中国地质科学院探矿工艺研究所针对覆盖层钻探取芯难的技术难题,加强技术攻关,研发出空气潜孔锤取芯跟管钻进技术,既有效提高了钻探效率,又大大提高了取芯质量。
  覆盖层是指覆盖在基岩之上各种成因的松散堆积物和沉积物,采用常规的回转取芯钻进方法钻进,普遍存在钻进效率较低、岩芯采取质量较差等问题,不仅影响地质勘查进度,还影响地质勘查的客观评价。长期以来,业界从各种泥浆护壁工艺入手,期待解决孔壁垮塌和取芯难题,但收效甚微。
  中国地质科学院探矿工艺研究所研发的空气潜孔锤取芯跟管钻进技术本着“环保、优质、高效”的原则,针对覆盖层钻孔易垮塌、岩芯松散易被泥浆冲失和钻孔漏失等钻进难题,从保护孔壁和保护岩芯入手,采用空气钻进原理,将常规的回转取芯钻进方法与潜孔锤跟管钻进优化组合,形成了一种有效的覆盖层钻探新方法——空气潜孔锤取芯跟管钻进,是在覆盖层钻探取芯行之有效的新的技术方法。
  该方法采用空气作为冲洗和冷却介质,不需要液态介质(泥浆),对地层稳定性无影响,不会产生渗漏污染地层和地表,并且施工场地占地面积较小,钻孔施工周期短,对地表植被影响较小,地表植被容易恢复,是一种环保、优质、高效、合理成本、实施更容易的钻进方法,为“绿色钻探”的浅层钻探提供了有效的技术支撑。
  据了解,该技术将潜孔锤跟管钻具与双动双管取芯钻具进行组合,既发挥了潜孔锤跟管护壁效果好、钻进速度快的优势,又具有更好的取芯能力;采用同步和同芯跟管钻进,钻进稳定性好,有利于采取岩芯,岩芯采取率理论上达100%,岩芯无窜层,地层层位清晰;钻进速度快,岩芯质量好,对环境影响小,钻探成本低,操作简便,实施容易,适宜松散堆积物和沉积物等各种成因形成的覆盖层,可广泛用于浅层地质钻探;采用空气作为冲洗介质,从根本上解决了钻探施工(回转钻进)液态冲洗介质漏失对地层稳定性的影响,避免污染地层,这一特点对滑坡勘察尤为重要。
新葡萄京娱乐场手机版,  该技术先后在四川地质工程集团公司的西藏昌都加林村滑坡和夏通街滑坡、中铁二院成都地勘岩土工程有限责任公司的成都地铁4号线温江段和拉林铁路林芝标段、青海多彩矿区“以钻代槽”浅钻勘探工程等多项工程的覆盖层钻探中广泛应用,完成钻孔100多个,一般孔深30米~40米,最深孔46米,累计完成钻探工作量3000余米;岩芯采取率大于95%,岩芯层位清晰;钻探效率提高150%以上;施工期间无污染,对滑坡地层稳定无影响,占用场地较小,施工周期短,地表植被基本不受影响。

摘要:本文分析了岩土锚固工程施工过程中遇到的特殊地质环境条件,在对复杂地层进行分析分类的基础上,分析了工程措施对造成地层复杂的影响因素,提出了克服复杂地层钻孔施工难度大应采取的施工工艺方法和技术措施,介绍了选择施工设备及机具的一般原则,对岩土锚固工程施工具有一定的指导意义。

 

关键词:锚固工程复杂地层钻孔工艺 钻机 钻具.

 

前言

岩土锚固工程技术因其独特的对岩土体进行加固的力学性态和工艺特征,已被广泛地应用在基坑支挡、边坡加固、滑坡整治、结构抗浮抗倾、坝基稳定和悬索结构的锚碇基础等工程建设领域中。就岩土锚固工程技术本身而言,已在大量的工程实践中得到了长足的进步和发展。新材料、新机具、新工艺的应用,为岩土锚固工程技术的实施提供了有力的保障措施,也为工程建设的持续发展起到了积极的推动作用。岩土锚固新技术的不断发展和应用,具体体现在以下方面:
1.
锚索的结构有传统的拉力型发展为压力型、压力分散型、剪力和剪力分散型、剪力-压力分散型、拉力-压力分散型等,使得锚固段的锚固力更加均匀合理,受力状态得到极大的改善,有利于锚固力的稳定和永久保持,锚固工程的可靠性得到了极大的提高。另外复合土钉墙技术和自钻式锚杆技术也得到了长足的发展,扩大了岩土锚固技术的应用范围和应用领域。
2.岩土锚固施工技术日臻完善;
岩土锚固施工钻孔设备和钻孔机具也已在大量的工程施工中得到了长足的发展和应用,从开始的国外引进发展到国产化,各种型号、规格的锚固钻机品种齐全,钻孔机具和钻孔工艺方法多样化,能适应和满足在各种不同地质环境条件下进行岩土锚固工程施工的需要。在具体的岩土锚固工程实施过程中,施工质量的优劣将直接影响到岩土锚固的效果和锚固能力;施工效率的高低,将影响到施工工期和经济效益。选用适宜的施工设备和施工工艺方法进行科学的施工组织来提高锚固工程施工质量和效率,是锚固工程施工单位和我们共同关心的关键所在。大量工程实践证明,钻孔作业是实施岩土锚固工程中费用最高,最费时同时也是技术最复杂的施工过程。钻孔质量的优劣,不仅直接影响到锚固效果,而且影响到工程工期和工程造价。因此研究开发适合我国国情的高效岩土锚固钻孔机具和钻孔工艺方法对进一步促进岩土锚固技术的发展和应用具有十分重要的现实意义。一.岩土锚固工程施工中的地质条件和环境条件
我国地缘辽阔,具有地质和地形条件变化差异大的特点。各类地质灾害发生面广、量大,尤其是随着国家西部大开发计划的实施,由于水电站、公路、铁路等基础工程设施的施工,人为地对原有地质环境的改变造成了滑坡、泥石流及崩塌等地质灾害大量发生。在地质灾害预防和整治工程施工中遇到的地质条件和环境条件都十分复杂。一是有大量高山、深沟造成的交通条件十分不便的高陡边坡的锚固工程施工;其次是有松散、破碎、裂隙发育、溶洞等构成的第四系地层锚固工程施工;第三是有崩塌、滑坡及坡积物为主的堆积体地层锚固工程施工。在交通条件十分不便的高陡边坡的锚固工程施工时,给施工设备及施工机具的搬迁和安装造成了极大的困难和危险性;在第四系地层及堆积体地层锚固工程施工时,无论在施工设备和施工机具以及施工工艺上都会造成极大的损耗和困难,从而影响到工程施工进度和成本。因此在实施某一项具体的岩土锚固工程时,对地质条件和环境条件作全面的调查和了解是十分重要的。二.复杂地层中的岩土锚固工程施工
1.
复杂地层的概念地层的构造及其物理化学特性是地层固有的,第四系地层中的破碎、松散脆性、层理、片理、节理、裂隙及断层,遇水膨胀或溶解、遇水发生风化剥落或崩解现象,地层中洞隙、孔隙和溶洞及含水性;长期风化剥落或滑移、崩塌形成的填方堆积体等是构成复杂地层的基本因素。但是我们在进行具体的岩土锚固工程施工时,不能简单地将复杂地层与造成钻孔孔内复杂现象划等号。地层复杂并不是产生钻孔孔内复杂现象的唯一因素,相同的地层在不同的钻孔孔深、孔径、裸眼时间、洗孔介质及钻孔工艺等工程措施下,其稳定程度是不相同的。如果工程措施应用不当,往往会造成钻孔坍塌或漏失等,钻孔复杂情况严重时会造成埋钻,使钻孔作业无法进行。反之如果工程措施得当,采用了正确的护壁、堵漏措施及配套的钻孔机具,即使在复杂地层中钻孔其孔内的复杂情况也会得到有效的抑制,甚至使钻孔变得不复杂。
2.
复杂地层中钻进因素对孔内复杂的影响地层复杂是造成锚固钻孔孔内复杂的重要原因,而钻进因素对钻孔孔内复杂亦将产生极为重要的影响。1)钻孔孔径钻孔孔径越大,孔壁越趋于不稳定。锚固钻孔的孔径一般由设计的锚固张拉吨位来确定,在满足锚固段锚固力要求的前题下,从维护钻孔孔壁稳定出发,应尽可能地缩小钻孔设计孔径。对于一些钻孔特别困难的复杂地层,甚至可以从设计的角度出发,降低单索锚固设计吨位,从而减少钻孔孔径,或采用端部扩大型锚固段,来减小钻孔孔径。2)钻孔孔深孔越深、孔壁越不稳定。一是深部地层具有较大的内应力,当地层被钻穿后,可能发生崩解或塑性形变。二是因大多数锚固钻孔呈水平或水平倾斜,随着孔深的加深,钻孔容易发生弯曲,容易发生掉块和塌落,钻具在弯曲钻孔中对孔壁的撞击和拢动会加重这种现象的发生。3)钻孔的裸眼时间地层中钻孔孔壁的破坏,是需要一定的时间变化过程的,在水溶分散性地层、溶胀性地层及水化剥落地层中,裸眼浸泡时间越长,孔壁的破坏越严重,越易出现孔内复杂问题。因此在锚固钻孔过程中应尽量缩短钻进周期,采用高效钻孔设备和机具,迅速地将地层钻穿,或者采用套管护壁的跟管钻进方法来保护钻孔孔壁。4)洗井介质应用洗井介质的目的主要是为了清除钻孔过程中孔内的岩屑,其次可以平衡地层中的压力,借以稳定钻孔孔壁。锚固钻孔的洗井介质主要是水和空气。当用水基介质作为冲洗液时,泥浆的性能优劣对孔壁的稳定与否会产生较大的影响,在水敏性地层中钻孔时,应采用具有相应抑制性能的优质泥浆作为洗井介质,或者采用空气作为洗井介质。空气作为洗进介质时有许多优点:a)因空气的密度非常低,全孔段气柱对孔壁的作用压力远小于液柱的压力,从而改善了岩石在孔底的多向受压状态,有利于破碎岩石及提高钻进效率。b)、空气介质的低密度特性使其在裂隙发育严重的破碎漏失地层中也能保证钻进。
c)、在复杂的水敏性地层中钻进时,则可避免孔壁的缩径、坍塌、剥落等造成钻孔孔内复杂的不良影响。
d)、由于空气的流速非常高,钻进时的流速可达10~20米/秒,对孔内岩渣的清洗效果好,不仅有利于提高钻进效率,而且可减少因岩渣推积引起的埋钻事故。因而目前绝大多数的锚固钻孔是以空气作为洗井介质,以风动潜孔锤钻井方法来完成的。还有一种情况,不使用任何洗井介质的干钻方法,用机械螺旋回转来排出孔内岩渣,螺旋钻杆对钻孔孔壁具有一定挤密、修正作用,有利于孔壁的稳定。5)工艺操作
钻孔过程中操作不当,往往会引起或加重孔内复杂现象。a)当长时间地在钻孔的易坍塌孔段冲孔时,极易把该段地层掏空形成大肚子。b)、在松软破碎地层中如果钻进速度太快,大量岩渣不能得到有效清除而在钻孔内形成推积时,会造成埋钻、卡钻事故。c)、当钻遇大的断层或溶洞时,钻具回转速度过快,会引起钻具的折断。
d)、在层理、片理等节理发育地层及软硬互层地层中钻进时,如果钻进压力过大,不仅会引起钻孔严重弯曲,还会因钻具的负荷太大造成孔内复杂现象。3.
复杂地层中的钻孔工艺方法我们遇到的大量的岩土锚固工程施工是在复杂地层中进行的,了解和研究地层的复杂情况以及产生锚固钻孔孔内复杂现象的影响因素,可以帮助我们制定正确的钻孔工艺方法,采用适宜的钻孔设备和机具,从而以最经济的手段达到高效成孔的效果。
A、全套管钻进;

全套管钻进方法是将套管作为钻杆使用,将套管外径做成外平式,钻头外径比套管外径稍大,钻孔结束以后,从套管内孔中下入锚杆,然后边注浆边起拔套管。在一些松软的第四系散砂、粉砂土、砂质粘土、填土、砂包土、砂砾岩地层中钻进时使用,可采用水基或空气介质循环清孔排渣。B、长螺旋钻进
长螺旋钻进是借助螺旋钻杆上的螺旋片将孔底岩渣排出孔外,同时在回转过程中螺旋片对孔壁产生少量的刮削和推挤作用,可将少量暴露在孔壁的探头岩石清除排出孔外,在容易缩径的地层中可借助螺旋片的刮削作用保持钻孔孔径,在含水地层中采用风动潜孔锤钻进时,大量岩粉遇水后势必会混合在一起并且粘附在孔壁上使钻孔孔径变小,借助螺旋片的刮削作用也可避免夹钻、卡钻事故。在软弱、破碎、断层地层钻井时,一方面会产生大量的岩粉需要及时加以清除,但因地层中大量孔隙和裂隙的存在,使洗井介质严重漏失,排渣循环减弱后,岩碴会堆积在钻孔内,利用螺旋片的推送作用,可将岩渣及时排出孔外。长螺旋钻井较典型的钻具组合为:螺旋钻杆+刮刀钻头

可应用在松软的堆积体、粉质粘土、含少量砂砾层的粘土地层中钻进,既可无循环干钻,也可用水基泥浆循环。螺旋钻杆+风动潜孔锤

可应用在破碎裂隙发育地层,断层地层,软硬交互地层及含水地层中钻进。空气主要作为潜孔冲击器的工作动力,可以获得较高的破岩效率,岩渣则主要通过螺旋钻杆的推送作用排出钻孔外,但是,长螺旋钻进方法有其一定的局限性,一方面钻具在钻孔全孔段与孔壁接触,回转扭矩势必很大,对钻机的输出扭矩和提升能力也就要求较大,除此之外在容易产生较大直径掉块或坍塌地层中钻进时,很容易产生卡钻或埋钻现象。C、跟管钻进与其它钻进方法相比较,跟管钻进为在复杂地层钻进过程中的破岩、护壁和堵漏问题提供了较为全面的解决方案。跟管钻进在钻孔的同时对已钻出的钻孔用护壁套管保护起来,护壁套管具备有足够的强度和刚度,可有效地阻隔钻孔壁的变形、坍塌、掉块,阻隔钻孔机具对孔壁的冲击扰动,从而有效地保证了孔壁的完整性。套管护壁后完全免了洗孔介质对孔壁的冲刷和在洞隙地层中的漏失,使洗井介质保持有较高的上返速度,从而迅速地将孔底破碎下来的岩渣排出。由于套管的刚性比较好,套管对钻具提供了较好的扶正和导正,从而使钻孔弯曲度小,保证了钻孔的精度要求。跟管钻进结束后,可把套管迟留在孔内,把中心钻孔钻具提出后,从套管内孔中下入锚索,然后边注浆边拔出套管,有效地保证了锚固段的注浆质量,并可节约注浆材料消耗。根据套管的跟进方法不同,跟管钻进设备机具组合可有如下几种方式(1)单动力头偏心扩孔跟管钻进

偏心扩孔跟管钻进的特点是钻进过程中套管不回转,依靠套管内的中心偏心钻具在孔底钻出直径大于套管外径的钻孔,中心钻具在钻孔延伸的同时,通过套管靴上的内台阶带动套管一起向前延伸,实现边钻进边护壁。

(2)单动力头同心扩孔跟管占进

与偏心式跟管钻进相同是套管也不回转,孔底钻扩孔则是由中心钻具和套管钻头联合完成的,使孔底钻孔同样地大于套管外径,中心钻具钻进延伸时通过套管钻头和套管靴带动套管向前延伸,实现边钻孔边护壁。

双动力头顶驱跟管钻进

其特点是套管在钻进过程中以与中心钻具回转方向相反的方向回转,以与中心钻具相同的给进速度跟进。在套管的顶部回转运动和给进驱动力的作用下,加快套管的跟进速度,从而使钻进速度和钻孔深度得到大幅度的提高。

综上所述在第四系松散破碎地层及各种堆积体地层中施工锚固钻孔时,主要要解决孔壁的稳定和地层的漏失。由于地层的松散或破碎,当突然被钻穿后,在孔壁上失去约束,从而产生不稳定的趋向,极易发生孔壁坍塌、掉块漏失、钻孔弯曲、岩渣堆积等现象,钻进过程中往往容易产生卡钻、埋钻、钻具折断,钻机超负荷损坏等孔内复杂现象。因此所制定的钻进工艺要从维护钻孔孔壁的稳定和维持正常钻进循环出发,洗孔介质应首选空气介质,并且尽量采用套管护壁,套管跟进钻孔方法;要配备使用具有较大扭矩和提升能力并具备有较强的瞬时超负荷能力的高效专用锚固钻机。三、提高复杂地层锚固钻孔质量的技术措施
岩土锚固工程施工中对钻孔质量有一定的指标要求,其中最重要的指标是钻孔轴线的倾斜度。钻孔弯曲对锚固质量造成直接的危害,一方面它会降低锚索预应力的有效传递,使一部分锚固预应力损失在弯曲孔壁的摩擦上;有时当两孔之间的锚固端因钻孔轴线的弯曲而产生交叉重叠或距离很近时,将会使锚固端局部地层的应力过于集中,对岩体的整体稳定产生不利的影响。在复杂地层中钻凿锚固钻孔难度大还体现在钻孔精度不容易保证,如果采用的施工方法及技术措施不当造成钻孔严重弯曲时,不仅会降低锚固效果,给工程埋下隐患,还会加重施工过程中钻孔内的复杂现象,使钻进效率降低,增加了施工成本。因此针对施工地层具体的构造及物理化学特性,采用合理的钻孔工艺方法,采用先进的钻孔设备和机具,最大限度地削弱复杂地层因素的影响,消除或减少各种工艺技术因素对锚孔弯曲的影响,对保证锚固工程质量具有十分重要的现实意义。1、钻孔设备
应尽可能地选用稳定性能和导向性能好,钻进能力大、功能多的专用锚固钻机,便于在不同的地层复杂情况下选择不同的锚固钻孔方法。设备的输出扭矩和提升能力是衡量设备钻进能力的重要指标,如此之外设备的给进行程要大,在可能的情况下应尽量配套双动力头的锚固钻机。2、钻孔机具
一方面应选用可靠性高的优质钻孔机具。钻具在复杂地层中受力情况十分复杂,钻杆、套管及其连接接头、钻头、冲击器等钻具要求具备有较高的强度和刚度。此外钻孔机具的合理组配也应引起足够的重视,在钻头或冲击器位置增加粗径导向钻具,在钻杆的适当位置设置扶正接头,在可能的情况下尽量采用刚性好的粗直径钻杆,这些都能有效地预防或减少钻孔弯曲。3、工艺操作1)、锚固钻机的定位、安装以及钻孔开孔时的导向非常重要,钻机的定位、安装要准确、稳固,开孔时除导向器准确对准方位之外,应采用轻压,慢转控制钻进速度。2)钻进过程中钻遇破碎、松散及断层时,要放慢转速、给进压力和给进速度。降低转速能有效仰制钻孔超径,维持孔壁的稳定,对防止钻孔弯曲非常有利;给进压力大时,孔底钻具的倾斜角加大,造斜力增大,极易造成钻孔上浮,若钻压过小,在钻具重力作用下,钻头克取孔内下部底缘的时间和作用力相对上部边缘要大,会导致钻孔“下垂”,在钻进过程中应结合测斜情况及时加大或减小给进压力。3)、应尽量使用空气作为洗孔循环介质,少用或不用水冲洗钻孔,这样可以避免水对地层及钻孔孔壁稳定性产生的破坏性影响。四.岩土锚固钻孔设备及机具的选用原则
综上所述,钻孔过程在岩土锚工程施工中处于十分重要的地位,关系到整个工程施工的质量和效益,地层的复杂性给锚固钻孔施工造成了一定程度上的复杂性影响,但是只要钻进工艺方法正确,钻孔设备和机具应用得当,再复杂的地层也可以用相对经济的手段加以克服。在复杂地层中钻进所采用的锚固钻孔设备和机具,必须具备以下优良性能。1)、锚固钻机具有较大的扭矩输出,能够克服钻孔内复杂的钻进负载变化及卡钻现象。2)、具有较大的提升能力,当孔内出现掉块、坍塌等复杂现象时,能够采取强力起拔措施处理,防止卡钻、埋钻事故的发生。3)、具有较大的调速范围,适应在土层、岩层不同地层条件下,采用不同钻进方法时对回转速度变化的需要。4)、具有较长的给进行程,这一点对提高钻进效率和采用跟管钻进方法很重要,一般给进行程不小于1.8~2米。5)、具有最轻的重量和便利的分解组装性能,对于交通不便的山区和高陡边坡锚固施工,不仅可减轻在设备搬迁时的劳动强度,还减少了辅助作业时间,有利于提高施工综合效率。6)、锚固钻机同时还应具有较高的可靠性,拧卸钻具机械化程度要高,对钻具的导向性能好。7)、钻杆套管的强度、刚度、抗疲劳性等综合机械性能要好。要采用优质合金钢材料制造。8)、钻杆、套管的直线性要好,避免在回转过程中因钻杆弯曲产生的振动对钻孔壁和机械设备的破坏作用。9)、钻杆、套管连接螺纹的强度要高,便于拧卸作业,连接后的密封性能要好。10)、用以破岩的潜孔冲击器具有优良的输出性能,钻头具有较高的破岩能力和可靠性。结语:1.钻孔作业是岩土锚固工程施工过程中的一个重要技术环节,影响到工程施工质量和效益,应在具体的锚固工程施工中引起我们足够重视并且加以严格的控制
。2.合理的施工工艺是建立在对工程的地质条件和环境条件的全面调查和试验研究基础上的,制订的施工工艺正确,也就掌握了工程施工的主动。3.
采用的施工设备和机具对锚固工程施工质量和效益会产生重要的影响,在设备和机具的选型配套方面同样应力求科学、经济、合理。4.随着岩土锚固技术的进一步发展和广泛应用,今后还要进一步加强研究开发系列化和在特定地形、地质条件下使用的岩土锚固设备和施工工艺技术。参考文献:1.武汉地质学院《钻探工艺学》,地质出版社
1980年2.杨俊志《预应力锚索在我国水利水工程中的应用与发展》,中国三峡建设
1999特刊3.孙志锋等 《水利水电岩土钻凿技术》, 吉林科学技术出版社4.王恭先
《面向21世纪我国滑坡灾害防治的思考》,兰州滑坡泥石流学术研讨会文集5.程良奎等
《岩土锚固工程技术的应用与发展》,万国学术出版社6.阎莫明等《岩土锚固技术的新进展》,
人民交通出版社7.徐贞祥等《岩土锚固技术与西部开发》,人民交通出版社

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