大口徑鉆探方法.doc

大口徑鉆探 超過(guò)常規(guī)孔徑的工程鉆探。大口徑鉆孔在不同的工程鉆探領(lǐng)域，有不同的含義。對(duì)整個(gè)工程鉆探領(lǐng)域而言，一般泛指孔徑在500mm以上的為大口徑鉆孔。大口徑鉆孔深度多數(shù)在50m以內(nèi)，少數(shù)為100m左右，有的深達(dá)數(shù)百米。其大多數(shù)為垂直向下的直孔，亦有斜孔、水平孔和仰孔。鉆孔截面除圓形外，還有矩形和長(zhǎng)槽形。發(fā)展概況 用機(jī)械方法施工大口徑鉆孔最早的是荷蘭，于1927年采用多級(jí)擴(kuò)孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法鉆進(jìn)直徑27m、深達(dá)130m的豎井。此后許多國(guó)家相繼用鉆孔法進(jìn)行礦山豎井施工。1945年后，各種工程建設(shè)中大口徑鉆孔有廣泛的發(fā)展。法國(guó)50年代初開(kāi)發(fā)全套管施工法(貝諾特法)和鉆機(jī)。聯(lián)邦德國(guó)在1951年成功地采用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)法。此后鉆孔的直徑、深度、適用地層和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，施工技術(shù)迅速發(fā)展。如荷蘭于19541959年鉆成兩口孔徑75m、深506和512m的豎井；蘇聯(lián)于19601964年由直徑3m的導(dǎo)向孔一次擴(kuò)孔鉆成直徑875m的豎井；美國(guó)所鉆大口徑孔的最大深度達(dá)1960m；日本于70年代在水域的硬巖鉆成數(shù)十個(gè)直徑3644m的橋墩基礎(chǔ)樁孔，于1984年在沉井內(nèi)用旋臂式鉆機(jī)在14m深海底鉆成直徑11m、深37m的孔。中國(guó)1959年建造水庫(kù)土壩時(shí)，在防滲墻施工中曾用沖擊鉆打直徑1m、最深53m的成排鉆孔。1969年，用分級(jí)擴(kuò)孔法鉆煤礦豎井，最大孔徑88m、最大深度5086m。80年代以來(lái)，在許多與各種基礎(chǔ)樁、擋土墻、集水井和地下連續(xù)墻相關(guān)的施工中采用了大直徑鉆孔，如直徑達(dá)3m、深度5060m的重慶長(zhǎng)江大橋基樁孔，寬1m、深30m、長(zhǎng)200m的上海寶山鋼鐵總廠地下連續(xù)墻的槽孔。應(yīng)用 大口徑鉆探主要用于地下資源開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)工程施工和處理、地下工業(yè)設(shè)施建造三方面。地下資源開(kāi)發(fā) 包括：工業(yè)和民用供水井、地?zé)岬V泉井、集水井；可溶鹽類的鉆孔水溶法開(kāi)采；海底砂礦采選(反循環(huán)抽吸)等。基礎(chǔ)工程施工和處理 包括：各種鉆孔灌注樁、擴(kuò)底樁基礎(chǔ)，陸地和水域嵌巖鋼管樁基礎(chǔ)；各種深層地基處理、注漿加固，原有工程基礎(chǔ)的改造加固；高大建筑箱形基礎(chǔ)及其擋土防滲墻；深基坑邊坡和山坡防塌擋土墻；水壩防滲墻；深基坑開(kāi)挖的降水井，防治地面沉降的回灌井；預(yù)制鋼筋混凝土樁管的埋設(shè)和大型爆破孔等。地下工業(yè)設(shè)施建造 包括：豎井、斜井等各種坑道；通風(fēng)、排水、運(yùn)輸和滅火通道；輸電、氣、水等地下管線的敷設(shè)；隧道涵洞、地下鐵路、地下街道房屋的承重框架；安放地震、地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)儀器的地下孔洞；地下核試驗(yàn)井、導(dǎo)彈發(fā)射井；儲(chǔ)存石油、液化氣的地下庫(kù)，儲(chǔ)藏珍貴物品、危險(xiǎn)品的特種地下保險(xiǎn)庫(kù)；排放核廢料、有毒廢液渣、污染物的地下洞池等。特點(diǎn) 主要有：(1)鉆頭直徑大，鉆探裝備重、設(shè)備功率大。如美國(guó)可鉆直徑46m、深500m孔的鉆機(jī)重達(dá)368t、功率為224kw。(2)鉆渣量大，鉆進(jìn)施工中必須采用機(jī)械化方式凈化沖洗液。(3)排渣方式多樣或組合化，沖洗液排渣有正循環(huán)法和泵吸、氣舉、潛水泵舉反循環(huán)法，沖擊鉆進(jìn)和潛孔錘鉆進(jìn)亦采用反循環(huán)法排渣；短螺旋、鉆斗、沖擊抓斗鉆進(jìn)使用回次升鉆排渣法。(4)護(hù)壁難度大，松散易坍塌地層多采用隨鉆全孔跟套管工藝，配備跟套管專用設(shè)備。(5)可使用插裝式或伸縮式鉆桿，提高升降鉆具機(jī)械化程度。(6)鉆進(jìn)方式多樣化，鉆探設(shè)備和鉆頭結(jié)構(gòu)類型繁多。鉆進(jìn)方式 可分為：(1)螺旋鉆進(jìn)，又分為長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)和短螺旋鉆進(jìn)兩類，后者更適于大口徑鉆孔；(2)鉆斗鉆進(jìn)叉稱土鉆施工法適用于鉆挖砂土；(3)刮刀鉆進(jìn)；(4)滾刀鉆進(jìn)(牙輪鉆進(jìn))；(5)鉆粒鉆進(jìn)(6)沖擊鉆進(jìn)包括鋼繩式、反循環(huán)式；(7)打筒式?jīng)_擊鉆進(jìn)(8)沖擊抓斗鉆進(jìn)；(9)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；(10)振動(dòng)鉆進(jìn)；(11)滾銑刀鉆進(jìn)，旋轉(zhuǎn)滾筒銑刀鉆頭鉆進(jìn)矩形孔。設(shè)備 鉆孔時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)直接使用的地面和孔內(nèi)的機(jī)械和裝置。包括鉆機(jī)，鉆架、循環(huán)泵組、泥漿凈化裝置和套管機(jī)等。大口徑詁機(jī)(含鈷架) 主要類型為轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆機(jī)、螺旋鉆機(jī)、動(dòng)力頭式鉆機(jī)、孔底動(dòng)力式鉆機(jī)、沖擊抓斗鉆機(jī)、反循環(huán)沖擊鉆機(jī)和地下連續(xù)墻用鉆機(jī)，近年又開(kāi)發(fā)了滾銑刀式和沉井內(nèi)旋臂式鉆機(jī)。(1)轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆機(jī)。鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)能方便地通過(guò)較大直徑的鉆頭或移開(kāi)孔口。鉆架多為門(mén)式，便于取下太直徑鉆具，用液壓缸系統(tǒng)帶動(dòng)水龍頭橫梁沿鉆架導(dǎo)軌升降鉆具、調(diào)整鉆壓(圖1)。有的鉆機(jī)仍設(shè)絞車鋼繩提升系統(tǒng)。有的鉆機(jī)不設(shè)鉆架，用普通起重機(jī)升降鉆具。(2)螺旋鉆機(jī)。大口徑螺旋鉆機(jī)多為短螺旋鉆和鉆斗兼用有的也配長(zhǎng)螺旋鉆具，日本等國(guó)家也生產(chǎn)專用的鉆斗鉆機(jī)(叉稱土鉆)。鉆機(jī)的絞車鋼繩經(jīng)導(dǎo)軌式鉆架的天車懸吊伸縮鉆桿的最內(nèi)層軸桿，軸桿下端連接短螺旋鉆具或鉆斗，伸縮鉆桿最外層由轉(zhuǎn)盤(pán)或動(dòng)力頭帶動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。導(dǎo)軌式鉆架可前后左右傾斜不大的角度，以便對(duì)正孔位中心線。底座以上設(shè)備可整體轉(zhuǎn)動(dòng)l00。360。，以便于倒渣。(3)動(dòng)力頭式鉆機(jī)(圖2)。有機(jī)械和液馬達(dá)傳動(dòng)兩種形式，動(dòng)力頭由鉆架立柱內(nèi)油缸推動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)。機(jī)座以上部分可在底座滑軌上移開(kāi)孔口。底座裝有液壓步履和整機(jī)轉(zhuǎn)向裝置。有的鉆機(jī)裝載在汽車或履帶車上。(4)孔底動(dòng)力式鉆機(jī)。叉稱潛孔鉆機(jī)。一類是用鉆扦將電機(jī)和減速裝置下到孔底驅(qū)動(dòng)鉆頭，孔口有臺(tái)架卡住鉆桿不回轉(zhuǎn)，以承受鉆頭回轉(zhuǎn)的反扭矩。有的將砂石泵也裝在孔底鉆機(jī)上，施行泵舉反循環(huán)排渣。另一類無(wú)鉆桿的鉆機(jī)是用絞車鋼繩吊人孔內(nèi)，在下部可回轉(zhuǎn)的箱體下裝三個(gè)鉆頭(圖3)。其工作原理是：由行星輪系驅(qū)動(dòng)鉆頭繞各自軸線順時(shí)針?lè)较蜃赞D(zhuǎn)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)箱體和修孔鉆頭繞鉆孔軸線反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，鉆頭也隨之公轉(zhuǎn)這兩種扭矩互相平衡，鉆機(jī)主體則不轉(zhuǎn)動(dòng)。排遣軟管睫鉆機(jī)也深入孔底，旖行泵吸或泵舉反循環(huán)排渣。(5)沖擊抓斗鉆機(jī)。又稱貝諾特(Benote)鉆機(jī)。它用絞車鋼繩起落沖擊抓斗并控制其張合；用液壓套管機(jī)夾持大口徑套管使其在15。30。的角度內(nèi)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)施以軸向力，使套管跟進(jìn)或起拔。其反力和反扭矩由全機(jī)自身重量和支腿承受。抓斗提出鉆渣后，由溜渣槽支臂向前推出并卸掉。(6)反循環(huán)沖擊鉆機(jī)。內(nèi)外平直的反循環(huán)排渣管貫穿沖擊鉆頭中心孔，為鉆頭導(dǎo)向并隨鉆進(jìn)下移。用液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的雙筒同步絞車的鋼繩提動(dòng)鑲嵌楔形硬質(zhì)合金刃的雙層筒狀沖擊鉆頭鉆進(jìn)。隨著鉆頭破碎巖石，用泵吸或氣舉反循環(huán)法將鉆渣排到地面。鉆進(jìn)效率比普通沖擊鉆進(jìn)高數(shù)倍，也可配備套管機(jī)進(jìn)行跟管鉆進(jìn)。(7)地下連續(xù)墻用鉆機(jī)。主要類型有抓斗式成槽機(jī)和多頭回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。前者先在槽的兩端鉆導(dǎo)孔，再以抓斗沖抓導(dǎo)孔間的土體。多頭鉆機(jī)有孔底動(dòng)力式BW型鉆機(jī)和多軸并列螺旋鉆機(jī)。BW型鉆機(jī)用鋼繩吊入槽孔內(nèi)，兩臺(tái)潛水電機(jī)驅(qū)動(dòng)57個(gè)刮刀鉆頭同時(shí)破碎孔底巖土鉆進(jìn)，由側(cè)壁鏟刀或滾齒刀修整孔壁成槽(圖4)。循環(huán)泵組 大口徑鉆探排渣，孔深在50m以內(nèi)的宜用泵吸反循環(huán)排渣，超過(guò)50m的宜用汽舉反循環(huán)排渣。排渣所用泵組主要包括大排量泥漿泵、離心式砂石泵。采用反循環(huán)沖洗排渣時(shí)，泵組包括離心式砂石泵、啟動(dòng)主泵用的真空泵或注水泵、電動(dòng)機(jī)和配屬管路、閥門(mén)等，泥漿池內(nèi)還有向孔內(nèi)及時(shí)回灌沖洗液用的潛水砂泵。離心式砂石泵適于抽送含泥砂、土石塊等固體雜質(zhì)的液體。其葉輪多為開(kāi)式、寬度大、葉片數(shù)少(少至兩片)，泵體內(nèi)各過(guò)流斷面與吸入口面積相同，配用鉆桿內(nèi)徑亦與之相同，因此可避免流道堵塞。泥漿凈化裝置 泥漿凈化除用沉淀池循環(huán)槽自然沉淀外，還采用機(jī)械振動(dòng)篩、水力旋流除砂器和潛水砂泵。其工作流程如圖5所示。泥漿池(箱)和沉淀池常有23個(gè)，其容積總和一般為鉆孔容積之3倍，可滿足鉆進(jìn)、沉渣以及灌注混凝土?xí)r溢流的需要。循環(huán)槽或回灌管路的坡度不宜小于1100。鉆頭 大口徑鉆頭多為全面鉆進(jìn)鉆頭。按鉆進(jìn)機(jī)理分為沖擊式、回轉(zhuǎn)式、沖擊回轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式和滾筒銑刀式鉆進(jìn)鉆頭。沖擊式鉆頭 在沖擊功作用下鉆進(jìn)地層。包括多刃鑿形鉆頭、撈砂抽筒、筒式鉆頭和沖擊抓斗。它適于松散、漂卵、礫石層和風(fēng)化基巖中鉆進(jìn)。大口徑?jīng)_擊鉆頭有各種環(huán)形多翼鑿刃和副刃。沖擊抓斗(圖6)是利用鋼繩控制其勺形活瓣鑿刃(一般為24個(gè))的張合來(lái)抓取鉆渣，實(shí)施鉆進(jìn)的。為使鉆子L圓整、垂直，一般需全孔跟套管。它適于松散地層，遇特大漂石可用鑿形鉆頭擊碎后抓取。其最大鉆孔直徑可達(dá)23m、孔深可達(dá)4060m?；剞D(zhuǎn)式鉆頭 有刮刀鉆頭、螺旋鉆頭、鉆斗、滾刀(牙輪)鉆頭、行星輪式三軸鉆頭和鉆粒鉆頭等類型，還有擴(kuò)底、跟管和鉆仰孔用鉆頭等。(1)刮刀鉆頭。在大口徑鉆進(jìn)中應(yīng)用最廣泛，以刮削方式鉆進(jìn)地層。其種類繁多，有魚(yú)尾、三翼、四翼(圖7)、階梯、環(huán)形等鉆頭。其刃具鑲焊硬質(zhì)合金，多為組裝式，排列成犁耙狀。它適用于除漂、卵石層以外的松散地層和強(qiáng)風(fēng)化巖石鉆進(jìn)。(2)螺旋鉆頭(圖8)。多為可拆式，有單翼、雙翼和三翼等形式，以雙翼螺旋鉆頭應(yīng)用為多。在呈平底或錐形布置的翼片上鑲焊硬質(zhì)合金塊或插裝可換的刃具,刃具有錐齒、平鏟和犁齒形，排列成耙狀。鉆頭下端常接先導(dǎo)鉆頭。短螺旋鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭之上接一短根螺旋鉆桿，再接伸縮鉆桿。另外還有擴(kuò)底、環(huán)狀取樣、沖擊振動(dòng)、半合式等多種螺旋鉆頭。螺旋鉆頭適于鉆進(jìn)地下水位以上的粘性土、砂土、砂礫石地層。(3)鉆斗(圖9)。土鉆鉆頭。常用類型為底開(kāi)門(mén)式。在圓筒形鉆斗體的可開(kāi)閉的底蓋上，沿徑向開(kāi)兩個(gè)長(zhǎng)孑L，裝列刃具和上開(kāi)活門(mén)。鉆進(jìn)時(shí)鉆渣沖開(kāi)活門(mén)積存于鉆斗體內(nèi)，提鉆后打開(kāi)底蓋倒渣。其刃具和螺旋鉆頭相同。鉆斗還有擴(kuò)底式、半合式及帶氣動(dòng)沖擊器的。鉆斗能鉆進(jìn)地下水位以下的粘性土、砂礫石土、淤泥地層。(4)滾刀(牙輪)鉆頭(圖10)。以刀具的滾動(dòng)鉆進(jìn)地層。鉆頭由鉆頭體和若干滾刀組合而成。滾刀有楔齒、盤(pán)形齒和球齒三種型式，其支座有懸臂式和雙支點(diǎn)鞍形兩類。鉆頭常用平底或階梯式，適于鉆進(jìn)硬土、砂礫石及各種巖石。(5)行星輪式三軸鉆頭。在與鉆頭體軸線平行的三個(gè)軸上裝有三個(gè)刮刀型鉆頭，隨鉆頭體公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)，適于鉆進(jìn)硬土、砂礫石地層。(6)鉆粒鉆頭。有全面和環(huán)狀(取心)鉆頭。用厚鋼板卷制，加焊肋骨或堆疊焊接鋼材以增加壁厚，亦可用鑄鋼鑄造；設(shè)多個(gè)導(dǎo)砂水口。巖心可用吊錘和鉆桿楔斷器沖斷后，用鋼繩套取、沖抓錐抓取或巖心上鉆小孔擠夾提出。(7)擴(kuò)底(孔)鉆頭。常用類型為有24個(gè)翼片的刮刀鉆頭或鉆斗式鉆頭。利用鉆具自重、反轉(zhuǎn)加壓或液壓推動(dòng)有刃具的翼片張開(kāi)。張開(kāi)方式有上開(kāi)、下開(kāi)、滑降和外推式。結(jié)構(gòu)上，有專用擴(kuò)底鉆頭(圖11)和鉆擴(kuò)兩用鉆頭兩類。跟套管用擴(kuò)孔鉆頭有單輪彎脖和滾刀式，以及鉆斗式等。沖擊回轉(zhuǎn)式鉆頭 有十字鑿刃和球齒兩類，用潛孔錘帶動(dòng)。單錘最大孔徑為508762mm。裝有三個(gè)單錘的反循環(huán)組合式潛孔錘可鉆孔徑達(dá)115m，其中心為排渣管。振動(dòng)式鉆頭(具) 分縱向與橫向兩類：縱向振動(dòng)器帶動(dòng)筒狀鉆頭切入或錐尖形鉆頭擠入地層成孔；橫向振動(dòng)器帶動(dòng)鉆具向外周側(cè)向振動(dòng)，同時(shí)用水沖射向下鉆進(jìn)，可使孔壁擠密而成較大鉆孔。滾筒銑刀鉆頭 孔底動(dòng)力式鉆機(jī)下部水平裝置四個(gè)外周有齒形刀具的滾筒銑刀，相向轉(zhuǎn)動(dòng)并向下給進(jìn)，即鉆成矩形孔。它用于地下連續(xù)墻施工。鉆具 包括鉆桿、導(dǎo)正器、配重塊、水龍頭、氣水混合器等。鉆桿 正循環(huán)鉆進(jìn)使用普通鉆桿(見(jiàn)鉆探管件)。大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)要求使用內(nèi)壁平直的鉆桿。其連接常用法蘭螺栓或插入式鍵銷。主要規(guī)格為內(nèi)徑，常用的有150、200、250、300mm。最大外徑達(dá)508mm。氣舉反循環(huán)用的并列兩根送氣管的法蘭鉆桿或雙臂鉆桿其規(guī)格以外管外徑內(nèi)管內(nèi)徑(mm)表示，例如194114、219127、244152、340178等。短螺旋和鉆斗用伸縮式鉆桿一般為34層，長(zhǎng)度可達(dá)3242m。導(dǎo)正器 包括鉆桿扶正器和鉆頭穩(wěn)定器。(1)鉆桿扶正器。按一定間隔裝于鉆桿柱中，以其四面的弧形滑靴板依托孔壁扶正鉆桿柱，使其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不晃動(dòng)。有隨鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)和不轉(zhuǎn)動(dòng)兩種。滑靴板支承臂的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的鉆孔直徑。(2)鉆頭穩(wěn)定器。裝于鉆頭上部，用滑靴板或若干個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)之滾輪依托于孔壁上，防止鉆頭擺動(dòng)造成鉆孔超徑和偏斜(見(jiàn)圖1)。配重塊 疊裝