半合管在粉細砂層取芯技術中的應用淺析

陳　建（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙410000）

半合管在粉細砂層取芯技術中的應用淺析

陳建（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙410000）

對沖擊鉆進在粉細砂地層中的應用進行分析，闡述半合管在原理性試驗和生產試驗中取得的鉆探效果，確保取芯質量滿足地質分析評價要求，為類似地層鉆探提供經驗借鑒。

沖擊鉆進；半合管；粉細砂取芯；爪簧鉆頭

1　概述

20世紀50年代開始，我院就開展了洞庭湖區堤防勘探。1998年以前，堤防勘探基本是采用沖擊鉆進、敞口式取土器取芯，遇到粉細砂時一般采用抽筒抽取，取芯率低，且無法判斷結構層次，取芯質量差。1998年長江干堤勘察，我院引進北京探礦廠150型回轉地質鉆機，采用泥漿護壁雙管取芯工藝，提高了取芯率、改善了取芯質量，但存在對場地要求較高、工作效率低且對孔內水文地質試驗影響很大的問題。2007年以后，我們引進了沖擊鉆進+水壓退芯工藝方法，有效的提高了取芯質量和效率，但當遇到粉細砂層時，由于粉細砂結構松散，不能有效形成水壓退芯時需要的活塞效應，常出現芯樣被水壓沖散、結構被破壞的現象，無法進行地質分析。

針對這種情況，經過反復試驗和摸索改進，沖擊鉆進+半合管工藝能很好地解決粉細砂層取芯問題。本文結合生產試驗，對沖擊鉆進+半合管工藝解決粉細砂層取芯質量難題進行簡要分析。

2　半合管設計

所謂半合管，就是將傳統的單管鉆具取芯器切割成兩個半圓管，鉆進時拼合為密閉的圓形管，取芯時拆開成兩個半圓管，確保芯樣在從取芯器中取出時不被破壞。具體設計思路如下：

（1）選用與現有鉆機配套使用的φ108mm和φ127mm兩種規格的地質管材，加工成強度符合要求、裝配方便的半合管；

（2）考慮到粉細砂層松散的特性，為減少提升時掉芯的可能性和對進入半合管芯樣的擾動，將原來的普通沖擊鉆頭改造成為符合要求的爪簧式取樣鉆頭；

（3）取樣器與鉆頭、蓋頭的連接先采用現有的接頭進行連接，在試驗過程中再考慮進行改進。

工作原理和過程如圖1。

圖1

根據地層的變化，土體的組成、結構、性狀及受力條件等也有很大的區別，半合管受力強度跟半合管的直徑、管材壁厚、長度有著密切的關系。短管的強度比長管的強度要大，但尺寸太短會影響工作效率，尺寸太長半合管容易產生變形破壞，因此必須合理選擇半合管直徑、管材壁厚、長度等參數。

根據粉細砂的松散特性，我們采用爪簧對進入鉆頭內和半合管內的巖土體進行攔阻以防止脫落、減少擾動，因此必須合理選擇爪簧的材質、爪簧片厚度、數量等參數。

根據現有的器材，半合管與鉆頭、蓋頭的連接先采用套管接頭進行連接，其結構包含：蓋頭、上接頭、半合管、下接頭、普通沖擊鉆頭。

經過討論，初步設計制作了φ108mm和φ127mm等，長度分別為1.0m和2.0m的半合管。

主要設計參數對比見表1。

3　試驗及成果

現場試驗分原理性試驗和生產性試驗進行，試驗目的主要需要了解和解決以下幾個問題：

（1）通過試驗了解所取芯樣的完整性，確定是否能滿足地質素描的要求；

（2）了解鉆頭爪簧片的設計參數，確定不同土層對彈片的片數和材料硬度的要求；

（3）通過現場對所取芯樣的觀察，定性了解對樣品的擾動程度；

（4）了解半合管的材質、長度對強度的影響以及對不同土層的適應性；

表1　主要設計參數對比

圖2

圖3　半合管取芯

（5）解決半合管取樣器的裝配和分拆工藝，優化設計、提高裝拆效率。

在洞庭湖重點垸采用不同長度和不同直徑的取樣器對不同地層進行了原理性試驗，證明在粉細砂層能夠采用半合管取樣器取得芯樣。同時也發現了以下幾個問題：

（1）使用長度為2m的半合管，當土層較緊密時，出現半合管易變形導致撐開而取芯率降低甚至無法取樣的情況；

（2）在結構較松散和富水的粉細砂層取樣時容易出現掉芯現象，采用現有的全斷面爪簧后能夠解決掉芯問題，但爪簧片對進入半合管的芯樣存在明顯擾動現象；

（3）本次試制的半合管為直線剖開，在進行裝配時發現半合管連接端容易滑動導致連接困難，影響取樣器裝配效率。

根據原理性階段的試驗成果我們對半合管取樣器進行了以下改進：

為增大半合管強度，選用的地質管材材質從DZ40改為DZ50；

為減少爪簧對芯樣的擾動，爪簧從試制的全斷面式改為三片式，爪簧材料選用韌度高的錳鋼片；

為解決半合管裝配時不好定位影響取樣器裝配效率的問題，在半合管剖開線上設計了半圓形定位卡。

最終選用直徑為φ108mm和φ127mm、長度為1.0m、1.5m的試驗型半合管取樣器，其結構為：蓋頭、上接頭、半合管（帶定位卡）、下接頭、改進型爪簧沖擊鉆頭。試驗現場，取出了完整的圓柱狀芯樣，完全能滿足地質素描與分層的要求。

原理性試驗結束后對半合管進行改進，并選擇望城爛泥湖垸喬口閘附近進行了生產性試驗。經過兩個階段的試驗，取得了如下成果：

（1）試驗了半合管取芯工藝技術的可靠性。

試驗證明在沖擊鉆進中，可以使用半合管取芯器在粉細砂層取出完整圓柱狀芯樣，能夠滿足地質分析要求。

（2）確定了取芯器的結構型式和尺寸。

粉細砂層取樣器的結構確定為蓋頭（內絲）、半合管（帶定位卡）、鉆頭（改進型爪簧式、內絲）；直徑確定為φ108mm和φ127mm兩種（需取土樣時用φ108mm型）；半合管長度確定為1m和1.5m兩種規格（采用加大半圓定位卡）；鉆頭確定為內絲帶鍵槽沖擊鉆頭，配合采用自行加工的三片式錳鋼片爪簧；蓋頭確定為自行加工的內絲蓋頭。

（3）通過試驗，發現了一些可以改進的地方。

可根據不同性狀的粉細砂選用不同片數、不同硬度的爪簧片鉆頭；半合管取樣器的連接方式可以進一步改進，提高裝配效率；半合管取樣器取出的芯樣存在一定的壓密和擾動，但缺乏定量數據，有待進一步研究確定。

4　結語

粉細砂層鉆探取芯是多年來困擾堤防勘探的難點問題。在粉細砂層鉆探中，基本目標是要取出完整的原狀芯樣，在取出原狀樣的基礎上，還要滿足現場水文地質試驗要求，為了解決這個問題，勘察專業經過長久的努力，已經取得了一定成效，但目前在實現既經濟又高質量的取芯方面，還存在一定的技術難度。利用半合管取芯，結合爪簧片鉆頭設計，基本解決了粉細砂層取芯的工藝難題，為地質素描和詳細分析提供了良好的條件，為提高勘察成果質量打下了堅實的基礎。

根據試驗及成果分析，半合管取芯目前主要存在以下三個方面的問題：

（1）現場只進行了單機單孔試驗，采用半合管取樣工藝技術可以取到擾動較小的粉細砂原狀芯樣。但沒有進行與回轉鉆進鉆探質量和效率等技術經濟性對比試驗。

（2）未進行半合管取樣器用于其他軟土層鉆進取樣的對比試驗，缺乏不同類型軟土層取芯效果的對比分析。

（3）使用爪簧鉆頭鉆進時，對于粉細砂的擾動情況，僅根據現場試驗時肉眼觀察得出“擾動較小”的定性結論，缺乏定量評價數據。

下階段，我們將結合生產收集更多數據，以便更好的改進半合管加工設計，同時與有關科研院所合作開展半合管取樣器對粉細砂層擾動影響的定量評價，進一步研究對不同性狀土層的鉆探取芯工藝，在不同的軟土層中開展取芯和試驗。

TU753

A

2095-2066（2016）31-0090-02

2016-10-13

陳 建（1968-），男，助理工程師，大專，主要從事地質勘探工作。