大直徑貫通式潛孔錘局部氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的試驗(yàn)研究

易振華，何龍飛，胡志海

（1.中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063；2.上海金泰工程機(jī)械有限公司，上海 201805）

灌注樁孔嵌巖鉆進(jìn)技術(shù)亦即大直徑鉆孔硬巖鉆進(jìn)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外鉆孔工程界極為關(guān)注和竭力研究的難題之一。大直徑潛孔錘是解決此難題的行之有效的方法，鉆進(jìn)工藝目前主要為：①空氣正循環(huán)全套管鉆進(jìn)②貫通式潛孔錘組合泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)③氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)效率低下和難以清除孔底巖粉沉渣是目前國(guó)內(nèi)外研究的難題。SH25H液壓風(fēng)動(dòng)沖擊鉆機(jī)是上海金泰工程機(jī)械有限公司自主研發(fā)的以鉆進(jìn)中硬以上巖層為主的新型樁基礎(chǔ)施工設(shè)備，多年來(lái)在擁有大直徑貫通式氣動(dòng)潛孔錘和主機(jī)機(jī)電液一體化技術(shù)前提下，研究多種鉆進(jìn)工藝，經(jīng)過(guò)多年的探索，創(chuàng)新性提出大直徑貫通式潛孔錘組合局部氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，并于廠內(nèi)試驗(yàn)井做了實(shí)鉆試驗(yàn)，取得了顯著的效果。

1 局部氣舉反循環(huán)工藝原理

如圖1所示，外接空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過(guò)輸氣膠管、可伸縮式鉆桿、進(jìn)氣管進(jìn)入沖擊器內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)沖擊器活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊花鍵軸，并將沖擊能量傳遞到鉆頭底部從而破碎巖石。同時(shí)，車載空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)輸氣膠管、可伸縮式鉆桿、風(fēng)管及氣液混合器，并在反渣通道內(nèi)形成無(wú)數(shù)小氣泡，氣泡一面沿反渣通道上升，一面膨脹，由于壓縮空氣不斷進(jìn)入鉆井液，在氣液混合器上部形成低比重的混合液，而鉆桿外環(huán)空中的鉆井液比重大，因此造成環(huán)空內(nèi)液柱壓力高于反渣通道內(nèi)液柱壓力，從而引起反循環(huán)流動(dòng)，上返的巖屑通過(guò)排渣口排出落到撈渣筒內(nèi)沉積，待筒內(nèi)沉渣滿后提出鉆具，并通過(guò)動(dòng)力頭上移拉起撈渣筒外筒后清除巖屑。

圖1 SH25H液壓風(fēng)動(dòng)沖擊鉆機(jī)局部氣舉反循環(huán)鉆具系統(tǒng)

2 設(shè)備組成

（1）SH25H液壓風(fēng)動(dòng)沖擊鉆機(jī)（圖1）；

（2）鉆桿：可伸縮式摩阻鉆桿，隨鉆進(jìn)深度的變化，鉆桿可自動(dòng)伸縮，無(wú)需拆裝鉆桿；輸氣膠管從鉆桿內(nèi)部通過(guò)（圖2）。

圖2 可伸縮式鉆桿

（3）沖擊器：FC15F型沖擊器（圖3），結(jié)構(gòu)尺寸Φ705mm×1934mm，沖擊次數(shù)400～450次／min，單次沖擊功5000～6000J，工作壓差0.5～0.6MPa，耗風(fēng)量40～60m3／min，質(zhì)量3600kg。

（4）鉆頭：Φ800mm硬質(zhì)合金球齒反循環(huán)分體式鉆頭，鉆頭各分體采用熱套法過(guò)盈聯(lián)結(jié)，球齒數(shù)130顆，尺寸為Φ22mm和Φ25.5mm（如圖3）。

圖3 沖擊器及鉆頭

（5）ZBWJ－99型智能文丘利渦街流量計(jì)一臺(tái)。

（6）局部氣舉反循環(huán)集渣裝置：結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示，渣筒2尺寸為Φ788mm×1215mm，壁厚12mm；排渣口1尺寸為Φ109；返渣通道3內(nèi)徑Φ119mm，高4830mm，管壁厚50mm；下法蘭4與沖擊器上接頭通過(guò)螺栓連接；中心管5插入到?jīng)_擊器中心管中，采用密封圈密封，內(nèi)徑為Φ101mm；氣液混合器6上分布72個(gè)Φ3mm氣孔，總過(guò)流面積為509mm；8為Φ90mm回氣管。

（7）空氣壓縮機(jī)器：外接GAIRS OG240型螺桿空壓機(jī)，容積流量25.5m3／min，供氣壓力1.25MPa，驅(qū)動(dòng)功率 264.7kW，額定轉(zhuǎn)速 2200r／min，凈重4500kg，外形尺寸3700×2150×1820mm。提供沖擊器工作動(dòng)力及保壓防滲氣源；車載佳力士空壓機(jī)，由主機(jī)提供動(dòng)力，送氣流量20m3／min，供氣壓力0.7MPa，為局部氣舉反循環(huán)集渣裝置供氣。

圖4 局部氣舉反循環(huán)集渣裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 局部氣舉反循環(huán)集渣裝置

3 合理鉆進(jìn)工藝參數(shù)的選擇

通過(guò)研究局部氣舉反循環(huán)中鉆井液的流動(dòng)特點(diǎn)，以流體力學(xué)，非牛頓流體力學(xué)及球體繞流理論為基礎(chǔ)，建立鉆井液攜屑返速數(shù)學(xué)模型及井底凈化作用模型（圖6），最終確定合理的注氣量，注氣壓力，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)局部反循環(huán)鉆進(jìn)提供理論依據(jù)。

3.1 壓力平衡式的建立

在汽水混合室處建立壓力平衡式：

3.2 泥漿循環(huán)量的確定

李丁格爾公式：

圖6 局部氣舉反循環(huán)計(jì)算模型

ry－泥漿、巖屑、空氣三相混合密度

式中：Q－泥漿循環(huán)流量，m3／h；v－泥漿上返速度，m／s；S－排渣通道斷面面積，取0.0111m2；υ2－巖屑顆粒上返速度m／s；v1－鉆屑顆粒在泥漿中的臨界速度，m／s；α－阻力系數(shù)，（g－重力加速度，c－形狀系數(shù)取2.1），計(jì)算得k1＝2.5；r1－巖石密度，取2.24g／cm3；rx－泥漿密度，取1.08g／cm3；d－巖屑顆粒直徑，取20mm；s0－鉆頭底唇面面積，Φ800mm鉆頭為0.425m2；u－鉆進(jìn)速度，取3m／h；k1－取0.02；k2－取1.2。

經(jīng)計(jì)算可得：v＝2.59m／s；Q＝1036.5m3／h

3.3 空壓機(jī)注氣風(fēng)量的確定

式中：q－氣液混合比；Q－所需風(fēng)量m3／min。

氣液初混不能形成湍流，如圖7所示，屬泡狀流；

圖7 不同氣液混合比下流態(tài)

系統(tǒng)能量交換充足，形成穩(wěn)定湍流，連續(xù)工作，出水量穩(wěn)定，屬段塞流；

系統(tǒng)易受壓力脈動(dòng)影響，形成粘連，屬過(guò)渡流；

氣體氣泡粘連形成穩(wěn)定逃逸通道，系統(tǒng)不能攜帶液流，屬環(huán)狀流。

取q＝1.6，計(jì)算得：

3.4 空壓機(jī)注氣風(fēng)壓的確定

式中：p－空壓機(jī)所需風(fēng)壓 MPa；ΔP－管路壓力損失，取80kPa；ΔP0－氣動(dòng)阻力的壓力損失，取30kPa；hs－本次試驗(yàn)為30m孔段。經(jīng)計(jì)算可得所需風(fēng)壓為0.43MPa。

綜上可得所需風(fēng)量為27.64m3／min，風(fēng)壓為0.43MPa，配備空壓機(jī)額定風(fēng)量為25.5m3／min，額定壓力為1.25MPa，完全可以滿足要求。

4 試驗(yàn)效果

本次試驗(yàn)于廠內(nèi)試驗(yàn)井內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)井直徑為Φ930mm，孔隙20～30m，試驗(yàn)鉆進(jìn)孔段用混凝土澆灌，經(jīng)測(cè)定，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度為50MPa，現(xiàn)場(chǎng)采用一臺(tái)外接空壓機(jī)為沖擊器提供壓縮空氣，車載空壓機(jī)為氣舉反循環(huán)提供壓縮空氣。管路中間接流量計(jì)測(cè)量空氣流量，流量顯示為25m3／min，滿足設(shè)計(jì)要求，單次進(jìn)尺控制在2m以內(nèi)，提鉆清渣通過(guò)動(dòng)力頭上移帶動(dòng)鐵鏈拉開(kāi)撈渣筒，人工快速清除，如圖8所示；試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 清渣過(guò)程及撈出巖屑

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：

（1）試驗(yàn)總進(jìn)尺30m，平均時(shí)效達(dá)7.25m／h，平均撈渣效率為80.9%，每次提鉆清渣輔助平均時(shí)間為5min。

（2）排出巖屑顆粒直徑約為20～30mm，重復(fù)破碎較少。

（3）隨著鉆進(jìn)深度由20～30m，撈渣效率由73.3%提高到88.3%，鉆進(jìn)效率由6m／h提高到9m／h。

5 結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)證明：

（1）本次試驗(yàn)創(chuàng)新性地在旋挖鉆機(jī)的基礎(chǔ)上應(yīng)用大直徑貫通式氣動(dòng)潛孔錘結(jié)合局部氣舉反循環(huán)排渣組合鉆進(jìn)工藝，平均鉆進(jìn)效率為7.25m／h，平均撈渣效率達(dá)80.9%，鉆進(jìn)及排渣效率取得了顯著的效果。

表1

（2）由于采用可伸縮式摩阻鉆桿，鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)需人工拆裝鉆桿，減少了鉆進(jìn)輔助時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率。且動(dòng)力頭可對(duì)鉆具加壓，提高了沖擊功的傳遞效率。

（2）通過(guò)研究局部氣舉反循環(huán)中鉆井液的流動(dòng)特點(diǎn)，以流體力學(xué)，非牛頓流體力學(xué)及球體繞流理論為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型，以30m孔深為深度點(diǎn)，最終得出科學(xué)合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，得出泥漿循環(huán)量為1036.5m3／h，所需空壓機(jī)注氣量為27.64m3／min，注氣壓力為0.43MPa，實(shí)踐證明計(jì)算科學(xué)合理。

（3）由于貫通式潛孔錘工作性能不受孔深限制，結(jié)合局部氣舉反循環(huán)清渣效果隨孔深增加而加強(qiáng)的特點(diǎn)，從根本上消除了孔深對(duì)潛孔錘工作性能的影響。

（4）由于清渣速度快，減少鉆進(jìn)重復(fù)破碎，孔內(nèi)沉渣厚度減小，提高了樁的單樁承載力，優(yōu)化樁徑，降低工程造價(jià)。

（5）泥漿排放量減少，減少環(huán)境污染，降低施工清運(yùn)處理成本。

本文為大直徑鉆孔硬巖鉆進(jìn)技術(shù)提供了一種新的高效高質(zhì)量的鉆孔新方法，文中創(chuàng)新性地提出貫通式氣動(dòng)潛孔錘結(jié)合局部氣舉反循環(huán)排渣組合鉆進(jìn)工藝，為多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)增磚添瓦，對(duì)提高我國(guó)大直徑鉆孔水平具有重要意義。

［1］何龍飛，林堅(jiān)，孫亞軍，王宇清.SH25H型液壓風(fēng)動(dòng)沖擊鉆機(jī)在大口徑硬巖鉆孔灌注樁施工中的試驗(yàn)研究［J］.探礦工程，2010（8）.

［2］金麗娜 .反循環(huán)鉆井合理注氣參數(shù)的研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2008.

［3］夏啟春 .通徑氣舉反循環(huán)在鉆探領(lǐng)域中應(yīng)用的理論研究［J］.鐵路勘測(cè)技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)議論文集，2006.

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