新型干钻法混凝土原状样采集装置

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

工程质量检测是工程质量监督和质量检查的重要手段，在水工混凝土实体工程质量检测中，钻芯法是检测混凝土强度的最直观方法[1]。钻芯法的最大优势是能直接反映混凝土的强度、内部结构和裂缝情况，其方法直接、结果可靠，在水利工程质量检测中得到广泛应用[2]。

钻芯法取样最常用的方法是湿钻法，湿钻法使用的主要设备包括钻芯机和潜水泵，钻芯机必须通过冷却水才能达到冷却钻头和排除混凝土碎屑的目的[3]。采用湿钻法会破坏结构层中的硬化水泥、骨料及矿物质、泥土等混凝土原状物质，不能反映混凝土原始状态；同时在水工隧洞顶拱等竖直向上或仰斜部位使用湿钻法钻芯时，潜水泵很难将冷却水输送至钻头处，且挟带尘渣的冷却水下流时容易打湿钻芯机，造成钻芯机故障无法钻芯。因此，研究适合顶拱等竖直向上方向或仰斜方向的混凝土原状样采集装置具有很强的现实意义。

为了解决以上问题，研发了一种新型干钻法混凝土原状样采集装置，采用高压风机、进风控制器和收尘器等关键构件，实现钻头风冷和排污除尘，在满足实用性和安全性的基础上，可显著改善作业环境。

1 装置组成

新型干钻法混凝土原状样采集装置由钻芯机、高压风机、进风控制器、收尘器、排污器等部分构成，装置示意如图1所示。

1.1 钻芯机

钻芯机为目前市面上最普遍、最成熟的技术产品，干钻法采用的钻芯机、钻头与湿钻法钻芯机、钻头相同。本装置中采用的是立式钻芯机，性能稳定，取芯质量好，效率高[4]，可安装内径为20mm、30mm、50mm、80mm、100mm、150mm的多种型号的钻头，可钻深度达1200mm。通过其马蹄形底座布置在预采样的混凝土表面，并在底座设置六处固定螺丝将钻芯机与混凝土固定；钻芯机安装有钻头，钻头可通过钻芯机的转盘及丝杠垂直地向混凝土内部钻芯实现原状芯样采集。

1.2 高压风机

高压风机也为市面上最常用的技术产品，主要为小型高压鼓风机或者小型便携式静音压缩机。跟普通离心式风机相比，高压风机具有高压、大风量的特点，为了现场操作携带方便和降低噪声，高压风机可选用铝合金材质壳体和特殊叶片设计，一方面大幅降低风机重量，实现轻量化；一方面可降低工作噪声，改善工作环境。在高压风机工作时，叶轮转动，空气由于离心力的作用向前向外运动。当空气沿着一条螺旋形轨道穿过叶轮和侧槽时，每个叶轮片增加了压缩和加速的程度,气体的压力和动能增加，最后气体通过出口消声器排出机体。为调节高压风机风压和风量的大小，高压风机通过带有压力表的风管与进风控制器连接。

1.3 进风控制器

进风控制管由进风控制压力表和进风控制阀门构成，进风控制器通过进风控制管安装在钻芯机转轴根部，向钻头内部提供压力风。风压表宜采用磁动螺旋蜗杆机构，通过简单、无摩擦的磁体螺旋运动，测量高压风机吹入气体的压力，避免了机械式风压表齿轮传动产生的摩擦和液体风压表内液体汽化对观测的影响。其压力风通过进风控制器控制钻芯机钻头内的进风压力，以排出前端钻头部位的尘渣，同时可以适当冷却钻头。

1.4 收尘器

收尘器起着连接、通风、集尘和排污的作用，是新型干钻法混凝土原状样采集装置的核心构件。收尘器由收尘罩、光圈式罩口、密封刷、收尘罩固定机构、排风管等组成，通过由圆柱形收尘罩外壁焊接的四个支撑耳和穿过支撑耳的定位杆组成的收尘罩固定机构固定在钻芯机的马蹄形底座上。

1.4.1 收尘罩

收尘罩为透明亚克力板材制成的圆柱形罩体，圆柱形罩体底部为开口，并布置一圈密封刷与圆柱形罩体底边缘紧密接触。圆柱形罩体顶部安装有光圈式罩口，钻芯机的垂直向钻头与光圈式罩口中心边缘接触，并穿过光圈式罩口中心抵达混凝土表面。

1.4.2 光圈式罩口

光圈式罩口由上罩口环形板、齿轮盘、光圈式叶片、叶片小齿轮和调节机构组成。上罩口环形板与圆柱形收尘罩采用密封焊接方式固定为一个整体。齿轮盘由圆环形亚克力板制成，齿轮盘设有内齿和外齿，设置在上罩口环形板上面的环形滚动槽内，槽内布置钢制滚珠，避免齿轮盘绕环心旋转时与上罩口环形板之间产生滑动摩擦。光圈式叶片为由八片透明亚克力板制成的月牙板，每片月牙板的外弧段均位于相邻月牙板内弧段的上部，按此布设，八片光圈式叶片依次盖压呈圆周分布，并叠加布置在上罩口环形板上方。八个叶片小齿轮分别设置在八片光圈式叶片下方，并与齿轮盘处于同一水平面上；八个叶片小齿轮均与齿轮盘内齿啮合，通过各自齿轮轴镶嵌固定在月牙板端部，每个齿轮轴的长度随八个叶片叠加厚度的增加而递增。叶片小齿轮上面与下面均带有限位凸起，既起到固定叶片、隔离叶片与齿轮盘的作用，同时防止齿轮盘从叶片小齿轮上整体脱出。当齿轮盘做圆周运动时，带动八个叶片小齿轮旋转，从而使八片光圈式叶片绕各自的齿轮轴做同步旋转，并根据旋转角度的不同，形成不同直径的圆形罩口和光圈效应，以便适应不同直径的钻头穿过，见图2。

图2 收尘器顶面平面

1.4.3 密封刷

密封刷为一圈具有一定厚度的柔性毛刷，紧密的毛鬃既可以防止灰层外漏，同时可适应轻微不平整基面，紧密附着在混凝土表面。

1.4.4 收尘罩固定机构

收尘罩固定机构由圆柱形收尘罩外壁焊接的四个支撑耳和穿过支撑耳的定位杆组成。定位杆穿过支撑耳中部预留的螺丝孔拧紧到马蹄形底座，定位杆顶部设压力弹簧，可以使收尘罩与密封刷紧密接触混凝土表面，防尘降噪。

1.4.5 排风管

排风管连接轴流风机，轴流风机通过收尘罩外接的排风管利用抽风形成的负压将收尘罩中钻芯作业形成的杂质和烟尘向外排出，并与排污器相连。

1.5 排污器

排污器通过其水雾管段连接在收尘罩的排风管上。它由小型便携式潜水泵、水雾管段、排污口组成。小型便携式潜水泵置于储水槽中，以水管连接水雾管段，水雾管段一端连接轴流风机的排风管，另一端为排污口，水雾管段为一段直径较大的双层硬质橡胶管，管壁交错分布多个水雾喷头，喷头出雾方向朝向排污口。水雾管段依靠水雾使排风管气体中的微颗粒由悬浮状态变为水溶状态。作业时，潜水泵输送压力水带动水雾喷头形成雾状，含有灰尘的气体通过水雾管段，即可将灰尘变为污泥经排污口排出。

2 实施方式

采用新型干钻法混凝土原状样采集装置钻取混凝土芯样时，首先选定钻芯区域，确定其工作环境及配水配电排污情况是否满足要求。之后架设、连接和调试设备，先将钻芯机通过马蹄形底座固定在预采样的混凝土表面，然后依次将高压风机、排污器和收尘器与钻芯机相连。

新装置主要构件为收尘器，在架设完钻机，连接好高压风机、排污器和收尘器管线后，重点调节收尘器。收尘器调节机构由驱动齿轮、伞齿轮组和调节手柄组成，设置在上罩口环形板和齿轮盘边缘处，通过驱动齿轮与齿轮盘外齿啮合组合安装在一起。当转动调节手柄时，调节手柄带动伞齿轮组变换运动方向，伞齿轮组带动驱动齿轮将调节手柄的转向力传至齿轮盘，齿轮盘随之旋转做圆周运动，从而使齿轮盘带动叶片小齿轮和光圈式叶片形成整体性展开和闭合的不同直径的光圈式同心圆罩口。收尘器光圈式叶片与钻头外缘紧密接触，可以起到既不妨碍钻芯作业，同时隔绝烟尘的作用，其变化过程如图3所示。

图3 收尘器的光圈式罩口形态变化示意图

在混凝土芯样钻取过程中，操作员通过进风控制器的压力表实时观测钻芯机进风情况，还可通过收尘器的透明收尘罩随时观察钻芯机进钻速度和尘渣排出情况，并根据排污器出渣情况及时调整进风控制器，保证进钻速度和钻芯效率。钻芯机在钻取芯样时，应保证进钻速度均匀，如发现钻头受卡，可适当降低进钻速度，必要时可将钻头退回一段，然后重新进钻，避免强硬进钻造成钻头损坏或电机烧毁。取样过程中若出现排渣不及时导致钻头过热的情况，应适当降低加载力，并通过进风控制器及时增大高压风机进入钻芯机的风量，提高尘渣吹出效率，降低钻头温度。

3 技术特点及应用前景

新型干钻法混凝土原状样采集装置具有排尘渣、适量冷却、收尘降尘、降噪排污的综合作用，还具有便于观察、容易操作、简单便携的优点，能使钻取的芯样尽量保持原状，并能够有效降低钻机和钻头的损耗。整套装置除了立式钻芯机比较笨重之外，其他设备及部件均体积较小，重量较轻，方便组装拆卸，简单便携。

新装置在辽宁省多项大型长距离引输水隧洞工程中得到应用，取得了良好效果。通过移动台车对大洞径隧洞顶拱位置采用新装置进行干钻法检测，配合探地雷达法，在检测衬砌混凝土抗压强度的同时，可检测衬砌混凝土内钢筋数量、钢筋间距、保护层厚度、混凝土内部缺陷及其与基岩之间的脱空情况。新装置解决了隧洞顶拱部位钻芯取样困难的检测技术难题，大幅度提升了长距离输水隧洞衬砌混凝土钻芯法检测技术水平。

4 结 语

随着各地大型引输水工程的陆续开建，其隧洞衬砌混凝土质量检测得到越来越多的重视，新型干钻法混凝土原状样采集装置在解决顶拱混凝土原状样采集难题的同时，保证了隧洞内低噪声、无粉尘的作业环境。在下一步的推广应用中，可根据工程实践，对装置进行进一步的优化升级，如考虑采用大功率吸尘器吸入粉尘代替高压风机吹出粉尘，以便装置具有更广泛的适用性。