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自进式锚固钻具的发展与应用

本文对瑞典AtlasCopco公司自进式锚固钻具的工作原理，产品类型、以及发展过程和应用领域作了论述，可为钎具生产企业了解这种优质高效、功能齐全的锚固钻具提供参考

0.前言

凿岩工程中要面对各种复杂的岩石地质构造，一些岩石经历了漫长的地质构造变化运动，以及自然风化和人类活动的作用，产生了诸如层理、节理、断层、熔沟等一系列各种各样的地质缺陷。在自然状态下，这些岩石可能处于一种相当稳定的平衡状态，但是当受到自然灾害或工程施工中钻凿、爆破等巨大外力作用时就会使岩石原有的应力场重新分布，从而使岩体产生变形、塌落、滑坡、地面沉降等地质灾害，直接影响工程进展和施工人员安全。因此，工程施工中就必须使用一种能承受较强拉应力的杆件工具钻进并埋入岩石体中，用于调节和提高岩石自身强度和自稳性能，这种施工称为锚固工程，所使用的杆件工具就是锚杆。

岩石锚固技术在世界各地的施工项目中广泛应用，在矿山巷道、各种隧洞等地下工程以及露天工程边坡和岩体锚固工程中，采用锚杆加固围岩的力学效果和经济效果都极为显著。据中国岩土锚固工程协会发表的有关资料介绍，国际上每年用于锚固工程的各种锚杆用量超过8亿支仅用于岩石锚固的锚杆和钻杆类型就有一百种以上，可以说锚固钻具是工程施工中大量使用的一种消耗性产品。因此，钎钢钎具行业的企业有必要注视这一产品的应用和发展趋势。

1.自进式锚固钻具的发展

自进式锚固钻具是众多锚固钻具中的一种类型。二十世纪八十年代末期，针对大型地下工程中由于复杂地层造成的施工进程缓慢的问题，奥地利专门从事岩土锚固技术和专用机具研制开发和销售的迈式岩土锚固机具有限公司推出了新奥施工法(NATM)，并且设计了一种集钻进、注浆、锚固功能为一体的新型锚固具，以保证能在破碎岩石层、松软岩土层和地质结构复杂地段施工时达到快速锚固的目的。由于比原先使用的套管护壁锚固钻具有更加高效和操作简便的特点，因此在国外的大型工程项目中很快得到推广应用。

2002年，瑞典Atlas Copco公司收购了奥地利迈式岩土锚固机具有限公司，成立了阿特拉斯·科普柯岩土锚固机具公司(Atlas Copco MAIGmbh)。此后，随着建设施工领域对岩石锚固作用和机理认识的不断深入，自进式锚固钻具的使用领域和市场需求量不断增长，很快成为一种优质高效、功能齐全的新型锚固钻具产品。现在，阿特拉斯·科普柯岩土锚固机具公司除向市场大量推出自进式锚固钻具外，还大批量生产配套的中空注浆锚杆、玻璃纤维锚杆、斯勒克斯(Swellex)水涨式锚杆和高压注浆设备，形成较为完整的岩土锚固工具生产体系。

1993年前后自钻式锚固钻具开始进入中国市场，按照当时生产企业的名称曾一度称之为迈式自进式锚固钻具。由于受到当时工程规模、施工方法和配套机具的限制，以及进口产品高昂的价格，这种高效简便的锚固技术没有在国内市场得到推广。1998年以后，国家作出西部大开发的决策，一大批西部领域的工程项目开始陆续开工建设。在施工工程中，以西北地区风化岩层和以西南地区喀斯特地貌为代表的西部复杂的地质地貌结构，使工程的施工效率和工程质量受到很大的影响。为加快施工进程，达到工程质量保证体系规定的要求，迈式自进式锚固钻具开始重新在西部地区的重点工程中推广使用。到2002年底，国内已有200余个国家重点建设项目使用白进式锚固钻具，如西安-合肥、宝鸡-兰州、青藏铁路，小湾、龙滩电站，川藏公路改建工程、云南高速公路建设等。同时东部及沿海经济发达地区在高速公路建设中的隧道和边坡锚固项目中也大批量使用自进式锚固钻具。2004年以后，在四川、陕西等地也出现一批生产自进式锚固钻具的企业，产品除供给国内施工部门外，还销往我国的台湾省和港澳地区，以及中东和南亚各国。

2.自钻式锚固钻具的适用领域

如上所述，自进式锚固钻具是一种集钻进注浆、锚固功能为一体的机具，与传统的锚固系统比较，具有安装快捷简便，适用多种地质条件的岩层，可应用多种工程领域的特点(图1)。

自进式锚固钻具的适用领域有：

在铁路施工建设项目中，可满足复杂地质构造段隧道的安全快速锚固施工，可用于隧道超前支护及地质灾害抢险处理，以及道路边坡松软破碎岩石段的快速锚固。通常锚固深度4-10米。

在高速公路项目中，可用于边坡、路堑和基坑的稳定基础锚固，道路边坡松软破碎岩石段的快速锚固，通常锚固深度为20米，最大深度可达30米。

在水电站地下厂房和地表锚固工程中，可作为小孔径锚固桩加固岩体，具有承载抗拉和抗压锚固强度好，位移小，施工简便，支撑结构稳定的特点，锚固深度10-20米。

在基础加固工程中可通过全长波形螺纹钻杆上的配垫板和螺母施加预应力，使其成为预应力锚杆，用于边坡稳定和基础加固的锚固工程锚固深度15-30米。

自钻式锚固钻具构造及锚固原理见图2。

现在，随着地下钻采和铲运设备机械化程度的提高，以及工程建设项目中监理工作的不断完善，对生产效率和工程质量的要求越来越高。自进式锚固钻具在锚固支护、边坡治理、基坑护壁大型地下矿山巷道和大型地下工程等施工场地的使用量也越来越多。

自进式锚固钻具适用施工工程领域见图3所示。

3.自进式锚固钻具

自进式锚固钻具系统由锚杆钻杆、连接套、止浆塞、垫铁板、螺母、凿岩机钎尾、各种形状钻头、以及注浆接头等部件组成。除凿岩机钎尾以外，整个自进式锚固钻具产品系列都是一次性使用的消耗件，我们认为；锚杆钻杆、连接套、钻头等产品应该是我们钎钢钎具生产企业关注的产品种类(见图4)。

3.1 锚固钻杆

自进式锚固钻具的钻杆采用按API(美国石油协会)标准生产的厚壁无缝钢管作为原材料用冷滚压机械对钢管进行冷滚压，在钢管表面滚压出符合ISO标准螺距的波形螺纹和符合企业内部标准的T形螺纹。采用冷轧工序加工锚杆钻杆体表面螺纹不仅尺寸较为精确，还可以使钢管的组织晶粒细化，增加杆体的屈服强度。

在冷滚压轧制过程中生产的钻杆长度为12米/支，可以根据客户要求切割成不同的长度，如果无特殊长度要求，钻杆正常交货长度为3米/支(图5)。各种钻杆的几何尺寸及机械性能参数见表1，杆体螺纹结构示意见图6。

3.2连接套和螺母

自进式锚固钻具中套管和螺母(图7)的作用是连接锚杆体及锚固钻具。套管通常采用无缝钢管作为原材料，加工出波形螺纹或梯形螺纹，并且需要进行热处理，以保证套管的综合机械强度高于钻杆体。六角螺母采用锻压成型、机械加工方式生产螺纹。套管和螺母的几何尺寸见表2。

3.3自进式锚固钻具钻头

在使用自进式锚固钻具施工过程中，需要根据不同的地质构造和岩层类型选用不同形状的钎头。其钻头的主要类型如下。

3.3.1岩土钻头

带超前刃形全钢钻头，直径76mm-220mm，采用铸造或挤压方式生产，主要用于沙土构造地层和土质地层锚固，是目前自进式钻头使用量较多的一种类型(见图8a)。

3.3.2 XX型钻头

带双层十字切削刃全钢钻头，直径100mm-200mm，采用铸造或机械挤压的方式生产，用于沙质软岩和碎石岩土地层(见图8b)。

3.3.3 EX型钻头

采用全机加工、铸造或锻压成形的全钢十字形钻头(见图9a)，经火硬化热处理，钻头直径51mm-220mm，主要用于软岩层钻凿锚固，是使用量较多的自进式钻头。

3.3.4 EC型钻头

采用不对称弧形切割刃的三刃全钢钻头(见图9b)钻头直径只有51mm一种，采用锻压成形，主要与R32螺纹锚杆配套，在软岩中钻进速度较快。由于机加工过程相对繁琐，价格较普通十字形钻头高，使用量较少。

3.3.5 ES型系列钻头

这种型号的钻头分为两种类型，即ES-p型(图10a)和ES-D型(图10b)，嵌装球齿硬质合金，钻头体采用锻造或铸造方式成形，可用焊接或其他固齿方法嵌装短体合金齿。其中ES-p型钻头直径有51mm、76mm、100mm三种尺寸，ES-D型钻头只有115mm直径一种类型。ES型系列钻头主要用于软岩和中硬岩石中裂隙性岩层的中深孔锚固，具有钻进速度快，钻凿平稳，不易卡钻等特点。

3.3.6 EY型系列钻头

分为EY型(图11a)和EYY型(图11b)两种型号，三刃深凹芯松软岩土和岩石锚固钻头。钻头体采用锻造或铸造方式成形。EY型钻头嵌焊硬质钢铁材料切削刃，EYY型钻头焊接硬质合金材料切削刃，钻头直径只有76mm一种尺寸，连接螺纹有R32和R38两种类型，EY型钻头用于裂隙软岩锚固，EYY型钻头用于中硬岩石锚固。

3.3.7ECC型EXX型、ESS-P型钻头

嵌焊硬质合金片或硬质合金齿的锚固钻头，主要用于中硬裂隙岩石的钻进锚固(见图12a、图12b、图12c)。

综上所述，自进式锚固钻头有多种类型和不同的尺寸，在实际施工中需要根据不同的地质和岩层状况，选用不同的锚固钻杆，配用不同类型和直径的钻头。常用的钻杆配用的钻头直径及类型见表3。

4.垫铁板

自进式锚固钻具中的垫铁板有凸芯式和平板式两种类型(图13)，根据工程的需要分别用于不同地质结构的岩层锚固。垫铁板采用冷冲压加工制作，其尺寸参数见表4。

5.常用的自进式锚固钻具

5.1 R25 螺纹钻具

钻杆:R38N外径25mm，内孔14mm，有效外径23.5mm，有效截面244mm²，钻杆承受抗拉载荷200kN，屈服载荷150kN，钻杆重量2.3kg/m。钻杆标准供货长度1米、2米、3米、4米、6米，也可按照施工要求自行切割所需长度(下同)。

连接套管:外径34mm，长度150mm，重量约0.5kg。

锁固螺母:宽41mm，长35mm，重量0.25kg。

垫铁板:(1)150x150mm，厚度8mm，(2)200x200mm，厚度10mm，垫铁板孔径30mm。

钻头:在砂岩和砾石地层采用EX型锻造全钢钻头，中硬页岩裂隙地层采用EXX型镶碳化钨硬质合金片钻头。常用钻头直径为42mm、51mm 。

5.2 R32 螺纹钻具

钻杆:(1)R32N型钻杆，外径32mm，内孔18.5mm，有效外径29.1mm，有效截面396mm²，钻杆承受抗拉载荷280kN，屈服载荷230kN，钻杆重量3.4kg/m。

(2)R32S型钻杆，外径32mm，内孔15mm，有效外径29.1mm，有效截面488mm²，钻杆承受抗拉载荷360kN，屈服载荷280kN，钻杆重量4.1kg/m。

连接套管:外径42mm，长度160mm，重量约0.85kg。

锁固螺母:宽46mm，长45mm，重量0.35kg。

垫铁板:(1)150x150mm，厚度8mm，(2)200x200mm，厚度10mm，垫铁板孔径35mm。

钻头:在砂岩和砾石地层采用EX型锻造全钢钻头，中硬页岩裂隙地层采用EXX型镶碳化钨硬质合金片钻头，软质裂隙岩层用ES型球齿钻头，常用钻头直径为51mm、76mm。

5.3 R38螺纹钻具

钻杆:R38N型钻杆，外径38mm，内孔19mm，有效外径35.7mm，有效截面717mm²，钻杆承受抗拉载荷500kN，屈服载荷400kN，钻杆重量6.0kg/m。

连接套管:外径51mm，长度220mm，重量约1.70kg。

锁固螺母:宽50mm，长50mm，重量0.50kg。

垫铁板:200x200mm，厚度12mm，垫铁板孔径41mm。

钻头:在砾石地层采用XX型双层十字切削刃锻造全钢钻头，中硬页岩裂隙地层采用EXX型镶碳化钨硬质合金片钻头，软质裂隙岩层用ES型球齿钻头，常用钻头直径为76mm、90mm、110mm。

5.4 R51螺纹钻具

钻杆:(1)R51L型钻杆，外径51mm，内孔36mm，有效外径47.8mm，有效截面776mm²，钻杆承受抗拉载荷550kN，屈服载荷450kN，钻杆重量7.0kg/m。

(2)R51N型钻杆，外径51mm，内孔33mm有效外径47.8mm，有效截面939²mm，钻杆承受抗拉载荷800kN，屈服载荷630kN，钻杆重量8.4kg/m。

连接套管:(1)R51L型钻杆用套管，直径63mm，长度140mm，重量1.15kg。

(2)R51N型钻杆用套管，直径63mm，长度200mm，重量1.95kg。

锁固螺母:宽70mm，长70mm，重量0.85kg。

垫铁板:(1)R51L型钻杆用垫铁板，200x200mm，厚度30mm，垫铁板孔径60mm。

(2)R51N型钻杆用垫铁板，250x250mm，厚度40mm，垫铁板孔径60mm。

钻头:在砾石地层采用XX型双层十字切削刃锻造全钢钻头，软质裂隙岩层用ES型球齿钻头，常用钻头直径为100mm。

5.5 T76 螺纹钻具

钻杆:(1)T76N型钻杆，外径76mm，内孔51mm，有效外径73mm，有效截面1835mm²，钻杆承受抗拉载荷1600kN，屈服载荷1200kN，钻杆重量15kg/m。

(2)T76S型钻杆，外径76mm，内孔45mm，有效外径73mm，有效截面2400mm²，钻杆承受抗拉载荷1900kN，屈服载荷1500kN，钻杆重量19.7kg/m。

连接套管:外径95mm，长度200mm，重量约1.4kg。

锁固螺母:宽80mm，长100mm，重量1.0。

垫铁板:250x250mm，厚度40mm，垫铁板孔径80mm。

钻头:在砾石地层采用EY型和EYY型刃深凹芯锚固钻头，软质裂隙岩层用ES型球齿钻头，常用钻头直径为130mm。

6.结语

自钻式锚固钻具是集钻进、注浆、锚固为一体的岩土锚固工具，在国外地下工程施工、隧道锚固、采矿巷道和建筑基坑加固、公路、铁路山体边坡治理、大型水电工程地下厂房整体支护、以及地质灾害救助等众多工程项目中大量使用，近年来，随着我国基础建设工程项目中对施工周期和质量要求的提高，使用自钻式锚固钻具的数量在持续增加。目前，国内对自钻式锚固钻具的生产尚属于初期发展阶段，仅有的几家生产企业集中在四川成都和陕西汉中一带，且产量和品种规格都很有限，有条件的钎钢钎具生产企业应该关注这种产品的国内外市场发展趋势和需求动向。