摘要
旋挖钻机施工过程中，岩石钻进效率与筒钻布齿方式密切相关。采用截齿切削试验系统，对筒钻关键布齿参数进行研究。采集试验过程的三向荷载、破碎体积、变形位移、破碎形态等数据。从破碎比功、切削阻力、荷载波动及截齿自旋等多个维度，应用控制变量法进行截齿切削试验，定量评价切削角、齿偏角、切削顺序、齿尖高度差和齿尖轨迹间距等参数对岩石切削的影响。研究表明：存在与地层性质匹配的最优布齿参数组合，以钻进花岗岩地层为例确定了最优布齿参数范围，分别为：切削角68°~72°，齿偏角5°~15°、跳跃式切削、齿尖高度差3 mm左右、齿尖轨迹间距30 mm左右。根据试验结果进行了筒钻设计和工程验证，钻进效率比普通筒钻提升13.64%，单位进尺成本降低39.13%。研究成果对指导截齿筒钻布置、降低钻齿损耗、提高岩层钻进效率具有重要的意义。
旋挖钻机施工钻孔灌注桩过程中，硬岩层钻进已成为工程工期的最大制约因素之一，目前普遍使用截齿筒钻或牙轮筒钻取心、嵌岩捞砂斗取渣的施工工
针对钻具与岩石相互作用机理及截齿筒钻布齿准则，国内外学者紧紧围绕“哪些截齿排布参数影响岩石破碎，如何定量评价影响效果”两大关键问题，采用现场观测与理论研究、试验研究和仿真模拟等手段，取得了大量的研究成果。
现场观测与理论研究方面，Evan
截齿切削试验方面，Roxborough
数值模拟方面，宋
综上所述，截齿在筒钻上的布置参数对施工效率、截齿损耗、钻机结构稳定等有显著影响。存在一定的参数布置范围，使得机-具-岩协同作用处于合理、稳定的波动范围。然而，上述截齿破岩理论大都进行了不同程度的模型简化，且未经过充分现场验证，难以真实反映实际施工过程。同时，相关研究对象普遍安装于采煤机、掘进机、铣刨机等设备，其施工工况与旋挖钻机存在较大差别，研究成果难以应用于旋挖施工。此外，多数针对截齿破碎岩石的试验研究，其刀具运动形式与旋挖刀具大相径庭，加之岩石破碎体积测量方式存在不同程度的误差，所得规律的准确性与适用性尚需商榷。因此，仍需基于实际的旋挖钻进过程，深入研究和定量评价截齿布置参数对岩石破碎的影响，建立包含旋挖钻具布齿规律的理论体系，这对于缩短工程工期、推动工程机械低碳化具有重要意义。
鉴于此，本文首先在调研总结影响岩石破碎过程的截齿布置参数基础上，充分考虑旋挖钻机的岩石切削能力，设计并搭建了重载高速截齿直线切削试验台。然后，通过控制变量法进行试验设计，对各个影响因素进行了定量评价，确定适用于旋挖施工的最优布齿范围。最后，依据试验结果设计了重载筒钻，在花岗岩地层施工过程中进行了现场验证，并探讨了截齿筒钻的扩展施工工况。
本文试验中涉及的岩石种类包括红砂岩、灰砂岩、大理岩和花岗岩，均为旋挖钻机使用截齿筒钻的常见施工地层。为保证岩样的代表性和试验结果的说服力，试验所用岩样取自不同区域的旋挖工地。
按照《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T 23561.7—2009）第7部分：单轴抗压强度测定及软化系数计算方法、《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T 23561.10—2010）第10部分：煤和岩石抗拉强度测定方法及《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T 23561.13—2010）第13部分：煤和岩石点载荷强度指数测定方法等国家标准，将以上岩样加工成标准尺寸（Ø50 mm×100 mm、Ø50 mm×25 mm和Ø25 mm×50 mm三种），委托中国地质大学（北京）进行岩石的宏观力学参数测定。使用电子万能材料试验机进行单轴压缩试验，使用DDL-100型微机控制电子材料万能试验机进行巴西劈裂拉伸试验，使用洛氏硬度计进行点载荷强度试验（如
图1 岩石试样宏观力学参数测定试验
Fig.1 Experimental determination of macroscopic mechanical parameters of rock samples
| 岩石类型 | 密度/（g·c | 极限载荷/kN | 单轴抗压强度/MPa | 弹性模量/GPa | 抗拉强度/MPa | 硬度HRB |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 红砂岩 | 2.20 | 17.58 | 35.62 | 1.36 | 2.35 | / |
| 灰砂岩 | 2.69 | 62.89 | 8.98 | 2.92 | 6.08 | 336.53 |
| 大理岩 | 2.61 | 49.33 | 25.54 | 2.73 | 2.60 | 39.17 |
| 花岗岩 | 2.68 | 165.78 | 84.40 | 11.66 | 5.18 | 50.8 |
室内试验通过重载高速截齿直线切削试验台进行，通过试验台可完成截齿线性切割试验，开展岩石可钻性、破碎方式与机理研究，验证岩石切削理论和仿真数据，为钻具设计提供依据，为实现旋挖智能钻进奠定基础。试验台机械机构采用横梁悬挂刀架，下端岩石沿水平方向移动，实现岩石直线切削。包含岩样移动和夹持固定系统、横梁移动系统、围压加载系统、截齿调节锁定系统及一系列测试系统，截齿直线切削试验系统如
图2 截齿直线切削试验系统
Fig.2 Cutting test system for linear cutting of pick
为采集试验过程中的应力应变、破碎体积等数据进行针对性分析，搭建了包括高速摄像、三向力采集、三维扫描和数据处理分析系统等在内的测试系统。其中应力数据用于计算岩石切削力，高速摄像机所拍摄照片用于记录岩石破碎全过程，捕捉岩屑飞溅轨迹与规律。此外，本试验采用复合式三维扫描仪进行破碎体积测量，利用双目视觉原理获得空间三维点云，工作时借助于扫描当前帧的标记点与标记点库进行匹配从而获得扫描仪和被测物体的空间位置。通过激光发射器发射激光，照射在被扫描工件表面，再由两个经过厂家校准的工业相机来捕捉反射光，经计算得到工件的外形数据。扫描前需在被测物体上粘贴编码标记点和反光标记点，每两颗反光标记点之间间距一般为30~250 mm，同时注意标记点避免规律排布。三维扫描仪及贴点示意如
图3 三维扫描仪及贴点示意
Fig.3 3D scanner and patch diagram
考虑到试验台具体尺寸，试样全部加工为长方体，规格为1.0 m×0.45 m×0.45 m。所用刀具为旋挖施工常用的SY6030-24D10截齿，具体结构及外形尺寸如
图4 截齿结构尺寸及切削角示意
Fig.4 Schematic diagram of the dimensions and cutting angles of the pick structure
通过前期现场及理论调研，确定本试验研究的截齿筒钻布齿参数包括切削角、齿偏角、齿尖高度差、齿尖轨迹间距及切削顺序等。试验采取控制变量的方法依次定量研究各参数对岩石破碎的影响程度。
目前学术界普遍认可比
| （1） |
式中：Es——破碎比功，J/m
截齿切割岩石过程中，会受到来自水平方向的切削阻力FC和竖直方向的进给阻力FN，截齿轴线与水平面的夹角即为切削角α，如
试验前，将岩样置于试验平台，调整水平并固定。然后进行对刀和试验参数设定，将应力和位移数据清零。其次进行测量系统搭建。接着进行岩石切削试验，同步进行数据采集和高速摄像。再次清理岩面，扫描破碎体积，整理切削力并计算破碎比功，分析宏观破碎特征和微观响应规律。
进行了灰砂岩、红砂岩和花岗岩3种岩石的切削角试验，做出试验过程中切削阻力、破碎比功随切削角的变化曲线，如
图5 切削角试验结果
Fig.5 Cutting angle test results
将试验后的岩石试样表面清理后，可得到3种岩石的破碎形态，如
图6 岩石试样破碎
Fig.6 Rock sample crushining
相关研究证
图7 进给力和切削力波动范围示意
Fig.7 Schematic diagram of fluctuation range of feed force and cutting force
综合以上对切削阻力、破碎比功、碎屑形态、力波动范围等评价指标的分析，对于单轴抗压强度约80 MPa的花岗岩地层，其使用截齿筒钻钻进的最优切削角范围为68°~72°。
齿偏角β是决定切削性能最重要的参数之一，是指径向上截齿轴线偏离竖直方向的角度，其示意如
图8 齿偏角示意
Fig.8 Schematic diagram of drilling tooth deviation angle
为了探究齿偏角对截齿自旋性和岩石切削过程的影响，对灰砂岩、大理岩和花岗岩3种岩石进行了分别研究。
图9 齿偏角试验受力分析
Fig.9 Force analysis of drilling tooth deviation angle test
| 岩石类型 | 齿偏角/（°） | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | |
| 灰砂岩 | 1.29 | 1.40 | 1.49 | 1.59 | 1.67 | 1.65 |
| 大理岩 | 1.55 | 1.56 | 1.62 | 1.64 | 1.64 | 1.64 |
| 花岗岩 | 1.47 | 1.54 | 1.59 | 1.74 | 1.86 | 1.91 |
截齿切割岩石试样切点处的线速度可分为切向分量和法向分量，切向分量可使截齿连续回转，该线速度与齿偏角、切削速度等参数密切相关。试验前对截齿进行点位标记，记录截齿切割过程中的偏转角度，并转化为偏转位移，同时三向力传感器可采集截齿侧向受力数据。据此可绘制出3种岩石侧向受力和偏转位移随齿偏角变化曲线（如
图10 齿偏角试验偏转分析
Fig.10 Deviation analysis of drilling tooth deviation angle test
综合以上对切削阻力、破碎比功、侧向受力、偏转位移等评价指标的分析，对于单轴抗压强度约80 MPa的花岗岩地层，其使用截齿筒钻钻进的最优齿偏角范围为5°~15°。
岩石切削过程中，若截齿齿柄不能在齿座内有效旋转，则极易产生偏磨和异常磨损。而截齿自旋可使其产生较为均匀地磨损，不仅能显著提升刀具耐用度和使用寿命，还能降低切削温度，提高切削效率，带来可观的经济效益。因此，刀具有效自旋转一直是包括车刀、截齿在内各个行业的研究课题。
自由面理
针对花岗岩试样进行切削顺序试验研究，切削角采用前面试验所得的较优值70°。由于截齿筒钻常见的主硬质合金直径为24和28 mm，本组试验使用后者。切削速度设置为0.1 m/s，加压力为1.5 MPa，切痕统一为80 cm，保证去除首尾切痕后的破碎体积数据稳定可用，其余条件与上述试验相同。对照试验包括零自由面（即单次切削）、单自由面（1-2-3顺序式切削）和双自由面（1-3-2跳跃式切削），并统计了最后一刀的单刀比功和所有切削对应的平均比功进行对比（如
图11 切削顺序试验结果
Fig.11 Cutting sequence test results
基于花岗岩试样进行齿尖高度差试验，高度差设置为筒钻常见的齿尖高度差0~6 mm，其余条件同上，共进行7组对照试验，试验条件见
| 试验名称 | 齿尖高度差试验 | 齿尖轨迹间距试验 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 主硬质合金直径/mm | 28 | ||||||||||
| 加压力/MPa | 1.5 | ||||||||||
|
切削速度/ （m·mi | 0.1 | ||||||||||
| 齿尖高度差/mm | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||||
| 齿尖轨迹间距/mm | 20 | 30 | 40 | 50 | |||||||
图12 高度差试验结果
Fig.12 Height difference test results
针对花岗岩试样进行齿尖轨迹间距试验研究，由于直径为1 m的截齿筒钻的常见布齿数量为10~15个，即相邻两齿所距弧长为21~31 mm，本组试验的间距设置为20~50 mm，其余条件同上，共进行4组对照试验，试验条件参见
图13 齿尖轨迹间距试验结果
Fig.13 Test results of drilling tooth tip trajectory spacing
综合以上对切削痕迹、破碎比功、破碎体积等评价指标的分析，对于单轴抗压强度约80 MPa的花岗岩地层，其使用截齿筒钻钻进的最优切削顺序为跳跃式切削，齿尖高度差的较优值在3 mm左右，齿尖轨迹间距的较优值在30 mm左右。
为了充分验证以上截齿切削试验规律，为旋挖截齿筒钻设计提供依据，针对花岗岩地层设计了重载截齿筒钻。其按照试验所得的较优参数设计，能够承受更大加压力及扭矩，其直径为1.2 m。筒钻布齿方式为五分齿，即中、中内、中外、内、外（见
图14 钻齿布置示意
Fig.14 Drilling tooth arrangement
| 筒钻类型 | 切削角/（°） | 齿偏角/（°） | 齿数/个 | 齿长/mm | 齿尖轨迹间距/mm | 齿尖高度差/mm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 重载筒钻 | 70 | 2、11.5、13.5、25 | 22（截齿） | 76 | 30 | 3、12 |
| 普通筒钻 | 62 | 5、8 | 21（截齿） | 76 | 25 | 2、8 |
| 牙轮筒钻 | 0 | 5 | 10（牙轮） | 240 | 120 | 0 |
本次工程验证基于SR485型旋挖钻机进行，验证工地位于广东省深圳市，施工项目为深圳市城市轨道交通8号线三期工程。地质勘察结果：0~2 m为素填土，灰褐色，局部夹少量碎石及砂；2~9 m为强风化花岗岩，褐黄色，灰白色，岩心多呈坚硬土柱状，遇水易崩解；9~11 m为强风化花岗岩，岩心呈碎块状；11~14.5 m为中风化花岗岩，褐黄色，青灰色，岩心呈短柱状，节理裂隙发育；14.5~20 m为微风化花岗岩，青灰色，中、细粒结构，岩心呈长柱状，单轴抗压强度约100 MPa。
为了更为直观地展示本次验证结果，特将重载筒钻与现场普通筒钻、牙轮筒钻进行对比，参数对比见
图15 三种筒钻实物
Fig.15 Physical pictures of three types of barrel drills
图16 工程验证结果
Fig.16 Engineering verification results
基于全尺寸截齿切削试验台和多维度测试分析系统，针对旋挖施工中的截齿筒钻布齿这一技术难题，设计对照试验分别研究了不同关键参数对岩石切削的影响。确定了花岗岩地层的最优布齿参数范围，对于指导截齿筒钻布置、降低钻齿损耗、提高岩层钻进效率具有重要意义。结果表明：
（1）旋挖施工过程中，岩石切削效果与截齿切削角、齿偏角、切削顺序、齿尖高度差和齿尖轨迹间距等参数密切相关，其显著影响岩石破碎比功、力波动范围、截齿自旋与系统振动。
（2）在确定工况下，存在最优的布齿参数组合，使得切削比功最小、力波动范围较小、自旋角度较大。对于花岗岩地层，较优布齿参数为：切削角68°~72°，齿偏角5°~15°、跳跃式切削、齿尖高度差3 mm左右、齿尖轨迹间距30 mm左右。
（3）基于截齿切削试验结果进行了重载筒钻设计，在花岗岩地层进行了工程验证。验证结果表明，无论钻进效率、钻齿损耗还是整机振动，使用重载筒钻均优于普通筒钻和牙轮筒钻，试验结果可为筒钻布齿提供依据。值得注意的是，由于旋挖实际钻进工况较为复杂，试验难以完全复制，因此做了一定程度的简化，如将截齿圆周运动简化为直线切削进行研究，后续将延伸该方向的研究。
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