1、偏心潜孔锤跟管钻进技术在松散破碎带及卵石层中的应用摘要：在松花江盾构竖井工程中，沉井由卵石层下沉到安山岩破碎带地层时，交界地层基岩斜背起伏大，岩面高差达到 7 米，沉井下沉困难。采用偏心潜孔锤跟管钻进技术进行水下钻孔和水下爆破技术清除搁置的岩石，成功解决卵石层与安山岩破碎带水下钻孔爆破技术难题。 关键词：沉井 松散破碎带 潜孔锤跟管钻进 水下钻孔 Abstract: In the open caisson project of the Songhua River Shield, when it sinks into interface of the pebble bed with broken
2、 Andesite zone, bedrock surface to 7 meters in height difference, then the open caisson sinks hard. It adopts underwater DHD and blasting technology to dispose resting rock，resolving successfully key technical challenge in the field of underwater drilling and blasting. 中图分类号：U443.13+1 文献标识码： A 文章编号：
3、1 引言 在松散砂层、卵石层、破碎带等地层中钻孔时，常因孔壁不稳定而导致塌孔、卡钻、埋钻等事故发生，目前此类地层国内外钻孔施工方法主要有泥浆护壁正、反循环钻进,钢绳冲击钻进,潜孔钻机等，但这些钻孔方法都存在一定的局限性或存在钻进效率低、成孔困难等缺点,不能完全满足不稳定地层的钻进1-3。偏心潜孔锤跟管钻进是一种既发挥潜孔锤碎岩石，又克服其护壁性能差的不足的一种施工工艺，是克服疏松、破碎、卵砾石等复杂地层钻进的有效方法4-6。松花江盾构竖井工程在卵石层下沉至安山岩破碎带地层时，导致沉井无法下沉，潜水员采用普通的风钻水下钻孔，很难成孔，采用偏心潜孔锤跟管钻进技术解决此难题。 2 工程和地质情况 长
4、长吉管道松花江盾构竖井工程采用沉井工法施工，沉井深 35 米，内径 8.5 米，壁厚 1.2 米，属于依兰-伊通深大断裂和松花江大断裂的交汇处，在该区基岩段为断裂破碎带。 该工程所处地段的地质主要由三种地层，粉质粘土、砂卵石层和安山岩破碎带（夹杂断层角砾和断层泥） 。 粉质粘土，可塑，灰黑色，含有机质，稍有光滑，干强度中等，韧性中等。 卵石层，杂色，饱和，中密密实，母岩成份为花岗岩、安山岩，一般砾径 1550mm，含量大于 50，最大可见 1 米以上的大颗粒漂石。 安山岩破碎带，该断裂破碎带受构造影响很严重，多数为破碎带、全强风化带，构造和风化解理密集，节理面及其组合杂乱，形成大量碎块体，多数
5、呈“石夹土”或“土夹石”状，其中含有大量未固结的断层角砾和断层泥。其地质柱状图如图 1 所示。 图 1 工程地质柱状图 根据设计和施工区域地质状况，卵石层中地下水及其丰富，采用不排水下沉施工工艺。施工中由于卵石层与安山岩破碎带交界地层基岩斜背起伏大，造成沉井约 1/4 被安山岩搁置，下沉困难，必须采用钻孔爆破清除岩石。 3 施工方案选择 针对这种复杂的地层情况，采用潜水员水下风钻钻孔方法，频频造成卡钻、埋钻事故，使钻进无法进行。针对这种典型的难钻进、难成孔且地下水丰富的地层，必须考虑以下几点： (1)地层处于卵石层与岩石层交界处，地层渗水严重，必须采用水下钻孔，该工艺方法必须有效克服地下水丰富
6、的影响。 (2)由于地层属于破碎带地层，裂隙丰富，成孔的碎屑很容易进入孔中，造成卡钻、埋钻事故。 (3)由于地层塌孔，掉块严重而不易成孔，该工艺方法必须能够有效防止地层塌孔而造成埋钻，能有效解决因掉块，塌孔而引起的卡钻事故。结合地质结构和施工要求，经过各种方法进行对比，并结合多年来潜孔锤在复杂地层施工经验，采用井内搭设钻孔平台，潜孔锤跟管钻进技术水下钻孔施工方案。 4 跟管钻进设备和机具 4.1 气动潜孔锤 潜孔锤是一种用压缩空气为动力的冲击锤，是利用压缩空气作为循环介质,并作为驱动潜孔锤的动力而进行的一种冲击回转钻进技术。它是空气钻进技术在破岩方法上的一项突破, 采用联接在钻头的潜孔锤对钻具
7、施加一定压力，予钻头以高频冲击能量，进行冲击回转钻进。在冲击载荷下，岩石发生体积破碎，尤其是坚硬的脆性岩石冲击破碎效果更好。这种方法比一般回转钻进效率高，工程成本低78。 4.2 偏心钻头 钻头是气动潜孔锤的重要部件, 是直接破岩的工具，它的结构和性能直接影响钻头的寿命和冲击破碎的效率。因此对钻头的合理设计、制造及使用，是提高潜孔锤冲击破碎的重要环节，其结构如图所示。 图 2 偏心钻具结构图 4.3 供风管 根据地层情况和潜孔锤性能选用合适的供风管,选用胶管或钢管作为供风管，如 50mm、75mm 等。 4.4 空气压缩机 空压机是气动潜孔锤钻进最重要的动力源之一，其性能直接影响潜孔锤性能的发
8、挥。 其主要设备和机具参数如下表所示。 表 1 主要设备机具规格和参数 5 施工工艺 水下潜孔钻机钻孔爆破的具体操作步骤是：钻孔平台搭设钻机定位下套管并进行固定安装钻具、连接钻杆钻孔及套管跟进回转偏心钻头提钻清洗孔内石渣测量钻孔深度到位提钻安放 PVC管拔套管。 5.1 钻孔平台搭设 根据施工情况在井内搭设钻孔平台，平台桁架采用槽钢 18 组装，其上铺设木板，先按照设计的孔位测量放样，钻机定位后进行钻孔，直至全部炮孔钻凿结束，对沉井周边刃脚下的炮孔采取倾斜钻凿的方法进行成孔。 图 3 井内平台结构和钻孔布置图 5.2 钻进方法 使用 QCW80 型风动潜孔锤，110mm 偏心跟管钻具配 108
9、mm 套管靴和 105mm 套管进行钻孔施工。钻进时偏心钻头在套管靴前钻出比套管外径大的钻孔，潜孔锤同时锤击套管靴，使套管与钻孔同步跟进，起到保护钻孔的目的。钻孔施工完毕后，偏心钻具收缩后从套管中提出。偏心钻具结构及钻进原理如图所示。 图 4 钻进原理图 5.3 钻进技术控制要点 （）潜孔钻机安装定位时，使钻机垂直，并将钻机固定，避免钻机钻孔时振动移位； （）开钻前，将连接好的潜孔锤及偏心钻头放入带有套管靴的套管内，让偏心钻头伸出套管靴，轻压正转张开偏心钻头； （）工作风压控制在 0.40.7MPa，压力过大容易造成偏心钻头和套管靴的不正常损坏，压力过小会使偏心钻头锤击力不足，钻进困难； （4
10、）钻进过程中应注意套管的跟进情况及孔内排粉情况，每钻进0.30.4m 强吹孔排粉一次，以保持孔内清洁。吹孔时，中心钻具向上提动距离应严加控制，禁止在钻进过程中向上强力起拔中心钻具； （5）钻进结束时，应先进行清孔，将孔底残渣吹尽，然后脱开偏心钻具的回转动力，把偏心钻具向上提动，作反时针方向回转，同时缓慢向上提偏心钻具，直到全部提出偏心钻具。 5.4 PVC 管护壁 拔套管前必须先采用 PVC 管护壁，以免拔出套管后孔壁坍塌。根据孔深加工成一定长度 PVC 管，由潜水员水下安放到位后由拔管器拔出套管。选取 PVC 管外径 70mm，材料选用厚壁且质地稍软，避免拔出套管时损伤 PVC 管。 6 结论与讨论 偏心潜孔锤跟管钻进技术是较先进的钻进工艺方法，采用偏心潜孔锤跟管钻进，钻进速度快，成孔效率高，解决了松散地层水下钻孔技术难题，在松花江盾构竖井工程中得到了成功的应用，取得了可观的经济效益和社会效益。 参考文献 1 刘士虎,卢文阁.偏心潜孔锤跟管钻进技术在砂砾石中的应用J.地质装备,2006,7(2):37-39. 2 赵大军,计胜利等.潜孔锤冲击静压跟管钻进施工工艺的研究J.吉林大学学报,2003,33(1):115-118. 3 郝树青,殷琨等.潜孔锤反循环连续取芯钻进技术在复杂地层中的应用J.西部探矿工程,2006,(12):207-208.
