亭子口枢纽坝基大口径基岩地质钻探技术.pdf

第 ４ １卷 第 ８期 ２０１０年 ４月 人 民 长 江 Ｙ ａ ｎ ｇ ｔ ｚ ｅ Ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ Ｖ ｏ ｌ ． ４ １ ， Ｎ ｏ ． ８ Ａ ｐ ｒ ． ， ２ ０ １ ０ 收稿日期 ２ ０ １ ０－ ０ １－ ３ ０ 作者简介 张 涛， 男， 工程师， 从事水利工程地质勘探与施工管理工作。Ｅ－ ｍ ａ ｉ ｌ ３ ７ ２ ２ ６ ２ ９ ７ ＠ｑ ｑ ． ｃ ｏ ｍ 文章编号 １ ０ ０ １－ ４ １ ７ ９ （ ２ ０ １ ０ ） ０ ８－ ０ ０ ２ ４－ ０ ３ 亭子口枢纽坝基大口径基岩地质钻探技术 张 涛， 刘 伦 平， 武 营 军， 王 春 江 （ 长江岩土工程总公司（ 武汉） ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ） 摘要 通过嘉陵江亭子口水利枢纽大口径基岩取芯钻探成功应用， 介绍了大口径地质钻探的技术特点和施工 工艺， 阐述了牙轮钻头成孔的工艺参数和操作要点， 通过对传统取芯工艺的研究和创新， 使用了一种新的大口 径取芯工具， 大大提高了取芯效率。 关 键 词 大口径；牙轮钻头钻进；取芯技术；地质钻探；亭子口水利枢纽 中图法分类号Ｔ Ｖ ２ ２ ３ 文献标志码Ａ １ 工程概况 嘉陵江亭子口水利枢纽位于四川省苍溪县李家 嘴， 枢纽大坝坝型为重力式混凝土坝。为研究坝基稳 定情况， 在上坝线左、 右岸共钻进大口径地质勘探孔 ２ 个， 孔径 １０ ０ ０ｍ ｍ ， 取出岩芯直径为 ７ ０ ０ｍ ｍ ， 孔深分 别为 ６ ０ ． ９ｍ和 ６ １ ． ６ ０ｍ 。 大口径地质钻探与传统小口径钻探最大的区别在 于取芯工艺不同。采用传统小口径基岩钻进取芯时， 如用单管钻具取芯， 则需要先投卡料卡住岩芯， 然后用 钻机将岩芯强行扭断， 通过岩芯管将岩芯提出。而大 口径钻探取芯由于岩芯直径大， 如强行扭断， 钻机及钻 杆难以承受如此大的扭矩。通常大口径取芯工艺采用 的是 钻进一段进尺， 然后抽水， 将楔子下至岩芯与钻 孔的环状间隙中， 利用重锤击打楔子将岩芯楔断， 最后 下人至孔底用钢丝绳将岩芯套牢后用卷扬机提出。 ２ 工程地质条件 地质勘探资料提示， 坝线地层岩性自上而下依次 为 ① 灰白色、 浅灰色细粒、 中粒长石石英砂岩， 夹少 量粉砂岩、 粘土岩及砾岩， 埋深 ０～ ２ ６ ． ０ｍ ； ② 紫色粘 土岩夹粉砂岩， 埋深２ ６ ． ０～ ３ １ ． ０ｍ ； ③ 浅灰、 灰紫色细 粒岩屑砂岩， 夹粘土岩、 粉砂岩及砾岩薄层和条带， 埋 深 ３ １ ． ０～ ５ ９ ． ０ｍ ； ④ 紫色泥质粉砂岩夹粘土岩， 埋深 ５ ９ ． ０～ ６ ２ ． ０ｍ 。岩层内渗水量约 ２ ０～ ３ ０ｍ ３／ ｈ ， 岩石 可钻性为 ４～ ５级。 ３ 技术方案选择 ３ ． １ 钻头的选择 确定大口径钻进工艺方案之前应先选定钻头。如 选用不同类型的钻头， 则钻进工艺不尽相同， 同时对钻 进效率及取芯成败至关重要。根据地层情况， 钻头选 型时综合考虑了合金钻头、 钢粒钻头、 牙轮钻头。３种 钻头各有其利弊。合金钻头以刮削碎岩为主， 对于 ４ ～ ５级岩石， 钻进效率较高， 但钻进阻力大， 蹩车严重， 且由于合金钻头刀刃突出高度较小， 钻孔与钻头间的 环状间隙小， 对取芯不利。钢粒钻头钻进形成环状间 隙较大， 对取芯有利， 但孔底沉淀物多， 需经常抽水并 人工清理沉淀， 人工清碴安全性很差， 且钻进效率低。 牙轮钻头综合了前两种钻头的优点， 采用牙轮钻头钻 进原理是滚动碾压冲击碎岩， 实质上是一种冲击回转 钻进， 钻进效率高、 钻进稳定性好且不易发生孔内事 故， 钻孔环状间隙大， 利于取芯。通过综合对比， 最终 决定采用牙轮钻头成孔。牙轮钻头主要由取芯筒、 牙 轮爪、 牙轮、 轴承和储油密封补偿系统等部分组成， 具 有与孔底接触面积小， 比压高， 工作扭矩小， 工作刀总 长度大等优点。钻头外径 １０ ０ ０ｍ ｍ ， 牙轮宽度 １ ５ ０ 第 ８期 张 涛， 等 亭子口枢纽坝基大口径基岩地质钻探技术 ｍ ｍ ２ ， 可取岩芯直径达 ７ ０ ０ｍ ｍ 。 ３ ． ２ 钻探设备选择 采用大口径钻探方案， 由于破岩断面大， 回转扭矩 大， 线速度高， 要求钻机具有较大动力和较低转速。钻 杆尽可能选择粗径钻杆， 以减小孔壁与钻杆之间的环 状间隙， 增加钻进稳定性。 根据地层情况和地质要求， 钻机采用 Ｇ Ｐ Ｓ－１ ５ Ｓ 工程钻机， 钻机动力 ３ ７ｋ Ｗ， 钻杆采用  １ ６ ８ｍ ｍ牙嵌 式钻杆， 采用 ３ Ｐ Ｎ Ｌ泥浆泵 ２台， 慢动卷扬 １台， 贵州 产 ６ １ ３ ５柴油发电机组 １台， １ ２ｋ Ｎ加重块 ２个。 采用正循环钻进， 牙轮钻头成孔。钻进参数采用 大钻压、 低转速、 大泵压量。 ４ 钻进技术参数及注意事项 ４ ． １ 孔底钻具组合 牙轮钻进基岩时孔底钻具组合方式如图 １所示。 图 １ 孔底钻具结合示意 ４ ． ２ 钻 压 牙轮钻头对岩石的破碎作用有 ３种 即压碎、 冲击 和剪切。压碎是牙轮在钻压作用下对岩石进行静力压 碎， 其效果主要取决于钻压的大小和岩石的硬度； 冲击 是指牙轮自转滚动时轮齿交替作用于岩石， 而使牙轮 齿对岩石产生上下往复振动冲击作用； 剪切则是指牙 轮在岩石上自转滚动的同时， 钻头体的公转带动轮齿 产生一定的滑移， 从而对岩石进行剪切破碎。 施工中施加的最大钻压约为 ５ ０ｋ Ｎ ， 钻进效率为 ０ ． ４～ ０ ． ５ｍ／ ｈ ； 施加的钻压为 ３ ８ｋ Ｎ时， 钻进效率为 ０ ． ２～ ０ ． ３ｍ／ ｈ 。厂家推荐的 １０ ０ ０ｍ ｍ 钻头轴压值在 ２ ０ ０ｋ Ｎ时效率最佳， 但受钻探设备能力的限制和其它 因素的影响， 钻进中牙轮钻头的钻压值一般都偏低， 使 牙轮钻头对岩石仅形成疲劳破碎或研磨破碎， 影响钻 进效率。 ４ ． ３ 转 速 牙轮钻进对转速要求较低， 一般在 １ ２～ ２ ３ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 为宜（ Ｇ Ｐ Ｓ－ １ ５型钻机Ⅰ、 Ⅱ档） 。Ⅰ档钻进时， 钻进 效率为 ０ ． ２～ ０ ． ３ｍ／ ｈ ； Ⅱ档钻进时， 钻进效率为 ０ ． ４～ ０ ． ５ｍ／ ｈ 。 ４ ． ４ 泵容量 由于采用牙轮钻头钻进时， 遇将环状面上的岩石 研磨成细小粒度的岩屑， 可采用清水淋洗孔壁， 以利钻 进。３ Ｐ Ｎ Ｌ泵额定容量１ ０ ８ｍ ３／ ｈ ， 上提注浆流速约 ０ ． ８ ～ １ ． ０ｍ／ ｍ ｉ ｎ ， 可满足携带岩屑的需要。 ４ ． ５ 钻进注意事项 （ １ ）钻井平台需作硬化处理， 钻机安装必须满足 平稳牢固的要求， 在钻进过程中不能产生位移或沉陷， 否则须及时处理。 （ ２ ）钻具连接要牢固。钻头与加重块及加重块与 钻杆之间部位在钻具运转时受力相对集中， 故连接法 兰盘的螺杆要使用高强螺杆连接， 螺杆丝扣要柠紧， 提 钻后须经常检查。 （ ３ ）下钻过程要保持稳顺。下钻中途遇阻， 严禁 用钻具冲击障碍物。 （ ４ ）正常钻进过程中， 不宜经常提动钻具。在钻 进中若发现异响、 不能钻进且阻力增大时， 应立即提钻 检查。 （ ５ ）垂直度控制。钻进速度应尽量保持均匀， 并 在钻杆上安装 ２个导正环， 导正环外径比钻头外径要 小， 为 ４ ０～ ６ ０ｍ ｍ 。 ５ 大口径取芯工艺 由于传统的大口径取芯方式是采用楔子将岩芯楔 断， 然后抽水、 由作业人员下至孔内捆绑岩芯， 安全性 差且效率极低， 特别是当孔内渗水量大、 孔内水难以抽 干时则无法取芯。施工中对取芯工艺作了改进， 主要 措施是加入了导向装置， 将楔子和拟取芯样用钢丝绳 安装在导向装置内， 提钻后下入该取芯装置进行取芯， 不需抽水， 人不需下到孔内， 安全性和取芯效率大大提 高。 ５ ． １ 传统大口径取芯工艺 ５ ． １ ． １ 工艺流程 取芯工艺流程如下 钻进→每回次完毕后提钻→抽水→下入楔子→重 锤击打楔子楔断岩芯→抽水→作业人员至孔内绑扎钢 ５２ 人 民 长 江２ ０ １ ０年 丝绳套取岩芯。 ５ ． １ ． ２ 操作要点 （ １ ）每回次钻进完毕提钻后， 用细钻杆连接楔子， 将楔子放入岩芯和孔壁的环状间隙中， 取芯原理如图 ２所示。 图 ２ 传统大口径取芯原理 （ ２ ）将 ２ ５ ０～ ３ ０ ０ｋ ｇ 的穿心锤放入细钻杆上， 提 起穿心锤往复锤击楔子， 利用楔子传递一个水平剪力 将岩芯楔断。 （ ３ ）将水泵放到孔内抽干水， 然后作业人员至孔 底用钢丝绳捆绑岩芯， 用卷扬机提动钢丝绳将岩芯提 出。 ５ ． １ ． ３ 存在的问题 （ １ ）如果作业人员不进入孔内， 则不易楔子放入 岩芯和孔壁的环状间隙中， 特别是孔深超过３ ０ｍ后更 加困难； （ ２ ）由于穿心锤不是垂直击打楔子， 当锤击楔子 时力量分散， 就容易打在孔壁上， 岩芯不易被楔断； （ ３ ）作业人员下到孔内前必须抽干孔内水， 当孔 内渗水量大时抽水需耗费大量时间， 而且不易抽干； （ ４ ）由于孔内情况复杂， 特别是孔深超过 ３ ０ｍ 后， 作业人员频繁下到孔内取芯， 危险因素多， 风险大， 出现人身安全事故的概率相当大。 ５ ． ２ 改进后取芯工艺 ５ ． ２ ． １ 工艺流程 钻进→每回次改进完毕后提钻→下入取芯装置进 行取芯→提出孔内岩芯。 ５ ． ２ ． ２ 取芯装置结构 取芯装置主要由绳套孔、 钢丝绳套、 楔块、 导向筒、 支块等组成， 如图 ４所示。 （ １ ）导向筒的作用。① 固定钢丝绳套， 并将钢丝 绳套送入孔底； ② 收钢丝绳套时起导向作用， 收钢绳 后将岩芯套牢； ③ 提取岩芯时， 不致使岩芯倾斜。 （ ２ ）钢丝绳套的固定。将两端编好的两根钢丝绳 放置在导向筒内， 通过导向筒底部小孔用铁丝将钢丝 绳固定， 然后利用导向筒上部的孔将钢绳拉出， 用斜扣 连接在副卷扬机上。钢丝绳采用  １ ３ ． ５ｍ ｍ软钢丝 绳。 （ ３ ）楔块的作用。楔块采用两块钢板制作， 其焊 接位置根据导向筒长度和岩芯长度确定。其作用是楔 断岩芯并直接提出。 图 ３ 改进后大口径基岩钻探取芯装置 ５ ． ２ ． ３ 操作方法 （ １ ）每回次钻进结束后， 将钻杆提至上回次钻进 的孔深以上， 再慢慢将钻杆放至孔底， 此法用来判断岩 芯是否自然断裂， 然后下入取芯装置。 （ ２ ）用钻杆连接取芯装置下入孔内， 确定岩芯到 达楔块位置后做好标记， 然后用主卷扬机将钻杆提升 一定高度， 突然松绳， 利用导向筒内的楔块冲击岩芯， 楔块对岩芯产生水平分力使岩芯折断。当钻杆在原位 置突然下降 ２ ０～ ３ ０ｃ ｍ以上， 则说明岩芯已经楔断。 确认岩芯断裂后， 收紧副卷扬机钢丝绳将岩芯套牢， 然 后用主卷扬机将岩芯提出。 ５ ． ２ ． ４ 取芯效果 该取芯装置对于 ３级以上坚硬完整岩石， 取芯可 靠性好， 效率高， 且解决了大口径取芯需抽水进人到孔 内的问题。在亭子口水利枢纽和重庆小南海水利枢纽 大口径工程勘探中， 共钻进 ５个直径１０ ０ ０ｍ ｍ大口径 基岩钻孔， 总进尺 ２ ７ ２ ． ６ ０ｍ ， 取芯成功率达 ９ ５ ％以上， 平均岩芯采取率达 ９ ３ ％， 取出直径 ７ ０ ０ｍ ｍ岩芯最长 长度２ ． ２ｍ （ 受岩芯管长度所限） ， 岩芯采取质量好， 取 出岩芯完整光滑， 磨损小， 层次分明， 纹理面清晰可见， 能真实反映岩石的自然存在状态。 （ 下转第 ５ ４页） ６２