氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)在巖土工程勘察施工中的應(yīng)用

丁曉慶，何龍飛

(中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200063)

快速穿越破碎覆蓋層鉆進(jìn)技術(shù)是國內(nèi)外巖土工程勘察界極為關(guān)注和竭力研究的難題之一。巖土工程地質(zhì)勘探工作中，經(jīng)常遇到深厚卵石、碎石、人工開山石覆蓋層的鉆進(jìn)問題，通常出現(xiàn)鉆進(jìn)效率低，護(hù)壁、取心困難，沖洗液漏失等問題［1］。目前國內(nèi)外的研究很多，但尚未形成一套既經(jīng)濟(jì)又有效的工藝方法。

我公司大多數(shù)項(xiàng)目為海運(yùn)碼頭勘察項(xiàng)目，經(jīng)常碰到松散、堅(jiān)硬、破碎地層。以往普遍采用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、金剛石鉆進(jìn)、劈石器、PDC復(fù)合片鉆進(jìn)等常規(guī)鉆進(jìn)工藝，同時(shí)采用錘擊法下套管。鉆頭斷齒、掉塊現(xiàn)象頻繁發(fā)生，套管跟進(jìn)困難，錘擊套管造成套管變形，套管間聯(lián)接螺紋損壞，無法拆卸，套管無法回收利用。幾乎靠“犧牲設(shè)備，換取緩慢進(jìn)尺”，工作效率低、生產(chǎn)成本過高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

我公司通過應(yīng)用KG940A型高風(fēng)壓履帶式潛孔鉆車，采用氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝，攻克了穿越破碎覆蓋層這一難題，在鉆進(jìn)效率、質(zhì)量與降低勞動(dòng)強(qiáng)度方面取得了顯著的效果。

1 工程概況

本試驗(yàn)依托項(xiàng)目為渤船重工新型總裝生產(chǎn)線工程巖土工程勘察項(xiàng)目，施工地為遼寧省葫蘆島市龍港區(qū)?？辈旆秶饕懹蚝退?個(gè)部分。

1．1 陸域部分

建筑物包括:車間一、車間二、車間三、車間四、車間五、車間六、車間七、生產(chǎn)/生活輔助樓、綜合調(diào)試協(xié)作樓及配套的公用站房、車庫及門衛(wèi)等。

構(gòu)筑物主要包含縱移滑道、橫移區(qū)、室內(nèi)船臺(tái)?？v移滑道2組共8根軌道，長約498 m;橫移區(qū)190 m×223.5 m;室內(nèi)船臺(tái)共4座，其中3座為278 m×33 m，1座為182 m×18 m。

1．2 水域部分

水工構(gòu)筑物護(hù)堤(兼防波堤)總長1423 m，直立式約790 m，斜坡式約633 m。直立式護(hù)堤擬采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)。

2 工程地質(zhì)情況

2．1 自然條件

試驗(yàn)場地位于葫蘆島市龍港區(qū)燈塔山南側(cè)至東側(cè)一帶，已建設(shè)場地地坪設(shè)計(jì)標(biāo)高5.15 m。場地交通便利，地下水位埋深較淺。擬建場地地貌類型屬海岸地貌。

2．2 破碎覆蓋層情況

表面覆蓋層主要為填土:松散狀，由人工開山回填的碎石和粘土組成，夾建筑垃圾等，顆粒骨架直徑為2～500 mm，回填厚度按照海底地形起伏差異較大，回填深度最大約17.2 m?，F(xiàn)場回填情況如圖1。

圖1 已回填場地現(xiàn)狀

3 施工方案

前期施工主要采用XY－1B型鉆機(jī)，采用PDC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)后，錘擊法下入套管，主要存在以下問題:

(1)鉆進(jìn)效率低，時(shí)效最高達(dá)0.5 m;

(2)由于覆蓋層為開山拋石回填，采用泥漿護(hù)壁容易造成泥漿散失，從而導(dǎo)致巖屑無法及時(shí)排出，造成重復(fù)破碎，降低鉆進(jìn)效率的同時(shí)容易引起埋鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故;

(3)由于拋石填土層較為破碎，套管難以下入，錘擊套管容易造成套管結(jié)構(gòu)變形;

(4)常規(guī)復(fù)合片鉆進(jìn)由于地層的不均勻性，易造成孔斜。

本項(xiàng)目特點(diǎn)為:開孔破碎覆蓋層，且厚度較大，最大為17.2 m，XY－1B型鉆機(jī)施工效率太低，無法達(dá)到工期要求，且鉆具損壞嚴(yán)重、勞動(dòng)強(qiáng)度大，孔內(nèi)事故頻發(fā)。影響了勘察項(xiàng)目的進(jìn)度及質(zhì)量。

本次試驗(yàn)應(yīng)用KG940A型高風(fēng)壓履帶式潛孔鉆車，采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)沖擊器工作，沖擊器沖擊鉆頭孔內(nèi)破碎巖石，偏心鉆頭擴(kuò)孔并同時(shí)跟進(jìn)套管，并且利用壓縮空氣正循環(huán)吹渣排出巖屑。大大增加了鉆進(jìn)效率，提高了成孔質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 主要設(shè)備

圖2 KG940A型高風(fēng)壓履帶式潛孔鉆車

圖3 LGCY－22/20型柴油移動(dòng)螺桿空壓機(jī)

5 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

5．1 鉆壓及轉(zhuǎn)速

對(duì)于潛孔錘全面鉆進(jìn)，一般認(rèn)為單位直徑的壓力值在0.3～0.9 kN/cm，本項(xiàng)目采用偏心跟管鉆頭(120～152 mm)，鉆壓范圍應(yīng)為 3.6～13.68 kN。假設(shè)鉆進(jìn)21 m孔深，扣除鉆具總重力(約為1.18～1.56 kN)、鉆具浮力、側(cè)摩阻力，鉆進(jìn)最大鉆壓需約2.0～12.0 kN。

圖4 HD45A型沖擊器

圖5 新型偏心跟管鉆頭

圖6 套管及接箍

轉(zhuǎn)速的高低主要取決與沖擊器的沖擊頻率、規(guī)格大小及所鉆巖石的物理機(jī)械性質(zhì)。由于潛孔錘是以沖擊碎巖為主，回轉(zhuǎn)是為了改變鉆頭切削齒的沖擊破碎位置，避免重復(fù)破碎。因此合理的轉(zhuǎn)速應(yīng)保證在最優(yōu)的沖擊間隔范圍之內(nèi)。理論鉆具轉(zhuǎn)速應(yīng)通過公式(1)來確定。

式中:n——鉆具轉(zhuǎn)速，r/min;A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，(°)，美國水井學(xué)會(huì)康博爾認(rèn)為在硬巖中A=11°;f——沖擊頻率，次/min。

HD45A型沖擊器沖擊頻率為30 Hz，故鉆具轉(zhuǎn)速應(yīng)為76 r/min。

在實(shí)際應(yīng)用過程中遇軟巖適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，硬巖適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，本項(xiàng)目實(shí)際采用轉(zhuǎn)速為100 r/min。

5．2 風(fēng)量及風(fēng)壓

5．2．1 風(fēng)量

潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，送入的壓縮空氣有兩個(gè)作用，其一是提供沖擊器活塞運(yùn)動(dòng)的能量，其二是冷卻鉆頭及攜帶巖屑。鉆孔環(huán)狀空間內(nèi)的上返風(fēng)速必須大于巖屑顆粒的自由懸浮速度［2］。

式中:Q——壓風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量，m3/min;v——上返風(fēng)速，一般取15～25 m/s;D——鉆孔實(shí)際直徑，m;d——鉆桿外徑，m;K1——孔深修正系數(shù)(由于孔深環(huán)狀間隙壓力損失增大，導(dǎo)致流量減少)，一般孔深在100～200 m時(shí)，K1=1.05～1.1，孔深在500 m時(shí)，K1=1.25～1.3;K2——孔內(nèi)有涌水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù)，與涌水量有關(guān)，中、小涌水量時(shí)，K2=1.5。

通過公式(2)計(jì)算得干孔時(shí)，需要風(fēng)量8～14 m3/min;有地下水時(shí)，需風(fēng)量12～21 m3/min。

5．2．2 風(fēng)壓

潛孔錘的沖擊功和沖擊頻率都和空氣壓力有關(guān)，空氣壓力是決定沖擊功的重要因素，因此也是影響機(jī)械鉆速的主要參數(shù)。空氣壓力除滿足潛孔錘工作壓力外，還要克服管道損失、孔內(nèi)壓力降、潛孔錘壓力降、尚需在有水情況下克服水柱壓力。其計(jì)算方法如公式(3)［3］。

式中:P——空氣壓力，MPa;Q2——每米干孔壓力降，取0.0015 MPa/m;P錘——潛孔錘壓力降，MPa;Pm——管道壓力損失，取 0.1 ～0.3 MPa;P水——鉆孔內(nèi)水柱壓力，MPa。

假設(shè)鉆進(jìn)21 m孔深，采用高風(fēng)壓沖擊器則P錘=1.0 ～2.5 MPa，Q2=0.0315 MPa/m，Pm取 0.2 MPa。計(jì)算得出當(dāng)孔內(nèi)有水時(shí)P水=0.21 MPa，P=1.4～2.9 MPa;當(dāng)干孔時(shí)P=1.2～2.7 MPa。

5．3 排渣方式及護(hù)壁

5．3．1 排渣方式

采用壓縮空氣吹孔排渣。壓縮空氣通過鉆頭底面排氣孔直接吹向孔底，冷卻鉆頭，將巖屑沿沖擊器與鉆孔環(huán)狀間隙吹出孔口。由于鉆孔內(nèi)存在地下水，隨鉆孔深度的加深，巖屑的上返速度逐漸降低，排渣效果下降，導(dǎo)致重復(fù)破碎，降低鉆進(jìn)效率，還可能造成埋鉆事故。因此鉆進(jìn)一段時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行吹孔，增強(qiáng)排渣效果。

5．3．2 護(hù)壁

采用偏心跟管鉆進(jìn)下入套管，偏心跟管鉆具系統(tǒng)主要由沖擊器、偏心跟管鉆具、管靴、套管組成。其工作原理為:由空壓機(jī)提供壓縮空氣，經(jīng)鉆機(jī)、鉆桿進(jìn)入潛孔錘使其活塞往復(fù)沖擊導(dǎo)正器，導(dǎo)正器將沖擊能量和鉆壓傳遞給偏心鉆頭和中心鉆頭，對(duì)孔底巖石進(jìn)行破碎;鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，鉆桿和沖擊器聯(lián)接將回轉(zhuǎn)扭矩傳遞給沖擊器，沖擊器通過花鍵帶動(dòng)導(dǎo)正器回轉(zhuǎn)，導(dǎo)正器上有偏心軸，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)偏心鉆頭張開，到達(dá)設(shè)計(jì)位置后被限位，導(dǎo)正器、偏心鉆頭、中心鉆頭同時(shí)回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔。偏心鉆頭鉆出孔徑大于套管的最大外徑，使套管不受巖石阻力跟進(jìn)［4］。

(1)當(dāng)套管重力大于地層對(duì)套管外壁的摩擦阻力時(shí)，套管以自重跟進(jìn);

(2)當(dāng)套管外壁摩擦阻力超過套管重力時(shí)，導(dǎo)正器上臺(tái)階與管靴臺(tái)階接觸，導(dǎo)正器將沖擊器傳來的沖擊能量施加給套管靴，加上鉆壓作用，迫使套管與鉆具同步跟進(jìn)，實(shí)現(xiàn)護(hù)壁。

導(dǎo)正器上有風(fēng)孔及風(fēng)槽，壓縮空氣經(jīng)鉆桿—導(dǎo)正器中心孔—偏心鉆頭—中心鉆頭，冷卻鉆頭并攜帶巖粉經(jīng)過中心鉆頭風(fēng)槽—導(dǎo)正器風(fēng)槽—沖擊器與套管間隙—鉆桿與套管間隙排出孔口。

當(dāng)鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)，鉆具慢速反轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，偏心鉆頭依靠慣性力和摩擦力收回，整套鉆具的外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，可將鉆具上提，導(dǎo)正器側(cè)面設(shè)有風(fēng)孔，此時(shí)風(fēng)孔露出，對(duì)沖擊器與套管間隙以及鉆桿與套管間隙進(jìn)行強(qiáng)吹除渣，避免提鉆具時(shí)卡鉆。

6 鉆進(jìn)成孔

本次試驗(yàn)氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)成孔工藝，鉆進(jìn)開始后新型偏心跟管鉆頭旋翼張開后外徑為152 mm，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)沖擊器活塞沖擊鉆頭，從而對(duì)巖石進(jìn)行先導(dǎo)擴(kuò)孔，同步跟進(jìn)146 mm套管。潛孔錘產(chǎn)生的巨大沖擊能量使巖石破碎充分。鉆進(jìn)鉆頭每顆球齒下的巖石產(chǎn)生體積破碎，尾氣從鉆頭底面排出，攜帶巖屑沿著鉆具與套管環(huán)狀間隙上返，一部分細(xì)小的巖屑直接吹出孔口，顆粒較大的巖屑則沉積在孔底，最終通過反復(fù)吹孔排出孔外。其施工現(xiàn)場見圖7。

圖7 現(xiàn)場施工情況

7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目對(duì)1、2號(hào)鉆孔進(jìn)行實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1。

8 結(jié)語

(1)KG940A型高風(fēng)壓履帶式潛孔鉆車，采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)沖擊器工作，沖擊器沖擊鉆頭孔內(nèi)破碎巖石，偏心鉆頭擴(kuò)孔并同時(shí)跟進(jìn)套管，并且利用壓縮空氣正循環(huán)吹渣排出巖屑。在鉆進(jìn)破碎覆蓋層勘探孔施工中平均鉆進(jìn)效率達(dá)到了46.85 m/h，是常規(guī)XY－1B型鉆機(jī)、PDC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)后采用錘擊法下入套管方法的93.7倍。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)由于采用干孔成孔工藝，避免了沖洗液對(duì)孔壁的沖蝕，減少了塌孔事故。

(3)由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝的“小壓力、慢轉(zhuǎn)速”和空氣正循環(huán)的“孔底加壓、懸垂鉆進(jìn)”特點(diǎn)，使鉆孔的垂直度提高，鉆孔垂直偏差≤1%。

(4)由于采用了新型旋翼式偏心跟管鉆頭，潛孔錘高效碎巖的同時(shí)同步跟進(jìn)套管，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了鉆具損壞的概率。

氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)為破碎覆蓋層鉆進(jìn)提供了一種新的思路，在保證勘探孔質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求的同時(shí)，大幅度提高了生產(chǎn)效率，減少了鉆具損耗，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，必將有廣闊的市場前景。本文是筆者在有限的條件內(nèi)進(jìn)行的初步研究，以期為現(xiàn)場施工及后續(xù)的深入研究提供參考。

［1］ 何龍飛，林堅(jiān)，孫亞軍，等．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(巖土鉆掘工程)，2010，37(8):41 －43，46．

［2］ 趙建勤，李子章，石紹云，等．空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(7):55 －60．

［3］ 博坤．貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)鉆具優(yōu)化及應(yīng)用研究［D］．吉林長春:吉林大學(xué)，2009．

［4］ 吳麗，余江洪，陳禮儀，等．高陡邊坡堆積體錨固鉆孔配套機(jī)具研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(8):15 －17．21．

［5］ 張祖培，殷琨，蔣榮慶，等．巖土鉆掘工程新技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［6］ 易振華，何龍飛．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［J］．巖土工程技術(shù)，2013，27(1):5 －8．

［7］ 劉家榮，王建華，王文斌，等．氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)若干問題［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(5):40 －44．

［8］ 汪彥樞．潛孔錘跟管鉆進(jìn)方法的開發(fā)及應(yīng)用［J］．探礦工程，2003，(S1):201－203．