大直徑硬質(zhì)基巖井鉆進(jìn)7

大直徑硬質(zhì)基巖井鉆進(jìn)一、大直徑井的界定標(biāo)準(zhǔn)

大直徑井：鉆孔直徑φ≥800mm；中等直徑井：鉆孔直徑φ=250～800mm；小直徑井：鉆孔直徑φ≤250mm。

二、大直徑基巖井的應(yīng)用

橋梁、水工建筑、高層建筑基礎(chǔ)、礦山通風(fēng)井、國防工程用的地下核試驗(yàn)井、導(dǎo)彈發(fā)射井、雷達(dá)天線井、自來水工程的集水井、環(huán)境保護(hù)污水處理井等等。云南國土資源職業(yè)學(xué)院三、工程實(shí)例我國于1954年在修建武漢長江大橋時(shí)，曾采用鋼粒鉆進(jìn)口徑為φ2.5m的橋梁樁。到1960年前后，該項(xiàng)技術(shù)用于水利工程地質(zhì)勘探井、工程質(zhì)量檢查井，后來由于國防需要，施工了深達(dá)數(shù)百米，井徑為φ2.5～4m的地下核試驗(yàn)井。我國煤炭系統(tǒng)特殊鉆鑿工程公司曾采用鉆井法施工井徑φ9.3m、井深476m及井徑φ9.0m、井深508.2m的大直徑井，曾榮獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和煤炭部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。云南國土資源職業(yè)學(xué)院四、機(jī)械化鉆進(jìn)施工大直徑井的優(yōu)越性

與用人工鑿巖挖井相比，具有無井下作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度輕、效率高、成本低、生產(chǎn)安全等優(yōu)點(diǎn)。五、大直徑井施工存在的問題

大直徑井在工程上的啟用，還是近些年，其范疇為井徑在0.5～5m之間，井深在百米范圍之內(nèi)，多用于橋梁基礎(chǔ)、高層建筑基礎(chǔ)、抗滑樁以及水工建筑的基礎(chǔ)。而且要求越來越高，將原來的摩擦樁改為端承樁，這樣就遇到了鉆入基巖的問題。

云南國土資源職業(yè)學(xué)院六、大直徑基巖井鉆進(jìn)特點(diǎn)

井的直徑大又較淺：鉆壓很難滿足要求；

鉆井穿越地層復(fù)雜：軟層要解決護(hù)壁問題，基巖要解決提高鉆進(jìn)效率問題；

鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖屑多：所選鉆進(jìn)方法應(yīng)有利排粉；

鉆進(jìn)的阻力大：隨井徑的增大，扭矩成級(jí)數(shù)增加，所以配備的鉆井設(shè)備龐大，功率消耗也大；

施工機(jī)具和輔助設(shè)施增大：引起設(shè)備及臺(tái)班費(fèi)用的增加。云南國土資源職業(yè)學(xué)院七、大直徑基巖井碎巖方法分類

全斷面破碎鉆進(jìn)：即將孔底巖石全斷面破碎；

半無巖心鉆進(jìn)：即指巖心直徑相對(duì)于孔徑而言所占的比例較小，換句話說是大直徑鉆孔采取小直徑巖心。鉆頭內(nèi)徑與外徑比值為1:5；

環(huán)狀取心鉆進(jìn)：由于破碎巖石面積減少，鉆壓和扭矩可減小，所以總功率相對(duì)較小，因而鉆進(jìn)效率高。大直徑井環(huán)狀鉆進(jìn)取心難點(diǎn)是在中硬以上硬巖中折斷巖心和提取巖心。

云南國土資源職業(yè)學(xué)院八、大直徑基巖井一般的施工方法

挖掘法成孔：只能用于淺孔、干孔及孔壁較穩(wěn)定的地層；

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)：適于鉆進(jìn)表土層、淤泥層、砂土層、風(fēng)化基巖層等；

鋼粒鉆進(jìn)：適于鉆進(jìn)堅(jiān)硬或研磨性強(qiáng)的巖石；

組合牙輪及滾刀鉆進(jìn)：在大直徑基巖中鉆進(jìn)常用；

潛孔錘鉆進(jìn)：適于鉆進(jìn)硬而破碎的基巖。云南國土資源職業(yè)學(xué)院八、大直徑基巖井一般的施工方法

1、挖掘法成孔

挖孔樁的孔徑為0.8－3.0m，而且只能用于淺孔和干孔及孔壁較穩(wěn)定的地層。傳統(tǒng)的鑿井法——即工人下入井內(nèi)進(jìn)行鑿巖、爆破(挖掘)、通風(fēng)、排水、出渣、支護(hù)等工序的施工方法。目前的人工挖孔樁是沿用了上列這套工序，不過機(jī)具、設(shè)備更簡(jiǎn)單，主要以人工為主。云南國土資源職業(yè)學(xué)院2、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)

適于鉆進(jìn)表土層、淤泥層、砂土層、砂礫、小顆粒卵礫石以及風(fēng)化基巖層等。其鉆頭類型為翼狀。鉆頭結(jié)構(gòu)形式根據(jù)不同地層、不同循環(huán)方式有不同要求。在砂土、粘土層中正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)：除籠式鉆頭外，還應(yīng)廣泛使多階梯小翼片鉆頭；

在粘土層中進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)：由于鉆頭容易糊鉆，要求鉆頭翼板數(shù)量少；螺旋形矮翼板切削角??；翼板底邊上的齒板間距大，呈梳齒狀，切削具出刃大；鉆頭的結(jié)構(gòu)見圖7—1。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院

在砂礫、卵礫石層反循環(huán)鉆進(jìn)：由于大于吸渣口尺寸的卵礫石既難以破碎，又不能排出，給鉆進(jìn)造成障礙。為此，要求鉆頭結(jié)構(gòu)應(yīng)具有儲(chǔ)渣筒，呈筐兜狀，卵礫巖屑一但進(jìn)入兜筐內(nèi)隨鉆頭一并提出孔外；另外，鉆頭應(yīng)設(shè)置垂直、細(xì)長的鋼齒，便于插入砂礫卵層，回轉(zhuǎn)時(shí)能有效地疏松地層，兼有排、裝、擠的功能。鉆頭結(jié)構(gòu)如圖7－2所示。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院

在硬質(zhì)基巖中鉆進(jìn)：采用傳統(tǒng)的大翼狀鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，其效率極低，甚至不進(jìn)尺。所以，不能把翼狀鉆頭當(dāng)作“萬能”鉆頭使用，應(yīng)設(shè)法提高硬質(zhì)合金鑲齒質(zhì)量。國外大直徑翼狀鉆頭在切削具上提高了硬質(zhì)基巖中的鉆進(jìn)性能，如鉆頭采用大扭矩抗沖擊切削齒，能夠鉆進(jìn)固結(jié)砂礫、巨礫卵石、基巖及鋼筋混凝土等，并且使用壽命長。此外，人工合成超硬材料在工程施工中的應(yīng)用，也為翼狀鉆頭有效鉆進(jìn)硬質(zhì)基巖創(chuàng)造了條件。如圖7－3所示的鉆頭是鑲金剛石復(fù)合片的翼狀鉆頭，通過合理布置和安裝復(fù)合片，能夠提高鉆頭的抗沖擊性，即使不加大鉆頭壓力，也能夠有效地鉆進(jìn)中硬和硬巖層。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院

3、鋼粒鉆進(jìn)

設(shè)計(jì)的鋼粒鉆頭應(yīng)有利于壓砂及帶動(dòng)鋼粒滾動(dòng)，能順利地流通沖洗液，有利于導(dǎo)砂和補(bǔ)砂作用。鉆頭體材質(zhì)應(yīng)具有耐磨、壽命長和具有穩(wěn)定性、導(dǎo)正性，成孔質(zhì)量高等特點(diǎn)。顯然，影響上述性能的主要因素是鉆頭體的材質(zhì)、鉆頭磨盤材質(zhì)、底面結(jié)構(gòu)，水口形狀尺寸，鉆頭體高度等。合理選擇鋼粒的材質(zhì)及規(guī)格是鋼?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)中另一主要問題。大直徑硬質(zhì)基巖井由于孔徑大，鉆屑多，沖洗液量大，鋼粒的粒度必須大于常規(guī)地質(zhì)勘探用的鋼粒，否則易被沖洗液攜帶出孔口而不起作用；而且粒度大，磨盤單位面積下的顆粒數(shù)減少，每顆鉆粒隨著所受的壓力增大，有利于破碎巖石，達(dá)到體積破碎。鉆頭結(jié)構(gòu)如圖7－4所示。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院

4、組合牙輪及滾刀鉆進(jìn)

牙輪及滾刀鉆進(jìn)是目前廣泛用于大直徑硬質(zhì)基巖的鉆進(jìn)方法。組合式牙輪及滾刀鉆頭，是一種多刃組合式碎巖工具，它以軸承裝在自身的回轉(zhuǎn)軸及其支座上。工作時(shí)，既繞鉆頭中心軸線回轉(zhuǎn)(公轉(zhuǎn))，又繞其自身的心軸回轉(zhuǎn)(自轉(zhuǎn))。在回轉(zhuǎn)過程中，交替地變換碎巖刃齒。碎巖工具牙輪和滾刀為獨(dú)立克取碎巖的部件，單獨(dú)安裝在鉆頭上，也就是將單個(gè)滾刀或牙輪(掌)按一定水力學(xué)原理排列、組裝在鉆頭體上，其碎巖機(jī)理仍然是牙輪和滾刀鉆頭的破碎機(jī)理，屬于沖擊鑿碎一剪切滑動(dòng)，既具有沖擊碎巖作用，又有回轉(zhuǎn)剪切碎巖作用。正由于牙輪及滾刀鉆頭是基于沖擊剪切碎巖，因此，它能在相對(duì)較小的單位鉆壓下破碎較硬巖石。云南國土資源職業(yè)學(xué)院

牙輪和滾刀兩者的區(qū)別

牙輪：呈全錐形，由于其心軸一端不外露，故均采用支點(diǎn)懸臂支承結(jié)構(gòu)。

滾刀：呈截錐形，心軸兩端外露，故采用雙支點(diǎn)鞍式支承結(jié)構(gòu)。云南國土資源職業(yè)學(xué)院

鉆頭類型及適用范圍在實(shí)際應(yīng)用中，用于大直徑硬巖鉆進(jìn)的牙輪鉆頭和滾刀鉆頭，可根據(jù)具體施工情況選用不同結(jié)構(gòu)型式和切削齒形。平底型牙輪鉆頭：適用于均質(zhì)基巖地層鉆進(jìn)；

階梯型牙輪鉆頭：適用于易斜地層；

鑲齒型滾刀鉆頭：適用于硬巖；

鋼齒或焊齒滾刀鉆頭：適用于中硬地層及較軟地層。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院

九、卵、礫石、弧石、漂石地層的鉆進(jìn)

1、地層特征卵、礫石地層一般出現(xiàn)在峽谷出口處或河床地帶，粒徑從幾厘米到30－50厘米；孤石漂石地層可隨機(jī)分布于淤泥質(zhì)粘土、流砂等軟層中，一般巖性堅(jiān)硬致密、表面光滑，可鉆性達(dá)9－12級(jí)，單個(gè)粒徑由50－700cm不等，是目前大直徑鉆孔施工中一大難題。

2、成孔難點(diǎn)卵礫石地層不膠結(jié)，破碎、排屑、護(hù)孔都較困難；孤石漂石表面光滑，自頭導(dǎo)正作用差，孔斜嚴(yán)重超差；孔內(nèi)鉆具與巖石摩擦，導(dǎo)致鉆桿折斷和掉鉆頭事故。如圖9和圖10所示。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院3、鉆進(jìn)方法

粒徑小于Φ10－50毫米：一般可用氣舉、泵吸全孔反循環(huán)直接排出孔外；也可用沖擊擠密式鉆頭擠往孔壁或用貫通式反循環(huán)連續(xù)取心法排出孔外；

粒徑在Φ100－200毫米：可用硬質(zhì)合金筐兜式鉆頭直接撈出，鉆頭形式見圖7－2，可用沖擊擠密或用貫通式反循環(huán)連續(xù)取心方法成孔；

粒徑在Φ300－400毫米：可用沖抓斗抓取，如圖7－11所示，也可用大沖擊鉆頭直接沖擊由密成孔。

云南國土資源職業(yè)學(xué)院沖抓成孔：是沖擊成孔方法的發(fā)展。它利用了沖擊鉆進(jìn)和抽筒撈渣的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的不足。沖抓錐是沖抓成孔的主要鉆具。它是利用自身質(zhì)量，以一定速度落下沖擊破碎孔底巖石，并由其錐瓣直接抓取巖石，形成各類工程孔。根據(jù)施工地層情況，可以采用干孔裸眼成孔、泥漿護(hù)壁成孔、全套管護(hù)壁成孔等無循環(huán)施工技術(shù)。對(duì)環(huán)境無污染，施工技術(shù)簡(jiǎn)單，而且用途廣泛，結(jié)構(gòu)多樣。有的適用于成孔，有的適用于成槽(即地下連續(xù)墻成槽機(jī))。沖抓錐按孔底抓巖閉合錐瓣的方式不同，又可分為機(jī)械式和液壓式?jīng)_抓錐。機(jī)械式?jīng)_抓錐又包括單繩和雙繩沖抓錐。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院

探孔預(yù)爆法：即在大井原位，用小直徑風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆鑿小孔，既是補(bǔ)充詳勘，探明巖性及孤石、漂石分布情況(如遇到大孤石、漂石)又可作為裝藥爆破的炮眼。待大巖塊炸碎后、再用大直徑潛孔錘直接鉆進(jìn)。鉆進(jìn)工藝過程見圖7－12所示。

探孔預(yù)爆法是在原巖中進(jìn)行預(yù)爆，裝藥量可大一些，爆破效果會(huì)更好，也不需顧忌孔壁的坍塌問題，此法在長江三峽水利樞紐工程一期圍堰防滲墻施工中，共爆破62個(gè)孔，取得了十分理想的效果。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院筒狀鉆頭進(jìn)行環(huán)槽破碎巖石+爆破+反循環(huán)排渣：用筒狀鉆頭鉆進(jìn)，形成巖心，再從鉆桿中下入炸藥包炸碎炸裂巖心，再送風(fēng)使?jié)摽族N工作，由筒狀鉆頭頂部沖碎巖心，再用泵吸反循環(huán)排屑。這樣反復(fù)鉆進(jìn)成孔，鉆進(jìn)工藝見圖7－13。爆破方法有打眼爆破及聚能爆破兩種。打眼爆破法：即在鉆孔鉆進(jìn)遇到大孤石、漂石時(shí)，再在巖塊上鉆一個(gè)或多個(gè)小孔，在小孔內(nèi)裝藥爆破。這種方法對(duì)比探孔預(yù)爆法雖可節(jié)省鉆進(jìn)工作量，但是在大孔內(nèi)鉆小孔必須先下小套管，同樣會(huì)產(chǎn)生鉆具偏斜，難于固定套管等問題。在實(shí)踐中曾采用小口徑金剛石鉆頭鉆進(jìn)，由于無法提高轉(zhuǎn)速，結(jié)果不僅效率低，鉆頭壽命短，成本很高，而且實(shí)現(xiàn)上述鉆小孔時(shí)，必須將孔中大直徑潛孔錘鉆具提出，增加了輔助時(shí)間。云南國土資源職業(yè)學(xué)院云南國土資源職業(yè)學(xué)院聚能爆破法：利用藥包(柱)一端的孔穴來提高炸藥的爆破破壞作用效應(yīng)，稱為聚能爆破。影響聚能爆破的威力，與下列因素有關(guān)：①炸藥性能；②藥包(柱)下端型罩的材料、形狀、錐角、壁厚等；③炸高；④藥包(柱)的殼體及幾何形狀。圖7一14a是藥包柱端部不帶錐形孔穴的罩，爆炸產(chǎn)物沿近似垂直于藥柱表面向四周飛散，作用于底面上的僅僅是從藥柱一端飛散出的爆炸物，約等于藥柱端面面積，所以，在底端只炸出一個(gè)很淺的凹坑。圖7一14b藥包(柱)藥量雖然比a藥包少，但由于在下端有一錐形孔，爆炸后在底部炸出一個(gè)較深凹坑；圖7—14c是藥包柱下端錐形