定向鉆機在花崗巖地層穿越施工中的應用
定向鉆機在花崗巖地層穿越施工中的應用
采用水平定向鉆穿越技術進行管線穿越施工，是城市市政建設中不破壞地貌狀態和保護環境的原則下，完成水電氣管網建造、通訊光纜敷設等工程比較理想的施工方法。近十年來水平定向鉆穿越技術在我國各個行業得到了廣泛的應用，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。隨之而來的是施工難度越來越大。這就要求我們的施工機械具有更多的功能，同時不斷的更新施工工藝，合理的確定操作參數。
1巖石層中的導向工藝
在巖石層中進行水平定向鉆施工，關鍵是導向孔的施工，導向孔施工的質量是工程成敗的關鍵。巖石層導向孔的施工，有關資料介紹有如下方法：
1.1扇形鉆進導向法
這種方法是將導向板換成三爪截齒輪鉆頭或者是單掌牙輪鉆頭，當要改變鉆孔軌跡時，需在一定間歇推力下,在預設方向的兩邊30°—60°范圍內，進行扇形鉆進，達到改變方向的目的。這種方法只適用于較軟巖層，操作者勞動強度大，效率較低。
1.2孔底泥漿馬達
泥漿馬達由大排量泥漿來驅動，泥漿馬達與鉆桿軸線有1.5°-3°安裝偏角。當鉆桿和泥漿馬達同時工作時，鉆頭保直鉆進；當鉆桿不旋轉，只提供推力和定向，泥漿馬達旋轉時，實現導向功能。
1.3雙壁鉆桿施工法(AT巖石鉆進系統)
雙壁鉆桿施工法(AT巖石鉆進系統)是美國溝神公司的一項非開挖技術專利。在雙馬達動力驅動下，內鉆桿和外鉆桿可相對獨立運行，外鉆桿頭部與鉆桿柱軸線呈2°安裝角。當內外鉆桿同時旋轉或只外鉆桿旋轉時，鉆孔軌跡保持原方向不變；當外鉆桿不旋轉，提供推力和定向，內鉆桿旋轉時，鉆頭可轉向，實現控向功能。
2水平糾斜鉆具施工法
海川達建設工程有限公司與國土資源部勘探技術研究所非開挖研究開發中心合作，用25T小鉆機，在深圳市寶安區福永街8X110mm道通信管線穿越花崗巖地層中成功的進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福永街道辦翠崗西路跨政豐北路，路寬約40米，穿越長度約90米。敷設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。近三年來先后有十多個施工隊進入該路段施工,均以因無法鉆進花崗巖而撒場。
2.2地層
穿越施工地段的地質剖面見附圖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，長約70米，一直延續過了公路，然后是花崗巖完全風化形成的粘土和亞粘土層。
2.3施工機具
汲取以前施工失敗的教訓，在鉆機進場前，對設備的配套選用，進行了認真研究。以25T鉆機為基礎配置，增加一臺風壓1.4MPa；排氣量17m3的空壓機。在送氣管的適當位置安裝潤滑裝置，并通過三通接入鉆機泥漿泵的高壓管中。采取鉆機原配泥漿泵單缸送水，這樣既能保證孔內沖擊器的潤滑，又能滿足孔內探棒冷卻和降塵的要求。
針對巖石性狀，選用了高壓潛孔錘。通過沖擊回轉鉆進，破碎巖石。在沖擊載荷下，巖石發生體積破碎。沖擊式鑿巖鉆頭施加一個垂直于巖石表面的沖擊力，在這個力的作用下，使鉆頭壓入并破碎巖石，每沖擊一次，鉆頭旋轉一個角度，形成圓形鉆孔。對于中硬以上巖石，在一定預壓力下實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，鉆桿回轉速度低，目前市場上20噸以上鉆機均能滿足鉆進需要。
在巖石層中施工成功的關鍵，不是鉆巖的問題，而是在巖石層中如何控向。經過反復研究，決定采用勘探技術研究所非開挖技術開發中心研制的水平糾斜鉆具來完成導向孔的施工。水平糾斜鉆具由控向測量系統―氣動潛孔錘―斜面巖石鉆頭組成。
測量系統設計了減震機構能在潛孔錘沖擊工作環境中，保證探棒的正常工作。碎巖鉆頭是球齒鉆頭，增加了一個斜面。在沖擊回轉鉆進工況下，鉆頭保持直線方向鉆進，導向孔軌跡表現為直孔鉆進；當進行控向鉆進時，實施在預定方位扇形擺動鉆進。
2.4施工過程
設備就位后，將鉆具按鉆頭、潛孔錘、巖石導向系統、鉆桿依次連接好。首先是從以前施工過的一個孔位處開始鉆進。舊鉆孔是采用硬質合金回轉鉆進，合金鉆頭磨損嚴重，雖經數次修復，歷經兩個工作日，只鉆進了70cm。同樣是采用原來的鉆機，采用沖擊回轉鉆進，只用了7分鐘左右就鉆進了一根鉆桿。進行第二根鉆桿鉆進時，潛孔錘不啟動了。經檢查確認地面設備無異常后將鉆具提出鉆孔，打開沖擊器，發現巖屑進入潛孔錘的內缸將沖錘活塞卡住了。經過現場分析，潛孔錘工作時由于水位太高、水量太大，一旦停止送風，沖洗液和鉆屑會倒吸入鉆具內。為保證潛孔錘正常工作，將工作坑內泥漿排凈，從原鉆孔的上方，重新開孔，風動潛孔錘工作正常，故障排除。
鉆機實施了直線鉆進和弧形控向鉆進。鉆機轉速10~40r/min，給進壓力控制在2~5T左右。控向鉆進時，就采用扇形擺動鉆進。平均鉆進速度為7min/m。在鉆進24根鉆桿時，發感鉆速突然加快，回轉阻力減小，給進力下降，分析地層發生了改變，提出巖石控向鉆具，換上普通土層導向鉆具，再鉆進20多米，順利完成導向孔施工。
本次導向孔施工，巖石鉆進長度約70m，最深處7.9m，以-15°開孔即在巖石層中施工，至鉆透巖石層，角度已經調整到5°。
3沖擊回轉鉆進巖石層施工特點
氣動潛孔錘鉆進是一種沖擊回轉空氣鉆進方法，多年來在固體礦床勘探開采、水井開鑿、鉆孔灌注樁施工中得到廣泛應用。此次應用于水平定向鉆導向孔施工，具有一些特性：
（1）導向孔施工采用沖擊回轉鉆進法，在中硬度花崗巖中，控向操作簡便實用。每根鉆桿(3m)可調向1°左右；
（2）排渣快，鉆孔干凈。每鉆進一根鉆桿，反復提動鉆具，同時高風量清孔；
（3）同回轉鉆進相比，沖擊回轉鉆進法不需要高轉速，一般在10~60r/min范圍內，正常鉆進時所需扭矩較小，需要鉆壓只有回轉鉆的1/3左右；
（4）開孔時要加水降塵，當鉆進到地下水位線下，需要適時清孔孔內積水；
（5）鉆進效率高。經過統計，施工中純鉆效率在10m/h~20m/h之間。
實踐證明，采用沖擊回轉鉆進，擺動式變向完全能夠實現巖石層導向孔施工，為難鉆地層非開挖施工開辟了一種新途徑。
本次巖石層導向孔施工成功,我們感謝國土資源部勘探技術研究所非開挖研究開發中心董向宇高級工程師的現場指導。
參考文獻:
[1]葉建良蔣國盛竇斌《非開挖鋪設地下管線施工技術與實踐》中國地質大學出版社；
[2]杜祥麟《潛孔錘鉆進技術》超星數字圖書館1988年10月第一版
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