2.3　重型冲击钻机

2.3.1　概述

冲击钻机自20世纪50年代引进以来，到20世纪末，以仿苏式CZ22、CZ30型钢丝绳冲击钻机为主的各种钻机，一直是水利水电工程防渗墙最基本的主力施工设备。这种钻机结构简单、易于维修、对地层的适应范围广，市场保有量巨大，但钻进深度有限、工效低，对于超百米深度防渗墙槽孔施工，其性能、能力和钻头质量不能满足施工要求，基本无法施工，必须提高钻机的能力与性能。

鉴于冲击钻机对地层的良好适应性和市场认可度，针对西南地区复杂地质条件下建造100m以上超深防渗墙的需求，我国对传统钻机进行改造升级，生产了系列重型冲击钻机，最大钻头质量可达8t，在旁多水电站防渗墙工程中，最大成墙钻孔深度为158.47m，试验段槽孔最大深度为201m[11]；目前正在施工的大河沿水库防渗墙工程，已完成4个160m以上深度槽孔造孔与浇筑，最大深度为186.15m。改进升级的重型冲击钻机实现了大跨度飞跃，满足了100m以上、200m级超深与复杂地质条件防渗墙工程施工的需要。

2.3.2　重型冲击钻机技术要点

针对施工要求，在传统CZ型冲击钻机的基础上进行优化设计，改进内容包括：为提高钻进效率，钻具质量需要加大；随着成槽深度的增加，钢丝绳自身的弹性变形增大，钻机必须具备足够的冲击行程；钻机卷扬需满足重型钻头的提升能力要求，且具有超大容绳量；增加离合器摩擦片数量和制动轮毂直径以满足传动力需求；在重负荷恶劣环境工作状态下，机架及关键零部件需具备更高的强度和刚度及自身的稳定性，刹车与离合系统应更可靠。重型冲击钻机主要参数见表2.2[12]。

（1）设计改进的重型钻机具备以下特点：

1）设计大容绳量卷筒，配置螺纹绳槽，提高容绳量，降低摩擦损失；设计增加主卷扬传动链中间增力节，使提升操作更轻松省力。

2）主轴加工选用加强型合金钢材，提升结构强度；采用分体式主轴提高传动能力，简化加工制作、方便维护，如图2.9所示。

3）主轴离合器采用ϕ350mm型摩擦片，离合能力加大，在提升8t钻头时，主卷扬离合器闭合力仅为20kgf，并且中间片加厚至8mm，表面磨削使之接合轻松，解决了中间动力片因打滑发热而变形黏合的难题。

4）加大三角带轮尺寸、增大三角带包角以减少打滑从而保证动力输出；曲柄的连接变更为矩形直孔键，连接可靠、使用简便。

5）主机架采用Q235/30C型重型工字钢加工成型，保证安全可靠。

通过合作厂家的深化完善及加工工艺调整，钻机已满足设计要求，并已批量生产，大量应用于100m以上深度防渗墙工程施工中，取得了良好效果。

（2）配套重型钻具设计。

1）主孔施工钻具。冲击钻进基岩难度最大，一般采用十字形齿牙式钻头，钻头周围的受力点主要在齿牙部位，针对钻进坚硬岩石施工中容易磨损掉齿，钻刃磨损后容易发生卡钻和偏孔的问题，对钻头进行了改进，如图2.10所示。

a.增加钻头周围弧形底刃的长度和外围硬质合金齿的数量，从而加强圆孔形成能力和钻进过程的稳定性。

b.增加钻头底刃硬质合金齿的强度和尺寸，并使之能同时接触孔底，以加大钻头的破岩能力，减少钻齿的破损。

c.调整各钻角摩擦面的角度，以减小钻头与孔壁的摩擦，提高钻进工效。

2）副孔钻具。在采用先钻主孔、再抓劈副孔的施工中，副孔钻进完成后要进行主、副孔间小墙钻修处理。为此，配备设计了专用的方锤、扁锤、十字导向钻头等钻具，如图2.11～图2.13所示。

2.3.3　重型冲击钻机的应用

2.3.3.1　西藏旁多水利枢纽大坝基础防渗墙工程[13]

旁多水利枢纽位于西藏林周县拉萨河干流，工程任务以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水。水库总库容为12.3亿m3，电站装机容量为160MW。工程枢纽主要由碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝、泄洪洞及泄洪兼导流洞、发电引水系统、发电厂房和灌溉输水洞等组成，最大坝高为72.30m。坝基防渗采用混凝土防渗墙，最大深度为158m，墙厚1.0m，防渗墙轴线长1073m，成墙面积为12.5万m2，是目前世界上已建最深的防渗墙。工程配置了70余台改进后的重型冲击钻机（图2.14）、2台重型钢丝绳抓斗和4台SG40改进型液压抓斗，钻头最大质量可达8t，最大冲程可达1.0m，采用“两钻一抓法”“上抓下钻法”等工法施工，试验槽孔最大深度达到201m。

2.3.3.2　黄金坪水电站坝基防渗墙工程[14]

黄金坪水电站位于大渡河上游河段，坝基覆盖层采用全封闭防渗墙防渗形式，轴线长度为407m，防渗墙厚度为1.2m，最大深度为129m，成墙面积为2.3万m2。施工配置了53台改进后的重型冲击钻机、1台重型钢丝绳抓斗，钻头最大质量可达到5t，最大冲程可达1.0m，采用“改进钻劈法”工法施工，造孔工效达到3.5m2/（台·d）。