大口徑基巖地質鉆探技術在嘉陵江亭子口水利樞紐中的應用

王春江 武營軍 張 濤

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢 430010)

嘉陵江亭子口水利樞紐位于四川省蒼溪縣李家嘴,壩型為重力式混凝土壩。為研究水利樞紐壩基穩定情況,在上壩線左、右岸共鉆進大口徑地質勘探孔兩個,孔徑1000mm,取出的巖芯直徑為700mm,孔深分別為60.9m和61.6m。

1 工程地質條件

壩線地層巖性自上而下依次為:①灰白色、淺灰色細粒、中粒長石石英砂巖,夾少量粉砂巖、粘土巖及礫巖,埋深 0～26.0m;②紫色粘土巖夾粉砂巖,埋深26.0～31.0m;③淺灰、灰紫色細粒巖屑砂巖,夾粘土巖、粉砂巖及礫巖薄層和條帶,埋深31.0～59.0m;④紫色泥質粉砂巖夾粘土巖,埋深59.0～62.0。巖層內滲水量約20～30m3/h,巖石可鉆性為 4～5級。

2 技術方案選擇

2.1 鉆頭的選擇

根據地層情況,鉆頭選型時綜合考慮了合金鉆頭、鋼粒鉆頭、牙輪鉆頭。3種鉆頭各有其利弊。合金鉆頭以刮削碎巖為主,對于 4～5級巖石,鉆進效率較高,但鉆進阻力大,蹩車嚴重,且由于合金出刃小,鉆孔與鉆頭間的環狀間隙小,對取芯不利;鋼粒鉆頭鉆進環狀間隙較大,對取芯有利,但鋼粒鉆進孔底沉淀多,工作人員需經常抽水且下井清理沉淀,頻繁下井安全性很差,且鉆進效率低;牙輪鉆頭主要由取芯筒、牙輪爪、牙輪、軸承和儲油密封補償系統等部分組成,具有與孔底接觸面積小、比壓高、工作扭矩小、工作刀總長度大等優點。牙輪鉆進原理是滾動碾壓沖擊碎巖,實質上是一種沖擊回轉鉆進,鉆進效率高、穩定性好,不易發生孔內事故,鉆孔環狀間隙大利于取芯。牙輪鉆頭綜合了前兩種鉆頭的優點,通過綜合對比,最終決定采用牙輪鉆頭成孔。根據鉆孔要求選用鉆頭外徑1000mm,牙輪寬度150mm×2,可取巖芯直徑700mm。

2.2 鉆探設備選擇

大口徑鉆探由于破巖斷面大,回轉扭矩大,線速度高,要求鉆機具有較大動力和較低轉速。鉆桿盡可能選擇粗徑鉆桿,以減小孔壁與鉆桿之間的環狀間隙,增加鉆進穩定性。

根據地層情況和地質要求,鉆機采用 GPS-15S工程鉆機,鉆壓 37 kW,鉆桿采用 φ168 mm牙嵌式鉆桿,采用 3PNL泥漿泵2臺,慢動卷揚1臺,貴州產 6135柴油發電機組1臺,12 kN加重塊兩個。

2.3 工藝參數確定

采用正循環鉆進,牙輪鉆頭成孔。鉆進參數采用大鉆壓、低轉速、大泵量。

3 鉆進技術參數及注意事項

3.1 孔底鉆具組合

牙輪鉆進基巖時孔底鉆具組合如圖1所示。

圖1 孔底鉆具組合示意

3.2 鉆 壓

牙輪鉆頭對巖石的破碎作用有3種,即壓碎、沖擊和剪切。壓碎是牙輪在鉆壓的作用下對巖石的靜力壓碎作用,其效果主要取決于鉆壓的大小和巖石的硬度;沖擊是牙輪自轉滾動時輪齒交替作用于巖石,而使牙輪齒對巖石產生上下往復振動沖擊作用;剪切則是牙輪在巖石上自轉滾動的同時,鉆頭體的公轉帶動輪齒產生一定的滑移,從而對巖石進行剪切破碎。

牙輪鉆頭鉆壓對鉆進效率影響較大,它是由牙輪鉆頭、加重塊、鉆桿、機上鉆桿和水龍頭的重力之和減去孔內沖洗液浮力,再減去卷揚機的拉力(孔內鉆具摩阻忽略不計)后形成的。孔徑1000mm的鉆壓一般為 35～55 kN,施工中加入的最大鉆壓約為50kN,鉆進效率為0.4～0.5m/h。加入鉆壓為38 kN時,鉆進效率為0.2～0.3 m/h。受鉆探設備能力的限制和其他因素的影響,鉆進中牙輪鉆頭的鉆壓值一般都偏低,使牙輪鉆頭對巖石僅形成疲勞破碎或研磨破碎,影響鉆進效率。

3.3 轉 速

轉速主要受鉆頭外緣線速度的限制。根據國內外的大量鉆進經驗,牙輪鉆頭的最經濟線速度為1.9m/s,此時 Φ1000鉆頭轉速為13～29 r/min,GPS-15型鉆機由 SPJ-300改裝而來,最低轉速達到13 r/min,正好滿足牙輪鉆進需要。

牙輪鉆進轉速要求較低,一般13～23 r/min為宜(GPS-15型鉆機Ⅰ、Ⅱ檔)。采用Ⅰ檔鉆進,鉆進效率0.2～0.3 m/h;Ⅱ檔鉆進,鉆進效率0.4～0.5m/h。

3.4 泵 量

由于牙輪鉆進時將環狀面上的巖石研磨成細小粒度的巖屑,可采用清水鉆進,3PNL泵全泵量108 m3/h,上返流速約0.8～1.0m/min,可滿足攜帶巖屑的需要。

民國時期，國家層面的宗法制度被推翻，但由于戰亂頻發，基層治理處于長期被忽略的態勢，以至于地方宗族與封建行會長期把持地方權力。

3.5 鉆進注意事項

(1)鉆井平臺需作硬化處理,鉆機安裝必須平穩、牢固、水平,在鉆進過程中不能產生位移或沉陷,否則須及時處理。

(2)鉆具連接要牢固。鉆頭與加重塊及加重塊與鉆桿之間部位在鉆具運轉時受力相對集中,連接法蘭盤的螺桿要使用高強螺桿連接,螺桿絲扣要上緊,提鉆后須經常檢查。

(3)下鉆過程要穩。下鉆中途遇阻嚴禁用鉆具沖鐓障礙物。

(4)正常鉆進過程中,不宜經常提動鉆具。在鉆進中若發現異響,不進尺且阻力增大時,應立即提鉆檢查。

(5)鉆進速度應盡量保持均勻,并在鉆桿上安裝兩個導正環,其外徑比鉆頭外徑小 40～60mm。

4 大口徑取芯工藝

4.1 傳統大口徑取芯工藝

4.1.1 工藝流程

4.1.2 操作要點

(1)回次完畢提鉆后,用細鉆桿連接楔子,將楔子放入巖芯和孔壁的環狀間隙中,取芯原理如圖2所示;

(2)將250～300kg的穿心錘固定在細鉆桿上,將穿心錘提至一定高度錘擊楔子,利用楔子傳遞一個水平分力將巖芯楔斷;

(3)用水泵將孔內水抽干,然后作業人員下至孔底用鋼絲繩捆綁巖芯,用卷揚機提動鋼絲繩將巖芯提出。

4.1.3 取芯中亟待解決的問題

(1)如果作業人員不下入井內,楔子不易放入巖芯和孔壁的環狀間隙中,特別是孔深超過 30m后更加不易;

(2)由于穿心錘不是垂直擊打楔子,當錘擊楔子時力量被分散,且容易打在孔壁上,巖芯不易被楔斷;

圖2 傳統大口徑取芯原理示意

(3)作業人員下井前必須將孔內水抽干,當孔內滲水量大時抽水需耗費大量時間,而且不易抽干;

(4)由于孔內情況復雜,作業人員若頻繁下入孔內取芯,危險因素多,風險大,特別是孔深超過 30m后,出現人身事故的概率相當大。

4.2 改進后取芯工藝

4.2.1 工藝流程

4.2.2 取芯裝置結構

取芯裝置主要由繩套孔、鋼絲繩套、楔塊、導向筒、支塊等組成,如圖 3所示。

(1)導向筒:固定鋼絲繩套,并將鋼絲繩套送入孔底;收鋼絲繩套時起導向作用,之后將巖芯套牢;提取巖芯時,不使巖芯傾斜。

(2)鋼絲繩套:將兩端編好的兩根鋼絲繩放置在導向筒內,通過導向筒底部小孔用鐵絲將鋼絲繩固定,然后利用導向筒上部的孔將鋼繩拉出,并用斜扣連接在副卷揚上。鋼絲繩采用φ13.5mm軟絲鋼繩。

(3)楔塊:楔塊采用兩塊鋼板制作,其焊接位置根據導向筒長度和巖芯長度而定。其作用是楔斷巖芯并將其直接提出。

4.2.3 操作方法

(1)每回次鉆進結束后,將鉆桿提至上回次鉆進的孔深以上,再慢慢將鉆桿放至孔底,此法用來判斷巖芯是否自然斷裂,然后下入取芯裝置。

圖3 大口徑基巖鉆探取芯裝置示意

(2)用鉆桿連接取芯裝置下入孔內,測量上余,確定巖芯到達楔塊位置后做好標記,然后用主卷揚機將鉆桿提升一定高度,突然松繩,利用導向筒內的楔塊沖擊巖芯,楔塊對巖芯產生水平分力使巖芯折斷。若鉆桿在原位置突然下降20～30cm,則說明巖芯已經楔斷。確認巖芯斷裂后,收緊副卷揚鋼絲繩將巖芯套牢,然后用主卷揚將巖芯提出。

4.2.4 取芯效果

該取芯裝置對于 3級以上堅硬完整的巖石,取芯可靠性好,效率高,且解決了大口徑取芯需抽水、工作人員下井的問題。在亭子口水利樞紐和重慶小南海水利樞紐大口徑工程勘探中,共鉆進5個φ1000大口徑基巖鉆孔,總進尺272.6 m,取芯成功率達 95%以上,平均巖芯采取率達 93%,取出的φ700巖芯的最大長度為2.2 m(受巖芯管長度所限),取出的巖芯完整光滑,磨損小,層次分明,紋理面清晰可見,能真實反映巖石的天然狀態。

5 結 語

大型建筑工程和樞紐工程對地基與基礎的地質要求越來越高,傳統的小口徑勘探有時無法滿足地質要求,大口徑鉆探由于巖芯直徑大、直觀性好,且成孔后地質人員可以直接下入孔內進行巖芯編錄描述,在探明真實完整的地質情況方面優勢明顯。由于國家對建筑物地基基礎安全的重視,目前大口徑地質鉆探項目越來越多,新的大口徑鉆探技術,特別是取芯技術將會有更大的發展空間。