半合管在粉細(xì)砂層取芯技術(shù)中的應(yīng)用淺析

陳　建（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南長沙410000）

半合管在粉細(xì)砂層取芯技術(shù)中的應(yīng)用淺析

陳建（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南長沙410000）

對沖擊鉆進(jìn)在粉細(xì)砂地層中的應(yīng)用進(jìn)行分析，闡述半合管在原理性試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)中取得的鉆探效果，確保取芯質(zhì)量滿足地質(zhì)分析評價(jià)要求，為類似地層鉆探提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

沖擊鉆進(jìn)；半合管；粉細(xì)砂取芯；爪簧鉆頭

1　概述

20世紀(jì)50年代開始，我院就開展了洞庭湖區(qū)堤防勘探。1998年以前，堤防勘探基本是采用沖擊鉆進(jìn)、敞口式取土器取芯，遇到粉細(xì)砂時(shí)一般采用抽筒抽取，取芯率低，且無法判斷結(jié)構(gòu)層次，取芯質(zhì)量差。1998年長江干堤勘察，我院引進(jìn)北京探礦廠150型回轉(zhuǎn)地質(zhì)鉆機(jī)，采用泥漿護(hù)壁雙管取芯工藝，提高了取芯率、改善了取芯質(zhì)量，但存在對場地要求較高、工作效率低且對孔內(nèi)水文地質(zhì)試驗(yàn)影響很大的問題。2007年以后，我們引進(jìn)了沖擊鉆進(jìn)+水壓退芯工藝方法，有效的提高了取芯質(zhì)量和效率，但當(dāng)遇到粉細(xì)砂層時(shí)，由于粉細(xì)砂結(jié)構(gòu)松散，不能有效形成水壓退芯時(shí)需要的活塞效應(yīng)，常出現(xiàn)芯樣被水壓沖散、結(jié)構(gòu)被破壞的現(xiàn)象，無法進(jìn)行地質(zhì)分析。

針對這種情況，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和摸索改進(jìn)，沖擊鉆進(jìn)+半合管工藝能很好地解決粉細(xì)砂層取芯問題。本文結(jié)合生產(chǎn)試驗(yàn)，對沖擊鉆進(jìn)+半合管工藝解決粉細(xì)砂層取芯質(zhì)量難題進(jìn)行簡要分析。

2　半合管設(shè)計(jì)

所謂半合管，就是將傳統(tǒng)的單管鉆具取芯器切割成兩個(gè)半圓管，鉆進(jìn)時(shí)拼合為密閉的圓形管，取芯時(shí)拆開成兩個(gè)半圓管，確保芯樣在從取芯器中取出時(shí)不被破壞。具體設(shè)計(jì)思路如下：

（1）選用與現(xiàn)有鉆機(jī)配套使用的φ108mm和φ127mm兩種規(guī)格的地質(zhì)管材，加工成強(qiáng)度符合要求、裝配方便的半合管；

（2）考慮到粉細(xì)砂層松散的特性，為減少提升時(shí)掉芯的可能性和對進(jìn)入半合管芯樣的擾動，將原來的普通沖擊鉆頭改造成為符合要求的爪簧式取樣鉆頭；

（3）取樣器與鉆頭、蓋頭的連接先采用現(xiàn)有的接頭進(jìn)行連接，在試驗(yàn)過程中再考慮進(jìn)行改進(jìn)。

工作原理和過程如圖1。

圖1

根據(jù)地層的變化，土體的組成、結(jié)構(gòu)、性狀及受力條件等也有很大的區(qū)別，半合管受力強(qiáng)度跟半合管的直徑、管材壁厚、長度有著密切的關(guān)系。短管的強(qiáng)度比長管的強(qiáng)度要大，但尺寸太短會影響工作效率，尺寸太長半合管容易產(chǎn)生變形破壞，因此必須合理選擇半合管直徑、管材壁厚、長度等參數(shù)。

根據(jù)粉細(xì)砂的松散特性，我們采用爪簧對進(jìn)入鉆頭內(nèi)和半合管內(nèi)的巖土體進(jìn)行攔阻以防止脫落、減少擾動，因此必須合理選擇爪簧的材質(zhì)、爪簧片厚度、數(shù)量等參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)有的器材，半合管與鉆頭、蓋頭的連接先采用套管接頭進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)包含：蓋頭、上接頭、半合管、下接頭、普通沖擊鉆頭。

經(jīng)過討論，初步設(shè)計(jì)制作了φ108mm和φ127mm等，長度分別為1.0m和2.0m的半合管。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)對比見表1。

3　試驗(yàn)及成果

現(xiàn)場試驗(yàn)分原理性試驗(yàn)和生產(chǎn)性試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)康闹饕枰私夂徒鉀Q以下幾個(gè)問題：

（1）通過試驗(yàn)了解所取芯樣的完整性，確定是否能滿足地質(zhì)素描的要求；

（2）了解鉆頭爪簧片的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定不同土層對彈片的片數(shù)和材料硬度的要求；

（3）通過現(xiàn)場對所取芯樣的觀察，定性了解對樣品的擾動程度；

（4）了解半合管的材質(zhì)、長度對強(qiáng)度的影響以及對不同土層的適應(yīng)性；

表1　主要設(shè)計(jì)參數(shù)對比

圖2

圖3　半合管取芯

（5）解決半合管取樣器的裝配和分拆工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高裝拆效率。

在洞庭湖重點(diǎn)垸采用不同長度和不同直徑的取樣器對不同地層進(jìn)行了原理性試驗(yàn)，證明在粉細(xì)砂層能夠采用半合管取樣器取得芯樣。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了以下幾個(gè)問題：

（1）使用長度為2m的半合管，當(dāng)土層較緊密時(shí)，出現(xiàn)半合管易變形導(dǎo)致?lián)伍_而取芯率降低甚至無法取樣的情況；

（2）在結(jié)構(gòu)較松散和富水的粉細(xì)砂層取樣時(shí)容易出現(xiàn)掉芯現(xiàn)象，采用現(xiàn)有的全斷面爪簧后能夠解決掉芯問題，但爪簧片對進(jìn)入半合管的芯樣存在明顯擾動現(xiàn)象；

（3）本次試制的半合管為直線剖開，在進(jìn)行裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)半合管連接端容易滑動導(dǎo)致連接困難，影響取樣器裝配效率。

根據(jù)原理性階段的試驗(yàn)成果我們對半合管取樣器進(jìn)行了以下改進(jìn)：

為增大半合管強(qiáng)度，選用的地質(zhì)管材材質(zhì)從DZ40改為DZ50；

為減少爪簧對芯樣的擾動，爪簧從試制的全斷面式改為三片式，爪簧材料選用韌度高的錳鋼片；

為解決半合管裝配時(shí)不好定位影響取樣器裝配效率的問題，在半合管剖開線上設(shè)計(jì)了半圓形定位卡。

最終選用直徑為φ108mm和φ127mm、長度為1.0m、1.5m的試驗(yàn)型半合管取樣器，其結(jié)構(gòu)為：蓋頭、上接頭、半合管（帶定位卡）、下接頭、改進(jìn)型爪簧沖擊鉆頭。試驗(yàn)現(xiàn)場，取出了完整的圓柱狀芯樣，完全能滿足地質(zhì)素描與分層的要求。

原理性試驗(yàn)結(jié)束后對半合管進(jìn)行改進(jìn)，并選擇望城爛泥湖垸喬口閘附近進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)。經(jīng)過兩個(gè)階段的試驗(yàn)，取得了如下成果：

（1）試驗(yàn)了半合管取芯工藝技術(shù)的可靠性。

試驗(yàn)證明在沖擊鉆進(jìn)中，可以使用半合管取芯器在粉細(xì)砂層取出完整圓柱狀芯樣，能夠滿足地質(zhì)分析要求。

（2）確定了取芯器的結(jié)構(gòu)型式和尺寸。

粉細(xì)砂層取樣器的結(jié)構(gòu)確定為蓋頭（內(nèi)絲）、半合管（帶定位卡）、鉆頭（改進(jìn)型爪簧式、內(nèi)絲）；直徑確定為φ108mm和φ127mm兩種（需取土樣時(shí)用φ108mm型）；半合管長度確定為1m和1.5m兩種規(guī)格（采用加大半圓定位卡）；鉆頭確定為內(nèi)絲帶鍵槽沖擊鉆頭，配合采用自行加工的三片式錳鋼片爪簧；蓋頭確定為自行加工的內(nèi)絲蓋頭。

（3）通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一些可以改進(jìn)的地方。

可根據(jù)不同性狀的粉細(xì)砂選用不同片數(shù)、不同硬度的爪簧片鉆頭；半合管取樣器的連接方式可以進(jìn)一步改進(jìn)，提高裝配效率；半合管取樣器取出的芯樣存在一定的壓密和擾動，但缺乏定量數(shù)據(jù)，有待進(jìn)一步研究確定。

4　結(jié)語

粉細(xì)砂層鉆探取芯是多年來困擾堤防勘探的難點(diǎn)問題。在粉細(xì)砂層鉆探中，基本目標(biāo)是要取出完整的原狀芯樣，在取出原狀樣的基礎(chǔ)上，還要滿足現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗(yàn)要求，為了解決這個(gè)問題，勘察專業(yè)經(jīng)過長久的努力，已經(jīng)取得了一定成效，但目前在實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又高質(zhì)量的取芯方面，還存在一定的技術(shù)難度。利用半合管取芯，結(jié)合爪簧片鉆頭設(shè)計(jì)，基本解決了粉細(xì)砂層取芯的工藝難題，為地質(zhì)素描和詳細(xì)分析提供了良好的條件，為提高勘察成果質(zhì)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)試驗(yàn)及成果分析，半合管取芯目前主要存在以下三個(gè)方面的問題：

（1）現(xiàn)場只進(jìn)行了單機(jī)單孔試驗(yàn)，采用半合管取樣工藝技術(shù)可以取到擾動較小的粉細(xì)砂原狀芯樣。但沒有進(jìn)行與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆探質(zhì)量和效率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比試驗(yàn)。

（2）未進(jìn)行半合管取樣器用于其他軟土層鉆進(jìn)取樣的對比試驗(yàn)，缺乏不同類型軟土層取芯效果的對比分析。

（3）使用爪簧鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，對于粉細(xì)砂的擾動情況，僅根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)肉眼觀察得出“擾動較小”的定性結(jié)論，缺乏定量評價(jià)數(shù)據(jù)。

下階段，我們將結(jié)合生產(chǎn)收集更多數(shù)據(jù)，以便更好的改進(jìn)半合管加工設(shè)計(jì)，同時(shí)與有關(guān)科研院所合作開展半合管取樣器對粉細(xì)砂層擾動影響的定量評價(jià)，進(jìn)一步研究對不同性狀土層的鉆探取芯工藝，在不同的軟土層中開展取芯和試驗(yàn)。

TU753

A

2095-2066（2016）31-0090-02

2016-10-13

陳 建（1968-），男，助理工程師，大專，主要從事地質(zhì)勘探工作。