含巨大孤石地層成孔方法

含巨大孤石地層成孔方法

隨著經(jīng)濟發(fā)展的快速發(fā)展，高層建筑、重點車間、港口碼頭、道路、鐵路、橋梁、水庫基地、大門等企業(yè)發(fā)展迅速。這些工程都要求施工大直徑鉆孔灌注樁。施工中常常會遇到隨機分布于軟層中的未風化的巨大孤石,由于形狀大小各異、厚度不一,抗壓強度較高,過去一度成為鉆進該類地層的一大難題。近年來,針對不同地區(qū)、不同地層特點,開發(fā)出了許多種施工技術、方法,并在工程實踐中獲得成功,滿足了不同的施工要求。目前常用于突破巨大孤石的方法有:開挖法、沖擊鉆進法、回轉鉆進法、大直徑潛孔錘泵吸反循環(huán)鉆進、爆破法和復合鉆進工藝。1分層排水施工開挖法即在鉆進過程中,遇到大孤石時,下護筒,在含水層地區(qū)還須進行抽水,采用人工的方法或挖掘機械挖去巨石。開挖法具有如下特點:(1)施工簡單,易操作等優(yōu)點;(2)開挖孔法不適宜于孤石埋深較深或涌水量大的地層。2沖擊鉆孔2.1拉伸沖擊戰(zhàn)鋼絲繩沖擊鉆進的基本原理是借助一定重量的鉆頭,在一定的高度內周期地沖擊孔底,使巖石破碎而獲得進尺。在每次沖擊之后,鉆頭在鋼絲繩的帶動下,轉動一定的角度,從而使鉆孔得到規(guī)則的圓形斷面。沖擊動載在理論和實踐上都表現(xiàn)出它有利于破碎堅硬巖石,特別是沖擊巨大孤石可實現(xiàn)反復沖擊,修整孔壁,減小孔斜。鋼絲繩沖擊鉆進具有如下特點:(1)設備與工藝簡單、操作維護方便及成本低;(2)對于特別堅硬光滑的巨石,沖擊鉆頭易發(fā)生沖裂或沖斷,鉆頭壽命低,回次進尺小,嚴重時鋼絲繩被震斷,發(fā)生孔內事故;(3)由于鉆頭在鉆孔反復沖擊時產生震動,易造成孔壁不穩(wěn)定。2.2地表沖洗液循環(huán)所謂沖擊反循環(huán)鉆進,即在鋼絲繩沖擊鉆進系統(tǒng)之外加一組反循環(huán)設備和排碴管線,在沖擊鉆頭沖擊碎巖的同時,利用反循環(huán)設備在鉆孔內形成沖洗液反向連續(xù)循環(huán),鉆頭破碎下來的巖屑隨同沖洗液沿下入孔內的排碴管上升到地表。沖擊反循環(huán)鉆進具有如下特點:(1)設備簡單、重量輕,便于維修、安裝和搬遷;(2)鉆進效率高。由于采用反循環(huán),能及時排除孔內巖粉,孔內清潔,減少了重復破碎,提高了鉆進效率;(3)時間利用率高。采用反循環(huán)鉆進,鉆進和排粉同時進行,增加了鉆進時間。2.3沖擊破碎巖底巖石沖抓錐鉆進鉆進過程分為兩個階段,即沖擊階段和排碴階段。沖擊階段沖抓錐在自重作用下沖擊破碎孔底巖石;排碴階段張開的葉片插入孔底地層,提升時沖抓錐葉片合攏,抓取孔底巖塊,在自動卸掛器的作用下,沖抓錐提出孔外后葉片自動張開,將巖石排出孔外。沖抓錐鉆進特點:具有成孔速度快、投資少、操作簡單、搬遷拆卸方便等特點。3返回并孔3.1顆粒壓裂碎巖和脈動沖擊碎巖鋼粒鉆進是19世紀后期開始應用于鉆探工作。這種鉆探方法主要用于鉆進中等硬度以上的堅硬巖層。當常規(guī)鉆進遇到孤石時,下入筒狀大直徑鋼粒鉆頭進行鋼粒取芯鉆進。大直徑鋼粒取芯鉆頭和小直徑鋼粒取芯鉆頭差不多,但鉆頭直徑大,將鉆頭與巖芯管焊接在一起。鋼粒鉆進的碎巖方式有三種,即壓碎碎巖、壓裂碎巖和脈動沖擊碎巖。當鋼粒轉到以較小的面積與孔底巖石接觸,或鉆頭給予鋼粒的軸向壓力比較集中而致使鋼粒與巖石的接觸面上的壓強達到巖石的壓入硬度時,則在接觸的地方,發(fā)生壓碎式碎巖情況。此時鋼粒壓入巖石,巖石呈體積破碎方式破裂,同時鋼粒的觸點也受到一定的損傷;壓裂碎巖是由鋼粒的碾壓作用而產生的疲勞碎巖方式?？椎椎匿摿Ｔ阢@頭軸向壓力Py作用下,由于鉆頭唇面的彈塑性變形和磨擦力,而以Px水平力推動鋼粒作滾轉運動。鋼粒受一定的壓力壓于孔底巖石,鋼粒在滾動過程中將巖石撕成許多裂紋。脈動沖擊碎巖是指鋼粒鉆頭在鉆桿柱傳來的軸向壓力作用下壓在孔底鋼粒層上,作回轉運動。一方面,在回轉鉆進時,鉆桿本身產生縱向、橫向和扭轉振動,由于鋼粒形狀和大小不均,孔底巖石面不平等原因,鉆具會產生強烈的彈性脈動沖擊并作用于鋼粒上面;另一方面,在碎巖石過程中,鋼粒每次體積破碎也會產生激振。大直徑鋼粒鉆頭取芯鉆進具有如下特點:(1)鉆進效率高,成孔周期短。取芯鉆頭克服了全面鉆進鉆頭存在的鉆頭中芯與鉆頭外緣圓周速度的極大差異,因而能夠保持較高的穩(wěn)定的效率。實踐證明,一般2.0m左右的巨大孤石,1d能夠順利取出,厚3m的孤石,也只2～3d就能鉆穿取出。(2)樁孔垂直度好,鋼粒取芯鉆進使用的筒狀鉆頭較長,導正性好,不易偏斜,具有十分有效的糾斜能力。(3)孔內事故少,材料成本低。(4)鉆進時部分鋼粒在鉆頭唇面下破碎孔底巖石,而另一部分鉆粒被擠在內、外間隙中,研磨巖芯,使巖芯直徑小于鋼粒鉆頭內徑,從而大大減少了巖芯堵塞事故。(5)由于鋼粒不固定在鉆頭上,鋼粒鉆進不能鉆進大裂隙、空洞或涌水量大的地層。在這些地層中,鋼粒會漏失或被沖走,不能保證鉆頭唇面下有足夠的鋼粒來破碎巖石。(6)由于鋼粒不固定在鉆頭上,造成鉆進工藝比較復雜。特別是對沖洗液的調節(jié)和掌握,必須適應孔底分布及分選要求,且需隨著孔底情況的變化而改變。3.2沖擊加剪切作用機理牙輪鉆頭的碎巖機理,牙輪對巖石的破碎作用方式有三種:即壓碎、沖擊和剪切。壓碎是牙輪在鉆壓作用下對巖石的靜壓力壓碎作用,壓碎的作用效果主要取決于鉆壓的大小和巖石硬度;沖擊是由于牙輪滾動不同輪齒交替作用于巖石而使牙輪軸心上下振動,從而對巖石產生沖擊,沖擊力大小與牙輪直徑、齒數(shù)、轉速和鉆壓有關,它與齒數(shù)成反比,與轉速、直徑、鉆壓成正比;剪切是由于牙輪在巖石上滾動的同時,輪齒還有一定的滑移,從而對巖石進行剪切破碎,剪切作用則取決于牙輪的回轉半徑和主錐角,由于牙輪的主錐角是一定的,鉆頭上有一個純滾動帶,離純滾動帶的距離愈遠牙輪的滑移愈大,滑移速度愈快,剪切作用愈強。同一鉆頭上回轉半徑不同,牙輪的破巖效果也不同,由巖石破碎機理可知,鉆進軟巖時剪切碎巖效率高;鉆進中硬巖石時以沖擊加剪切的方式破碎巖石效果好;而鉆進較硬巖石時,則應以沖擊破碎巖石為主。牙輪鉆進的特點:牙輪鉆進能適應中硬、堅硬地層的鉆進,牙輪鉆進的碎巖方式?jīng)Q定了它不可具有太高的鉆進效率,同時與刮刀相比,具有與井底接觸面積小,比壓高、工作扭矩小,工作刃長總長度大等優(yōu)點。4沖擊地表的沖刷、回填孔口的機構所謂大直徑潛孔錘泵吸反循環(huán)鉆進是指在硬質合金球齒鉆頭和鉆桿之間加上潛孔錘,潛孔錘由地表空壓機供給的高壓氣體驅動工作。鉆頭在受到潛孔錘傳給的沖擊和地表鉆機回轉器經(jīng)鉆桿傳來的扭矩的作用下對巖石進行沖擊、回轉破碎巖石,沖洗液經(jīng)鉆桿排出孔外,泵的吸水口通過吸水管水龍頭、鉆桿柱相連接。當泵工作時,泵在其進水口處形成負壓,孔口液體在大氣壓的作用下,經(jīng)鉆頭攜帶巖屑經(jīng)鉆桿中空而上升,通過水龍頭、膠管從泵中排至集碴坑中,經(jīng)沉淀后的沖洗液以自流方式自孔口返回井底,形成循環(huán)。大直徑潛孔錘泵吸反循環(huán)鉆進具有如下特點:(1)鉆進效率高。大直徑潛孔錘泵吸反循環(huán)鉆進由于鉆頭以較高的沖擊速度沖擊巖石,沖擊功大,可獲得較高的鉆速;(2)泵吸反循環(huán),排渣干凈,鉆進效率高;(3)施工周期短,成本低。5爆破法與其它法相結合使用常見的爆破法有人工挖孔炸石成孔法、鉆孔爆破法、定向聚能爆破法。爆破法常和其它方法相結合使用。爆破的作用是炸破或炸裂巖石使巖石形成破巖面,利于下一步鉆進。5.1孤石爆破孔人工挖孔炸石法,是鉆進過程中遇到孤石時,采用開挖法使孤石露出,下護筒,對含水層還應進行抽水,然后人進入孔內,利用鑿巖機在孤石上鉆出爆破孔,安放適量的炸藥,對孤石進行爆破。人工挖孔炸石法,當鉆孔直徑較小時,由于要開挖,因此不適宜埋深較深的孤石,對于鉆孔直徑較大時,可以不開挖,直接下護筒,人進入孔內鉆孔、裝藥、爆破,此時鉆進孔深可進一步擴大。只是對于涌水量大的地層,難以繼續(xù)延深。5.2爆破透過巖石在鉆進過程中遇到孤石時,提鉆后查明孤石的產狀、大小、形狀并依此來制定爆破孔的數(shù)量、分布和裝藥量,利用小口徑鉆頭在孤石上鉆出爆破眼,然后在小孔內安放適量的炸藥對孤石進行爆破。清除孔內巖塊進而達到鉆孔順利穿過孤石的目的。對于垂直高度特別大的巨石可以進行多次爆破直到鉆孔穿過巨石。鉆孔爆破具有如下特點:(1)施工周期短,成本低;(2)適應范圍廣,可適應不同埋深的孤石、漂石、滾石;(3)方便靈活,可根據(jù)孤石的形狀、大小來具體確定爆破孔的孔徑、深度和裝藥量大小,對厚度較大的孤石,可實施分層爆破確保鉆孔質量;(4)不適宜用于松散地層中的直徑相對較小、形狀近似圓形、表面光滑的孤石,在小口徑鉆進此類巖石時,巖石和鉆頭一起回轉,鉆進成孔困難。5.3電雷管爆破法采用聚能藥柱(又稱礫石彈)對孤石進行爆破是突破孤石的又一有效方法。礫石彈是軍工廠生產的一種成型藥柱(圖1)。將它置于巖石表面,通過電雷管引爆,瞬間產生高溫、高壓、高速沖擊波破碎巖石。地表試驗表明,單發(fā)可產生深度為300mm,破碎直徑為1200mm的破碎坑。在孔內試驗時,由于水柱壓力影響,破碎效果更好。聚能爆破具有如下特點:(1)效率高,巖石以體積破碎方式破碎,破碎單位體積巖石所需能量少;(2)施工工序簡單、安全、易行且成本低;(3)可根據(jù)巖石性質及鉆孔要素選擇藥柱數(shù)量和分布,實施聚能爆破,應用靈活廣泛。6鉆進方法的確定復合鉆進工藝是一種將多種鉆進方法有機地結合在一起的施工工藝。復合鉆進工藝,依據(jù)地層情況、孤石性質(形狀、大小、產狀、硬度、研磨性等)、鉆孔直徑、孤石埋深,在不同鉆進階段,合理選用不同的鉆進方法。復合鉆進工藝具有如下特點:(1)多種工藝有機結合,各種鉆進方法各有針對性,多種鉆進方法取長補短形成一個有機整體;(2)鉆進效率高,復合鉆進工藝中各鉆進方法針對性極強,能充分發(fā)揮各種鉆進方法的長處,各種方法取長補短有機地結合在一起,大大提高了鉆進效率;(3)適應范圍廣,合理選擇適當?shù)姆椒軌蛴行У毓タ瞬煌貙又械母鞣N大孤石;(4)施工工藝合理,由于復合鉆進工藝針對不同地層情況、孤石性質和埋深等具體情況選擇鉆進方法,然后制定施工工藝,施工工藝得到優(yōu)化。常見的復合鉆進工藝有如下幾種。6.1鋼粒鉆進法此工藝將沖擊鉆進、沖抓鉆進和鋼粒鉆進結合在一起,能夠有效地攻克巨型孤石。其工藝過程及要點如下:填——當常規(guī)鉆進遇到孤石時,先查明孤石的大小形狀和產狀,然后填入與孤石硬度大小相近的塊石和適量粘土。填石高度高出孤石面約0.5m。也可灌注適量的C30水泥膠石漿液,把不平的孤石面改造成平面。這項工作無論是沖擊鉆進還是回轉鉆進都是必須的一個工序。鉆——下筒狀鋼粒鉆頭進行鋼粒鉆進,將孤石鉆出一個環(huán)狀自由面。鋼粒碎巖不僅可以加快孤石體的解體,而且直接形成規(guī)則的圓筒狀鉆孔。孤石不大,可以直接鉆穿。如果孤石巨大可鉆進0.8～1.2m,為避免鉆頭被擠夾,可不取芯,由破巖理論可知,增加自由面,可加速巖石的破碎。對于較小的孤石,產狀和位置均適宜沖擊鉆進時,可省去本工序,直接進行沖擊鉆進。大而陡的孤石,則必須采用鋼粒鉆進。沖——下沖擊鉆頭進行沖擊鉆進。將被鋼粒采取出的巖芯沖碎或破碎。抓——下沖抓錐將被沖擊鉆頭沖成小塊的孤石抓掉。其中有一部分直徑較大的碎塊被沖擊鉆頭沖入軟巖后,很難被擊破,因而無法在沖擊鉆頭鉆進后立即恢復正常鉆進,故必須采用沖抓錐將其抓出。6.2爆、壓、壓、壓的復合開挖技術如果采用聚能爆破法破巖,則可以形成爆、填、沖、抓復合性鉆進工藝,其施工工藝依次為:爆,填,沖,抓。6.3完成、鉆、爆、壓、壓復合開挖技術如果采用鉆孔爆破法破巖,則可以形成填、鉆、爆、沖、抓復合性鉆進工藝。其施工工藝依次為:填,鉆,爆,沖,抓。7般方法處理復雜地層孤石的技術措施通過以上分析,可以得出上述各種方法具有以下特點:(1)開挖法,由于直接將整個孤石直接從孔內移走,避免了對孤石的破碎工序,而這恰恰是含孤石地層鉆進的困難所在,大大簡化了施工,當孤石埋深較淺、孤石之間直徑和鉆孔直徑相比相差不大時,采用開挖法處理孤石,簡便、易行、經(jīng)濟、可靠;其局限性是不能用于深孔施工;(2)沖擊鉆進由其碎巖機理決定了其鉆進效率低;沖擊反循環(huán)鉆進由于增加了一套反循環(huán)系統(tǒng),與沖擊鉆進相比,鉆進效率有大幅度的提高,但當工程進度較快時,仍無法滿足工程要求;當遇到堅硬、致密、光滑、形狀不規(guī)則的孤石時,鉆進困難且易出現(xiàn)孔內事故;(3)鋼粒鉆進、牙輪鉆進主要依靠牙輪或鋼粒與孤石的研磨來碎巖,因而鉆效不高,但采取一定的技術措施后,鋼粒鉆進的鉆孔質量較好,常用于工程進度不緊的工程中,對于復雜地層則效果不佳,有時甚至無法鉆進;(4)大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進,由于作用于巖石上的單次沖擊功大,碎巖效果好,加之反循環(huán)孔底排渣干凈,因而鉆進效率高,適應于各種復雜地層,對極少特殊地層效率不高。(5)爆破法直接對孤石進行爆破,較好地解決了鉆進堅硬、致密、表面光滑孤石時,鉆頭打滑,別鉆等問題。(6)復合鉆進工藝,將多種方法有機地結合在一起,由于復合鉆進工藝依據(jù)地層情況、