大直径基岩孔施工难点及解决途径

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1、3 3 0 探矿工程 1 999年增刊 一曰， 编号: 9 9 一 5 4 3 7 大直径基岩孔施工难点及解决途径 蒋荣庆 殷 砚 王茂森 辜华良 杨新辉 搞要针对桥梁基础、 高层建筑基础及水工建筑基础嵌人岩的施工难题进行分析、 讨论， 并提出 解决途径。 要挂词士盲释钻石砰岩孤石( 漂石1 潜孔锤聚能怪破 1 提高硬岩钻进效率是当前大直径钻孔施 工更侍解决的难题 大直径基桩孔特点是钻孔浅、 直径大、 钻孔地层复杂， 施工要求钻孔垂直度高， 灌 注 质盆好， 孔位不能移动。这些特点及要求 给大直径钻孔施工带来一定难度。通常情 况下， 钻孔上部为松散层或软层， 下部为中 风化甚至新鲜基岩; 另一

2、种情况是软层或松 散层中夹大孤石、 漂石。硬岩或大孤石钻进 工作量虽然在钻孔中只占总进尺的10%左 右， 但钻进效率很低， 其钻进时间占总钻进 时间的2 乃 以上。钻进效率低的原因， 不仅 是岩石坚硬致密， 抗压强度大， 可钻性高， 另 外原因是由于孔浅、 孔径大， 使用回转切削 型钻头时， 钻压很难满足要求。当钻压小于 岩石 抗压强度时， 岩石只能在表面产生疲劳 破坏或研磨作用， 故效率很低， 钻头磨损也 快， 甚至不进尺。 解决问题的最佳方案是将静压回转切 削破碎岩石改为动载冲击， 如冲击钻、 潜孔 锤冲击 回转; 或提高磨料磨削工具的质量， 如采用金刚石筒状钻头等。 在软层或强、 中风化

3、基岩中， 一般采用 硬质合金切削钻进， 但有的单位把硬质合金 钻 头当 作万能钻头使用， 甚至在坚硬的微风 化岩层中也采用， 从而使硬质合金刃齿超磨 损， 使进尺几乎等于零， 因此使钻孔成本增 加， 工程质量下降。组合式牙轮或滚刀钻头 钻进是一种多刃组合式破碎工具， 在回转中 交 替地变换碎岩刃齿， 它属于冲击凿碎一 剪 切滑动联合作用， 也是冲击回 转钻进的一种 形式， 而且刃齿处于相对变换状态， 既提高 碎岩效果又可增大钻头使用寿命， 见图1 。 压力 P 图1 牙轮( 或滚刀) 钻头破岩过程及钻速 与压力关系曲线 ( a ) 球齿滚刀; ( b ) 楔齿滚刀; ( c ) 盘形滚刀; (

4、 d)岩石破岩速度与压力的关系曲线 蒋荣庆: 1 男 2 年生， 长春科技大学探矿工程研究所所长， 研究员， 国家级有突出贡献专家， 地矿部劳 动模 范; 1 9 55年毕业于东北工学院。 地址: 13002 6长春市西民主大街6 号。 股混， 王茂森， 辜华良， 杨新辉: 长春科技大学。 1 9 9 9 年增刊 探矿工程3 3 1 牙轮或滚刀钻头破岩效果的关键是钻 压， 也就是钻头上刃齿必须首先压人岩石， 然后才能破碎岩石。刃具压入岩石过程大 致分为 3 个阶段， 如图 1 ( d ) 所示， 第 工阶段 压力较小， 刃具只能压在岩石表面上， 钻头 回转时， 刃具与岩石摩擦， 只能产生表面磨

5、 削， 刃具很快被磨损而且效率也很低; 第II 阶段压力稍增大， 但仍没有超过岩石的强 度， 刃具随钻头回转使岩石产生疲劳破裂， 钻速 较第I 阶 段有所提高; 第班阶 段钻头刃 齿上压 力超过岩石抗压强度时， 刃齿压人岩 石产生崩裂， 钻头回转时， 在刃齿周围产生 剪崩碎块， 压力越大， 刃齿压人岩石深度也 越大， 剪崩碎块就越多， 钻速也越高。但在 硬岩中 钻进浅孔， 钻压很难达到钻头刃齿破 碎岩石的临界值， 实际上牙轮钻头或滚刀钻 头在大直径硬岩钻进中尚未发挥其最佳作 用 。 研究硬岩大直径钻孔钻进技术是工程 施工界竞相研究谋求突破 的难题。F G C - 巧 型大直径湿式反循环闭型气动

6、贯通式潜 孔锤钻具系统是作者在认真分析了大直径 硬岩钻孔的施工 要求和特点的基础上， 结合 我国 施工单位的具体条件和承受能 力而研 制的。 该钻具系 统工作原理见图2 。 空压机输 出的压气经裔压胶管进人三通道气水龙头 的进气口， 通过进气通道驱动潜孔锤工作， 工 作后的 低压 气经排气通道排到地表， 潜孔 锤钻头破碎岩石产生的岩屑由砂石泵抽吸 通过钻杆中心通道， 以反循环方式排到地 表， 挤带岩屑的循环液经沉淀池沉淀， 干净 泥浆再回到孔内。泥浆循环既可护壁， 又可 平衡地层压力， 防止孔壁坍塌。 大直径潜孔锤钻具系统特点: 潜孔锤为 中空结构， 水龙头及钻杆均为三通道， 既可 提高 反循

7、环携带岩 渣能力， 又可避免返回 气 流冲刷孔壁; 液体循环排屑系统与气路系统 篡 圈2 F G C一1 5 型瀚孔祖钻兵系统日 1 一进气口; 2 一离压胶管口-圈钻杆; 4 一 空压机; 5 一导正器; 6 -加重块; 7 一潜孔 睡; 8 -钻头; 9 一水龙头; 1 0 -胶管; 1 1 一排 气孔; 1 2 -排气通道; 1 3 一主动钻杆; 1 4 - 排气通道; 巧一 砂 石泵汪6 一泥浆钳环池 完全分开， 形成闭路系统， 使潜孔锤工作稳 定， 并有效地降低工作风压; 使用低压空压 机又能钻进较深钻孔， 采用泥浆循环既可挑 带大顺粒岩屑， 减少孔底沉渣， 又有利于 判 层和护壁;

8、 潜孔 锤柱齿钻头与花健轴为分体 式， 钻头直径根据工程需要可变范围为 0 6 0 0 -1 2 0 0 m m ; 三通道钻杆均采用法兰 螺 栓结构， 便于卸装。 该钻具系统经安徽淮南、 福建泉州、 福 州、 浙江温州、 广东中山、 珠海等地使用， 共 完 成直径8 0 0 一1 2 0 0 m m荃础桩6 0 0 根， 总 进尺 2 3 3 1 1 . 3 4 m， 其中硬岩进尺 2 7 5 9 . 1 4 m， 最大钻进深度 6 3 ma岩层大多数为花岗 岩， 最大抗压强度达2 0 3 M P a ， 在供风t均 未 达到潜孔锤额定的 条件下， 取得的最高效 率为9 . 4 m / h

9、， 最低效率为0 . 3 m / h , 平均 0 . 8 m / h ， 与同 工地牙轮钻头钻进相比， 效率 提高 1 0 倍. 比冲击反循环提高5 一1 0倍。 该钻具已由上海探矿机械厂投人生产。该 大直径潜孔锤钻具系统及钻进技术的研究 3 3 2 探矿工程 1 9 9 9年增刊 成 功， 使当前硬岩 嵌岩钻进技术取得突破性 进展， 属国内首创， 达到国际先进水平。 此外， 我校在研制F G C一 1 5 型单头大 直径潜孔锤基础上还研制出F C一 3 1 2 型大 直径捆绑式潜孔锤， 又称组合式或集束式潜 孔锤。最近立项正在研究大直径嵌岩桩孔 环状组合式潜孔锤取心设备及其钻进工艺。 潜孔

10、锤钻进大直径硬岩桩基孔国外还采用 “ 梅花块， 钻孔法， 即用小直径潜孔锤在大井 内多次移位， 钻凿多个与大井内切的 小孔， 将整体岩石形成多 孔自由 面， 降低了岩石硬 度， 在此基础上再采用下列方法形成大井: ( 1 ) 在小孔上再扩孔成井; ( 2 ) 用大直径潜孔 锤 修整 孔壁一次成井; ( 3 ) 用牙轮、 滚刀或冲 击 钻头一次成井。图3 是“ 梅花块” 状钻孔 施工方案图， 该方法可根据孔底情况灵活分 布 孔底小孔， 故变化井径的适应能力较强， 且可节省耗风t， 减少空压机一次性投资， 比 较经济， 但该方法需频萦移动孔位及增加 钻孔数盈 和进尺 ， 使施工单位难 以接受 。

11、与孤石发生摩擦， 导致钻杆折断。即使钻孔 穿越岩面， 但 钢筋笼也无法下人而使钻孔报 废。属于该类地层在我国东南沿海一带如 厦门、 汕头、 珠海、 深圳和长江三峡水利枢纽 工程中常遇到的花岗岩球体， 国内外工程界 称之为老大难问题。 针对中小粒径的卵砾石可采用反循环 的方法直接排出， 也可用硬质合金筐兜式钻 头 见图4 ) 捞取。也可用冲抓锥钻头冲击， 既冲 击挤压又冲击捞取。对伽 . 5 m以上 的 孤石、 漂石， 通常可采用“ 填、 钻、 冲、 抓” 相 结合的综合钻进工艺。但在实际使用中成 效很差。作者在广东珠海金山工地曾采用 “ 冲、 爆、 钻” 复合钻进工艺， 钻孔效率达0 . 2

12、mp h ， 是单纯钢丝绳冲击钻进的 1 0 倍， 而且 孔内事故大大 减少。 所谓“ 冲” ， 即采用冲击动 载破碎硬岩具 有的特殊功能， 如冲击反循环 或大直径潜孔 锤反循环法破 碎岩石， 实践证 明冲击动载瞬 间可产生极大 作用力， 对于冲 圈4 位兜式打捞工具 示意圈 圈3 “ 梅花块. 钻孔法施工方案圈 1 一长钻杆浮一钻杆接头; 3 一桩径讨一中 心孔巧一周边孔; 6 一潜孔锤; 7一钻头 魂卜.! 2大直径钻 孔在 孤石、 服 石地 层中钻 进成 孔问题 大直径孔钻 进均质硬岩时， 提高钻进效 率是关键， 而钻孔弯曲度一般均能满足工程 要求。但在大直径卵砾石、 孤石、 漂石地层

13、中施工， 不仅钻进效率低， 且钻头极易沿岩 面滑动产生孔斜。钻孔弯曲后。 施工中钻杆 凿坚硬岩石特 1 -法 兰盘; 2 , 3 一中 心 管; 4 别有效。所谓 一扇 形 板; 5 一 加强 筋; 6 -加 “ 爆 ” ， 即 利 用爆密 筋 ; ， 一 主 筋 板 ; 8 - 扇 形 刀 炸瞬间产生的板 ; 9 一 刀 头 能量来破碎岩石， 其形式又分为“ 打眼爆破 法” 和“ 聚能爆破法” 。工程中采用的“ 打眼 爆破法另 即在大井原位用小直径风动潜孔锤 钻凿小孔， 即能 补充详勘， 探明 岩性及孤石、 漂石分布范围; 如遇孤石、 漂石又可作为装 药爆破的炮眼， 待大岩块炸碎后再用大直径

14、 潜孔锤直接钻进 。钻进工艺过程见图 S o 1 9 9 9年增刊探矿工3 3 3 Q 0. . 6 1，山门JJ件 乞匀 迎卜 5 气 D ( a ) ( b ) ( c ) 圈5 探孔预姗法工艺过程示宜困 ( a ) 预钻探孔并装药; ( b ) 炸碎大孤石、 漂石; ( c ) 用大直径潜孔锤钻进 1 一小钻孔; 2 一松软地层 ; 3 一炸药包:; 4 一大孤石;: 5 -基岩; 6 一姆炸后的大孤 石; 7 一大直径潜孔锤; 8 一潜孔锤钻头 “ 聚能姆破法” 即利用药柱一端的孔穴 来提商局部破坏作用的效应。图6 表示不 同 药柱结构的爆破效果。图6 ( a ) 是药柱端 部为平面，

15、 姆炸产物沿近似垂直于药柱表面 向 四周飞散， 作用于底面上的 仅仅是药柱一 端飞出的姆炸产物， 约等于药柱端面积， 只 能炸出一个很浅的凹坑; 图6 ( b ) 是药柱药A 虽比( a ) 少， 但由于其下端有一锥形穴， 爆破 后在底部炸出 一个较深的N 1 坑; 图6 ( c ) 是药 柱下端锥形孔穴表面嵌装一个金属锥形衬 套( 又称药形翠) ， 这 种药包爆炸后在底部炸 出一个更深的凹坑， 产生聚能效果。 孔锤工作冲击岩心， 再用泵吸反循环将碎岩 心 排出， 这样循环反复钻进成并。 大直径桩基孔在硬岩、 孤石、 漂石中采 用潜孔锤钻进是一种有效方法， 但是随着井 径 增大， 基岩岩性强度

16、的增高， 必然要导致 耗风t加大， 空压机设备增多， 因此， 采用潜 孔锤及聚能姆破相结合的复合式钻进工艺， 既 可提高钻进效率， 又可克服大孤石、 漂石 等 容易导致孔斜的难题， 而且施工工艺简单 安全， 成本低， 是大直径工程井施工的有效 途径。 圈 6 不同药柱结构沮破效.示意圈 1 一雷管; 2 一药包; 3 一破碎穴; 4 一锥形 尿; 5 一金属推形翠; 6 一姆破锥形孔 在“ 聚能姆破阳 基础上， 作者用大直径潜 孔锤冲钻相结合形成岩心， 再从钻杆中下人 炸药包( 砾石弹) ， 炸碎岩心， 然后送风使潜 3 大宜径钻孔硬岩取心钻进问硬 目前国内外在大直径基岩钻进的基本 方法是冲击法钻进含冲抓及冲 击反循环钻 进; 新型潜孔锤冲 击回转钻进; 组合牙轮和 滚刀钻头钻进; 冲、 姆钻相结合综合工艺钻 进。这些方法都是 全端面破碎， 其弊端是要 求钻机设备能力大， 从而导致成本高、 效率 低。为克服上述缺点， 将全面破碎改为环状 取心钻进， 仍是一种较好的施工方案。由于 其破碎面积少， 刃具数目 相应减少， 即可使 钻压减小并可提高 钻进效率。