大直径贯通式风动潜孔锤在破碎复杂地层中的应用研究

何龙飞

（中船勘察设计研究院有限公司，上海 200063）

破碎复杂地层大直径钻孔技术是国内外钻孔工程界极为关注和竭力研究的难题之一。卵砾石地层为外力地质作用行成的复杂破碎地层，沉积层一般都含有粘土、流沙、卵石、砾石、漂石，由于此类地层具有碎块状岩石的大小不均、胶结性差、结构松散、换层频繁、软硬悬殊、颗粒级配悬殊等特点，所以在钻进中碎块不能稳定受力，容易发生滚动，产生多个切削面，使得破碎效率降低，钻具磨损严重，容易出现塌孔、掉块和卡钻等事故。SH25H液压风动冲击钻机是国内最新研制的针对中硬以上岩层为主的，多工艺新型桩基础施工设备，在卵砾石地层大口径桩成孔工程中，本工程采用贯通式气动潜孔锤与泥浆湿式护壁，泥浆正循环排渣组合钻进工艺，取得了显著的成果。

1 工程概况

本试验依托项目为安康线二线灞河铁路桥承台桩孔工程，施工地为西安市灞桥镇灞河河道内。河道内均匀分布11个承台，每个承台5个桩孔。钻孔技术参数为：桩径1200mm，设计桩长为30.5～40m不等，混凝土强度等级为C35，共计55根。施工技术要求为：钻孔垂直偏差＜1%；桩径允许偏差±20mm；桩位偏差±50mm；孔深偏差+300mm。

2 工程地质情况

2.1 自然条件

试验场地位于西安市灞桥区灞桥镇灞河桥附近陇海线铁路桥附近，交通发达，地形基本平坦，地面标高约43m，施工期间灞河干涸无地表水。地下水位约12m。

2.2 地层情况

根据搜集该地区地勘报告，该区域地层分布如下：第①层（0～2m）：杂填土；

第②层（2～4m）：钢筋混凝土层，厚度不均；

第③层（4～45m）：砂卵砾石地层，卵石含量约60%，粒径多为50～100mm，个别为150～400mm，局部有孤石（勘察发现最大直径为500mm），砂含量10%～20%，局部有架空层，砾卵石成分为花岗岩，全层厚约41m。

3 施工方案

在西安工地采用的施工工艺为泥浆正循环（如图1）。泥浆从钻杆内置泥浆管到达钻头底部并携带岩粉从潜孔锤与钻孔孔壁环状间隙上返，实现泥浆正循环。采用BW850型泥浆泵供给泥浆，通过钻杆内部的通道，在经过短接杆后到潜孔锤中心通道到钻头底部，通过钻头底部6个开口流出，从而冲刷破碎岩石以实现钻进及排渣。采用内通胶管式四层钻杆。长度12m，外层钻杆外径为Φ406mm。

图1 钻探施工方案Fig.1 The drilling construction scheme

4 主要设备组成

钻机：SH25H液压风动冲击钻机；钻杆：内置胶管可伸缩摩阻式钻杆；短接杆：内置交错式短接杆；空压机：两台外接Airman空压机容积流量为20m3/min，公称排气压力为1.25MPa；泥浆泵：三台BW850型泥浆泵：理论流量850L/min；Φ1200mm硬质合金球齿钻头；FC15型冲击器：Φ705mm×1963mm，冲击功3000～12000J，冲击频率250～450次/min，耗风量20～60m3/min，工作风压0.5～0.8MPa。如图2。

图2 钻探主要设备Fig.2 The drilling main equipments

5 试验过程

5.1 钻进工艺参数

（1）钻压及最有转速

钻压靠钻具自重施加。硬合金潜孔锤回转仅是为改变切削刃破岩的位置，若转速过慢，切削刃将打入先前的坑穴中使钻头回转受阻。若转速过快，会导致切削刃过早磨损。所以，转速是否合理将直接影响钻速和钻头寿命。合理转速主要据最优冲击间隔来确定。

以“合理冲击间隔”确定最优转速[1：]，式中δ－破碎穴的直径大小（与冲击功、岩石性质、柱齿直径等相关），此公式还可转换为： 单位（r/min），其中k－破碎穴直径与合金柱齿直径之比，d－合金柱齿直径，D－钻头直径（1200mm），f－冲击频率，取450次/min。

（2）风压

孔冲击器的冲击频率和冲击功都与空气压力有关，空气压力是决定冲击功的重要因素，因而也是影响机械钻速的主要参数，从国内外大量资料证料，机械钻速的提高和空气压力的提高是成正比关系。本次采用泥浆正循环工艺，两台外接空压机并联提供潜孔锤正常工作压力，一台车载式空压机提供内置保压装置风压。排气不经过孔底，驱动潜孔锤工作后，通过短接头上返排出。

总耗风量维持在20～60m3/min，工作风压0.5～0.8MPa。

（3）排渣方式及泥浆泵量计算

采用泥浆正循环排渣方式。泥浆通过一台BW850型泥浆泵将泥浆通过泥浆管、钻杆内泥浆管、短接头送入潜孔锤中通道后从钻头底部六个通道排出，冷却钻头，携带岩屑通过环状间隙上返排出孔外。泥浆泵量可根据以下公式[2]进行计算：

其中Vmin：钻孔内液流上升最小速度m/s；

df：岩屑直径（球状m），取破碎后卵石岩屑直径约6mm；

γf：岩屑密度，取2.3；

γ1：泥浆密度：取1.2。

计算得出Vmin=0.42m/s。因为钻杆与钻孔壁环状间隙面积约为1m2，固所需流量Q=0.42m3/s=2520L/min。固需要三台850L/min泥浆泵并联使用能满足泥浆量要求。

5.2 钻进成孔

本次试验采用泥浆正循环钻进成孔工艺，钻进时压缩空气驱动潜孔锤工作，对岩石实施冲击回转碎岩钻进[3]。大直径潜孔锤产生的巨大冲击能量使岩石破碎充分，钻头每颗球齿下的岩石产生体积破碎[4]，尾气通过回气管通过短接头上返排出，泥浆通过泥浆管、潜孔锤中心通道、钻头水口到达钻头底部，携带岩屑沿着钻具与孔壁环状间隙上返，部分细小的岩屑由泥浆直接带出孔外,颗粒较大的岩屑则重新沉到孔底进行多次破碎，最终形成细小岩屑上返。

为防止泥浆沿钻头与潜孔锤联接处内外花键间隙渗入冲击器内部，采用内保压装置（如图3所示），保压装置由车载空压机供气。

5.3 试验效果

施工过程中主要是先把上层（2～4m深度）厚度2～4m的钢筋混泥土层打穿。该段的钻进效率约1.2m/h。在这层混泥土层下是砂卵石层，通过对开始30个桩孔成孔钻进效率统计，钻进效率达到1.5m/h，但考虑到进尺太快，岩屑来不及排出可能形成埋钻事故，故在后期施工时，钻进效率控制在1m/h左右。

图3 内保压装置Fig.3 Internal pressure maintaining device

通过对泥浆上返携带出孔口岩屑观察，钻进砂卵砾石层排出岩屑从形态特征及分布规律上符合Gandin-Schuhmann分布和Rosin-Rammler分布，其中岩屑颗粒更贴近于G-S分布[5]。从粒度角度来看，大于5mm的颗粒占总质量的80%，呈“瓜子片”状（如图4所示）。表明潜孔锤球齿破碎岩石以体积破碎为主，重复破碎较少。

图4 砂卵砾石地层岩屑(a)与钢筋混凝土层岩屑(b)Fig.4 Sand gravel formation cuttings (a) and reinforced concrete layer cuttings (b)

5.4 主要存在问题

本工程在成功将大直径贯通式气动潜孔锤结合泥浆正循环钻进工艺应用到砂卵砾石地层钻进中，实现高效高质量成孔的同时，也存在着几个主要问题：

（1）钻进在使用一段时间后，发现空压机在全开高压状态下，潜孔锤停跳，同时与钻杆连接段进气管表面起泡（如图5所示）。对拆下来的胶管进行分析发现，胶管破坏处内外层分离，并且内层扭在一起堵塞胶管通道。后针对胶管工况主要承受拉力及扭转剪切力。胶管厂家对胶管进行改进，通过加强及改进胶管内部链接形式，成功解决了该问题。

（2）泥浆泵使用中出现活塞环（皮碗）磨损严重，分析原因为泥浆中的含沙量较大，没有经过过滤环节，直接吸入泥浆泵导致密封皮碗磨损。

（3）本工程由于使用新的潜孔锤，施工前期，经常出现潜孔锤无法跳动的情况，后再加大供气量并且在进气管处加入润滑油，加强内部活塞的润滑。经过几天磨合后潜孔锤工作正常。

（4）当钻进至40m以下深度时，普遍出现返浆效率下降现象。由于泥浆泵泵量限制，排渣效果随钻进深度增加明显降低，观察孔口返渣，颗粒较浅孔时变细，重复破碎加剧，严重时甚至出现埋钻现象。

6 结论

通过试验证明：

（1）应用SH25H型液压风动冲击钻机、采用FC15F型大直径贯通式潜孔锤组合泥浆正循环钻进工艺，同时采用水下自平衡防渗系统。在破碎复杂地层（砂卵砾石）地层大口径嵌岩灌注桩成孔施工中实现高效钻进，效率可达1.00m/h，较传统CK1500型冲击钻机及普通旋挖钻机大大提升了成桩效率及质量。

（2）由于采用泥浆护壁,避免了冲洗液对孔壁的冲蚀，减少了塌孔事故。

（3）由于空气潜孔锤钻进工艺的“小压力、慢转速”和泥浆正循环的护壁作用,使钻孔的垂直度提高,钻孔垂直偏差≤1%。

（4）钻杆与孔壁环状间隙过大，降低了岩屑上返流速，加重孔底重复破碎。

（6）本工程遇到最大的技术难题是孔内岩渣屑难以排除，因泥浆泵提供泵量在孔深较深时难以维持岩屑较高的上返速度，造成岩渣屑滞留孔底，重复破碎，加剧钻头磨损，影响钻进效率。更为严重的是，潜孔锤钻速高，产生的岩渣屑粒径大，孔内堆积厚度大，极易发生埋钻、卡钻事故。强力回转、起拔钻具又易造成钻具折断。为避免孔内岩渣屑堆积，建议在潜孔锤正循环钻进中增加捞渣工序，即钻进几米后，采用捞渣工具捞取孔内岩渣屑。

本论文为大直径钻孔破碎复杂地层钻进技术提供了一种新的高效高质量的新方法，对提高我国大直径钻孔水平具有重要意义,必将有广阔的市场前景。