较多，其中阀式冲击器比较成功。

可用于灌浆工程钻孔的主要是阀式正作用液动冲击器，有TK系列、ZF-56型、EPL-1型等。

主要型号技术参数见表2-3-9，TK正作用式液动冲击器的结构见图2-3-18。

表2-3-9 几种液动冲击器的型号与技术参数1.4 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。

为了防止钻孔偏斜和纠正钻孔偏斜，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如表2-3-1表2-3-10 灌浆工程中使用的部分测斜仪型号与规格性能表2 灌浆设备2.1 灌浆设备的一般配置灌浆机具主要包括灌浆泵、制浆和储浆设备、灌浆塞等。

图2-3-19为纯压式灌浆时主要设备配置示意图，孔口封闭法灌浆的设备配置如第六章图2-6-4。

本节介绍常用的灌浆泵和浆液搅拌机和灌浆塞等。

图2-3-19 纯压式灌浆主要设备配置示意图1-高速搅拌机；2-储浆搅拌机；3-灌浆泵；4-记录仪；5-灌浆塞；6-计量水箱；7、8-管路；9、10、11-管件；12-压力表等2.2 灌浆泵灌浆泵是水泥灌浆施工中的主要设备，要求有较大的工作压力和排浆量，能方便地调节泵的排量，易损配件有较高的耐磨性和耐蚀性，结构简单易于维修。