旋挖鉆機護筒直徑的確定

近年來旋挖鉆機的蹤跡幾乎已遍布各種規模建筑工地的每一個角落，其發展速度之快出常人所料。無論號稱“綠色奧運，人文奧運”的２００８北京奧運主會場館建設工地，還是祖國西部高寒地區環保要求特殊的青藏鐵路施工線，均有旋挖鉆機的身影出現。由于該設備集環保、節能、高效、智能控制以及各種不同地質條件的廣普適用能力于一身，已成為諸多地面施工工程建設的首選設備。對于成孔較差的流沙地質條件，施工工藝往往采用護筒與作業鉆頭同步施工，避免旋挖鉆機的工作前功盡棄。
對于任何一種旋挖鉆機，在一定的地質條件下其最大旋挖孔徑、深度參數也是一定的。當使用護筒施工時，旋挖鉆桿所克服的阻力來自兩個方面：一，鉆頭所要克服的旋挖阻力矩；二，護筒與附其外表介質的摩擦阻力矩，而這種摩擦阻力矩隨著旋挖深度的增加，護簡單位長度的阻力矩呈線性關系上升。此時所能旋挖的孔徑，比標定的尺寸（最大直徑）要小得多。就旋挖鉆機所輸出的扭矩與護筒直徑、旋挖深度間的關系國內還未見介紹，護筒的釋放也有多種不同的方法，本文就護筒、鉆頭同步釋放（護筒向流沙層下延伸）相關參數之間的關系，作一些闡述。
旋挖鉆機護簡與流沙層之間單位長度的摩擦阻力矩，隨著旋挖深度的增加而增加。因為流沙層對護筒外壁的壓力是旋挖深度ｈ的函數，作業過程中某一位置單位長度的摩擦阻力，等于護筒外表面正壓力與摩擦系數的乘積。設旋挖護筒外徑為Ｄ，流沙層容重為ｐ（約２ｇ／ｍｍ），摩擦系數為ξ（濕０．３２，一般０．３９），如果取旋挖作業深度ｈ處ｄｈ長度為研究對象，則受壓面積等于ｄｈ×Ｄ×π，此處流沙層的壓力應為ｈ×ｐ，所以摩擦力為ｄｈ、Ｄ、π、ｈ、ｐ、ξ之間的乘積，ｄｈ高度的摩擦阻力矩ｍ＝ｄｈ×Ｄ×π×ｈ×ｐ×ξ×Ｄ／２。旋挖深度為ｈ時，其摩擦阻力矩為（０到ｈ范圍的積分）Ｍ＝∫ｍｎｄｎ＝Ｄ×ｈ×π×ｐ×ξ／４。
如果把施工過程中鉆頭旋挖的阻力矩設為Ｍｚ，忽略機械效率的影響，旋挖鉆機動力頭輸出扭矩＝Ｍ＋Ｍ。因為使用護筒作業且到達一定深度時，動力頭的主要阻力來自護筒與流沙層之間的摩擦阻力矩，而鉆頭旋挖的阻力矩相對已顯得很小，計算護筒極限作業深度時，甚至可以將其忽略不計。
假設旋挖鉆機動力頭輸出的扭矩為Ｍ，在護筒直徑Ｄ一定的條件下，最大鉆深ｈ＝２（Ｍ－Ｍｚ）／（Ｄ×π×ｐ×ξ）（取其正值）。同樣，在己知護筒作業長度ｈ參數的情況下，可求得護筒可達到的極限作業直徑Ｄ＝２（Ｍ－Ｍｚ）／（ｈ×π×ｐ×ξ）。如果護筒為多節伸縮式結構，仍然可以使用相同的方法，采取分段積分累加，利用∑Ｍｉ＝０的條件約束，同樣可以確定相關參數。