空气潜孔锤取心钻进技术在砂卵砾石层管棚水平钻孔施工中的应用.pdf

第 3 0卷第 4期 必 鹭 勘握 芷。G Y A I)o s P E c N 6 l 9 9 4 年7 月 钻孔施工 中的应 用 U|至 ：坚 旦 盟董继伟 常居信 柯海军 (四 州省 地质勘 察 工程 辞 司 成都市)以成都市颤城街人 防地下通道工程为实倒，在砂 卵砾石层管棚水 平钻孔施工中，立足现有技术装 备条件，应用空气潜 孔锤取 心钻进 技 术，突破砂卵砾石层钻进及鼹管技术难关，并从设备、器具、钻进及跟管 通道 工 程，处在 繁 华 的蜀都 大道 闹市 区，从地 面 以下 穿 越长 5 5 0 9 3 m，建成后净宽 4 2 m，净高 3 6 r a的人防地、勘察麓工 下通道 根 据国际上先进 的“新 奥地隧 道修建法 原理，采 用松散 围 岩浅 埋 暗挖新技术 实旖该项新技术方案 的关 键，是在隧硐开挖前，以一定扩散角祜隧硐顶部 轮廓打水平孔，并在成孔后下人铜管，注浆加 固，形成管棚超前预支护，然后边开挖，衬砌 支护。1 9 9 2 年 1 2月通过投标，我公司承担 了 这项 工程。1 长 管棚 超 前预 支护 施 工技 术“长管棚超前预支护”施工技术在欧、美、日本等 国家 尚处于发展完善中 我国铁道部 8 0年代以来，已在若干隧道穿越断层、破碎 岩体 中应用 此技术，管 棚长 多在 1 5 1 8 m，设 备及钻进取心跟管工艺已列入“八五 期间研 究解决的技术难题，地矿部机电所研制的“土 星 一8 8 1、8 9 9型全液 压多功能钻 机，在北京 西单地铁车站的以亚粘土、砂砾土为主的第 四纪 地层，采用水平 屏蔽 螺旋 钻进 工艺，进尺 本文 1 9 9 4 年 1月恒到，王梅编辑 7 6 i l t 肯定，并认为达到国际先进水平。但是，在松 散的中密砂 卵石层进行管棚水平钻进跟管，国内尚无成功的工程实例。我公司接受在疏干松散的中密砂卵砾石 层中进行长管棚预支护水平 注浆钻孔任务 后，通过认真地技术论证，决 定采 用本公 司最 新 科 研成 果，“空气潜 孔锤 取 心钻进技 术 和“潜 孔锤水平 跟管 技 术”，经过 两个 阶段 的施 工，累计完成 水平 孔 3 8个，进 尺 6 6 1 m，平均 钻进跟管 深度 1 7 3 7 m，跟管深度大于 2 0 m 的 钻 孔 9个，s 1 9孔 钻 进 跟 管 深 度 达 3 1 3 4 m，突破 了在琉干、中密砂卵 砾石层水平 钻 孔的钻进及跟管技术难关 安全地穿越了蜀 都大道在地面以下埋设的十余条水、电、通讯 管线，特别是污水管和电力管道的基底距通 道仅 0 5 5 m，而未 受损失，地面交通正常运 行，保证了工期，工程质量符合设计技术要 求，1 9 9 3 年 4月下旬 已贯通地 下通道。2 工 程 地 质 条件 及技 采要 求 2 1 地层情况 地下通道上部覆盖层厚度 7 5 5 m，通道 穿越由松散的细砂及卵石层组成的第四纪全 维普资讯 http:/ 新统 冲积 地层，围岩 基本无粘结力，稳定性极 差。白上 而下 的地层剖 面：O 4 i m 人 工杂 填 土 4 1 6 5 m 亚 粘 土、细砂 层；6 5 m 以 下，为 中密砂 卵砾 石层，结 构松 散，卵 石成分 为花 岗岩、石 英岩、闪长 岩等，粒径 一 般 4 7 c m，大者 1 0 2 0 c m，其 间充填 约 2 5 的砂 和 砾 石。管棚 水平 钻孔均在该层穿过。2 2 地下水情况 地下 水为孔隙潜 水型，常 年水 位在一4 0 4 2 5 m。鉴于受 临近工 程降水影响，管棚水 平孔 均处于疏 干状态。2 3 主要技术要求(1)钻孔深度 1 5 2 5 m(2)终孔 直径 不小 于 l l 0 mm，全 孔 跟进 i 2 7 mm，1 0 8 mm 注浆钢 管；(3)管棚孔距 0 4 m (4)钻孔 终孔精 度，向上小 于 5 c m，向下 小于 1 5 c m 左 右小于 1 0 c m。3施 工设 备、器具 配备 钻机：X U3 0 0-2型，xY一2 B型，4台 空压机：2 vY一1 2 7型，2台；潜 孔冲击 器：J l S 0 一B，2套，J 0 o-B，2 套，J 8 O B，4套。4施 工平 台的 建造 管棚钻孔设计分布在地面以下一7 5 5 一9 9 m，间距 为 0 4 m 的拱 形 弧 线 上 施 工 基 坑为 9 6 m9 6 m，距地面深 1 2 m 因此，必须建造施工平台，方能安装设备进行钻探 施工。1 钻探施工平 台的技术要求(1)平台面积 1 0 ram8 m；(2)平台总荷载应达到 2 0 4 0 t；(3)平台基础坚固，整体结构连接稳固。4 2 材料选择及结构型式(1)选择直径为 1嘲 管，5 0钻杆和 建筑管扣 件等。(2)采用 1 钢管及扣件，连接组合 多层方框架 基础 直 立柱分段 安装 5 O钻杆 加固，沿 四周安装斜支撑 管加 固，基础 面加密 安装 管件，铺 设 2 0 0 mm 2 0 0 mm5 0 0 0 mm 基 台木，形成整体平 台。4 3 钻机移位安装 按设 计钻孔 位置，通 过调整 管架 高度 或 基 台 木，使 钻机对 正就 位，固定安 装，一般 钻 机与孔位水平距离 2 O 2 5 m。5钻 进及 跟 管技 术 5 1 钻孔结构 测量放线、安设 6 料管定位。为预防 钻孔弯曲，首先应下好孔口导向管，采用“小 径超前钻进，分级跟进 注浆钢管”的技术方 法。一般开孔 1 5 0 mm，跟入 1 4 6 mm定 向 套管 2 3 mI 换径 跟进 1 2 7 mr r l 注浆 钢管 6 8 m；1 0 8 mm注浆钢管跟进至设计深度。5 2 钻进 工艺 技术 5 2 1 空 气潜孔锤单 管取心钻进 法 适用于超径卵砾石 密集孔段 5 2 1 1钻 头 型式 选 择 矿 山钎 头 合 金，1 0 mm 1 5 mm 及 7 ram 1 0 ram 楔 型 齿 1 2 ram8 ram 球 形 齿 I 1 6 1 2 8 ram 片形 齿，分别 采用 气焊 或 高频焊接法，成为 同径潜 孔锤取心钻 头。5 2 1 2钻具 组 合(见 附 图)用单 管取 心钻具，并且针 对超径 卵石的 破碎难题，回次长度小 钻具结构作了较大简 化。5 2、1 3 技 术 参 数(1)轴 向压力：为保证钻头齿刃能与岩石 紧紧接触，克服冲击器的反弹力，以有效地传 递来 自冲击器的冲击功，一般取 4 5 k N。(2)转 速：受钻 机类 型限制，取 5 O 17 O r 7 I 维普资讯 http:/ _ 塑 KQx D一1 3 0钻 具 图 1 一钻头；2-卡簧 3 一下扩孔器 l 4 一岩心管；5 一专用接头I 6 一措孔冲击器；7 一外缸接头 t 8 一花链套l 9 一花键轴 1 0-岩一 c 管接头；1 1 一上扩孔嚣(3)空气压力及空气量：为满足潜孔冲击 器的正常工作，提供较大冲击功，空气压力一 般浅 孔 中在 0、4 5 0 6 MP a，空 气量 通常 以 保持清除和携带孔底岩屑的钻孔环晾上返速 度确定。水平钻孔受岩性及钻孔条件限制，钻 具结构 在 岩心管接 头上增 设分 气孔，减 少气 流 的冲洗携砂能力 实际 空气量 以满足潜孔 冲击器正 常工作 为原则 5 2 1 4 操 作要 点 (1)根据注浆钢管直径，选择 J 8 0 一B或 J 1 0 0 一B浅孔冲击器及其相 匹配 的联动器，连接 取心钻具下入孔 内进行空气 冲击 回转 取 心钻进(2)浅孔段 有时利用 常规合金取心钻具，在孔 口地表主动钻杆以下连接潜孔冲击器，通过钻杆传递冲击功，显然冲击功损失较大。(3)钻进 中 以适 当压力克 服冲击 器 工作 的反弹力 有较地传递冲击功，低转速是为保 证 钻头 的合理 转 角，通 过 CSKQX 型 联动 器传递回转扭矩，从而实现在冲击 回转下破 碎岩石。5 2 1 5 钻 进效果 据钻孔统计资料，在密集或超径卵石层 段 钻进，平均 机 械钻 速 达 2 3 6 m h，高 者 达 4 2 4 m h，较普通合金钻头机械钻速平均提 高 5 9 5 以 上；平 均 台 效 4 6 7 m，高 者 达 到 t 7 8 6 0 0 m，较普 通合 金 钻 进 平 均提 高 8 9 1 以 上。5 2 2 无循环单 管普通 舍空钻进 法 适用 于粒径较 小的砂卵砾石层。(1)钻 头：选 择 8 mm 1 6 ram 八 角 及 5 mm5 mm1 3 mm方 形合 金，呈 品字 形，密 集式排列的合金取心钻头。(2)钻具组合 为常规 型(3)技术 参数 包括钻 压 2 9 4 9 k N，转 速 5 0 7 0 r rai n。(4)操作要 点 选择较注浆钢管小一级合金钻头，以 无循环干钻法，超前钻进 0 5 1 0 m，提出钻 具，进行 地表 跟管 钻进 中以低转速，适 当压力，防止盲 目 加大 压力 引起孔斜。(5)钻进效果：砂卵石层 中平均机械钻速 1 4 8 m h，平均 台效 2 4 7 m。5 3 跟管工艺技术 5 3 1管棚注 浆钢 管结构 设 计 规 定选 用 1 2 7、1 0 8 mm 地 质钢 管，采用地质套管接箍连接方式，钢管长度一 般为 1 0 m，钢管 表面 按计 划排列 钻 1 0 mm 出浆孔。套管靴采用 同径厚壁(7 m m)管，底 端车削成 4 5。内喇叭型，并经 热处理。5 3 2潜孔 冲 击器 跟 营器 具 维普资讯 http:/ (1)潜 孔冲击器 J 1 5 O B、儿0 0 一B型。(2)组合 冲击连 接器按 不 同型号 的冲击 器及 钢管 直径 配套。(3)潜 孔 冲击 跟 管钻具组 合均 安装 于地 表。主动钻杆一 冲击器一组 合冲击连接器一 钢管接 头一 注浆 钢管。5 3 3 技术 参数 通常空压机的气压在 O 4 O 0 6 MP a，空气量为 8 1 0 m mi n。由此产 生的单 次 冲击 功，儿5 0 一B型为 3 3 0 J 儿 o 0 一 B型 为 1 5 0 J。5 3 4操 作 要 点(1)小径钻 进后，连 接注浆 钢 管，安装具 有分流孔的钢管接头及冲击连接器和潜孔 冲 击器，启动 空压 机，通过 闸门操 作，使气 体驱 动冲击器运动，将 冲击功 传递给 注浆钢管，实 现水平跟管钻进。废气通 过分 流孔逸出，而不 排除孔内岩屑。(2)为保证 注浆 钢管跟管 方 向偏斜符 合 设计要求，防止冲 击器及 主动 钻杆 的水 平重 力作用 引起跟 管偏斜，应 在孔 口地表 冲击器 与主动钻杆段安装活动中心导正架。(3)必须采取先 小径钻进，后地表跟管方 法。(4)潜孔冲击跟管切忌盲目强行跟管，保 持均 速，跟管 困难 时可扭 磨钢 管，必要时采用 小径钻具掏心钻进后再跟管。5 3 5效果 3 8个 钻 孔 资 料，累 计 跟 管(1 2 7、1 0 g)长 度 9 6 6 m，平 均 单孔 跟 管 钻进 深 度达 1 7 3 7 m，跟管深 度大 于 2 0 m 的钻孔 9个 潜 孔 冲 击 器 地 表 跟 管 速 度 在 2 2 2 5 7 2 m h 6认 识(1)立足于 现有 技术设备，采 用“空 气潜 孔 锤 取 心钻 进 技术 和“潜孔 锤水平 跟管 技 术，突破了长管棚中密砂卵砾石层水平注浆 钻孔 的钻进及 跟 管技术难关，实现 了科 技成 果的转化，进一步拓宽了空气钻进技术的应 用领域。同时，该 套技术具有设备器具简单、技术配套、投资费用低，施工效率高、成本低 的特点。适用于干旱缺水、供水困难或对忌甩 液体循 环介 质有特殊要 求 的水文、工程、灾害 地质勘探及 施工(2)空气潜孔锤取心钻进韵岩石破碎机 理，是在钻具轴向力及冲击器产生的冲击力，以冲击应力波方式，通过联动器传递给取心 钻头，实现动载作用下的 冲击 破碎岩石为主 而 钻机 的 回转 扭矩，通过联 动器 传递 给 钻具 及 钻头，实现钻头在 回转中剪切破岩，从而 在 不 断 的冲击力 和 回转扭矩 的联合 下，形成体 积 破 岩的过程，实现 大幅 度提高 钻进 效率 的 目的。(3)通 过首次 管棚水 平注浆 钻 孔的生 产 实践，为进一 步提 高钻 进跟 管效率，缩 短辅 助 时 间，提高管棚 水平孔的施工精度，在充分发 挥 空气潜孔锤取心钻进 技术作用 中，尚需努 力 改进，完 善设备安装 移位的机动性，钻孔精 度控制措蘸。Ai r-dr i v e n Downho l e Ha mm e r Co r e-dr i l l i n g Te c hni que Us i ng|n H o r i z on t al Bor e-h ol e Dr i l l i ng Ope r at i o n i n Gr av e l Be ds S u n y a n h a，L u O i a n y,g，D o n g J 1 we i，C h a n g x In，K e H a l i u n Ba s e d u p o n t he t e c hn e qu J p m t n a w a v a i la b l e，t r d r i v e n d o wn b c e ho le l I a m r n e r帆一 由 m“g t e c hn i q u e a l t e r o v e o mi n g a 8 e f l。f di i fic u l d，wa s a c h i e v e d a s u c c e u l o p e r a t i o n i n h o r iz on t a l r e h o l e dr iU i n g i n g 瑚】b豳 I n t h i s p a p e r a p r a c t ic a l e x a mp l e is g iv en a n dr n e e 期 e 眦 o u t t h e t o o l s a n d e q u i p me n t s，d r i l i n a n d p ip e o i mi n g t e c h n i q u e s，a n d t h t 曲】一 e c o n on c e ffe c t s s u m me d u p 79 维普资讯 http:/