（地质工程专业论文）特殊地层中大口径钻孔灌注桩施工技术的研究.pdf

妻塞塞堂! ：! 一一。：一。：= ：， ：璧奏鐾篓墼 摘要 随着建筑业的进一步发展，为满足上部建筑物的要求，大口径钻孔灌注桩 由于其自身特有的优越性而得以广泛地应用。但对于硬质岩石地层和松厚的砂 卵石地层，钻孔灌注桩所面临的主要问题是钻进效率低、成孔困难，且水下浇 灌砼时桩身质量不易保证。 为提高在硬质岩层中的钻进效率，选择钻机时主要考虑钻机的扭矩和提升 力，钻具的选择则要同时考虑其自身的安全和岩渣的排出方式。油田泥浆的特 殊性能可提高钻效、延长钻机寿命、造孔顺直，是首选的冲洗液；为了利于岩 渣的排出，冲洗液循环采用反循环方式。滚刀钻头上的滚刀采用双螺旋线分布， 以利于岩渣的排出。同时要求采用大钻压、低钻速的技术参数。 松厚的砂卵石地层中钻进时，除钻效低外，冲洗液的漏失和孔壁不稳定是 钻进中所面临的最大障碍。由于砂卵石地层自身的复杂性，目前在砂卵石地层 中钻进没有普遍通用的钻进工艺。本课题根据实际工程中砂卵石地层的特性， 分别采用冲抓与冲击锚进、泵吸反循环配合大直径滚刀钻头钻进对两个工程进 行施工，收到了良好的效果。 影响灌注桩质量的因素很多，为提高钻孔灌注桩的质量，施工前应精心组 织；施工中则要保证钻孔及砼的配制质量，同时钢筋笼必须安装到位；灌注砼 时要保证初灌量，为下一；步工序打f 良好的基础。一旦发现灌注桩存在桩身质 量问题，则必须采用有效方法进行补救，甚至废桩。目前所存在的问题是必须 中南大学硕士掌位论文 尽快研究出科学的检测方法，以确保检测的准确性。 关键词：硬岩地层，砂卵石地层，大口径，灌注桩，施_ r i i a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e ma n dt l l er c q u i r e m e n to fc o n s l o n ，l a r g ed i a m e t e r c o n c r e t ep 们ei si i s e dc o m m o n l yf o ri t se x c e l j e n tf b a t l l r e t h ep m b l e m s 、 ，i t hw h i c ht h e d r n l i n gc o n 肋n ti ns o l i dr o c ko ri nt h i c ki o o s es a n d p e b b i el a y e ra r ei o w l ye 施c i e n t ， h o l ec o l l a p s e a n dt h ep i i ec o n c r e t ei sb a dq l l a l 埘w h e nni sp o u r e du n d e rw a t e r s ow em u s tc h o s et h et o r q u cf o r c ea n dt h eh o i s to ft i l ed m le q m p m e n tf o ri l i 曲 d “1 1 i n g 口历c j e n t ，m e a n w h i l e ，w em u s tb ec a r eo ft h ee q u i p m e ms a 砖a i l do ft h e r c m o v eo ft h er o c kr e s i d u ct h eo i lf i e l dp l l l pi st h ef i r s tc h o i c ef o rn9 df e a t u r e ， 、 椰c hc a nm a k ed r i l l i n ge 街c i e m ，p r o l o n gt h cl i v eo f 协e 蕊l l i n ge q u i p r n e n l ，a n d m a k eh o l ew a i ls m o o t ha n ds t m i 曲t t h ec i r c u l a t o r ys y s t e mo f 也ep u l pi sr e v e r s e d i r e 嘶o na n d t h eh o bb i ts c a t 赋a t t h e p l a t ea s d o u b l eh e l i x f o r t h e 咄n o v e o f t h er o c k r e s i d u e 。t h e 曲l l i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa r el o wp r e s s u r ea n dl o w r o t a t es p e e d l e a k o f p u lp l o w e 街c i e r i c ya n d f a l ld o 啪o f h 川e w a l la f e m ec o m m o np f o b l 譬m s w h c nw ed r i l l i nt h i c k 1 0 0 s es a j l d - p e b b l el a y e rb e c a u s eo ft h ec o m p i e xn a t u r eo ft h e s a n d p c b b l el a y c r 血e r ei sn o tac o m m o ng o o d 如l l i n gm e t h o da tp r e s e n t 讪e nw e 捌l li nt h i sl a v e r r eh a v eu s e dt h e1 8 s h c l u t c ha n dl a s hm e t l o d ，p u m p 册旧r s e - d i r c c “o na n dl a 唱ed i a r n e 缸h 曲b i tp m c e s st oc o n s t l l j c tt 0e n g i n e 硎n & w i l i c ha v e r yg o o d t h ef a c t o r st h a te f 五积t h ec o n c m t e l e sq u a “t ya r es e v e r a l f 0 rt h eg o o dp j l e q u a l 崎，w em l l s to r g a n b 醇t h ep r o c e s sc a f e f u j l yb e f o r ew es 拄毗p o u rc o n c f 如d u r i n g t h cp o u r i n gc o n c r c t e ，w em u s tc o n t r 0 1m cc o n c r e t e sq u a l 咄p u tt h es t e e lc a g em e p 】a c ew l l e r e i td e s i g n e d t ob e 舭dp o u r a m p l e c o n c 陀t c i n 也e 矗r s tp 0 嘶n g 舯d c c s s i f 皇里查矍 至圭堂堡堡塞 t h ep i l eq u a i i t yi sb a d ，w em u s tr e m e d yi tb ym e a n so fe m c i e n tm e t h o d ，f o re x 鼬p l e i n j e c tc e m e n tp u l p ，w 音m l l s te x p l 两ta n dd e v e l o pt h em e a s u r em e t h o dt os u r r e yt h e p i l eq u a l i t ye m c i e n n ya tp r e s e n t k e yw o r d s ：s o l i dr o c k ，s a n d p e b b l el a y e r ，l a 憎ed i 咖e t e r ，a n dc o n c r e t ep i l e ，p o u f l i 1 1 前言 第一章概述 桩基础是最古老的基础形式之一。早在有文字记载的历史以前，人们就懂 得采用木桩来支承房屋。1 9 8 2 年在智利发掘的文化遗址中所见到的桩大约距今 一万二千年至一万四千年。我围采用桩基大约也有六千年的历史了。 到了近代，随着科学技术和生产力水平的提高桩基已成为在土质不良地 区建造房屋建筑和重型厂房及备种具有特殊要求的建筑物所广泛采用的基础形 式之一。【1 j 在：二十世纪四十年代初，随着大功率钻孔机具的研制成功，在美国出现了 冲( 钻) 孔混凝土灌注桩，随着二次世纪大战的结柬，世界经济复苏，高层、 超高层建筑不断兴建，它们大多数选用了钻孔灌注桩。二十世纪七十年代后钻 孔灌注桩在世界各地蓬勃发展起来。1 2 j 我国钻孔灌注桩是1 9 6 3 年在河南省诞生的。当时钻孔的孔径仅6 0 - 7 0 c m 。 采用人工推磨方式钻孔。1 9 6 4 年河南省在公路桥梁工程中成功地采用“人工推 磨”的方式实现了由6 0 辔1 0 0 c m 钻孔灌柱桩的施工，1 9 6 s 年在全国公路桥梁建 设中迅速推广，随后全国各地开始进行机械钻孔的研究，从而开创了我国钻孔 灌注桩的新局面。【3 j 改革开放以来，随着我国经济建设的迅猛发展，为适应城市建设、市政改 造、旅游业、交通业的发展，批批高层、超高层建筑物拔地而起，一座座大 桥、特大桥如虹横跨大江两岸，这些高层、超高层建筑物一般均设置在建筑物 密度大、人口密集、交通拥挤的市区，因而基础形式不得不采用非挤土、无噪 声的大直径超长灌注桩基础，而大桥、特大桥一般均跨越大江( 河) 两岸，通 常这些地方地质条件较复杂，为满足通航、施工及桥梁本身稳定与沉降的要求， 也不可避免地要采用大口径钻孔灌注桩基础形式。【4 j 1 ，2 大口径钻孔灌注桩施工技术国内外概况 尽管我国挖掘大口径井技术可以追溯至新石期石代f ”，最早在春秋时期湖 北铜录山矿井钻井断面已达5 m 2 ，深近百米，但现代大口径钻凿技术仅有1 0 0 年历史，欧美、前苏联、日本等先后采用冲击、回转、震动、水力喷射、井底 动力钻等工艺钻凿了各类用途的大口径井，直径为o8 3 o m ，最大者可达1 0 m 以上，深度为3 0 1 0 0 m ，晟深达2 0 0 0 m 1 6 j 。我国于1 9 8 3 年在郑州黄河公路大桥 施工中采用铁道部大桥局武汉桥机厂生产的b d m _ 4 型气举反循环钻机完成了直 径2 2 0 c m 、孔深7 0 m 的摩擦桩的施工，接着在广东肇庆大桥完成了巾2 5 0 c m 的 嵌岩桩施工，使我国钻孔灌注桩的桩径终于突破了2 m 大关。【7 】 目前国内外用十大口径钻孔灌注桩施工的主要方法和技术有： ( 1 ) 冲击钻进：利用几吨十几吨重的冲击钻头，通过钢丝绳升降来实现碎 破岩石，达到成孔的目的。 ( 2 ) 回转钻进：利用钻机和钻头对岩石进行切割破碎岩石，达到成孔的目的。 ( 3 ) 冲击反循环钻进：利用反循环系统将冲击中产生的钻渣排出地面，从而 提高钻进效率，达到高效成孔的目的。 ( 4 ) 冲击回转钻进：利用高频低能的冲击使岩石疲劳破坏达到成孔的目的， 它是一种介于冲击与回转之闯的一种成孔方法。 ( 5 ) 滚川牙轮组合钻头钻进：滚刀牙轮组合钻头上碎岩材料为钨钴硬质合金 或焊齿、钢齿刀具，国f 勾钻进的最大口径为3 0 4 0 m ，深度7 0 m 一8 0 m ，美国原 子能委员会曾采辟j1 2 2 3 4 5 m 直径的竖井进行地下特种试验，深度可达1 9 6 0 m ， 钻进效率一般为0 卜0 5 i i i h 。 ( 6 ) 梅花孔施工工艺：美国d n t e s 0 l l l ( a n d f a r e a s t 在大l 径硬岩钻凿工程 中；推荐采用梅花点孔眼施工工艺，方法是：用一定规格的潜水锤在桩径范围 内的蜂窝状孔，然后蒋用其它方法修孔。 ( 7 ) 取芯与断j 枣技术：先钻成环状孔，然后利用特定装置“挤”断环中岩芯， 从而成孔，该方法在前苏联被广泛应用并取得了显著效果。 ( 8 ) 其他方法：如爆破法、冲抓法、旋挖法等。 灌注桩的成孔方法义可分为泥浆护壁成孔灌柱桩、干作业成孔灌注桩、套 管成孔灌注桩和爆扩成孔灌注桩四种，其适用范围如表卜l 所示 副。 1 。3 大口径钻孔灌注桩施工技术目前存在的主要问题： ( 1 ) 钻进效率低，排渣困难，目前国内外所采用的种种方法，无一不面临钻 进效率低、排渣凼难的难题。 ( 2 ) 冲击吲转钻进虽使钻进效率提高了，但设备较昂贵，且施工所需风量大， 一般设备不能满足要求，再者地层出现软硬不均时易出现空打现象。 ( 3 ) 滚刀牙轮组台钻进中钻头所需钻压大，一般设备和钻具不能满足需要， 从而导致钻头磨损快、效率低、成本高。 ( 4 ) 梅花孔旋工工艺最大的缺点是累计进尺多，钻孔定位和设备移动频繁。 ( 5 ) 松散砂卵石地层易塌孔，且钻井液易漏失，造成埋钻，难成孔。 ( 6 ) 出现泥皮现象，影响桩侧阻力发挥，桩底沉渣难排除，影响桩的受力性 能与稳定。 ( 7 ) 水下浇注砼时，桩身质量难以保证。 表卜l灌注桩成孔方法的适用范围 成孔方法适用土类 冲抓、冲击、回转钻 碎石上、砂土、粘性上及风化岩 1 泥浆护壁成孔 潜水钻 粘性上、淤泥、淤泥质土及砂土 螺旋孙 地下水位以上的粘性二 二、砂土及人工填。1 ： 地下水位以上的坚硬、硬塑的粘性土及中 2 千作业成7 l 钻孔扩底 密以上砂土 机动洛阳铲 地f 水位以上的粘性土、黄土及人工填土 可塑、软塑、流塑的粘性土、稍密及松散 3套管成孔锤击振动 的砂土 地下水位以f 的粘性i 、黄土、碎石土及 4爆扩成孔 风化岩 1 4 本课题研究的内容、目的及意义 本课题研究的主要内容是坚硬岩层及巨厚砂卵石地层中大口径钻孔灌注l l ! 成孔工艺的研究、钻孔灌注桩砼灌注质量保汪的各项措t 拖的研究，包括坚硬岩 层及巨厚砂卵石地层中成孔所用成孔设备及钻具的选择与研究；坚硬岩层中成 孔钻头的开发研究：砂卵石地层中成孔方法的选择与研究；灌注桩成桩过程中 保证桩质量的施工、技术措旋的研究以及桩质量补救措施的方法研究a 本课题研究的目的、意义在于：通过本课题的研究，寻找一种钻进效率较 高，钻进成本较低的新工艺，开发研究适应于氅硬岩层钻进的新钻头，并在实 宴查查鐾堡圭些堡塑耋 际工作中摸索研究出适于本钻头及坚硬岩层的钻进技术参数，开发研究适应于 砂卵石地层新的成孔工艺，推动坚硬岩层及砂卵石地层中钻孔灌注桩成孔工艺 的进一步发展与完善，使在坚硬岩层及砂卵石岩层中的钻进效率进一步提高， 以达到缩短工期、降低成本、安全施工的目的。同时，通过对成桩工艺的研究， 研究出保证桩身质量的各种技术措施，最大程度地克服灌注桩所存在的质量通 病，充分发挥灌注桩的优势，推动灌注桩的发展。本课题亦可用于生产、学习、 科研参考。本课题与生产结合，将会产生较好的经济效益和社会效益。 第二章坚硬岩层中大口径钻孔灌注桩钻进技术的研究 2 概况： 坚硬岩层、硬岩层是指岩石抵抗外力破坏的能力强，主要表现为岩石的锤 击声清脆或较清脆，压缩有回弹现象，压缩曲线呈线性，压缩模量大或较大， 饱和单轴抗压强度f 0 m p a 。敲击时震手且难于击碎。岩石基本或略有吸水反 应，典型的硬岩、坚硬岩石包括未风化一微风化的花岗岩、闪长岩、辉绿岩、 玄武岩、安山岩、片麻岩、石英岩、石英砂岩、硅质砾岩、硅质石灰岩、石灰 岩、自云岩、钙质砂岩、未风化板岩等。【1 0 l 1 t l 基于匕述坚硬岩层的特性在该类岩层中钻进时普遍面临的问题是碎岩困 难、钻进效率低、排渣困难。目前国内外用予硬岩钻凿工程的主要方法和技术 手段及各自的缺点如下嘲f 1 1 】： ( t ) 冲击钻进：靠冲击钻头( 几吨至卜几吨) 的重量，通过钢丝绳升降来实 现破碎岩石。存在的问题是排渣困难、钢丝绳寿命短、钻进效率低。 ( 2 ) 冲击反循环钻进：在冲击钻进的基础上加上反循环系统，反循环系统在 冲击过程中把小颗粒的岩渣通过钻杆排出地面，从而提高钻进效率。中国水利 部綦础工程局结合国情对国产的c z 一2 2 、c z 一3 0 型冲击钻机进行了改造并用于三 峡防渗墙工程施工，但钻凿井径小于1 5 m 。 ( 3 ) 滚刀牙轮组合钻头钻进：该方法在国内广泛被使用，其碎岩材料为钨钴 硬质合金或焊齿、钢齿刀县。该方法钻凿的井径大，井深深，但最大的问题是 钻进所需钻压大，一般设备和钻具不能满足压力需求，导致钻头磨损快、效率 6 低、成本高。 ( 4 ) 冲击回转钻进：在冲击岩石的同时钻头转动，利用高频低能冲击使岩石 疲劳破碎。冲击器分为液动潜孔锤和气动潜孔锤。在硬岩钻进中，其效率比牙 轮钻效率高2 5 倍，比一般旋转钻进高1 0 倍，且成孔质量高、孔壁稳定，但潜 孔锤一次性投资大( 十几万一个) ，液压元件质量不可靠使潜孔锤寿命不长，同 时潜孔锤所需风压、风量大，设备不易满足。对软硬不均地层，易出现空打现 象。 ( 5 ) 梅花孑l 施工工艺：美国g 姝s o t i ，r a n d f a r e a s t 在大口径硬岩钻凿工程 中推荐采用梅花点孔眼施工工艺，这种工艺方法是：用一定规格的潜孔锤在桩 经范围内分别先打出 修整钻孔具体要求 梅花点孔径与 8 个小孔，使之成为蜂窝煤状，然后再用冲击或其他方法 如下： 桩孔大小比例 周边孔眼数量 周边孔相间角度 中心孔眼数量 4 ：l 7 个 5 1 _ 4 。 1 个 该方法施工的缺点是累计进尺多，钻孔定位和设备移动麻烦。 ( 6 ) 取芯与断芯技术：前苏联在这方面做了许多工作并取得显著成绩。图2 1 是荣获列宁勋章的全苏茄克勘测设计科学研究所设计制造的截断岩芯和提取岩 芯装置。取芯钻头内径为中9 7 0 m m ，在钻具中心有一套中心钻具，其中装有截 断岩芯装置，钻头体有两层管子，其空隙中均布6 根水管，通过这6 根水管向 孔底提供冲洗液，中心钻具开有4 个窗口，每个窗口内各布置个冲头，内部 安有可将冲头向外撑的锥体，锥体的垂向运动是靠油缸活塞杆来推动的，靠冲 头“挤”断环状岩芯。中心钻具的上端连接在钻杆上承受回转扭矩和轴力，断 7 中 幸r 大学 硬士学位键! 文 取西7 8 0 m m 的环状岩芯时，顶断岩芯的瞬间 压力为3 0 ，5 0 k g c m 2 ，此时每个冲头上的力达 3 5 6 0 t 。该装置曾在5 7 级石灰岩、孔径1 ) 1 2 5 0 m m 钻进。断取岩芯时间比用弹簧卡头断 取岩芯的时间缩短了3 4 。此外，断取岩芯的 方法、技术还有：纲丝绳切削套断法、y k 6 3 6 型岩：出割断装置、锲子锲断法( 平移切断) 、 爆破法等。 2 2 设备与钻具的研究与选择 2 2 1 设备选择 每种类型的钻进成孔机械符有优缺点，无 论优选何种机型和工艺，均庹根据桩径、地质图2 。l 截断岩芯暑口提取岩芯装置 条什、水文情况、施工单位的设备条件及工期等诸多因素来综合考虑确定。大 口径钻孔所需钻机型号主要取决于岩土的强度，即同一型号钻机在不同岩土中 能直接钻不同的大商径桩孔，尽管有用x y - 4 璎钻机( 配转盘) 施工桩径l m 的 成功例子忡】，但各成孔机器设备均有自己的适用范围，如表2 - l 所列。 闵为岩土的强度是变化的，因而目前市场上钻机分类所采用的钻孔直径来 标志是不确切的，分类宜以扭矩m 为依据，其计算式如下： m a m o f 其中a 为系数，一般取i 4 17 ，主要是由于扭矩传递过程的损失，m 。为 单位破岩面积所需扭矩，一次成于乙其值取o6 08 k n 1 1 1 m 2 ，扩孔取o 4 一o8 k n “m 2 ，f 为钻头破岩面积 3 j 。 表2 1 成孔机具的适用范i 刊 成孔机具 适用范围 潜水钻粘性、粉土、淤泥、淤泥质土、砂土、强风化岩、软质岩 回转钻( 正、反循环)碎石类二e 、砂土、粘性土、粉土、强风化岩、软质岩、硬质岩 冲抓钻 碎石类土、砂土、砂卵石、粘性土、粉土、强风化岩 冲击钻 适用 二各类土层及风化岩、软质岩 表2 2 为国产回转钻机按扭矩的分类表。 由于本课题所研究的滚刀钻头适应性强，因而其钻孔设备采用普通的反循 环回转钻机和砂石泵即可，但滚刀钻头所需钻压力大，一般都加配置，因而要 求钻机的提升能力和扭矩都要大。转盘转速低、砂石泉泵量大亦是需要考虑的 因素。如在珠海淇澳大桥工地施工时采用b g f - 2 0 0 0 型钻机钻进中2o m ，孔深 达5 0 m 。 2 2 2 钻具的研究 孔内钻具由圆钻杆、异径接头、配置和钻头( 含刀盘与滚刀) 组成。 钻杆常用内径1 5 0 2 0 0 m m 的无缝钢管制成，鲢厚一般为l o 1 5 m m ，由于 滚刀钻头钻进硬岩时扭矩大，因此需选用抗扭强度大的钻杆，同时考虑到冲洗 液主要采用反循环方式，反循环时钻杆对阻力损失影响很大，有些阻力与内径 的平方成反比，所以钻杆内径应选大一些。为适于冲洗液反循环，钻杆连接应 选密封性好的法兰连接方式。螺栓应选用优质钢材，并需进行处理。 异径接头因其上连钻秆、下接钻头，受力较复杂，且是从小直径突变为大 表2 2回转钻机按扭矩对比分类表 序 额定扭矩分类 原型号 号 粼m 以内2 0 l ( n 1 灶3 0 k n m 以上 8 0 一1 2 0 删m 2 0 0 u m 以上 lk p 1 ：1 0 ( ) 犁k p ( 8 6 ) 26 x w - 1 ( ) 0 捌g x 霄f 1 1 ，5 4 1 3圈沣1 犁雕( i 2 j 2 ) 41 f 1 层型r 犀( 戗2 ) 5g k * f 型g i c n 3 - 9 2 ) 6卜3 a 珏! l卜3 a ( 1 5 7 ) 7l 3 a 犁b 3 a ( 1 r m 8g t 卜1 5 嚣! ig l p ( 18 10 ) 9y ( 卜1 5 犁y g n 8 0 ) lg 陌一1 5 利 g p s ( 1 & o ) 1- 田叫5 犁k p ( 1 8 0 ) 1g p i o l 5 型g 即( 2 0 0 ) lx y 彤犁x y 出1 3 ) lz 1 1 5 0 - l 酗扪f 2 3 5 4 ) 10 z - 1 5 犁) z ( 2 3 5 舢 l肋m - n 型 n d m f 2 8 1 1g 1 d 2 到g 1 ) ( 3 3 0 ) 1舷一2 利 o z f 3 3 0 ) ls 2 s _ l 犁s 2 s ( 4 0 0 、 2b 1 2 0 刮 工稗铀帆仃0 ) 2i l 型 i r 4 ( 8 0 1 2 m 聃叫0 嚣! |b i 瑚4 ( 8 0 ) 2m l ，3 0 0 0 型 l “2 0 ) 2 k 附一删) 噩! k m 国( ) 0 ) 2吲3 ( ) 0 【) 西! 0 z y ( 2 0 0 ) 2k 阳5 0 0 型 k p ( 2 1 0 ) 2k 时4 0 0 ( ) 噩g俐( 2 2 0 ) 直径的部位，应力易集中，容易发生折断事故，使粗径外钻具掉落孔内，难于 处理，故异径接头规格要加大，并形成渐变的形状，必要时需焊加强筋板。 配置用于孔底加压，改善钻杆受力状态，配置可采用特制的钢铁加重块，以磅 称法码插入式的形状套在异径接头上；也可将废钢铁用作配置，装在钻头刀盘 上( 刀盘外侧焊护筒) 。常用的方法是将配置赢接加到刀盘上，以改善异径接头 的受力状况，胁止或减少钻杆断裂。 2 3 ；中洗液及其循环方式的研究 2 0 世纪5 0 年代初，钻井泥浆的质景是由低密度固体含量起主要作用的， 由于没有降低泥浆涸相含量的手段，人们只是用清水和钻井过程中由钻机削下 的泥沙混入来形成自然泥浆。1 9 5 8 年开始将絮凝剂用于钻井后实现清水钻井。 使用处理剂( 烧碱、丹宁等) 后能使泥浆中的固体完全絮凝，在地面清除后再 让清水返回井底，清水钻进其能适用于某些地层和一定深度。经过絮凝的泥浆 需要更强的稀释剂和失水剂来有效地控制泥浆的流动性和失水y 嚣，因此，术质 素磺酸盐和c m c 相继出现，使粗分散泥浆迅速发展。1 9 6 0 年生产如高聚物( 聚 丙烯酰胺) ，对膨润钻屑具有不同的絮凝能力，其最大的优点是能保留优质的 造浆粘士而除去劣质钻渣。之后这种不分散固相的优质泥浆被大规模地应用 于油田钻井，因此又俗称油田泥浆。据1 9 7 5 年统计与分析，这种泥浆使机械钻 速平均提高2 0 以上，最大可达5 0 ，这种俗称油田泥浆的聚丙烯酰胺不分散 低固相泥浆( 简称ph p ) 具有以下特点f 6 】1 17 j ： ( 1 ) 髓使钻渣处于不分散的絮凝状态易于被清除掉，从而保持泥浆的不分 散低圆相、低密度、低粘度的性能。 耋娶奎冀! 黧篓篓丝叁! ( 2 ) 能提高钻进速度：使泥浆的密度下降到1 一1 0 8 ，密度小对钻头所产 生的阻力小，使钻速提高，机械效率可提高4 0 ，成孔速度提高2 0 。 ( 3 ) 延长机械寿命：油田泥浆循环沉淀净化后，钻头切削的阻力减小，减 轻设备的部件磨损。 ( 4 ) 孔径顺直：由于油田泥浆固相含量低、泥浆渗漏少，有利于孔壁的稳 定，使孔擘顺直，扩孔率小。 ( 5 ) 有效防止孔漏和堵漏：由于油田泥浆密度低、低失水、高矿化、泥浆 触变性较强，所以整个钻孔过程中遇有渗漏性漏失地层亦能充分发挥防漏堵漏 的作用。 ( 6 ) 能降低成本：油田泥浆用化学絮凝剂量仅为泥浆液的o 0 0 0 3 ，钻孔速 度快，加上泥浆的循环净化能重复使用，故能大幅度降低成本。现将广东省九 江大桥使用情况作经济性比较( 1 9 8 7 年价格) 。嘲 a 油田泥浆 计划用浆量：3 6 ( 根) 3 0 0 m 3 1 4 = 1 5 1 2 万米3 回收利用浆量：1 5 1 2 ( 万米3 ) 回收率o 6 0 9 1 万米3 实际耗浆量：i ，5 1 2 万米3 0 9 l ( 万米3 ) = o 6 0 5 万米3 膨润土：6 0 5 0 1 5 = 4 0 3 ( t ) ( 1 6 0j 叭) = 6 5 万元 碳酸钠：4 0 3 5 ( 5 0 0 元t ) = 1 o o 万元 c m c ：4 0 3 x o 3 ( 4 0 0 0 元t ) = o 4 8 万元 p h p ：1 5 1 2 1 0 4 3 0 1 0 ( 1 2 万t ) = o ，5 5 万元 材料总费用：8 6 万元 实际消耗油田泥浆总费用4 0 万元，其中设备费2 0 万元、人工费6 万元、 技术转让费5 4 万元、材料费8 6 万元 b 粘土泥浆 计划用浆量：3 6 ( 根) 3 0 0 m 3 】4 15 1 2 万米3 回收利用浆量：15 1 2 ( 万米3 ) 回收率0 4 = 0 6 1 万米3 实际耗浆量：1 ，5 1 2 0 6 1 = o 9 0 万米3 粘土用量：9 0 0 0 2 叫5 0 0 t 粘土费用：4 5 0 0 ( 2 0 元t ) = 9 万元 处理剂、碳酸钠：4 5 0 0 ( o 5 ) ( 5 0 0 元t ) = 万元 c m c ：4 5 0 0 o 0 5 x 4 0 0 0 ( 元t ) = 09 0 万元 材料总费用：9 + 1 ，l + o 9 = l1 万元 设备费：2 5 万元( 由于泥浆体积大) 人工赞：1 0 万元 粘土泥浆总赞用：4 6 万元 除此之外，普通粘土泥浆不能保证大直径钻孔的施工安全，一旦出现事故， 则损失可达上十万元。 实际施工与研究发现：冲洗液采用反循环时，冲洗介质在钻杆内高速上升 ( 可数十倍于正循环) ，故排渣能力强、钻渣粒径大、重复碎岩次数少，能大幅 度提高钻进效率，防止钻头早期磨损【3 3 】【3 舢。 2 4 钻头的开发研究 目前国内人口径钻头主要类型有：组合式牙轮钻头、钢粒钻头刮刀钻头、 螺旋钻头、冲抓钻头等。f 3 0 j i 4 6 1 4 7 j 硕士学位论文 ( j ) 组合式牙轮钻头：它是用牙轮钻头分割，然后拼焊在一一定规格底盘上， 主要用于基岩和卵石层巾钻进。存在的主要问题是：钻压小足，牙轮早期磨损 快，特剐是外圈牙轮寿命低，成本高，一般1 5 3 万元只。 ( 2 ) 钢粒钻头：在筒头底部加焊厚钢板，形成工作面，与宜：径1 8 、1 6 、j 4 佃m 螺纹钢粒配合使用，主要用于基岩中钻进，存在的主要问题是钻进效率低，钻 头磨损严重。 ( 3 ) 刮刀钻头：也称翼状钻头，通常用三翼、四翼，硬质合金直接镶焊在 翼板上。主要用于第四纪松散层钻进，价格低廉、钻效商，但遇部分卵砾石或 较硬地层，切削刀磨损后不易修复、钻头本体不能得到充分利用，从而造成不 必要的浪费。 ( 4 ) 螺旋钻头：在中心管外焊接螺旋片，分单螺旋和双螺旋，这种钻头在 破碎岩层的同时还能贮存岩屑。主要用于地下水位以上的干作业成孔，优点是 无泥浆污染，超径系数小，缺点是钻进所需扭矩大，且钻头加：r 困难，磨损后 不易修复。 ( 5 ) 冲抓钻头；靠自身产生的力冲抓岩土层，i l 底岩土层重复破碎机会少， 砾石层巾应用效果最好，同时也可用于粘土层，具有安装、操作方便、施工工 序简单、效率高等特点。 ( 6 ) 滚刀钻头：把单把滚刀固定在底盘上，分为边7 j 、正刀和中心刀，主 要用于7 级以上基岩中钻进，存在灼扛习题；钻压不足、钻进效率低、钻头成本 高( 3 6 万元只) 。 岩土工程中对大口径钻头具有一定的特殊要求：坚固性、耐磨性、易修复 性、高效性、稳定性、导向性、多功能和广泛的适应性。对于大口径硬岩钻进 来说，滚刀钻头因其适用范围广、破岩能力强、设备配套方便、损伤后易修复 1 4 塞量查萎：篓塞耋堡丝奎 而日益受到施工单位的重视。本课题结合在珠海淇澳大桥大口径钻孔灌注桩施 工中的问题与经验，研究出较为合理的滚刀钻头，该钻头如卜所述。 2 4 1 滚刀结构 滚刀通常由齿刃刀体心轴轴承密封件端盏等部件组 成，如图2 2 所示。 图2 2 破岩滚刀结构示意图 l 。主轴 2 大端盖；3 止推盖；4 定位销；5 轴承滚柱：6 推力轴承 7 浮封环：8 o 型密封圈；9 刀体：1 0 o 形密封鼹；1 1 小端盖：1 2 螺钉 2 4 1 1 齿刃 ( 1 ) 楔齿 齿刃呈楔形，有多种规格尺寸，可根据岩性选择相应的齿高、齿顶角和齿 顶宽。一般岩石越硬，滚刀齿刃高度越小、齿顶角越大、齿项宽度越大。 楔齿齿刃原来多用铣齿法加工，所用材质为2 0 c 矾钢等。八十年代中期我 国研制了钢结硬质合金刀齿，改铣荫工艺为焊齿工艺，齿刃寿命提高2 3 倍， 滚刀造价降低近半，为滚刀钻头的推广应用创造了条件。 钢结硬质合金楔齿的规格尺寸与滚刀的规格尺寸相匹配。如1 2 系列滚刀， 塑查塞= = = 。：。：。：= 。，：。! ：= ：= = ，：，。塑查矍堡黧： 其齿刃尺寸通常为长4 5 5 0 咖，高2 0 2 5 岫，宽8 咖齿顶角6 0 。左右，齿顶宽 卜2 m m 。近年来有的厂家为适应厚岩层钻进的需要，生产了强力型滚刀，其齿刃 尺寸扩大为5 5 x 2 5 i l 咖。 楔齿的布齿一般为三排，也有四排的，相互锗开排列，使孔底布满齿痕。 ( 2 ) 球齿 当岩石硬度超过楔齿硬度时，楔齿滚刀已无法破岩，需选用硬质合金球齿 滚刀。这种硬质台金硬、脆而易碎。为提高破岩效率，硬质合金齿也有伟9 成弹 头型、凿型、双锥型韵。 球齿的布齿采用不均匀分布，应有两种以上的布局，一是考虑压痕复盖孔 底，均匀破岩：二是防止齿痕跟踪形成搓板工作面，可使钻头工作平稳，减少 动负荷，改善轴承工作状态。球齿的齿距常为球齿直径的2 2 5 倍。 球齿滚刀适岩面窄、所蔼钻进压力大、价格昂贵，所以不如楔齿滚刀应用 广泛。 2 4 1 2 滚刀体 滚刀刀体用优质合金钢锻造或铸造而成，从外形分为全锥式、截锥式两种。 全锥式即刀体形状为一圆锥体，截锥式即刀体形状为一锥台，目前常甩截锥式 滚刀。 滚刀体参数主要有大端赢径、主锥角、滚刀体母线长等，有多种尺寸系列。 目前国内用于基础施工的滚刀主要有8 系列和1 2 系列两种，其大端直径分别为 2 0 0 m m 和3 0 0 m m ( 约为8 和1 2 英寸) ，主锥角1 2 。和2 0 。滚刀体大端直径 的确定主要与滚刀内部结构( 轴承、密封) 、滚刀体自转转速、钻头线速度有关， 主锥角应与钻头直径相适应。使用时可根据刀盘大小选取相应的滚刀尺寸，一 般由1 5 m 以上的刀盘多选用1 2 系列滚刀。 2 4 1 3 轴承 滚刀轴承分为两大类。类是非标准轴承，其结构特点是，轴承为刀体套 与心轴的一部分，除滚柱之外，全部为刀体的正体。另一类是标准轴承，即选 用适合型号的国家标准轴承作为滚刀的轴承。 24 14 密封 轴承的寿命很大程度上取决于密封，要求密封件在泥浆、岩渣混合介质和 一定的压力条件下有良好的密封性能。 密封装鼹有很多类裂，“双两浮动密封”即为其中一种。它是将两个同样尺 寸、经精磨加工的金属密封环端密合，其中一个金属环的背面是焊在轴承套上， 另一个金属环的背面装一橡胶环起压紧和浮动作用，外i 酊再加上端压盖。金属 封环用高铬台金制作，橡胶密封环也用耐磨耐油的特种橡胶制作。这种密封装 置性能可靠，轴承寿命长。 齿刃、轴承和密封三者的关系极为密切，选择滚刀结构时要使三三者寿命平 衡。 2 4 2 钢结硬质台金楔齿滚刀 钢结硬质合金楔齿滚刀钻头是我国自己研制的种滚刀钻头，于1 9 7 2 年获 得国家专利。其主要特点是刀齿整体耐磨性好、机械性能好，发迹了以往国内 通过在楔齿上堆焊耐磨材料来提高刀齿表现耐磨性的传统做法，大幅度提高了 滚刀钻头寿命。 这种滚刀的刀齿材质为高锰钢钢结硬质合金，有t m 5 2 和1 m 6 0 两种牌号， 其性艟十分接近，只是| i m 5 2 硬度稍高而抗弯强度与冲击韧性略低。它以碳化 钛( t i c ) 为硬质相，构成钢结硬质合金的耐磨骨架；以奥氏体高锰钢为粘结相， 具有优异的强度与韧性，受到冲击力时产生加工硬化效应，因而耐冲击磨损， 塞塞查萋： 矍圭冀些冀妻 且由于少量镍钼的加入而具有良好的焊接性能。这是其明显优于普通硬质合金 而成新一代楔齿滚川刀齿材质的原因。 滚刀体材质为低合金结构钢，加入少量钼和铬，改善了其焊接性能，制作 时以特种焊条和相应的焊接工艺将钢结硬质合金刀齿焊在滚刀体上。焊接后进 行水韧处理，以消除焊接应力，获得均一的奥氏体组织，提高刀齿强度和韧性。 2 4 3 滚刀钻头组合 2 4 3 1 滚刀在刀盘上的位置 按照在刀盘上所处位置不同，滚刀可分为边刀、正刀与中心刀三种。边刀 和正刀大体相同，只是刀座刀角不同。t p 心刀常采用全锥式单支点滚刀或3 牙 轮钻头，也有些钻头不设中心刀。边刀和中心刀都只有一圈，而正刀根据钻头 直径不同，可布多条破岩带。 滚刀理想的工作状态，是自转时每排齿能同时起到破岩的作用，它要求滚 了 作纯滚动。从刀盘中心向边缘引两条带一定夹角的直线，形成了以钻头半径 为边长的扇形，按一定要求截取数段，这个尺寸就是纯滚动滚刀母线和大小端 直径的尺寸。如用代数式表达，滚刀纯滚动的条件必须满足： r 咒户( r _ b ) 国 式中：r 从刀盘中心到滚刀大端距离； d 一滚刀火端直径； 卜密刀体母线长： d 。滚刀小端直径。 眨审 p 凇 十七 纯滚动r ，i ) 一( i 一b y d 图2 3破岩滚刀纯滚动与滑动的关系 但在实际应用中 匪难达到这一要求。如按纯滚动条件来制作和装配，j 盘| j - 各部位的滚刀，会给滚刀制造和使用带来很大麻烦。故一般只要求边刀接近纯 滚动条件。其他部位的滚刀都与边刀规格一致。 2 43 2 刀盘布局 243 2l 布刀原则 进行刀盘布局时，要通过周密的考虑和有关计算，使滚刀处于最佳位置， 实现钻头破岩能力强、滚刀寿命氏、钻进效率高、钻孔质量好、旌工成本低( 见 图24 、图2 5 ) 。 1 9 中甫大掌 硕士掌位论文 布刀时要注意以下几个问题。 ( 1 ) 钻进过程中刀盘上的滚刀应能全断面破碎岩石，不留岩墙。因此滚刀破 岩环带要遍布孔底，而且相邻环带间要有少量重迭。 ( 2 ) 在能保证全断面破岩的前提下，刀 盘上布设的滚刀应尽可能少。滚刀数曩少 不仅可以节约成本，而且每个滚刀能获得 较高的钻压，有利于提高破岩能力。 ( 3 ) 刀盘上4 个盘限中数量应尽可能相 等，刀盘上各处重量应均衡，以保持钻进 时钻头的平稳。防止因某处偏重而产生孔 斜和超径。 ( 4 ) 滚刀布刀要实行等强度设计， 图2 4 1 ) 2 0 m 刀赧布刀圈 做到各个滚刀的破岩量大致相等，从而使 滚刀寿命接近。为减轻边刀负担，刀盘外缘应适当多布刀，滚7 = f 破岩环带问的 重迭系数也应高一些。 ( 5 ) 严格控制滚刀定向，滚刀体主轴 中心线应对准刀盘过心线，刀座中心则 略偏，以防滚刀偏磨。 ( 6 ) 刀盘布局还要有利于快速聚渣、 排渣，为此滚刀在刀盘上力求成螺丝布 置，螺丝展开方向与钻头旋转方向相反， 原因是这罨中布刀方式在刀盘旋转过程中 有使工作面上的冲洗液及岩渣由中心向外 移动的趋势，利于排渣。 图2 5 滚刀螺线形布置 塞塞叁璧，。：! 矍塞墼毖蠢 ( 7 ) 吸渣口通常只布一个，多为椭园形扫描式，偏心布置。其面积应为钻杆 通孔面积的1 5 倍左右，其下口与孔底距离应为滚刀直径的1 2 左右。 2 4 3 2 2 平衡分析和计算 为了使刀盘受力均衡，布刀时应遵循力的平衡原理，经分析计算确定滚刀 位置。 在根据布刀原则确定滚刀到刀盘中心的距离后。就可进行平衡分析，建立 和求解平衡方程式，合理确定各滚刀之间的相对夹角。 以刀盘中心为原点，建立直角坐标系x o y ，同时以原点。为极点，x 轴正方 向为极轴，建立极坐标系o x 。各滚刀对刀盘的压力n i ( i _ l ，2 ，n 。n 为 钻头上滚刀布置数) 的作用点坐标为( pi ，oi ) ，即滚刀的位置坐标( 见图2 6 ) 。 用静力学公式计算n i 对x 轴和y 轴的力矩。 对x 轴，m x = z n lp j s i no 对y 轴，m y = n 1p i c o so i m x = o 如果方程组 m y = o 成立，则刀盘平衡，可确定滚刃位置。如不平 衡，则调整布置角度。再进行平衡计算，赢到 平衡为止。 2 4 t 3 3 滚刀的固定 滚刀通过刀座与刀盘固定在一起。滚刀 y o q、 弋j x 图2 6 刀盘平衡分析示意图 与刀座采用螺栓连接。螺栓用4 0 c r 钢特制，安装时应洗净螺纹部分并涂厌氧胶。 螺栓紧固后必须在相邻两螺栓的穴方头上加焊钢板。以防滚刀使用时螺栓松动。 刀座固定在刀盘上有两种方法，一是螺栓固定，二是焊接周定。目前多采用焊 2 i 耋蜜查塞，：堡耋耋堡墼塞 接周定方法。 2 4 4 滚刀钻头适岩性能与对应措施 根据楔齿滚刀钻头破岩机理，滚刀刀齿对岩石有压碎、冲击和剪切三种方 式，破岩时各自起着不同的作用。硬岩钻进以冲击破碎为主，软岩钻进以剪切 破碎为主，中硬岩层钻进时剪切与冲击破碎共同作用。因此楔齿滚刀钻头的适 岩范围广。 在近几年施工实践中，钢结硬质合金楔齿滚刀钻头穿过的岩土层广泛而有 代表性，包括粘土、砂砾、卵漂石、备种风化程度的花岗岩、石灰岩、砂岩、 变质砂岩等。除在岩溶发育的石灰岩中钻进困难、部分淤泥层钻进效率偏低、 砂层钻进时钻头磨损加剧之外，它对上述岩土均有较好的适应性。从强度很低 的淤泥到抗压强度1 0 0 m p a 以上的花岗岩、变质砂岩都能钻进，且具有一定的 钻进速度。这样，在成孔时常常可以一个钻头钻到底而无需换钻进工具，简化 了钻具、材料的准备工作。 针对不同岩土层各自的特点，钻进时需采取相应的措施，以提高钻进效率、 延长滚刀寿命。 在无胶结的卵石层钻进时，主要要求钻头具有很强的疏松能力、压碎劈裂 大卵石的能力和迅速排渣的能力，而不要求象岩层钻进时那样进行全面破碎。 因此刀盘上所布滚刀可适当减少，钻进压力可适当降低，但必须用反循环排渣。 而且为防止大卵石堵塞钻杆和地面管道，在吸渣口应加焊钢筋。如图2 7 便足 专为钻进卵石层设计的钻头，m2 2 m 刀盘上只布rl o 把1 2 系列滚刀，除最外 圈布4 把边刀外，其余各圈均只布一把正刀，不过正刀相互间破岩环带重迭较 多。经使用效果较好。 砂层钻进时砂粒对滚刀齿刃、密封件等处磨损得很厉害，很容易造成滚刀 早期失效。因此，也一定要用反循环排渣，以确保孔底干净。淤泥层钻进时易 泥包钻头，应采用大泵量进行反循环 排渣。在岩溶区施工时常会出现岩面 起伏大、钻进时半边先入岩的情况， 滚刀钻头入岩过程中产生有规则的振 动导致钻杆和钻机剧烈跳动，严重损 坏设备。遇到这种情况时应轻雁侵 转，以免蹩断主动钻杆，同时也有利 于减轻钻机易损部件的磨损。为防止 半边入岩时钻孔偏斜，还应在钻头上 方适当位置加装导正器。 2 4 s 滚刀保管瓤拆装 图2 7 由2 2 m 滚刀钻头布刀图 2 4 5 1 滚刀的存放和搬运 ( 1 ) 滚刀应存放在通风干燥处，远离热源。 阳暴硒伤害橡胶封圈和雨水锈蚀刀体。 ( 2 ) 对尚未报废的旧滚刀应及时清沈外表， 拆卸清洗后组装注油，以待再用。 露天存放时应予以遮盖，防止太 涂油防锈。如发现内腔进水，应 ( 3 ) 搬运滚刀时，不可捧震或对撞滚刀，以防震碎浮封环和碰碎合金齿。 2 4 5 2 滚刀的拆装 各厂家生产的滚刀其内部结构多少有些差别，滚刀拆装的顺序不完全一致。 现以洛阳矿山机器厂的滚刀为例，介绍滚刀的拆装。 ( i ) 钻掉定位销，拧下正推盖； ( 2 ) 用千斤顶压出心包，拧下大、小端盖，依次取出。型圈、浮封环、轴承， 清洗干净后待装； ( 3 ) 组装时按上述两步骤逆行装配。各零件清洗干净，o 彤圈如有扭曲、划 伤、磨损应更换新的。所有螺纹处洗净涂密封胶： ( 4 ) 刀体采用热装，在油中加温到8 0 ，刀体装配时不得用大锤打击； ( 5 ) 装好后，拧