定向鉆機(jī)在花崗巖地層穿越施工中的應(yīng)用
定向鉆機(jī)在花崗巖地層穿越施工中的應(yīng)用
采用水平定向鉆穿越技術(shù)進(jìn)行管線穿越施工，是城市市政建設(shè)中不破壞地貌狀態(tài)和保護(hù)環(huán)境的原則下，完成水電氣管網(wǎng)建造、通訊光纜敷設(shè)等工程比較理想的施工方法。近十年來(lái)水平定向鉆穿越技術(shù)在我國(guó)各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，穿越施工從一般的土層，逐步向砂層、砂礫層、卵礫層、巖石層拓展。隨之而來(lái)的是施工難度越來(lái)越大。這就要求我們的施工機(jī)械具有更多的功能，同時(shí)不斷的更新施工工藝，合理的確定操作參數(shù)。
1巖石層中的導(dǎo)向工藝
在巖石層中進(jìn)行水平定向鉆施工，關(guān)鍵是導(dǎo)向孔的施工，導(dǎo)向孔施工的質(zhì)量是工程成敗的關(guān)鍵。巖石層導(dǎo)向孔的施工，有關(guān)資料介紹有如下方法：
1.1扇形鉆進(jìn)導(dǎo)向法
這種方法是將導(dǎo)向板換成三爪截齒輪鉆頭或者是單掌牙輪鉆頭，當(dāng)要改變鉆孔軌跡時(shí)，需在一定間歇推力下,在預(yù)設(shè)方向的兩邊30°—60°范圍內(nèi)，進(jìn)行扇形鉆進(jìn)，達(dá)到改變方向的目的。這種方法只適用于較軟巖層，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率較低。
1.2孔底泥漿馬達(dá)
泥漿馬達(dá)由大排量泥漿來(lái)驅(qū)動(dòng)，泥漿馬達(dá)與鉆桿軸線有1.5°-3°安裝偏角。當(dāng)鉆桿和泥漿馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，鉆頭保直鉆進(jìn)；當(dāng)鉆桿不旋轉(zhuǎn)，只提供推力和定向，泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能。
1.3雙壁鉆桿施工法(AT巖石鉆進(jìn)系統(tǒng))
雙壁鉆桿施工法(AT巖石鉆進(jìn)系統(tǒng))是美國(guó)溝神公司的一項(xiàng)非開(kāi)挖技術(shù)專利。在雙馬達(dá)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，內(nèi)鉆桿和外鉆桿可相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，外鉆桿頭部與鉆桿柱軸線呈2°安裝角。當(dāng)內(nèi)外鉆桿同時(shí)旋轉(zhuǎn)或只外鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆孔軌跡保持原方向不變；當(dāng)外鉆桿不旋轉(zhuǎn)，提供推力和定向，內(nèi)鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭可轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)控向功能。
2水平糾斜鉆具施工法
海川達(dá)建設(shè)工程有限公司與國(guó)土資源部勘探技術(shù)研究所非開(kāi)挖研究開(kāi)發(fā)中心合作，用25T小鉆機(jī)，在深圳市寶安區(qū)福永街8X110mm道通信管線穿越花崗巖地層中成功的進(jìn)行了水平定向穿越施工。
2.1工程概況
本工程位于深圳市寶安區(qū)福永街道辦翠崗西路跨政豐北路，路寬約40米，穿越長(zhǎng)度約90米。敷設(shè)8×Φ110mm通信管道。路兩邊有多種市政管道、電力、通信管線，路中有一寬8米，深6米的泄洪箱涵。近三年來(lái)先后有十多個(gè)施工隊(duì)進(jìn)入該路段施工,均以因無(wú)法鉆進(jìn)花崗巖而撒場(chǎng)。
2.2地層
穿越施工地段的地質(zhì)剖面見(jiàn)附圖1。路口為山丘削平而成，地表以下一米為花崗巖地層，深度未知，長(zhǎng)約70米，一直延續(xù)過(guò)了公路，然后是花崗巖完全風(fēng)化形成的粘土和亞粘土層。
2.3施工機(jī)具
汲取以前施工失敗的教訓(xùn)，在鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)前，對(duì)設(shè)備的配套選用，進(jìn)行了認(rèn)真研究。以25T鉆機(jī)為基礎(chǔ)配置，增加一臺(tái)風(fēng)壓1.4MPa；排氣量17m3的空壓機(jī)。在送氣管的適當(dāng)位置安裝潤(rùn)滑裝置，并通過(guò)三通接入鉆機(jī)泥漿泵的高壓管中。采取鉆機(jī)原配泥漿泵單缸送水，這樣既能保證孔內(nèi)沖擊器的潤(rùn)滑，又能滿足孔內(nèi)探棒冷卻和降塵的要求。
針對(duì)巖石性狀，選用了高壓潛孔錘。通過(guò)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，破碎巖石。在沖擊載荷下，巖石發(fā)生體積破碎。沖擊式鑿巖鉆頭施加一個(gè)垂直于巖石表面的沖擊力，在這個(gè)力的作用下，使鉆頭壓入并破碎巖石，每沖擊一次，鉆頭旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，形成圓形鉆孔。對(duì)于中硬以上巖石，在一定預(yù)壓力下實(shí)施沖擊破碎是一種有效的碎巖方式，施工中所需軸心壓力小，鉆桿回轉(zhuǎn)速度低，目前市場(chǎng)上20噸以上鉆機(jī)均能滿足鉆進(jìn)需要。
在巖石層中施工成功的關(guān)鍵，不是鉆巖的問(wèn)題，而是在巖石層中如何控向。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，決定采用勘探技術(shù)研究所非開(kāi)挖技術(shù)開(kāi)發(fā)中心研制的水平糾斜鉆具來(lái)完成導(dǎo)向孔的施工。水平糾斜鉆具由控向測(cè)量系統(tǒng)―氣動(dòng)潛孔錘―斜面巖石鉆頭組成。
測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了減震機(jī)構(gòu)能在潛孔錘沖擊工作環(huán)境中，保證探棒的正常工作。碎巖鉆頭是球齒鉆頭，增加了一個(gè)斜面。在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況下，鉆頭保持直線方向鉆進(jìn)，導(dǎo)向孔軌跡表現(xiàn)為直孔鉆進(jìn)；當(dāng)進(jìn)行控向鉆進(jìn)時(shí)，實(shí)施在預(yù)定方位扇形擺動(dòng)鉆進(jìn)。
2.4施工過(guò)程
設(shè)備就位后，將鉆具按鉆頭、潛孔錘、巖石導(dǎo)向系統(tǒng)、鉆桿依次連接好。首先是從以前施工過(guò)的一個(gè)孔位處開(kāi)始鉆進(jìn)。舊鉆孔是采用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，合金鉆頭磨損嚴(yán)重，雖經(jīng)數(shù)次修復(fù)，歷經(jīng)兩個(gè)工作日，只鉆進(jìn)了70cm。同樣是采用原來(lái)的鉆機(jī)，采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，只用了7分鐘左右就鉆進(jìn)了一根鉆桿。進(jìn)行第二根鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，潛孔錘不啟動(dòng)了。經(jīng)檢查確認(rèn)地面設(shè)備無(wú)異常后將鉆具提出鉆孔，打開(kāi)沖擊器，發(fā)現(xiàn)巖屑進(jìn)入潛孔錘的內(nèi)缸將沖錘活塞卡住了。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，潛孔錘工作時(shí)由于水位太高、水量太大，一旦停止送風(fēng)，沖洗液和鉆屑會(huì)倒吸入鉆具內(nèi)。為保證潛孔錘正常工作，將工作坑內(nèi)泥漿排凈，從原鉆孔的上方，重新開(kāi)孔，風(fēng)動(dòng)潛孔錘工作正常，故障排除。
鉆機(jī)實(shí)施了直線鉆進(jìn)和弧形控向鉆進(jìn)。鉆機(jī)轉(zhuǎn)速10~40r/min，給進(jìn)壓力控制在2~5T左右?？叵蜚@進(jìn)時(shí)，就采用扇形擺動(dòng)鉆進(jìn)。平均鉆進(jìn)速度為7min/m。在鉆進(jìn)24根鉆桿時(shí)，發(fā)感鉆速突然加快，回轉(zhuǎn)阻力減小，給進(jìn)力下降，分析地層發(fā)生了改變，提出巖石控向鉆具，換上普通土層導(dǎo)向鉆具，再鉆進(jìn)20多米，順利完成導(dǎo)向孔施工。
本次導(dǎo)向孔施工，巖石鉆進(jìn)長(zhǎng)度約70m，最深處7.9m，以-15°開(kāi)孔即在巖石層中施工，至鉆透巖石層，角度已經(jīng)調(diào)整到5°。
3沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)巖石層施工特點(diǎn)
氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是一種沖擊回轉(zhuǎn)空氣鉆進(jìn)方法，多年來(lái)在固體礦床勘探開(kāi)采、水井開(kāi)鑿、鉆孔灌注樁施工中得到廣泛應(yīng)用。此次應(yīng)用于水平定向鉆導(dǎo)向孔施工，具有一些特性：
?。?）導(dǎo)向孔施工采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法，在中硬度花崗巖中，控向操作簡(jiǎn)便實(shí)用。每根鉆桿(3m)可調(diào)向1°左右；
（2）排渣快，鉆孔干凈。每鉆進(jìn)一根鉆桿，反復(fù)提動(dòng)鉆具，同時(shí)高風(fēng)量清孔；
?。?）同回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法不需要高轉(zhuǎn)速，一般在10~60r/min范圍內(nèi)，正常鉆進(jìn)時(shí)所需扭矩較小，需要鉆壓只有回轉(zhuǎn)鉆的1/3左右；
?。?）開(kāi)孔時(shí)要加水降塵，當(dāng)鉆進(jìn)到地下水位線下，需要適時(shí)清孔孔內(nèi)積水；
?。?）鉆進(jìn)效率高。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，施工中純鉆效率在10m/h~20m/h之間。
實(shí)踐證明，采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，擺動(dòng)式變向完全能夠?qū)崿F(xiàn)巖石層導(dǎo)向孔施工，為難鉆地層非開(kāi)挖施工開(kāi)辟了一種新途徑。
本次巖石層導(dǎo)向孔施工成功,我們感謝國(guó)土資源部勘探技術(shù)研究所非開(kāi)挖研究開(kāi)發(fā)中心董向宇高級(jí)工程師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn):
[1]葉建良蔣國(guó)盛竇斌《非開(kāi)挖鋪設(shè)地下管線施工技術(shù)與實(shí)踐》中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社；
[2]杜祥麟《潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)》超星數(shù)字圖書(shū)館1988年10月第一版
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