大口径基岩地质钻探技术在嘉陵江亭子口水利枢纽中的应用

王春江 武营军 张 涛

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉 430010)

嘉陵江亭子口水利枢纽位于四川省苍溪县李家嘴,坝型为重力式混凝土坝。为研究水利枢纽坝基稳定情况,在上坝线左、右岸共钻进大口径地质勘探孔两个,孔径1000mm,取出的岩芯直径为700mm,孔深分别为60.9m和61.6m。

1 工程地质条件

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 0～26.0m;②紫色粘土岩夹粉砂岩,埋深26.0～31.0m;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31.0～59.0m;④紫色泥质粉砂岩夹粘土岩,埋深59.0～62.0。岩层内渗水量约20～30m3/h,岩石可钻性为 4～5级。

2 技术方案选择

2.1 钻头的选择

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,且由于合金出刃小,钻孔与钻头间的环状间隙小,对取芯不利;钢粒钻头钻进环状间隙较大,对取芯有利,但钢粒钻进孔底沉淀多,工作人员需经常抽水且下井清理沉淀,频繁下井安全性很差,且钻进效率低;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。牙轮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、稳定性好,不易发生孔内事故,钻孔环状间隙大利于取芯。牙轮钻头综合了前两种钻头的优点,通过综合对比,最终决定采用牙轮钻头成孔。根据钻孔要求选用钻头外径1000mm,牙轮宽度150mm×2,可取岩芯直径700mm。

2.2 钻探设备选择

大口径钻探由于破岩断面大,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 GPS-15S工程钻机,钻压 37 kW,钻杆采用 φ168 mm牙嵌式钻杆,采用 3PNL泥浆泵2台,慢动卷扬1台,贵州产 6135柴油发电机组1台,12 kN加重块两个。

2.3 工艺参数确定

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、大泵量。

3 钻进技术参数及注意事项

3.1 孔底钻具组合

牙轮钻进基岩时孔底钻具组合如图1所示。

图1 孔底钻具组合示意

3.2 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。压碎是牙轮在钻压的作用下对岩石的静力压碎作用,其效果主要取决于钻压的大小和岩石的硬度;冲击是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。

牙轮钻头钻压对钻进效率影响较大,它是由牙轮钻头、加重块、钻杆、机上钻杆和水龙头的重力之和减去孔内冲洗液浮力,再减去卷扬机的拉力(孔内钻具摩阻忽略不计)后形成的。孔径1000mm的钻压一般为 35～55 kN,施工中加入的最大钻压约为50kN,钻进效率为0.4～0.5m/h。加入钻压为38 kN时,钻进效率为0.2～0.3 m/h。受钻探设备能力的限制和其他因素的影响,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。

3.3 转 速

转速主要受钻头外缘线速度的限制。根据国内外的大量钻进经验,牙轮钻头的最经济线速度为1.9m/s,此时 Φ1000钻头转速为13～29 r/min,GPS-15型钻机由 SPJ-300改装而来,最低转速达到13 r/min,正好满足牙轮钻进需要。

牙轮钻进转速要求较低,一般13～23 r/min为宜(GPS-15型钻机Ⅰ、Ⅱ档)。采用Ⅰ档钻进,钻进效率0.2～0.3 m/h;Ⅱ档钻进,钻进效率0.4～0.5m/h。

3.4 泵 量

由于牙轮钻进时将环状面上的岩石研磨成细小粒度的岩屑,可采用清水钻进,3PNL泵全泵量108 m3/h,上返流速约0.8～1.0m/min,可满足携带岩屑的需要。

民国时期，国家层面的宗法制度被推翻，但由于战乱频发，基层治理处于长期被忽略的态势，以至于地方宗族与封建行会长期把持地方权力。

3.5 钻进注意事项

(1)钻井平台需作硬化处理,钻机安装必须平稳、牢固、水平,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,连接法兰盘的螺杆要使用高强螺杆连接,螺杆丝扣要上紧,提钻后须经常检查。

(3)下钻过程要稳。下钻中途遇阻严禁用钻具冲镦障碍物。

(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,不进尺且阻力增大时,应立即提钻检查。

(5)钻进速度应尽量保持均匀,并在钻杆上安装两个导正环,其外径比钻头外径小 40～60mm。

4 大口径取芯工艺

4.1 传统大口径取芯工艺

4.1.1 工艺流程

4.1.2 操作要点

(1)回次完毕提钻后,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;

(2)将250～300kg的穿心锤固定在细钻杆上,将穿心锤提至一定高度锤击楔子,利用楔子传递一个水平分力将岩芯楔断;

(3)用水泵将孔内水抽干,然后作业人员下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。

4.1.3 取芯中亟待解决的问题

(1)如果作业人员不下入井内,楔子不易放入岩芯和孔壁的环状间隙中,特别是孔深超过 30m后更加不易;

(2)由于穿心锤不是垂直击打楔子,当锤击楔子时力量被分散,且容易打在孔壁上,岩芯不易被楔断;

图2 传统大口径取芯原理示意

(3)作业人员下井前必须将孔内水抽干,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,作业人员若频繁下入孔内取芯,危险因素多,风险大,特别是孔深超过 30m后,出现人身事故的概率相当大。

4.2 改进后取芯工艺

4.2.1 工艺流程

4.2.2 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 3所示。

(1)导向筒:固定钢丝绳套,并将钢丝绳套送入孔底;收钢丝绳套时起导向作用,之后将岩芯套牢;提取岩芯时,不使岩芯倾斜。

(2)钢丝绳套: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,并用斜扣连接在副卷扬上。钢丝绳采用φ13.5mm软丝钢绳。

(3)楔块: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而定。其作用是楔断岩芯并将其直接提出。

4.2.3 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。

图3 大口径基岩钻探取芯装置示意

(2)用钻杆连接取芯装置下入孔内,测量上余,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。若钻杆在原位置突然下降20～30cm,则说明岩芯已经楔断。确认岩芯断裂后,收紧副卷扬钢丝绳将岩芯套牢,然后用主卷扬将岩芯提出。

4.2.4 取芯效果

该取芯装置对于 3级以上坚硬完整的岩石,取芯可靠性好,效率高,且解决了大口径取芯需抽水、工作人员下井的问题。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φ1000大口径基岩钻孔,总进尺272.6 m,取芯成功率达 95%以上,平均岩芯采取率达 93%,取出的φ700岩芯的最大长度为2.2 m(受岩芯管长度所限),取出的岩芯完整光滑,磨损小,层次分明,纹理面清晰可见,能真实反映岩石的天然状态。

5 结 语

大型建筑工程和枢纽工程对地基与基础的地质要求越来越高,传统的小口径勘探有时无法满足地质要求,大口径钻探由于岩芯直径大、直观性好,且成孔后地质人员可以直接下入孔内进行岩芯编录描述,在探明真实完整的地质情况方面优势明显。由于国家对建筑物地基基础安全的重视,目前大口径地质钻探项目越来越多,新的大口径钻探技术,特别是取芯技术将会有更大的发展空间。