作者：原地矿部勘探技术研究所 俞良骥冯起赠等
1概述
冲击反循环工艺用于硬岩和大卵砾石地层桩孔施工，已越来越多的在坝基、桥基、高层建筑和许多重要的工程基础施工中被采用，比回转钻进或冲击钻进在施工质量和效率方面都有明显提高，而施工成本明显降低。但由于冲击反循环钻机购置费较昂贵(达30万～60万元不等)，尽管冲击反循环已是成熟工艺，方法也不复杂，而目前仍没有被广泛采用。
针对上述情况，勘探技术研究所除设计了多种冲击反循环钻机投入市场外，近年来又进一步研究，在原GPS15型转盘式桩孔钻机上，增加几个组件，利用原钻机的动力和传动机构，不影响原钻机的回转功能，却能实现冲击反循环钻进。使一台钻机起到两台钻机的作用。在施工中，回转钻进完成覆盖层钻孔后，遇到8级以上硬岩即可采用冲击反循环钻进，不仅效率高，成本低，成孔质量好，而且节省更换钻机时间2～3个工作日，由回转钻进改为冲击反循环钻进时，泥浆泵等主要配套设备不必更换，可节省搬迁安装费用。
改装GPS15型钻机为回转冲击反循环钻机费用低廉，改装也比较容易，既适合钻机生产厂家专业性制造，也适合用户自行制作改装。在我国市场，GPS15型钻机或类似钻机保有量在千台以上，相信这一项改装技术对推动我国硬岩施工技术的进步和发展，能起到一定的作用。
2钻机改装
改装后的HCFG15型钻机如图1所示。
图一 HCFG15型钻机
GPS15型钻机改装成具有回转、冲击功能的HCFG15型钻机，其改装内容分述如下。
2.1冲击反循环机构的动力
将原钻机转盘传动箱的过桥齿轮轴更换，一端加长伸出箱体外，外伸端以花键形式联一齿形联轴器。齿形联轴器传动一对锥齿轮，该锥齿轮使传动链转90°，并带动冲击离合器。离合器的输出轴传动差速变速箱，经两级齿轮减速带动差速机构。该差速机械的两端由花键与左右卷筒相联接，带动卷扬做同步回卷。左右卷筒上缠绕的钢丝绳经过天车滑轮，可直接联接在冲击钻头上。天车上的双滑轮是在原天车轴上增加的。
钻机的冲击由离合器的开合实现。合上离合器，则动力经差速箱传动卷筒，提升冲击钻头，至需要的高度时，脱开离合器，同步卷扬失去动力，大质量的钻头在重力作用下呈自由落体对孔底冲击，可产生数万焦耳的冲击功。操纵离合器的开合，即能实现钻头对孔底的连续冲击。在泥浆泵的作用下，孔底被破碎的岩渣经位于钻头中心的排渣管迅速排出孔外，避免了重复破碎。
冲击反循环工艺由于单次冲击功大，容易使硬而脆的岩石破碎。又由于岩渣能迅速排除，减少了钻头的无功损耗，能使冲击功充分用于岩石的体积破碎，故能产生较高的冲击效率。
钻机改装后的传动系统见图2。
图二 HCFG15型钻机冲击机构传动图
2.2冲击反循环机构的技术关键
2.2.1同步卷扬机构
(1)由于钻头中心位置被排渣管占据，冲击钻头的提引钢丝绳只能分布在两侧的对称位置上，因此要求在提锤时钢丝绳绝对同步。并且保证两钢丝绳受力不均时能自动调整，使钻头摆正，否则钻头不能正常工作。采用差速机构工作时，如果与差速机构两端相联的卷筒受力不一致时，则阻力小端不转或慢转，直到两端阻力一致，两半轴同步、同向旋转。从而保证了左右卷扬钢丝绳的线速度一致。差速机构见图3。
图三 差速机构
(2)冲击离合器的发热。离合器的开合靠液控来实现。在重负荷下，离合器以10次/min左右的频率连续工作，发热是很严重的。如果没有相应的技术措施，离合器的摩擦副会因高温烧损，使离合器失效。解决离合器过热问题有以下几方面：
①因结构限制，摩擦盘直径不可能做得太大。加大摩擦副的摩擦面积，以减小比压，使摩擦面负担减轻。
②增加分片机构，改善分片弹簧材质。因结构限制，不能做成太大直径的摩擦盘，就只能用多片摩擦盘以保证充分的摩擦力矩。为使离合器在脱开时摩擦盘迅速分离，设计了分片机构，强有力的分片弹簧在离合器脱开时，迅速推开摩擦副。实践证明效果是良好的。但由于离合器的升温，普通碳素弹簧钢丝在温度升至120℃时退火，失去弹性，使离合器失效。我们经试验选用了30W4Cr2VA弹簧钢丝，耐热性较好，高温下不退火，使用效果良好。
③减少或克服液压系统背压的影响。液压控制离合，因油路系统的回油路总有一定的背压，一般有0.12～0.15MPa是允许的。所以油路卸载时，要使油缸内的油在分片弹簧推力下迅速流出，必须使缸内油压与油路系统背压相差较大，这样才可以克服背压，减少背压的影响，使摩擦片迅速脱开。
总之，离合器发热是正常的，但应使发热控制在允许的范围之内，以延长摩擦片的使用寿命，利于降低生产成本。
2.3液压系统的改装
GPS15型钻机液压系统原有两片多路换向阀，分别控制塔架起落和滑台退进。改装时增加一片多路换向阀与原阀并在一起。在联接冲击油缸的油路上并联一溢流阀。注意所增加的多路换向阀应与原阀是同一厂家的产品，否则联接不上。另外，原钻机油箱容量较小，因塔架起落和滑台进退均是短时使用，不存在发热问题，但使用液控离合器后，液控离合器是长期工作，会使油路系统升温，而不能正常工作。因而应将油箱适当增大，以油泵每分钟排量的2～2.5倍为宜。
在冲击油缸前串联一液控电磁离合器，可实现自动冲击，冲击频率可通过调整电磁离合器通断时间来实现。推荐冲击频率为8～10次/min。提锤高度0.8～1.2m效果较好，落锤的空绳量保留0.3m左右。
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