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小型非开挖钻机在花岗岩地层穿越施工中的应用

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采用水平定向钻穿越技术进行管线穿越施工,是城市市政建设中不破坏地貌状态和保护环境的原则下,完成水电气管网建造、通讯光缆敷设等工程比较理想的施工方法。近十年来水平定向钻穿越技术在我国各个行业得到了广泛的应用,穿越施工从一般的土层,逐步向砂层、砂砾层、卵砾层、岩石层拓展。随之而来的是施工难度越来越大。这就要求我们的施工机械具有更多的功能,同时不断的更新施工工艺,合理的确定操作参数。  1岩石层中的导向

  采用水平定向钻穿越技术进行管线穿越施工,是城市市政建设中不破坏地貌状态和保护环境的原则下,完成水电气管网建造、通讯光缆敷设等工程比较理想的施工方法。近十年来水平定向钻穿越技术在我国各个行业得到了广泛的应用,穿越施工从一般的土层,逐步向砂层、砂砾层、卵砾层、岩石层拓展。随之而来的是施工难度越来越大。这就要求我们的施工机械具有更多的功能,同时不断的更新施工工艺,合理的确定操作参数。

  1 岩石层中的导向工艺

  在岩石层中进行水平定向钻施工,关键是导向孔的施工,导向孔施工的质量是工程成败的关键。岩石层导向孔的施工,有关资料介绍有如下方法:

  1.1 扇形钻进导向法

  这种方法是将导向板换成三爪截齿轮钻头或者是单掌牙轮钻头,当要改变钻孔轨迹时,需在一定间歇推力下,在预设方向的两边30°—60°范围内,进行扇形钻进,达到改变方向的目的。这种方法只适用于较软岩层,操作者劳动强度大,效率较低。

  1.2 孔底泥浆马达

  泥浆马达由大排量泥浆来驱动,泥浆马达与钻杆轴线有1.5°-3°安装偏角。当钻杆和泥浆马达同时工作时,钻头保直钻进;当钻杆不旋转,只提供推力和定向,泥浆马达旋转时,实现导向功能。

  2 水平纠斜钻具施工法

  海川达建设工程有限公司与国土资源部勘探技术研究所非开挖研究开发中心合作,用25T小钻机,在深圳市宝安区福永街8X110mm道通信管线穿越花岗岩地层中成功的进行了水平定向穿越施工。

  2.1 工程概况

  本工程位于深圳市宝安区福永街道办翠岗西路跨政丰北路,路宽约40米,穿越长度约90米。敷设8×Φ110mm通信管道。路两边有多种市政管道、电力、通信管线,路中有一宽8米,深6米的泄洪箱涵。近三年来先后有十多个施工队进入该路段施工,均以因无法钻进花岗岩而撒场。

  2.2 地层

  穿越施工地段的地质剖面见附图1。路口为山丘削平而成,地表以下一米为花岗岩地层,深度未知,长约70米,一直延续过了公路,然后是花岗岩完全风化形成的粘土和亚粘土层。

  2.3 施工机具

  汲取以前施工失败的教训,在钻机进场前,对设备的配套选用,进行了认真研究。以25T钻机为基础配置,增加一台风压1.4MPa;排气量17m3的空压机。在送气管的适当位置安装润滑装置,并通过三通接入钻机泥浆泵的高压管中。采取钻机原配泥浆泵单缸送水,这样既能保证孔内冲击器的润滑,又能满足孔内探棒冷却和降尘的要求。

  针对岩石性状,选用了高压潜孔锤。通过冲击回转钻进,破碎岩石。在冲击载荷下,岩石发生体积破碎。冲击式凿岩钻头施加一个垂直于岩石表面的冲击力,在这个力的作用下,使钻头压入并破碎岩石,每冲击一次,钻头旋转一个角度,形成圆形钻孔。对于中硬以上岩石,在一定预压力下实施冲击破碎是一种有效的碎岩方式,施工中所需轴心压力小,钻杆回转速度低,目前市场上20吨以上钻机均能满足钻进需要。

  在岩石层中施工成功的关键,不是钻岩的问题,而是在岩石层中如何控向。经过反复研究,决定采用勘探技术研究所非开挖技术开发中心研制的水平纠斜钻具来完成导向孔的施工。水平纠斜钻具由控向测量系统―气动潜孔锤―斜面岩石钻头组成。

  测量系统设计了减震机构能在潜孔锤冲击工作环境中,保证探棒的正常工作。碎岩钻头是球齿钻头,增加了一个斜面。在冲击回转钻进工况下,钻头保持直线方向钻进,导向孔轨迹表现为直孔钻进;当进行控向钻进时,实施在预定方位扇形摆动钻进。

  2.4 施工过程

  设备就位后,将钻具按钻头、潜孔锤、岩石导向系统、钻杆依次连接好。首先是从以前施工过的一个孔位处开始钻进。旧钻孔是采用硬质合金回转钻进,合金钻头磨损严重,虽经数次修复,历经两个工作日,只钻进了70cm。同样是采用原来的钻机,采用冲击回转钻进,只用了7分钟左右就钻进了一根钻杆。进行第二根钻杆钻进时,潜孔锤不启动了。经检查确认地面设备无异常后将钻具提出钻孔,打开冲击器,发现岩屑进入潜孔锤的内缸将冲锤活塞卡住了。经过现场分析,潜孔锤工作时由于水位太高、水量太大,一旦停止送风,冲洗液和钻屑会倒吸入钻具内。为保证潜孔锤正常工作,将工作坑内泥浆排净,从原钻孔的上方,重新开孔,风动潜孔锤工作正常,故障排除。

  钻机实施了直线钻进和弧形控向钻进。钻机转速10~40r/min,给进压力控制在2~5T左右。控向钻进时,就采用扇形摆动钻进。平均钻进速度为7min/m。在钻进24根钻杆时,发感钻速突然加快,回转阻力减小,给进力下降,分析地层发生了改变,提出岩石控向钻具,换上普通土层导向钻具,再钻进20多米,顺利完成导向孔施工。

  本次导向孔施工,岩石钻进长度约70m,最深处7.9m,以-15°开孔即在岩石层中施工,至钻透岩石层,角度已经调整到5°。

  3冲击回转钻进岩石层施工特点

  气动潜孔锤钻进是一种冲击回转空气钻进方法,多年来在固体矿床勘探开采、水井开凿、钻孔灌注桩施工中得到广泛应用。此次应用于水平定向钻导向孔施工,具有一些特性:

  (1)导向孔施工采用冲击回转钻进法,在中硬度花岗岩中,控向操作简便实用。每根钻杆(3m)可调向1°左右;

  (2)排渣快,钻孔干净。每钻进一根钻杆,反复提动钻具,同时高风量清孔;

  (3)同回转钻进相比,冲击回转钻进法不需要高转速,一般在10~60r/min范围内,正常钻进时所需扭矩较小,需要钻压只有回转钻的1/3左右;

  (4)开孔时要加水降尘,当钻进到地下水位线下,需要适时清孔孔内积水;

  (5)钻进效率高。经过统计,施工中纯钻效率在10m/h ~20m/h之间。

  实践证明,采用冲击回转钻进,摆动式变向完全能够实现岩石层导向孔施工,为难钻地层非开挖施工开辟了一种新途径。

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