混凝土钻芯机大板试件取芯装置研制与应用

高鹏伟，刘 斌，罗晓薇，薛双良

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 研制背景

随着我国混凝土技术的不断发展，喷射混凝土技术已广泛应用于竖井、隧道、涵洞、边坡等地下混凝土支护或锚喷支护施工，喷射混凝土试验检测工作量也随之进一步加大。根据市场调查，目前，全国混凝土钻芯机专业生产厂家都没有生产专门用于室内喷射混凝土大板试件取芯的配套装置。导致检测机构用于喷射混凝土大板试件取芯的装置均为自行加工，有的过于笨重，每组试件取芯需要2～3人，严重浪费人力；有的缺少废水及灰浆收集装置，不利于环境保护；有的在取出一块芯样后，需人工推动大板试件进行下一块的钻取，无手动行走调节装置。

我公司承建的东山供水工程施工二标及五标，施工二标段主洞段约10.115km，施工布置3条支洞；施工五标段主洞段长约2.27km，均为土洞，地质情况为含沙低液限粘土，且地下水位线位于洞顶以上，施工布置2条支洞。根据地质报告描述该隧洞岩石类别以Ⅳ、Ⅴ类为主，岩石条件差，开挖施工过程采用短进尺、弱爆破、勤支护方案，隧洞开挖过程中每天共有8个作业面进行开挖，每开挖0.5m～1m就要进行喷射混凝土支护作业。按照《水电水利工程锚喷支护施工规范》(DL/T 5181-2003)要求，喷射混凝土强度质量检测以喷射混凝土抗压强度大板试件取芯样检测方法进行，工地试验室每天至少需对14组大板试件进行室内取芯作业，工作量非常巨大。

2 混凝土钻芯机的选择

混凝土钻芯机采用铜陵长江金刚石工具有限责任公司生产的HZ-110型系列混凝土钻芯机，可与金刚石薄壁钻头配套使用，操作安全可靠。广泛用于钢筋混凝土建筑物、砖石建筑物上的垂直或水平钻孔、取芯。额定电压220V，输入功率1400W，最大钻孔直径φ100mm，空载转数0～1900r/min，整机重量6kg。

3 混凝土钻芯机大板试件取芯装置研制思路

研制的混凝土钻芯机大板试件取芯装置是混凝土钻芯机的专用配套设备，适用于各种工程领域内按照钻孔取芯法对喷射混凝土大板试件进行室内芯样钻取工作。能够与各种不同型号混凝土钻芯机配套使用，具有成本低、生产效率高、取芯效果好、易于操作、实用性强、安全环保的特点。主要由三大部分组成，包括基座及钻芯机旋转固定盘、十字工作台、试件固定集排水槽。

混凝土钻芯机与基座连接牢固可靠；通过增加试件固定集排水槽及6孔盖板，有效地防止取芯过程中钻头在高速运转下与试件摩擦产生废水及灰浆四溅，并对废水及灰浆进行集中收集；通过设计纵向、横向十字工作台，顺利将试件固定集排水槽中的大板试件移送至带孔盖板上任意一个孔位处进行取芯。

实用美观，操作方便，能够就地取材，缩短工作时间，提高工作效率，减少人员投入。

混凝土钻芯机大板试件取芯装置见图1。

图1 混凝土钻芯机大板试件取芯装置成果

4 混凝土钻芯机大板试件取芯装置设计

4.1 基座及钻芯机旋转固定盘设计

采用槽钢焊接成长560mm×宽500mm×高80mm的长方体，在长方体左、右两侧50mm位置焊接两根槽钢，形成基座；将外钢管焊接在基座上侧的中心点位置上，将内钢管与厚12mm的钢板进行焊接，钢板四周加工4个与混凝土钻芯机底座预留孔直径相同的孔，采用高强度螺栓可将混凝土钻芯机与钢板连接，牢固可靠，该部分可根据混凝土钻芯机型号调节钢板大小及孔位，使其可与各种型号混凝土钻芯机配套；将内钢管套装在外钢管内部，内、外钢管左右两侧中心部位用钻床加工成φ15mm的通心孔。在使用过程中将混凝土钻芯机转动在基座中心位置，将旋转套筒固定插销插入通心孔内，取芯作业完成后，将固定插销取出，转动混凝土钻芯机收回，完成混凝土钻芯机的旋转固定过程。基座及钻芯机旋转固定盘设计加工图详见图2。

图2 基座及旋转固定盘设计加工图

4.2 十字工作台设计

4.2.1 纵向十字工作台

将两个钎尾套分别套装在两根六棱钻杆上，将钻杆与两根长300mm的角钢进行焊接(角钢呈“L”形敞开状)，形成长方体。将两个钎尾套移到距离底侧角钢60mm处，使用长250mm角钢与两个钎尾套末端靠内侧底部进行焊接，该部分角钢与底部角钢中心点位置开孔φ33mm。

在中、底部角钢中心点开孔位置进行丝杠的连接。连接过程为：在长度300mm的丝杠一端焊接手柄轮，将螺母拧入丝杠紧贴手柄轮，在底部角钢中心孔内部焊接丝杠固定套一个，在中部角钢中心孔位置焊接螺母一个，转动手柄轮将丝杠完全拧入丝杠固定套及螺母内，底部角钢中心孔位置使用螺母焊接在角钢内侧，形成对丝杠的固定。

纵向十字工作台丝杆的最大工作长度为170mm，工作时转动手柄轮，丝杠在作用力下推动角钢两侧的钎尾套，使钎尾套在六棱钻杆上能前后行走，整个过程丝杠与螺母连接紧密，钎尾套在六棱钻杆上完成前后行走工作时通畅无阻。

4.2.2 横向十字工作台

在长550mm的六棱钻杆上各套入两个钎尾套，将钻杆与两根360mm长的角钢进行焊接(角钢呈倒“L”形反扣状)，形成长方体。左、右两块角钢上方再用一根550mm的角钢反扣焊接为一体，将每根钻杆上的两个钎尾套移到钻杆中心位置焊接在一起，使用长度250mm角钢与两个钎尾套末端靠右侧底部进行焊接，该部分角钢与右侧角钢中心点位置开孔φ33mm。

在中、右部角钢中心点开孔位置进行丝杠的连接。连接过程为：在长度400mm的丝杠一端焊接手柄轮，将螺母拧入丝杠紧贴手柄轮；在右部角钢中心孔内部焊接丝杠固定套一个，在中部角钢中心孔位置焊接螺母一个，转动手柄轮将丝杠完全拧入丝杠固定套及螺母内；右部角钢中心孔位置使用螺母焊接在角钢内侧，形成对丝杠的固定；在呈倒“L”形反扣状的角钢上开四个φ12mm的孔，开孔位置与试件固定集排水槽十字工作台连接插销一致。

横向十字工作台丝杆的最大工作长度为240mm，横向十字工作台工作中转动手柄轮，丝杠在作用力下推动角钢两侧的钎尾套，使钎尾套在钻杆上形成左右行走，整个过程丝杠与螺母连接紧密，钎尾套在六棱钻杆上完成左右行走工作时通畅无阻。十字工作台设计加工图详见图3。

图3 十字工作台设计加工图

4.3 试件固定集排水槽设计

采用钢板焊接成长570mm×宽385mm×高160mm的长方体，形成集排水槽。在水槽内上下夹角位置焊接两根螺纹钢，目的是将大板试件垫高，防止取芯过程中钻芯机钻头对水槽底板产生破坏。在水槽左右两侧的中心点位置开孔φ18mm，将固定螺栓拧入两侧孔内后，将钢片焊接在固定螺栓端头，大板试件放入水槽后，拧紧左右两侧固定螺栓，取芯过程中试件卡位牢固可靠，不会发生位移及晃动现象；水槽左侧底角位置开孔，将不锈钢排水阀门焊接在孔位处；水槽底盘四周分别焊接4个φ12mm的十字工作台连接插销，位置与尺寸与横向十字工作台倒“L”形反扣状角钢的孔位一致；采用570mm×385mm铁皮制作成6孔盖板，水槽盖板上下两排均匀切割6个φ100mm孔，孔与孔之间间距为：横排20mm，竖排50mm；将6孔盖板盖在水槽上，在钻取任意一块混凝土试件时，将其余5个孔用橡胶皮封堵，有效地防止了取芯过程中钻头在高速运转下与试件产生的废水及灰浆四溅问题。试件固定集排水槽设计加工图详见图4。

图4 固定集排水槽设计及加工图

4.4 混凝土钻芯机大板试件取芯装置整体组装

将纵向十字工作台焊接在基座上左、右两侧长390mm的槽钢上，纵向十字工作台前后两块角钢中心位置分别焊接一块长160mm×高50mm的垫铁，然后将横向十字工作台前后钻杆上的钎尾套焊接在两块垫铁上，完成纵、横向十字工作台的组装；将试件固定集排水槽下的连接插销插入倒“L”形反扣状的角钢盘四边孔位内，使用高强度螺栓将混凝土钻芯机与旋转固定盘内钢管上方的钻芯机钢板底座预留孔牢固固定，整个焊接组装完成后，对焊缝使用电砂轮机全面打磨，以保证焊缝的平整度；采用银白色油漆对混凝土钻芯机大板试件取芯装置进行整体喷涂，增加其美观度。组装完成后混凝土钻芯机大板试件取芯装置整体尺寸为：长680mm×宽700mm×高370mm，重量48kg，为确保混凝土钻芯机大板试件取芯装置焊接质量，整个焊接组装过程均由持证上岗的高级电气焊技师完成。

5 混凝土钻芯机大板试件取芯装置应用

加工完成后，对混凝土钻芯机大板试件取芯装置进行了测试。在一块大板试件上共钻取了2组(6块)芯样，整个作业过程中混凝土钻芯机大板试件取芯装置与混凝土钻芯机连接紧密牢固，大板试件通过固定螺栓牢固固定在试件固定集排水槽上中，6孔盖板与水槽接触紧密，有效防止了废水及灰浆四溅问题，取芯过程中产生的废水及灰浆集中收集在试件固定集排水槽内。

转动纵、横向十字工作台上的手柄轮，丝杠在作用力下推动角钢两侧的钎尾套，钎尾套在六棱钻杆上完成前后左右行走工作时通畅无阻，可顺利的将试件固定集排水槽中的大板试件移送至6孔橡胶皮盖板上的任意一个孔位处进行取芯。取出的6块芯样外观完整，通过测量6块芯样高度直径最大为100.2mm，端面不平整度在100mm长度内最大为0.01mm，芯样端面与轴线的不垂直度最大为0.3°，完全符合有关技术标准要求。

该混凝土钻芯机大板试件取芯装置已在我公司承担检测任务的山西晋中东山供水工程项目试验室以及山西吕梁中部引黄工程项目试验室推广使用，通过2个多月时间，两个项目试验室施工现场取喷射混凝土大板试件共计624组，从取芯的效果来看，未发现由于该装置原因导致产生不符合技术标准的芯样，取芯成功率达到100%，取芯装置取出的芯样效果见图5。

图5 取芯装置取出芯样的效果

6 结语

混凝土钻芯机大板试件取芯装置的成功研制，填补了目前全国混凝土钻芯机专业生产厂家都没有生产专门用于室内喷射混凝土大板试件取芯配套装置的空白。混凝土钻芯机大板试件取芯装置的使用，极大地缩短了混凝土大板试件取芯用时，由原来每组三块芯样用时大约15min缩短为6min。降低了人员投入，提高了工作效率，由原来的2～3人减少到现在的只需1人就可完成整个取芯作业。在本次取芯装置设计中，大部分零部件使用工地现场的废旧材料进行加工，极大地降低了制作成本，提高了废旧物品的再利用率。混凝土钻芯机大板试件取芯装置的使用相对于之前人工取芯具有精确、方便、环保、一次性取芯2组等优点。取芯装置与钻机连接处可调节钢板大小及孔位，使其可与各种型号混凝土钻芯机配套，可以将其应用到公路检测、装修等其他领域。通过混凝土钻芯机大板试件取芯装置的研制与应用，使试验检测人员充分意识到对检测过程中所需的辅助工具进行改造，可达到省时省力的目的，提高了相关人员的思维力和创造性。