含巨大孤石地层成孔方法

含巨大孤石地层成孔方法

随着经济发展的快速发展，高层建筑、重点车间、港口码头、道路、铁路、桥梁、水库基地、大门等企业发展迅速。这些工程都要求施工大直径钻孔灌注桩。施工中常常会遇到随机分布于软层中的未风化的巨大孤石,由于形状大小各异、厚度不一,抗压强度较高,过去一度成为钻进该类地层的一大难题。近年来,针对不同地区、不同地层特点,开发出了许多种施工技术、方法,并在工程实践中获得成功,满足了不同的施工要求。目前常用于突破巨大孤石的方法有:开挖法、冲击钻进法、回转钻进法、大直径潜孔锤泵吸反循环钻进、爆破法和复合钻进工艺。1分层排水施工开挖法即在钻进过程中,遇到大孤石时,下护筒,在含水层地区还须进行抽水,采用人工的方法或挖掘机械挖去巨石。开挖法具有如下特点:(1)施工简单,易操作等优点;(2)开挖孔法不适宜于孤石埋深较深或涌水量大的地层。2冲击钻孔2.1拉伸冲击战钢丝绳冲击钻进的基本原理是借助一定重量的钻头,在一定的高度内周期地冲击孔底,使岩石破碎而获得进尺。在每次冲击之后,钻头在钢丝绳的带动下,转动一定的角度,从而使钻孔得到规则的圆形断面。冲击动载在理论和实践上都表现出它有利于破碎坚硬岩石,特别是冲击巨大孤石可实现反复冲击,修整孔壁,减小孔斜。钢丝绳冲击钻进具有如下特点:(1)设备与工艺简单、操作维护方便及成本低;(2)对于特别坚硬光滑的巨石,冲击钻头易发生冲裂或冲断,钻头寿命低,回次进尺小,严重时钢丝绳被震断,发生孔内事故;(3)由于钻头在钻孔反复冲击时产生震动,易造成孔壁不稳定。2.2地表冲洗液循环所谓冲击反循环钻进,即在钢丝绳冲击钻进系统之外加一组反循环设备和排碴管线,在冲击钻头冲击碎岩的同时,利用反循环设备在钻孔内形成冲洗液反向连续循环,钻头破碎下来的岩屑随同冲洗液沿下入孔内的排碴管上升到地表。冲击反循环钻进具有如下特点:(1)设备简单、重量轻,便于维修、安装和搬迁;(2)钻进效率高。由于采用反循环,能及时排除孔内岩粉,孔内清洁,减少了重复破碎,提高了钻进效率;(3)时间利用率高。采用反循环钻进,钻进和排粉同时进行,增加了钻进时间。2.3冲击破碎岩底岩石冲抓锥钻进钻进过程分为两个阶段,即冲击阶段和排碴阶段。冲击阶段冲抓锥在自重作用下冲击破碎孔底岩石;排碴阶段张开的叶片插入孔底地层,提升时冲抓锥叶片合拢,抓取孔底岩块,在自动卸挂器的作用下,冲抓锥提出孔外后叶片自动张开,将岩石排出孔外。冲抓锥钻进特点:具有成孔速度快、投资少、操作简单、搬迁拆卸方便等特点。3返回并孔3.1颗粒压裂碎岩和脉动冲击碎岩钢粒钻进是19世纪后期开始应用于钻探工作。这种钻探方法主要用于钻进中等硬度以上的坚硬岩层。当常规钻进遇到孤石时,下入筒状大直径钢粒钻头进行钢粒取芯钻进。大直径钢粒取芯钻头和小直径钢粒取芯钻头差不多,但钻头直径大,将钻头与岩芯管焊接在一起。钢粒钻进的碎岩方式有三种,即压碎碎岩、压裂碎岩和脉动冲击碎岩。当钢粒转到以较小的面积与孔底岩石接触,或钻头给予钢粒的轴向压力比较集中而致使钢粒与岩石的接触面上的压强达到岩石的压入硬度时,则在接触的地方,发生压碎式碎岩情况。此时钢粒压入岩石,岩石呈体积破碎方式破裂,同时钢粒的触点也受到一定的损伤;压裂碎岩是由钢粒的碾压作用而产生的疲劳碎岩方式。孔底的钢粒在钻头轴向压力Py作用下,由于钻头唇面的弹塑性变形和磨擦力,而以Px水平力推动钢粒作滚转运动。钢粒受一定的压力压于孔底岩石,钢粒在滚动过程中将岩石撕成许多裂纹。脉动冲击碎岩是指钢粒钻头在钻杆柱传来的轴向压力作用下压在孔底钢粒层上,作回转运动。一方面,在回转钻进时,钻杆本身产生纵向、横向和扭转振动,由于钢粒形状和大小不均,孔底岩石面不平等原因,钻具会产生强烈的弹性脉动冲击并作用于钢粒上面;另一方面,在碎岩石过程中,钢粒每次体积破碎也会产生激振。大直径钢粒钻头取芯钻进具有如下特点:(1)钻进效率高,成孔周期短。取芯钻头克服了全面钻进钻头存在的钻头中芯与钻头外缘圆周速度的极大差异,因而能够保持较高的稳定的效率。实践证明,一般2.0m左右的巨大孤石,1d能够顺利取出,厚3m的孤石,也只2～3d就能钻穿取出。(2)桩孔垂直度好,钢粒取芯钻进使用的筒状钻头较长,导正性好,不易偏斜,具有十分有效的纠斜能力。(3)孔内事故少,材料成本低。(4)钻进时部分钢粒在钻头唇面下破碎孔底岩石,而另一部分钻粒被挤在内、外间隙中,研磨岩芯,使岩芯直径小于钢粒钻头内径,从而大大减少了岩芯堵塞事故。(5)由于钢粒不固定在钻头上,钢粒钻进不能钻进大裂隙、空洞或涌水量大的地层。在这些地层中,钢粒会漏失或被冲走,不能保证钻头唇面下有足够的钢粒来破碎岩石。(6)由于钢粒不固定在钻头上,造成钻进工艺比较复杂。特别是对冲洗液的调节和掌握,必须适应孔底分布及分选要求,且需随着孔底情况的变化而改变。3.2冲击加剪切作用机理牙轮钻头的碎岩机理,牙轮对岩石的破碎作用方式有三种:即压碎、冲击和剪切。压碎是牙轮在钻压作用下对岩石的静压力压碎作用,压碎的作用效果主要取决于钻压的大小和岩石硬度;冲击是由于牙轮滚动不同轮齿交替作用于岩石而使牙轮轴心上下振动,从而对岩石产生冲击,冲击力大小与牙轮直径、齿数、转速和钻压有关,它与齿数成反比,与转速、直径、钻压成正比;剪切是由于牙轮在岩石上滚动的同时,轮齿还有一定的滑移,从而对岩石进行剪切破碎,剪切作用则取决于牙轮的回转半径和主锥角,由于牙轮的主锥角是一定的,钻头上有一个纯滚动带,离纯滚动带的距离愈远牙轮的滑移愈大,滑移速度愈快,剪切作用愈强。同一钻头上回转半径不同,牙轮的破岩效果也不同,由岩石破碎机理可知,钻进软岩时剪切碎岩效率高;钻进中硬岩石时以冲击加剪切的方式破碎岩石效果好;而钻进较硬岩石时,则应以冲击破碎岩石为主。牙轮钻进的特点:牙轮钻进能适应中硬、坚硬地层的钻进,牙轮钻进的碎岩方式决定了它不可具有太高的钻进效率,同时与刮刀相比,具有与井底接触面积小,比压高、工作扭矩小,工作刃长总长度大等优点。4冲击地表的冲刷、回填孔口的机构所谓大直径潜孔锤泵吸反循环钻进是指在硬质合金球齿钻头和钻杆之间加上潜孔锤,潜孔锤由地表空压机供给的高压气体驱动工作。钻头在受到潜孔锤传给的冲击和地表钻机回转器经钻杆传来的扭矩的作用下对岩石进行冲击、回转破碎岩石,冲洗液经钻杆排出孔外,泵的吸水口通过吸水管水龙头、钻杆柱相连接。当泵工作时,泵在其进水口处形成负压,孔口液体在大气压的作用下,经钻头携带岩屑经钻杆中空而上升,通过水龙头、胶管从泵中排至集碴坑中,经沉淀后的冲洗液以自流方式自孔口返回井底,形成循环。大直径潜孔锤泵吸反循环钻进具有如下特点:(1)钻进效率高。大直径潜孔锤泵吸反循环钻进由于钻头以较高的冲击速度冲击岩石,冲击功大,可获得较高的钻速;(2)泵吸反循环,排渣干净,钻进效率高;(3)施工周期短,成本低。5爆破法与其它法相结合使用常见的爆破法有人工挖孔炸石成孔法、钻孔爆破法、定向聚能爆破法。爆破法常和其它方法相结合使用。爆破的作用是炸破或炸裂岩石使岩石形成破岩面,利于下一步钻进。5.1孤石爆破孔人工挖孔炸石法,是钻进过程中遇到孤石时,采用开挖法使孤石露出,下护筒,对含水层还应进行抽水,然后人进入孔内,利用凿岩机在孤石上钻出爆破孔,安放适量的炸药,对孤石进行爆破。人工挖孔炸石法,当钻孔直径较小时,由于要开挖,因此不适宜埋深较深的孤石,对于钻孔直径较大时,可以不开挖,直接下护筒,人进入孔内钻孔、装药、爆破,此时钻进孔深可进一步扩大。只是对于涌水量大的地层,难以继续延深。5.2爆破透过岩石在钻进过程中遇到孤石时,提钻后查明孤石的产状、大小、形状并依此来制定爆破孔的数量、分布和装药量,利用小口径钻头在孤石上钻出爆破眼,然后在小孔内安放适量的炸药对孤石进行爆破。清除孔内岩块进而达到钻孔顺利穿过孤石的目的。对于垂直高度特别大的巨石可以进行多次爆破直到钻孔穿过巨石。钻孔爆破具有如下特点:(1)施工周期短,成本低;(2)适应范围广,可适应不同埋深的孤石、漂石、滚石;(3)方便灵活,可根据孤石的形状、大小来具体确定爆破孔的孔径、深度和装药量大小,对厚度较大的孤石,可实施分层爆破确保钻孔质量;(4)不适宜用于松散地层中的直径相对较小、形状近似圆形、表面光滑的孤石,在小口径钻进此类岩石时,岩石和钻头一起回转,钻进成孔困难。5.3电雷管爆破法采用聚能药柱(又称砾石弹)对孤石进行爆破是突破孤石的又一有效方法。砾石弹是军工厂生产的一种成型药柱(图1)。将它置于岩石表面,通过电雷管引爆,瞬间产生高温、高压、高速冲击波破碎岩石。地表试验表明,单发可产生深度为300mm,破碎直径为1200mm的破碎坑。在孔内试验时,由于水柱压力影响,破碎效果更好。聚能爆破具有如下特点:(1)效率高,岩石以体积破碎方式破碎,破碎单位体积岩石所需能量少;(2)施工工序简单、安全、易行且成本低;(3)可根据岩石性质及钻孔要素选择药柱数量和分布,实施聚能爆破,应用灵活广泛。6钻进方法的确定复合钻进工艺是一种将多种钻进方法有机地结合在一起的施工工艺。复合钻进工艺,依据地层情况、孤石性质(形状、大小、产状、硬度、研磨性等)、钻孔直径、孤石埋深,在不同钻进阶段,合理选用不同的钻进方法。复合钻进工艺具有如下特点:(1)多种工艺有机结合,各种钻进方法各有针对性,多种钻进方法取长补短形成一个有机整体;(2)钻进效率高,复合钻进工艺中各钻进方法针对性极强,能充分发挥各种钻进方法的长处,各种方法取长补短有机地结合在一起,大大提高了钻进效率;(3)适应范围广,合理选择适当的方法能够有效地攻克不同地层中的各种大孤石;(4)施工工艺合理,由于复合钻进工艺针对不同地层情况、孤石性质和埋深等具体情况选择钻进方法,然后制定施工工艺,施工工艺得到优化。常见的复合钻进工艺有如下几种。6.1钢粒钻进法此工艺将冲击钻进、冲抓钻进和钢粒钻进结合在一起,能够有效地攻克巨型孤石。其工艺过程及要点如下:填——当常规钻进遇到孤石时,先查明孤石的大小形状和产状,然后填入与孤石硬度大小相近的块石和适量粘土。填石高度高出孤石面约0.5m。也可灌注适量的C30水泥胶石浆液,把不平的孤石面改造成平面。这项工作无论是冲击钻进还是回转钻进都是必须的一个工序。钻——下筒状钢粒钻头进行钢粒钻进,将孤石钻出一个环状自由面。钢粒碎岩不仅可以加快孤石体的解体,而且直接形成规则的圆筒状钻孔。孤石不大,可以直接钻穿。如果孤石巨大可钻进0.8～1.2m,为避免钻头被挤夹,可不取芯,由破岩理论可知,增加自由面,可加速岩石的破碎。对于较小的孤石,产状和位置均适宜冲击钻进时,可省去本工序,直接进行冲击钻进。大而陡的孤石,则必须采用钢粒钻进。冲——下冲击钻头进行冲击钻进。将被钢粒采取出的岩芯冲碎或破碎。抓——下冲抓锥将被冲击钻头冲成小块的孤石抓掉。其中有一部分直径较大的碎块被冲击钻头冲入软岩后,很难被击破,因而无法在冲击钻头钻进后立即恢复正常钻进,故必须采用冲抓锥将其抓出。6.2爆、压、压、压的复合开挖技术如果采用聚能爆破法破岩,则可以形成爆、填、冲、抓复合性钻进工艺,其施工工艺依次为:爆,填,冲,抓。6.3完成、钻、爆、压、压复合开挖技术如果采用钻孔爆破法破岩,则可以形成填、钻、爆、冲、抓复合性钻进工艺。其施工工艺依次为:填,钻,爆,冲,抓。7般方法处理复杂地层孤石的技术措施通过以上分析,可以得出上述各种方法具有以下特点:(1)开挖法,由于直接将整个孤石直接从孔内移走,避免了对孤石的破碎工序,而这恰恰是含孤石地层钻进的困难所在,大大简化了施工,当孤石埋深较浅、孤石之间直径和钻孔直径相比相差不大时,采用开挖法处理孤石,简便、易行、经济、可靠;其局限性是不能用于深孔施工;(2)冲击钻进由其碎岩机理决定了其钻进效率低;冲击反循环钻进由于增加了一套反循环系统,与冲击钻进相比,钻进效率有大幅度的提高,但当工程进度较快时,仍无法满足工程要求;当遇到坚硬、致密、光滑、形状不规则的孤石时,钻进困难且易出现孔内事故;(3)钢粒钻进、牙轮钻进主要依靠牙轮或钢粒与孤石的研磨来碎岩,因而钻效不高,但采取一定的技术措施后,钢粒钻进的钻孔质量较好,常用于工程进度不紧的工程中,对于复杂地层则效果不佳,有时甚至无法钻进;(4)大直径潜孔锤反循环钻进,由于作用于岩石上的单次冲击功大,碎岩效果好,加之反循环孔底排渣干净,因而钻进效率高,适应于各种复杂地层,对极少特殊地层效率不高。(5)爆破法直接对孤石进行爆破,较好地解决了钻进坚硬、致密、表面光滑孤石时,钻头打滑,别钻等问题。(6)复合钻进工艺,将多种方法有机地结合在一起,由于复合钻进工艺依据地层情况、