2.2 重型CZF系列冲击反循环钻机
2.2.1 概述
以CZ系列曲柄摇杆冲击钻机为基础，基础局在100m以下深度防渗墙施工中，研制了CZF-1200型冲击反循环钻机，可提高工效2～3倍，体现了较高的设备性能，在100m以下深度防渗墙施工中得以大规模应用[2]。但在冶勒水电站防渗墙100m深墙试验中，CZF-1200型冲击反循环钻机在动力、结构以及钻头质量（1t左右）方面显现能力的明显不足，为适应100m以上超深与复杂地质条件防渗墙施工需要，基础局又研制了CZF-1500、CZF-2000型系列重型冲击反循环钻机，工效是同级别冲击钻机的2～3倍，且由于其自身配套了泥浆净化循环系统，不用再设清孔换浆设备，工程应用钻进深度已达到100m以上深度防渗墙施工的能力，但由于其配套的国产砂石泵能力问题，仅可用于120m以下深度防渗墙的施工。
2.2.2 冲击反循环钻机研制的关键技术[2]
2.2.2.1 基本思路
CZF系列冲击反循环钻机是借鉴CZ系列冲击钻机的冲击工作原理，将抽砂筒间断排渣改进为砂石泵泵吸出渣，同时配套泥浆循环净化系统，实现浆渣分离、泥浆回收，使其具备冲击反循环钻机的功能，从而提高钻机的工效。
要使钻机由单一的冲击功能转化为既有曲柄摇杆自动冲击功能又有反循环排渣功能，必须研制出适应双钢丝绳冲击的平衡同步双卷扬，将传统钻机的单钢丝绳改为双钢丝绳悬吊钻具，以让出钻孔和钻头中心，插入砂石泵排渣管，需解决的关键技术是用于悬吊钻头的两根钢丝绳在作业时的同步平衡问题。
在实际作业时，卷筒直径的制造误差、钢丝绳缠绕松紧的不一和钢丝绳提放不均等问题，都会造成两根钢丝绳在钻孔过程中的不等长。基于差速同步平衡调节原理，研究采用了双绳同步机构，动力输入轴采用常闭式制动器，左、右卷筒在动态或静态条件下实现了随动调节双绳平衡，如图2.1所示。
图2.1 同步双筒卷扬平衡原理示意图
1—链轮；2—制动轮；3—左卷筒；4—平衡轮系；
5—右卷筒；6—主轴
同步双筒卷扬的平衡原理是：动力经链轮、主轴传至平衡轮系装置，并由特殊连接装置分别与左、右卷筒连成一体。当悬吊钻头的两根钢丝绳等长时，中心平衡轮系带动左、右卷筒同步运转。当两根钢丝绳由于外部原因造成长短不一时（即不同步时），中心平衡轮系在带动左、右卷筒公转的同时，还将使左、右卷筒之间产生相对转动，直至双绳等长，达到新的平衡，使钻头在平衡状态中实现冲击钻进。
2.2.2.2 钻机结构与工作原理
CZF系列冲击反循环钻机主要由桅杆、底盘、传动系统、冲击机构、同步双筒卷扬、操纵机构等组成。底盘、桅杆等结构已进行了改进设计，冲击机构为曲柄连杆形式，为适应双钢丝绳作业，设计成双冲击轮和双导向轮。由于承力点靠近两边连杆，改善了结构受力，整机工作平稳良好。
钻机的工作原理是：钻机的动力通过传动系统驱动曲柄连杆冲击机构，使钻头做冲击运动。悬吊钻头的双钢丝绳利用同步双绳卷扬调节动态与静态平衡等长。空心套筒式钻头中心设置排渣管，利用砂石泵组（或空气压缩机），将钻渣随循环浆液经排渣管及循环管路，从孔底连续抽吸带渣泥浆进入泥浆净化装置，经振动筛除去大颗粒钻渣、旋流器除去粉细砂，净化后的泥浆直接或经循环浆池送入槽孔循环使用。通过这一循环，钻机完成钻进及排渣作业，直至造孔完毕[3]，如图2.2所示。
图2.2 CZF系列冲击反循环钻机工作原理示意图
1—同步双筒卷扬；2—曲柄连杆冲击机构；3—砂石泵组（或空气压缩机）；4—循环管路；
5—振动筛；6—旋流器；7—制浆站；8—储浆池；9—循环浆池；
10—钻头；11—排渣管
2.2.2.3 钻机性能
重型CZF系列冲击反循环钻机性能见表2.1。
表2.1 重型CZF系列冲击反循环钻机性能
续表
2.2.2.4 钻机的特点
（1）钻机的双绳同步卷扬机构工作原理科学，在动、静态工况下，均能保持悬吊钻头的双钢丝绳平衡。该机构运转可靠，耐疲劳性能良好。
（2）双绳平衡问题的解决，使冲击反循环工法得以实现，钻进效率大大提高。其工效为CZ型冲击钻机的2～3倍，也减少了钻具、配件及钢丝绳的磨损和消耗，降低了钻孔成本，缩短了施工工期。
（3）钻机改进了连杆冲击机构，冲击功大。配置不同的钻具，钻机可以适应各种地层钻进，不但能钻进桩孔，也能进行槽孔施工。利用同步双筒卷扬机，配上特制的双反弧钻头可进行防渗墙双反弧接头槽孔施工，实现了用先进的双反弧接头法替代传统的套打接头法。
（4）钻孔质量高，钻孔的孔斜率可满足规范要求。
（5）整机结构简单，操作方便，易于维修。
经过不断试验与改进，CZF系列钻机已批量生产并应用于工程施工中。
2.2.3 CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机[4]
2.2.3.1 研制关键技术点与改进措施
（1）研制大吨位同步双卷扬系统（图2.3），提升主卷扬能力，提高冲击功钻具质量，加大钻孔破岩能力。
图2.3 同步双卷扬
1—传动链轮；2—制动轮；3、5—双卷筒；4—同步机械；6—传动铀
（2）主卷扬设计成中间制动型（图2.4），避免单边制动冲击梁受力不均易于扭偏，卷筒结构、传动轴内受力不均及因工作负荷较大制动力矩不足等缺陷。
图2.4 中间制动同步双卷扬
（3）采用三列弹簧、减震式三臂冲击梁结构设计，适应提升重型钻具能力的要求。
采用增强型中间制动同步双筒卷扬设计，能有效地平衡冲击负载，改善机构受力，明显降低因受力不均而产生的机械故障率。双卷筒均用隔板分成工作段和储绳段，工作段只缠绕一层钢丝绳。差速装置可保证两个卷筒的转矩以及两根钢丝绳的拉力在理论上完全相等。由于差速装置及卷筒内部存在摩擦阻力和损耗，两根钢丝绳的拉力实际上存在差异，将两根钢丝绳拉力差ΔF控制在允许的范围内，即可满足使用要求。
设计调整的轮径和带宽有效提高了制动力，结构简单实用。同时设计考虑了双通止锁功能，以解决单绳提钻问题。
通过设计优化，适当加大主传动链轮结构尺寸，调整主传动机构传动比，在动力配备不变的情况下，使主卷扬提升力提高了20％。
在曲柄摇杆冲击机构中，当钻具质量一定时，通过四杆机构的“急回”作用和适当加大冲击机构的“上升角”设计，可有效实现“慢提快放”的效果，以钻机最大冲程达到单次冲击功最大化，使冲程与冲击频率协调，充分利用钻头的自由落体碎岩。优化设计同时降低了电机功率。对于冲击机构“上升角”的增大导致曲柄、连杆和冲击梁内力的增加，设计中对各杆件的强度进行了加强。
2.2.3.2 施工性试验
改进型CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机完成设计、加工制作成品后，在黄壁庄水库除险加固工程防渗墙工程中进行了试验和施工[5]。
试验与施工表明，研制的改进型CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机（图2.5）钻具质量为3～5t，保持了钻具冲击破岩效率高、地层适应性强的特点，成孔直径在2m以上，可满足100～150m深度防渗墙施工。
图2.5 CZF-2000型冲击反循环钻机
2.2.4 重型冲击反循环钻机配套机具
重型CZF系列钻机配套机具主要包括钻头、反循环砂石泵组、泥浆净化机和排渣管。
（1）钻头。为实现冲击反循环钻进，重型CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机配套了中空式钻头、6英寸多齿键卡式密封接头排渣管路及泥浆净化机等。
中空式钻头设计：针对岩石坚硬，块石、块球体含量高和体积大的地层特点，对原有冲击反循环钻头根据使用情况进行了更新设计，配套钻头如图2.6所示。钻头为空心十字阶梯式钻头，有2～3个台阶，外圈有6个刃角，内圈有4个刃角（起超前破碎作用），台阶高度为20～30cm，钻头长度为2～2.3m，由于增加了刃角，提高了钻头的空心度，增强了钻头对地层的切削、破碎能力，不仅提高了施工工效，而且保证了钻孔的垂直度。新型钻头进一步降低了重心位置，并采用整体铸造成型，以提高结构强度和增强冲击稳定性。在钻头前部设置了一定长度的“超前头”，以利于提高成孔精度，冲击刃仍采用可焊接更换的抗冲耐磨合金头，提高了钻进效率。
图2.6 重型冲击反循环钻头示意图
（2）反循环砂石泵组。反循环砂石泵组的优劣不仅影响施工工效，也决定了深厚覆盖层泵吸反循环作业能否实施。经过数个工程试用，6SB-220型自动转换真空启动砂石泵组完成了定型设计。该泵排量为220m3/h，实际最大反循环深度达150m（孔径为1000mm时）。其自动转换启动装置已获得国家专利。
（3）泥浆净化机。JHB-200型泥浆净化机（图2.7）为CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机配套的泥浆净化回收装置，净化机由振动筛、旋流器、泥浆泵、泥浆罐和管路系统等组合而成。振动筛选用单轴惯性筛，为双层筛网。旋流器两个一组并联在振动筛上部。泥浆处理能力为200m3/h。
图2.7 JHB-200型泥浆净化机
（4）排渣管。对于冲击反循环钻机成槽施工，排渣管是重要的配套钻具之一。排渣管的结构形式、快速装拆的可行性、施钻过程中的可靠性、排渣时的密封性等，将直接影响钻机的施工效率。排渣管的接头形式有3种，即多齿键卡式密封接头、插装式螺纹连接接头和插装式软轴连接接头。研究采用多齿键卡式密封接头，经现场试验与施工的应用，能够满足施工现场工况使用要求。
2.2.5 CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机工程应用
2.2.5.1 润扬大桥北锚碇地下连续墙工程[6]
北锚碇基础平面尺寸为长69m、宽50m，坑周采用平面为矩形的地下连续墙结构进行挡土支护和防渗，设计承受水平荷载为68000tf。采用“逆作法”施工，基坑最大开挖深度约50m，设计墙宽1.2m，成槽施工最大深度为56.54m，平均深度为53.44m，地下连续墙平均入岩深度为4.5m。工程配置了CZF-1500、CZF-2000两种型号的冲击反循环钻机共16台（套），主要用于硬岩钻凿和导孔钻进。CZF系列冲击反循环钻机施工现场如图2.8所示。冲击反循环钻机在该工程嵌岩钻进中开挖的岩石量达866.65m3，占岩石总量的67.7％，有效提高了成槽工效，加快了项目施工进度。
2.2.5.2 冶勒水电站防渗墙工程[7-8]
冶勒水电站位于四川省西部南桠河（大渡河中游右岸的一级支流）上游，为南桠河流域梯级规划“一库六级”的第六级龙头水库电站。该水电站采用高坝、中长引水隧洞、地下厂房的混合式开发。
图2.8 CZF系列冲击反循环钻机施工现场
工程先期进行了100m深度防渗墙施工试验，采用CZF系列冲击反循环钻机施工，最大钻孔深度为101m。
大施工期间，CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机主要承担大坝右岸岸坡、河床及右岸台地防渗墙施工，高峰期施工时达24台，施工最大深度达到84m。限于洞内施工场地狭小，通过在6BS型砂石泵加装一个双向三通闸阀的优化布置，改一机一筛为二机一筛的设备组合，减少了一套泥浆净化设备，两台CZF-1500型冲击反循环钻机共用一台JHB-200型净化器，提高了洞内施工空间利用率，有效降低了施工成本。
依据地层不同，冲击反循环钻机平均钻进工效为4～20.7m/（台·d），配套的JHB-200型泥浆净化机每小时处理泥浆能力达220m3，有效地循环使用了钻孔泥浆，降低了施工成本。
2.2.5.3 狮子坪水电站防渗墙工程[9]
狮子坪水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县境内岷江右岸一级支流杂谷脑河上，工程枢纽由拦河坝、泄洪洞、导流（放空）洞、引水隧洞、调压井、压力管道和地下厂房等建筑物组成。防渗墙施工轴线与大坝轴线重合，墙体厚度为1.2m，防渗墙底部嵌入岩石至少1m，基岩面陡坡倾角超过80°，最大造孔深度为101.8m。工程采用改进型CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机进行防渗墙造孔施工，应用效果良好。
2.2.5.4 下坂地水利枢纽工程[10]
下坂地水利枢纽工程为Ⅱ等大（2）型工程，是塔里木河流域近期综合治理中的唯一重点山区水库工程，是以生态补水和春旱供水为主、发电为辅的综合性水利枢纽工程。主要建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞和电站厂房4个部分组成，坝型为沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程为2966.00m，最大坝高为78m。坝基防渗墙墙体厚1m，最大墙深85m。
工程先期进行了100m深度防渗墙施工试验，采用CZF系列冲击反循环钻机施工，最大钻孔深度为102m。
大施工期间，防渗墙成槽主要使用ZZ-5、ZZ-6型冲击钻机和CZF-1500、CZF-2000型冲击反循环钻机施工，最大钻孔深度为85m。