冲击钻机在高强度岩层中钻进的工艺研究

冲击钻机在高强度岩层中钻进的工艺研究（1.中交二航局四分公司，安徽芜湖241000，2.平潭海峡大桥指挥部，福建福州350400）摘要：为提高大型桥梁桩基施工的效率和质量，采用冲击钻钻进高强度岩层。从冲击钻碎岩原理、钻进规程、循环系统等方面研究了影响冲击钻钻进效果的各种原因，改进了冲击钻在岩层中钻进的施工工艺。改进后的工艺可以有效提高钻进效率及成孔质量，避免钻孔事故的发生，达到了节省施工成本、保证施工工期的目标。该工艺在跨海大桥桩基施工中取得了良好的效果，充分发挥了冲击钻在岩层中施工的优越性，解决了常规工艺下的各种难题，达到了预期目的。关键词：大型桥梁；施工工艺；钻孔桩；冲击钻；高强度岩层中图分号：U445.55+1文献标识码：ATheTechnologyStudyofImpactDrillinHigh-IntensityRockDrilling(1.TheSecondNavigationEngineeringBureauNO.4CompanyofChinaCommunicationGroup,WuHu241000,AnHui.2.TheCommandofPingTanNarrowBridge,FuZhou350400FuJian)Abstract:InInordertoimprovetheefficiencyandqualityofpilefoundationconstructioninlarge-scalebridge,im-pactdrillisusedtoconstructinhigh-intensityrock.Thereasonswhichaffectsimpacteffectisstudiedfromtheoryofbrokenrock,Drillingregulation,circulatorysystemandsoon,soastoimprovethetechnologythatimpactdrillcon-structintherock,whichcanenhancedrillingefficiencyandpore-formingqualityandavoiddrillingaccident,mean-while,itcansavecostandensuretheconstructionperiod.Thetechnologyappliesincross-seabridgeandgainsgoodeffect,italsosufficientlygivesplaytothesuperiorityoftheimpactdrillconstructedinrock,solvesvariousproblemsundertheconventionalprocess,achievesdesiredpurposefinally.KeyWords:large-scalebridge;constructiontechnology;boredpile;impactdrill;high-intensityrock1.引言大型桥梁越来越多地选用端承桩作为桩基，端承桩以弱风化或微风化岩层作为承重基岩，嵌岩一般较深，该类岩层因其强度高、硬度大，施工时难度很大。很多大桥尽管在桩基施工时采取了相关的解决办法，但是效果离预期目标相差甚远，不仅耗废了大量的人力物力，而且还使工期严重滞后，如何高效地完成钻孔桩施工成为众多工程迫切需要解决的问题。破碎坚硬岩石主要采用冲击成孔法和冲击回转成孔法1，单纯的回转钻进在坚硬岩石中效果较差，而冲击回转钻进对于钻进小直径钻孔桩效果很好，对于大孔径超深钻孔桩，通常选用冲击成孔法进行施工，受机具和钻进工艺等因素影响，目前该方法施工效率较低，难以满足当前的施工要求。冲击钻机有钻杆式和绳式两种，前者所钻孔径小、效率低，应用较少，应用较为广泛的是绳式冲击钻，可进行大直径、超深孔的钻孔桩施工，目前桩径已超过3.5m，孔深已突破120m，但对钻机的性能要求较高。2.冲击钻施工原理2.1.冲击钻碎岩原理冲击钻通过将钻头自身的重力势能转化为冲击动能，钻头接触岩层时，冲击荷载的接触应力瞬时达到极高值，应力比较集中，使岩石产生变形，在冲击荷载的多次作用下使岩石破碎[4]。在软岩、塑性岩石中，因岩石吸收大量的冲击能，使这一过程变得弱化而使钻进效率低下，从破碎岩石的形态来讲，冲击钻碎岩过程分三个步骤：（1）当冲击动能不大时，在岩石表面只能见到钻齿冲击的痕迹—边缘出现裂纹带。（2）增加冲击能后，在边缘之外便出现环形崩离体，随着冲击能的增大，崩离体的体积稍有增加；（3）冲击能量达到一定值后，钻齿底下的岩石发生脆性破碎；再继续增大冲击能，不会引起破碎形态明显的质的变化，余裕的能量使压头的侵深有所增加，并使接触面周围有岩石崩离体出现，当冲击能达到相当大时，则出现新的稳定的破碎形态。从应力角度分析，当接触面上的压力没有达到岩石的压入硬度时，在岩石的弱面处形成裂纹，经多次作用后使其扩展增多，甚至相互沟通，该过程需经多次外载的作用，故称为疲劳破碎。当接触面上的压力等于或大于岩石的压入硬度时，将产生体积破碎，破岩的速度较快，故为得到理想的体积破碎，必须具备足够的瞬间冲击应力。2.2.常见岩层及其可钻性在三大岩类中，沉积岩和变质岩强度和硬度相对较小，比较容易钻进，岩浆岩因其具有较高的强度和硬度，钻进起来难度较大，而多数结构物尤其是跨海大桥，多选岩浆岩层作为承重基岩，几座著名的大型桥梁桩基岩层见表1。表1大型桥梁端承桩常见基岩Tab.1commonbedrockofEnd-BearingPileinLargeBridge序号岩层岩性描述单轴抗压强度（Mpa）代表桥梁1花岗岩全晶质结构、块状构造，矿物为中、细粒，裂隙不发育180集美、厦漳大桥2熔结凝灰岩青灰色，成分以晶屑为主，岩质坚硬160金塘大桥3安山岩灰绿色、斑状结构、块状构造，部分区域有裂隙发育255鄂东大桥4凝灰熔岩青灰色，矿物结晶程度较高，裂隙不发育，有铁锰质浸染240平潭海峡大桥注：岩石抗压强度均为实测值，岩性描述通过钻渣进行确认岩层的结构、构造、结晶程度、矿物颗粒大小、节理裂隙等决定着岩石的可钻性。岩石强度高、硬度大、结晶程度高、裂隙不发育，则可钻性低，钻进难度大、钻头磨损快、容易发生卡钻事故，而且钻渣颗粒较细，反之，则可钻性高、容易钻进，孔内事故也比较少。对于弹-塑性岩石中的硬岩，采用冲击方式可在压入硬度增加不多的前提下，降低岩石的塑性系数，从而增大脆性破碎深度，可以获得理想的体积破碎，而对于高塑性的软岩或多孔隙岩石，其强度较低，动载效应对硬度等力学指标的影响比硬岩要显著得多，钻进效率也相对较低。2.3.影响碎岩效果的因素2.3.1.碎岩机具的影响合理的破碎工具形状应使其压入岩石时的阻力最小、钻压最大，钻头在泥浆中运动时，受到泥浆的阻力将会减小冲击动能，而适当减小钻齿与岩石的接触面积，可增大钻齿单位面积上的钻压。同时应确保钻头应具有足够的强度、硬度和耐磨性，钻机的整体性能就能满足高负荷作业的要求。2.3.2.钻进规程的影响冲击钻钻进规程包括冲程、冲击频率、钻压（钻头质量起着决定性作用）。钻进过程中，钻头将产生巨大的冲击动能，计算公式如下：12(1/)ag，12/tha123Tttt（1）221211()(1/)22Emvmatmgh（2）其中：a表示钻头冲击时的加速度（未考虑泥浆粘度对钻头的阻力），1表示孔内泥浆比重，2表示钻头的比重，1t表示钻头落到孔底的时间，2t表示钻头到达孔底与离开孔底之间的时间，3t表示离开孔底到达冲程h的时间，T表示完成一次冲击所需时间，E表示实现体积破碎的冲击动能。为了获取最大的钻进效率，在单位时间里必须具有足够大的连续冲击动能，根据公式2，由于钻头的质量是定值，只能通过调整钻头的冲程和冲击的频率来获得理想的冲击动能。2.3.3.循环系统冲击钻钻进施工时，循环液担负着排除钻渣、冷却钻头及稳定钻孔内外水头差等任务。在岩层中钻进时，钻渣必须及时排出，否则将使钻头重复钻进，同时还会加剧钻头磨损，引发卡钻、掉钻等孔内事故。3.提高钻进效率的施工工艺3.1.改进碎岩机具性能3.1.1.提高钻头的性能为保证钻进效率和成孔质量，根据冲击试验，选用十字形钻头比较合理，成孔后孔形符合要求；钻头的钻压可以达到或超过破碎岩的临界压力，有利于提高钻进速度。由于冲击钻钻头破碎岩石时是局部破碎，因此钻头应具有比岩石硬度大、耐磨性强、强度高的特点，而钻头通常采用低合金高强度钢材，对于硬度和强度都很高的岩层仍显得“过软”，在大冲程高频率的冲击方式下，钻头磨损十分严重，甚至出现破裂现象，能否提高钻头的性能，将是提高冲击钻钻进效率的关键因素。早期采用加焊钢轨的方式，但对于单轴抗压强度大于200MPa、矿物结晶程度较高的岩石而言，其耐磨能力和抗冲切能力仍然不够，传统的通过提高钻头原材的含碳量来提高强度，其脆性增长过大，抗冲击能力大为减弱。经试验分析，在钻齿下面镶焊特殊硬质合金块，该硬质合金含铬、镍、钼、钨、钒等金属元素，不仅具有较高的硬度、强度、耐磨性和冲击韧性，还具有良好的焊接性能，大大提高了钻头的各项性能。在采用大冲程、高频率的钻孔方式后，在高强度岩层中获得了良好的钻进效果。尽管如此，在钻进过程中还应经常检查钻头的磨损程度并且经常补强，保证其直径及钻齿的接触面积，加焊时采用小硬质合金板（块），防止钻头直径过大而卡钻。3.1.2.提高钻机性能钻机提钻的时间越短，单位时间内获取的冲击动能越多，提钻的时间主要取决于主卷筒提升速度。进行大孔径超深孔钻进时，须对钻机进行改造升级，当主卷筒提升速度达到1.5m/s时，可达到理想的成孔速度。此外，钻进的钢丝绳由于长时间的高负荷作业，容易发生疲劳断折，施工时应注意定期更换。3.2.调整钻进规程试验证明，过大的冲程不仅会破坏钻头，而且耗费过多的提钻时间，并不能有效提高钻进效率，而加大了冲击频率，必然会降低冲击动能，根据公式1和公式2，冲程和冲击频率彼此制约，在平潭海峡大桥钻孔桩施工中，采用表2中钻进参数，获得了理想的钻进效率表2不同强度岩石中的钻进参数Tab.3TheDrillParametersinHigh-intensityRock岩石强度频率（次/分）冲程（m）进尺（m/h）50-10010-142-2.71-0.35100-15010-122.4-3.00.37-0.26150-2009-113.0-3.50.24-0.18200-26012-152.0-2.80.17-0.12注：钻头质量按钻孔桩直径每10cm取400-450kg。钻头采用特殊硬质合金进行加强。3.3.改进循环系统由于在不同岩层中钻进时的钻渣颗粒大小不同，根据现场钻渣分析，可钻性高的岩石，钻渣颗粒相对较大，反之，钻渣颗粒较小，在选用循环系统时须充分考虑这个因素。泵吸反循环是最理想的泥浆循环方式，可以在第一时间把的钻渣排出孔内，避免了钻渣重复钻进。该循环系统需要配套的钻头及大功率潜水泵（砂石泵等），采用射流泵够成的循环系统不仅抽吸能力强，还可进行正反循环的转换，即便是大钻渣，也会很容易的排出。泵吸反循环使用范围较广，在清水钻中亦可使用，但反循环因泥浆在孔内往复流动，可能对孔壁造成不利影响，对于上覆地层比较松散的钻孔桩，可酌情采用正循环方式排渣。3.4.减小孔内事故的发生冲击钻在高强度岩层中钻进时比较容易发生的孔内事故主要有：卡钻、掉钻和塌孔。由于钻头在坚硬岩层中钻进时磨损较快，扩孔率很小，当加焊钻头致钻头直径过大时，很容易发生卡钻事故，可采用千斤顶施加荷载拔起钻头，当卡钻情况比较严重甚至出现掉钻时，应该采用爆轰的方式，即采用电雷管引爆埋于钻头底部的炸药，利用炸药爆炸时的瞬间推力松动钻头，然后下打捞钩将钻头打捞出来。斜岩是钻孔中常见的地质情况，遇到斜岩时，钻机钢丝绳跳动较大，此时应应投入一定量与岩层强度相差不大的片块石，然后低冲程重复钻进，可逐渐使钻孔正常。因冲击钻施工过程中可能对周围地质造成一定成度的影响，对于可能产生滑坡、泥石流及其