大口徑基巖地質(zhì)鉆探技術(shù)在嘉陵江亭子口水利樞紐中的應(yīng)用

王春江 武營(yíng)軍 張 濤

(長(zhǎng)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(wěn)定情況,在上壩線(xiàn)左、右岸共鉆進(jìn)大口徑地質(zhì)勘探孔兩個(gè),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(zhì)條件

壩線(xiàn)地層巖性自上而下依次為:①灰白色、淺灰色細(xì)粒、中粒長(zhǎng)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(xì)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(zhì)粉砂巖夾粘土巖,埋深59.0～62.0。巖層內(nèi)滲水量約20～30m3/h,巖石可鉆性為 4～5級(jí)。

2 技術(shù)方案選擇

2.1 鉆頭的選擇

根據(jù)地層情況,鉆頭選型時(shí)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(duì)于 4～5級(jí)巖石,鉆進(jìn)效率較高,但鉆進(jìn)阻力大,蹩車(chē)嚴(yán)重,且由于合金出刃小,鉆孔與鉆頭間的環(huán)狀間隙小,對(duì)取芯不利;鋼粒鉆頭鉆進(jìn)環(huán)狀間隙較大,對(duì)取芯有利,但鋼粒鉆進(jìn)孔底沉淀多,工作人員需經(jīng)常抽水且下井清理沉淀,頻繁下井安全性很差,且鉆進(jìn)效率低;牙輪鉆頭主要由取芯筒、牙輪爪、牙輪、軸承和儲(chǔ)油密封補(bǔ)償系統(tǒng)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(zhǎng)度大等優(yōu)點(diǎn)。牙輪鉆進(jìn)原理是滾動(dòng)碾壓沖擊碎巖,實(shí)質(zhì)上是一種沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆進(jìn)效率高、穩(wěn)定性好,不易發(fā)生孔內(nèi)事故,鉆孔環(huán)狀間隙大利于取芯。牙輪鉆頭綜合了前兩種鉆頭的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)綜合對(duì)比,最終決定采用牙輪鉆頭成孔。根據(jù)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(shè)備選擇

大口徑鉆探由于破巖斷面大,回轉(zhuǎn)扭矩大,線(xiàn)速度高,要求鉆機(jī)具有較大動(dòng)力和較低轉(zhuǎn)速。鉆桿盡可能選擇粗徑鉆桿,以減小孔壁與鉆桿之間的環(huán)狀間隙,增加鉆進(jìn)穩(wěn)定性。

根據(jù)地層情況和地質(zhì)要求,鉆機(jī)采用 GPS-15S工程鉆機(jī),鉆壓 37 kW,鉆桿采用 φ168 mm牙嵌式鉆桿,采用 3PNL泥漿泵2臺(tái),慢動(dòng)卷?yè)P(yáng)1臺(tái),貴州產(chǎn) 6135柴油發(fā)電機(jī)組1臺(tái),12 kN加重塊兩個(gè)。

2.3 工藝參數(shù)確定

采用正循環(huán)鉆進(jìn),牙輪鉆頭成孔。鉆進(jìn)參數(shù)采用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、大泵量。

3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)及注意事項(xiàng)

3.1 孔底鉆具組合

牙輪鉆進(jìn)基巖時(shí)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(duì)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(duì)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(zhuǎn)滾動(dòng)時(shí)輪齒交替作用于巖石,而使牙輪齒對(duì)巖石產(chǎn)生上下往復(fù)振動(dòng)沖擊作用;剪切則是牙輪在巖石上自轉(zhuǎn)滾動(dòng)的同時(shí),鉆頭體的公轉(zhuǎn)帶動(dòng)輪齒產(chǎn)生一定的滑移,從而對(duì)巖石進(jìn)行剪切破碎。

牙輪鉆頭鉆壓對(duì)鉆進(jìn)效率影響較大,它是由牙輪鉆頭、加重塊、鉆桿、機(jī)上鉆桿和水龍頭的重力之和減去孔內(nèi)沖洗液浮力,再減去卷?yè)P(yáng)機(jī)的拉力(孔內(nèi)鉆具摩阻忽略不計(jì))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(jìn)效率為0.4～0.5m/h。加入鉆壓為38 kN時(shí),鉆進(jìn)效率為0.2～0.3 m/h。受鉆探設(shè)備能力的限制和其他因素的影響,鉆進(jìn)中牙輪鉆頭的鉆壓值一般都偏低,使牙輪鉆頭對(duì)巖石僅形成疲勞破碎或研磨破碎,影響鉆進(jìn)效率。

3.3 轉(zhuǎn) 速

轉(zhuǎn)速主要受鉆頭外緣線(xiàn)速度的限制。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的大量鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn),牙輪鉆頭的最經(jīng)濟(jì)線(xiàn)速度為1.9m/s,此時(shí) Φ1000鉆頭轉(zhuǎn)速為13～29 r/min,GPS-15型鉆機(jī)由 SPJ-300改裝而來(lái),最低轉(zhuǎn)速達(dá)到13 r/min,正好滿(mǎn)足牙輪鉆進(jìn)需要。

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

3.4 泵 量

由于牙輪鉆進(jìn)時(shí)將環(huán)狀面上的巖石研磨成細(xì)小粒度的巖屑,可采用清水鉆進(jìn),3PNL泵全泵量108 m3/h,上返流速約0.8～1.0m/min,可滿(mǎn)足攜帶巖屑的需要。

民國(guó)時(shí)期，國(guó)家層面的宗法制度被推翻，但由于戰(zhàn)亂頻發(fā)，基層治理處于長(zhǎng)期被忽略的態(tài)勢(shì)，以至于地方宗族與封建行會(huì)長(zhǎng)期把持地方權(quán)力。

3.5 鉆進(jìn)注意事項(xiàng)

(1)鉆井平臺(tái)需作硬化處理,鉆機(jī)安裝必須平穩(wěn)、牢固、水平,在鉆進(jìn)過(guò)程中不能產(chǎn)生位移或沉陷,否則須及時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力相對(duì)集中,連接法蘭盤(pán)的螺桿要使用高強(qiáng)螺桿連接,螺桿絲扣要上緊,提鉆后須經(jīng)常檢查。

(3)下鉆過(guò)程要穩(wěn)。下鉆中途遇阻嚴(yán)禁用鉆具沖鐓障礙物。

(4)正常鉆進(jìn)過(guò)程中,不宜經(jīng)常提動(dòng)鉆具。在鉆進(jìn)中若發(fā)現(xiàn)異響,不進(jìn)尺且阻力增大時(shí),應(yīng)立即提鉆檢查。

(5)鉆進(jìn)速度應(yīng)盡量保持均勻,并在鉆桿上安裝兩個(gè)導(dǎo)正環(huán),其外徑比鉆頭外徑小 40～60mm。

4 大口徑取芯工藝

4.1 傳統(tǒng)大口徑取芯工藝

4.1.1 工藝流程

4.1.2 操作要點(diǎn)

(1)回次完畢提鉆后,用細(xì)鉆桿連接楔子,將楔子放入巖芯和孔壁的環(huán)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(xì)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(gè)水平分力將巖芯楔斷;

(3)用水泵將孔內(nèi)水抽干,然后作業(yè)人員下至孔底用鋼絲繩捆綁巖芯,用卷?yè)P(yáng)機(jī)提動(dòng)鋼絲繩將巖芯提出。

4.1.3 取芯中亟待解決的問(wèn)題

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

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

圖2 傳統(tǒng)大口徑取芯原理示意

(3)作業(yè)人員下井前必須將孔內(nèi)水抽干,當(dāng)孔內(nèi)滲水量大時(shí)抽水需耗費(fèi)大量時(shí)間,而且不易抽干;

(4)由于孔內(nèi)情況復(fù)雜,作業(yè)人員若頻繁下入孔內(nèi)取芯,危險(xiǎn)因素多,風(fēng)險(xiǎn)大,特別是孔深超過(guò) 30m后,出現(xiàn)人身事故的概率相當(dāng)大。

4.2 改進(jìn)后取芯工藝

4.2.1 工藝流程

4.2.2 取芯裝置結(jié)構(gòu)

取芯裝置主要由繩套孔、鋼絲繩套、楔塊、導(dǎo)向筒、支塊等組成,如圖 3所示。

(1)導(dǎo)向筒:固定鋼絲繩套,并將鋼絲繩套送入孔底;收鋼絲繩套時(shí)起導(dǎo)向作用,之后將巖芯套牢;提取巖芯時(shí),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(dǎo)向筒內(nèi),通過(guò)導(dǎo)向筒底部小孔用鐵絲將鋼絲繩固定,然后利用導(dǎo)向筒上部的孔將鋼繩拉出,并用斜扣連接在副卷?yè)P(yáng)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(jù)導(dǎo)向筒長(zhǎng)度和巖芯長(zhǎng)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(jìn)結(jié)束后,將鉆桿提至上回次鉆進(jìn)的孔深以上,再慢慢將鉆桿放至孔底,此法用來(lái)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(nèi),測(cè)量上余,確定巖芯到達(dá)楔塊位置后做好標(biāo)記,然后用主卷?yè)P(yáng)機(jī)將鉆桿提升一定高度,突然松繩,利用導(dǎo)向筒內(nèi)的楔塊沖擊巖芯,楔塊對(duì)巖芯產(chǎn)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(shuō)明巖芯已經(jīng)楔斷。確認(rèn)巖芯斷裂后,收緊副卷?yè)P(yáng)鋼絲繩將巖芯套牢,然后用主卷?yè)P(yáng)將巖芯提出。

4.2.4 取芯效果

該取芯裝置對(duì)于 3級(jí)以上堅(jiān)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(wèn)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(jìn)5個(gè)φ1000大口徑基巖鉆孔,總進(jìn)尺272.6 m,取芯成功率達(dá) 95%以上,平均巖芯采取率達(dá) 93%,取出的φ700巖芯的最大長(zhǎng)度為2.2 m(受巖芯管長(zhǎng)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(jiàn),能真實(shí)反映巖石的天然狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

大型建筑工程和樞紐工程對(duì)地基與基礎(chǔ)的地質(zhì)要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)的小口徑勘探有時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足地質(zhì)要求,大口徑鉆探由于巖芯直徑大、直觀性好,且成孔后地質(zhì)人員可以直接下入孔內(nèi)進(jìn)行巖芯編錄描述,在探明真實(shí)完整的地質(zhì)情況方面優(yōu)勢(shì)明顯。由于國(guó)家對(duì)建筑物地基基礎(chǔ)安全的重視,目前大口徑地質(zhì)鉆探項(xiàng)目越來(lái)越多,新的大口徑鉆探技術(shù),特別是取芯技術(shù)將會(huì)有更大的發(fā)展空間。