聲波鉆機在深厚覆蓋層成孔及取樣的施工技術

羅強

（無錫金帆鉆鑿設備股份有限公司，江蘇 無錫 214112）

1 聲波鉆機的鉆進原理

聲波鉆進的主要設備是振動回轉動力頭，動力頭能夠產生可以調節(jié)的高頻振動和低速回轉功能。通過圍繞平衡點進行重復擺動而形成振動，能量在鉆桿中積累，當達到其固有頻率時，引起共振而得到釋放、傳遞，能量通過鉆桿的高效傳遞，使鉆桿和鉆頭不斷向巖土中鉆進。振動波能量垂直傳遞到鉆柱上，頻率一般可達到4000～10000次／min，沖擊功可達到27～270kNm。由于屬于較低的機械波振動范圍，能夠引起人的聽覺，所以習慣上稱為聲波鉆進。

2 聲波鉆進的技術特點

（1）應用范圍廣

廣泛適用于工程勘察，環(huán)境保護調查孔，地源熱泵孔，砂金地質勘探、大壩及尾礦監(jiān)測孔，海洋工程勘察，大壩基礎的鉆探取樣及灌漿，以及微型樁、水井等。

（2）地層適應范圍寬

在0～300m的深厚堆積體、各種松散層：如砂土、粉砂土、粘土、礫石、粗礫、漂礫、冰磧物、碎石堆、垃圾堆積物，以及軟巖中，能有效、高速的進行連續(xù)原狀取樣鉆進，以及全套管成孔。這是傳統(tǒng)鉆進工法無法比擬的。

（3）成孔速度快，鉆孔直線度高

聲波鉆進是振動、回轉和加壓三種鉆進力的有效疊加，特別是振動作用，不僅有效破碎巖石，同時也使巖土排開和液化，從而獲得較高的鉆進速度。通常鉆速在20～30m／h，比常規(guī)回轉鉆進方法快5倍以上。鉆孔直線度高，偏差低于1%。

（4）巖土樣保真度好

聲波鉆進可在覆蓋層和軟基巖中采集直徑大，代表性強，保真度好、不混層的連續(xù)巖土樣。擾動降到最低，尤其適合應用在需要采集原狀樣及無污染樣品的場合。

（5）環(huán)境污染少，是綠色施工法

通常情況下，聲波鉆進可不使用泥漿或添加泥漿處理劑的鉆井液，少用水或者不用水，鉆進產生的廢棄物比常規(guī)鉆進少70～80%，從而減少了鉆井液對環(huán)境的污染。此外，施工過程環(huán)保，施工時噪音低，對周邊環(huán)境影響小。

（6）施工安全性好

聲波鉆進采用了套管跟進護壁技術，套管跟進和取樣同時進行。外套管能夠很好地保護孔壁，防止孔壁坍塌。同時還可隔離含水層，避免交叉污染。由于有外層套管的保護，因此不怕卡鉆、埋鉆，鉆孔過程孔內事故少。

（7）施工工藝多樣

可以使用繩索鉆進工藝，實現不提鉆取樣；也可采用單管、單動雙管取樣鉆進。能用較大直徑的套管（100～300mm）高效連續(xù)鉆進。

（8）鉆進成本低

國外聲波鉆機施工，一般要求每天鉆進進尺100m以上，由于鉆進速度快，縮短了施工周期，降低了勞動力費用；不用泥漿及少水鉆進，材料消耗少；鉆進產生的廢物少，減少了現場清理費用。

3 YGL-S100型聲波鉆機性能參數

聲波鉆機在國外已廣泛適用于工程勘察，環(huán)境保護調查孔，地源熱泵孔，砂金地質勘探、大壩及尾礦監(jiān)測孔，海洋工程勘察，大壩基礎的鉆探取樣，以及微型樁、水井孔等。

在我國聲波鉆進由于其聲波高頻振動頭技術瓶頸的局限，聲波鉆進的應用目前還還剛剛起步。無錫金帆鉆鑿設備股份有限公司歷經兩年的研發(fā)，引進日本利根公司聲波動力頭技術，研制出國內第一臺YGL-S100型聲波鉆機（技術參數見表1）。

表1 YGL-S100型聲波鉆機的主要技術參數

4 深厚覆蓋層成孔及取樣介紹

4.1 向家壩水電站施工

向家壩水電站位于云南省水富縣（右岸）和四川省宜賓縣（左岸）境內金沙江下游，是金沙江水電基地下游4級開發(fā)中的最末一個梯級電站。左右岸分別安裝4臺單機80萬kW水輪發(fā)電機組，總裝機容量640萬kW，裝機規(guī)模僅次于三峽、溪洛渡水電站，為目前中國第三大水電站。向家壩加上1386萬千瓦的溪洛渡水電站，其總發(fā)電量大于三峽水電站，是西電東送骨干電源點。2002年10月，向家壩水電站經國務院正式批準立項，2006年11月26日正式開工建設，2015年將全面投產，總投資約542億元。

水電站攔河大壩為混凝土重力壩，壩頂高程384m，最大壩高162m，壩頂長度909.26m。壩址控制流域面積45.88萬km2，占金沙江流域面積的97%，多年平均流量3810m3／s。水庫總庫容51.63億m3，調節(jié)庫容9億m3，回水長度156.6km。

水電站壩區(qū)地層復雜，上部地層主要為沖積層，砂礫為主，厚度不均。

水電站建成后，壩區(qū)居民反映居住的建筑物有不明震感，為查明引起震動的原因及其震動來源，決定在庫區(qū)及居民點地下埋設震動監(jiān)測儀器。監(jiān)測分三個區(qū)共布置18個監(jiān)測孔，震動監(jiān)測儀器直徑為φ102mm，長度550mm。根據震動儀器埋鉆孔要求，鉆孔深度在50～150m不等，鉆孔直徑120mm。鉆孔穿過地層自上而下為：填方層，主要為混凝土塊、灰?guī)r塊石、礫石、少量沙土；砂卵礫石層，主要為中粗砂含少量礫石，礫徑一般在10～50mm，個別地層礫徑達1～2m；基巖，主要為泥巖。

4.2 施工的難點或技術關鍵

該地區(qū)地處金沙江邊，地質條件復雜，根據以前鉆進取樣顯示，鉆進過程要先后穿過堆石層、松散砂礫層、強風化層以及基巖；回填層碎石較硬，易塌孔，采用常規(guī)回轉鉆進方法成孔非常困難，以致1～2個月不能鉆成一個監(jiān)測孔。

此外，采用常規(guī)回轉鉆進方法，在砂卵石層取樣困難、取樣率不高、保真度較低；而巖芯取樣是對具體地方的具體地質狀況判斷的依據。因此需所取的樣品完整、連續(xù)，即要求巖樣保真度要高，鉆機在取樣過程中對地層擾動要小。

為此，決定利用聲波振動回轉鉆進的特點，使用YGL-S100型聲波鉆機對壩外縣城居民區(qū)4個震動儀器埋設孔實施上部覆蓋層快速鉆孔，以加快監(jiān)測儀器埋設進程，同時對個別典型區(qū)域地層監(jiān)測孔進行原狀取樣。

4.3 工程施工情況介紹

中國水電顧問集團中南勘測設計研究院水建司向家壩項目部采用無錫金帆鉆鑿設備股份有限公司生產的YGL-S100型聲波鉆機，結合具體工程，進行了生產性試驗。于2013年1月18日至1月30日在向家壩電站污水廠進行了不取樣快速成孔鉆進。此后，2013年4月1日至4月10日在云南水富縣育才路安置小區(qū)內進行了取樣鉆進。

（1）不取樣快速成孔鉆進

不取樣快速成孔鉆進是為埋設地震儀而進行的鉆孔施工。地震儀孔施工時采用全套管不取樣快速成孔鉆進工藝，配BW-200泥漿泵清渣。鉆進選用φ140特制的厚壁套管（圖1）、φ160鉆頭（圖2），實現一徑鉆進。共鉆進4個孔，由于時間關系，后兩個孔只穿過32.5m的填方塊石覆蓋層，到達基巖后轉讓其他鉆機繼續(xù)施工。

圖1 φ140厚壁套管圖

圖2 從日本進口的φ160鉆頭

前兩個地震儀孔施工過程為：

按照設計要求，在距離壩基500m處，分別鉆進了55m、67m兩個孔，先后穿過堆石層、松散砂礫層、強風化層以及基巖。鉆至終孔，鉆套管放在孔中護壁，待測震儀器放入后，回轉振動提出鉆套管。

（2）取樣鉆進

根據不同的地層，YGL-S100聲波鉆機可以實現如下三種取樣鉆進工藝：

1）單管取樣（圖3）

圖3 DS91單管鉆具

單管取樣鉆具比較適合土層取樣鉆進，可以無水、不回轉鉆進，取出原樣土層。也可以使用少量水來冷卻水龍頭，水從取樣鉆具上部排出，不會沖刷土樣。

單管取樣鉆具鉆頭上部設計有土樣自動裝樣機構，進入巖心管內的樣品自動灌裝在塑料樣品袋中，既方便從巖心管內取出樣品，也有利于保存樣品防止土樣失水。

提取樣品后立即將外套管跟進到先前取芯的孔底，再進行取樣鉆進，如此反復，直至鉆進深度。外套管能夠很好地保護孔壁，防止孔壁坍塌。

2）單動雙管取樣（圖4）

在沙礫層或基巖鉆進時，需要回轉鉆進，由于單動雙管鉆具內管不回轉，樣品擾動小，達到保真取樣的目的。

圖4 PS91-00單動雙管取樣鉆具

單動雙管取樣鉆進過程同單管取樣鉆進。使用套管護壁，鉆孔穩(wěn)定，不會塌孔，縮徑，保證鉆孔能順利鉆進。

3）繩索取芯（圖5）

近年來繩索取芯鉆進已成為首選的取樣鉆進方法，其最大優(yōu)點就是取樣速度快，勞動強度低。YGL-S100聲波鉆機也配套了專用的繩索取芯鉆具，實現繩索取芯取樣。

圖5 SS140-00繩索取芯鉆具

在鉆進過程中，將繩索取芯雙管總成放入外鉆桿內，取芯鉆具同外鉆桿一起旋轉鉆進，達到取樣長度后，用打撈器將繩索取芯雙管總成打撈出來，取出其中的樣品；重新放入雙管總成，加接外鉆桿繼續(xù)鉆進，依次進行取樣。采用繩索取芯鉆進，不需要提取鉆桿，取樣速度快、提高了鉆進效率。

在向家壩水電站取樣施工中，使用了SS140-00繩索取芯鉆具進行鉆進。取樣鉆進一共鉆了兩個孔，鉆進借用了φ140特制的厚壁鉆桿外管，使用φ155鉆頭（圖6），取樣直徑φ98。為達到保真取樣的目的，鉆頭設計成特殊的底噴結構，以保證循環(huán)液不沖刷樣品。

圖6 φ155／98鉆頭

取樣鉆進過程顯示，在填方層時（0～9m），鉆進速度快，鉆進時效可達20m，取樣率高，可達95%以上，且所取的樣品呈現完整的圓柱狀，保真度好，能夠反應地層的真實的狀況，如圖7所示。

圖7 填方層巖樣

進入砂礫層后，鉆進同樣快速，其鉆進時效可達十幾米，所取巖樣分為兩種情況，一部分是較為完整的圓柱狀，也有散落的砂礫石。分析其原因是沙礫層膠結性不好，鉆頭與取樣器之間的間隙過大，水流將沙土被沖走，只剩下砂礫石，無法形成圓柱狀，因此呈現散落狀，如圖8所示。

圖8 砂礫層巖樣

針對該種狀況，在XK02號孔的取樣鉆進過程中，我們采用少量清水鉆進，提高振擊力，快速成孔。這樣巖樣被水沖刷的概率減小很多，巖樣可以較為完整的保持圓柱狀。

在砂礫層的鉆進過程中，也會遇見大塊礫石（粒徑30～45cm）。此時鉆進速度會放慢點，但取樣效果很好，巖樣較為完整，如圖9～10所示。

根據兩個取樣孔鉆進情況分析，YGL-S100型聲波鉆機可以滿足在復雜地質條件下的取樣，取樣率高，效果好。結合取樣鉆具的進一步設計改進， YGL-S100型聲波鉆機的取樣將達到更好的效果。

圖10 直徑30～45cm塊卵石巖樣

4.4 建議與結論

（1）鉆機性能穩(wěn)定。經過生產性試鉆驗證，YGL-S100聲波鉆機的主要性能參數達到了設計要求。鉆機在該項目中表現突出，其獨特的鉆進能力，得到外方專家、施工單位及參觀客戶的好評。

（2）地層適應性強。在監(jiān)測孔施工中，能一徑順利穿過非常復雜的地層：堅硬塊填石層、松散沙礫層、強風化層及基巖。

（3）鉆孔速度快。在填石層（大灰?guī)r塊，卵礫石）平均小時進尺3～4m；砂礫石層、粘土層、淤泥層或不含較大孤石的覆蓋層鉆進時，成孔速度快，平均時效可達20m，基巖平均時效4～5m。

（4）在深厚砂礫石層中取樣鉆進速度快、取樣率高，可獲取原狀樣。在覆蓋層取樣率可達95%以上，在砂礫層也有80%以上。

（5）繩索取芯鉆進不提鉆，能連續(xù)、高速取出原狀樣。由于不需提鉆取樣或更換鉆頭，巖樣不混層，反映了地層真實的情況。

（6）單動雙管鉆具取樣時，內管不回轉，能取出無擾動的原狀樣。鉆進時，鉆套管內直接下取樣器取樣，取樣后，鉆套管繼續(xù)鉆進護壁。

（7）在取樣鉆進過程中可以少水或無水鉆進，避免了對巖樣造成污染，可以取出較為完整的原狀巖樣，大大提高了巖樣的保真度，為正確的分析地質狀況提供了真實的依據。

（8）鉆孔質量好，鉆孔直線度高。監(jiān)測儀器由鉆套管內直接下放，由于鉆套管是內平，無卡阻，順利投放到孔位。

（9）鉆具不怕卡鉆、埋管。由于聲波動力頭的高頻振動的特性，使巖土排開和液化，鉆具不怕卡鉆、埋管，處理孔內事故能力極強。

（10）應增加系列配套鉆具，在鉆進較深時更換較小直徑的鉆具，可提高鉆進速度和鉆孔深度；針對硬巖，礫石層等較硬的地層配套不同的鉆頭。

5 國外聲波鉆機的最新動態(tài)

5.1 地質勘探取樣

5.1.1 加拿大

鉆探人員使用Sonic drill公司450-24鉆機，在不列顛哥倫比亞塔布勒嶺的一個工程中，當鉆進到48.7m，鉆探人員發(fā)現了古老的蕨類植物葉子的化石，工程師推測該化石距今大約有8000萬年了。

5.1.2 美國

位于內華達的西北部一處金礦施工中，客戶使用寶長年公司 （Boart Longyear）的LS600聲波鉆機，做金礦取樣鉆探，深度107m。

5.1.3 日本

客戶使用利根公司JP-60型聲波鉆機，采用TS118繩索取樣鉆具，在砂卵石地層連續(xù)取樣124m深。

5.2 地源熱泵

圖11為日本某養(yǎng)老院利用地熱的裝置，使用聲波鉆機，鉆成5個100m深的孔，通過熱交換將地熱轉換為老人日常生活所需的熱水。

圖11

5.3 防滑坡工程的地下排水施工

利用聲波鉆機可以在保證垂直度的情況下使用地下排水隧道，將滑坡積水排放干凈，可以較為徹底的治理滑坡。

5.4 安裝地線工程

如太陽能發(fā)電站風能發(fā)電的電線工程。

6 結語

聲波鉆進方法是一種先進的施工手段，在深厚覆蓋地層等復雜地層，尤其能顯示出其獨特的優(yōu)勢。在國內，聲波鉆機及其施工技術目前還處于方興未艾之勢，希望通過鉆探界同仁的一起努力，聲波鉆進技術在工程中的應用能越來越多，為國民經濟建設做出應有的貢獻。