硬岩地层旋挖钻进组合工艺的研究与应用
宋刚
（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）
[摘要】根据旋挖钻进施工存在的主要问题将旋挖工法依据岩石硬度进行量化钻进分类提出硬岩钻进概念并对当前硬岩钻进组合工艺进行分类、比较同时介绍新型取芯筒钻的结构特点和操作规程结果表明新型取芯筒钻不仅解决了旋挖钻进硬岩组合工艺取芯的技术滩题，而且丰富了旋挖硬岩钻进组合工艺.
[关键词】旋挖：组合工艺：取芯筒钻
[中图分类号】TU473 [文献标识码]A
[文章编号 】1002-8498( 2011) 02-0072-03
Application and Research on Combinatory Rotary Drilling Process in Hard Rock
Song Gang
( Sechod af Enginering & Technology China Usirersiey ef Gescieneces Bejing 100083 China)
Abstract: Based on existing problems about the construetion of rotary dilling the rotary drilling methodsare quantitatively classified with the hard rock driling concept. The classification parison andsummary are made of the binatory hard rock drilling process. A newly developed core barrel isdescribed and structural characteristics and manual rules are introduced. The results show that it has notonly tackled the technical dificulty in hard rock coring with the mon binatory rotary drilling process but also adding to the binatory rotary drilling processes.
Key words: rotary drilling: binatory process core barrel
始起步此工法是因青藏铁路的成功应用而迅速发展起来的先进桩工施工工法.旋挖钻机施工具有高效、低噪、环保、成孔质量高、机械化程度高、操作工人劳动强度低等诸多特点，目前已成为我国钻孔灌1000台/年速度递增旋挖钻机从起步之初完全侬 注桩的首选施工工法.我国旋挖钻机台数按800-赖进口设备的局面，发展到目前国产旋挖钻机已基本代替进口，占居主导地位.
旋挖钻进施工工法在我国从20世纪90年代开1旋挖工法钻进硬岩存在的主要问题
础桩设计大多分端承桩和摩擦桩两大类在端承桩 基岩钻进是基础桩施工中经常遇到的难题-基施工中经常会在岩层中钻进-岩石的可钻性在地质钻探中分为12级，但旋挖钻进与地质钻探不尽相同，端承桩对承载岩石的要求，主要从风化程度和单轴抗压强度来考核：岩石从风化程度，可分为强 风化、中风化和微风化-我国建筑地基基础设计规范》GB50007-2002对地基岩石按坚固性分为硬质和软质在单轴抗压强度大于30MPa的中风化或微风化岩层中钻进称之为在硬岩中钻进.
随着旋挖钻机的推广和应用，与之相配套的各种钻进工艺和旋挖钻具，也需要进行深入研究.针 对不同地层、工程规模、设备概况选择不同的旋挖钻进工艺，旨在发挥施工单位旋挖设备最大效能提高钻进效率最大限度节约成本.对旋挖钻进工艺进行深入研究不仅可以丰富旋挖工法满足施工市场需要而且有助于此工法的拓展和推广应用.
岩石的单轴抗压强度，从而将岩石压溃、剥离或崩 破碎岩石需要切削齿作用在岩石上的钻压大于落，最后达到破碎岩石实现进尺，旋挖钻机作用于岩石上的力主要来自钻杆重量、钻头重量以及加压为无法实现加压在硬岩中钻进时不易采用. 力、旋挖钻机钻杆分摩阻式和机锁式摩阻钻杆因
目前旋挖钻机在硬岩中钻进所采用的切削钻具有螺旋、截齿旋挖斗、截齿筒钻、牙轮筒钻等，在实际施工中所遇到的突出问题是钻进效率低钻齿损
施工成本较高，甚至有的工地因为桩孔最终1-2m密度小于液体的气液混合物随着气体不断进入，气的入硬岩难题而放弃旋挖钻进不得不选择原始的冲击钻进不仅效率低而且对环境造成极大影响.
耗大钻杆、动力头以及相应的入岩器具磨损较大，的下端一定高度排出的气体与泥浆混合形成一种体向上浮动形成逐渐变大的气泡，使得管内液气混合物密度同孔底的液体产生压差，从而将气、液、固三相流以较高的速度从排渣管向上窜流经排渣管上端弯头排入专用钻头上的集渣室，此时固、气、液集渣室内，气体受浮力因素继续上升直至逸出液面， 进行一级分离作为固态的渣肩因重力因素沉积于完成与液态泥浆的二级分离（见图1）.专用钻头可分为气举筒式钻头和气举全断面钻头.切削具可采用牙轮和滚刀-采用气举筒式钻头与牙轮筒钻钻进 有相似之处都需要解决取芯难题而气举全断面钻头适合直径小于1.2m以下口径使用.
2旋挖钻进硬岩组合工艺法
大类：①刮削式切削如螺旋、截齿捞砂斗和筒钻，切 根据旋挖钻具切削齿切削岩石差异性可分为两削齿为截齿：②辗压锤击式破碎，如牙轮筒钻，切削齿为镶有钨钻合金的牙轮，在硬质岩和风化强度较大的岩层中既可采用刮前式切削，也可采用锤击式为切削具是首选方案- 破碎-在极硬岩地层中，选择锤击式破碎即牙轮作
对于旋挖入硬岩的难题，许多研究单位和施工单位做了大量的研究，并且取得了一定的成果.大多需要几种钻具进行组合采用组合工艺进行施工-
2.1刮削式切削工艺
刮削式钻进硬岩目前施工单位应用比较多，一般有以下两种组合钻进工艺钻进方案
1)在钻至硬岩面时，更换螺旋钻头钻进，钻进硬岩的螺旋钻头为锥形对地层进行锥形分层破碎， 钻至一定深度后，更换截齿旋挖斗进行清渣.交替更换钻具进行钻进.
2)在螺旋钻头进尺缓慢的情况下，更换截齿筒钻.因为截齿筒钻的钻齿少切削作用环状面积小，作用于单位钻齿上的压力大，对岩石进行刮前破碎， 使所钻岩层形成一孤立岩柱（岩芯）或因振动使岩芯从风化裂隙处破碎，之后用螺旋钻头破碎和截齿旋挖斗清渣.
采用这两种方法进行施工经常会遇到所钻岩石破裂块尺寸过大采用后续螺旋钻头钻进因块状岩 石在孔内滚动，很难将其进行二次破碎从而不能用旋挖斗将其从孔内取出.
图1局部气举反循环原理
Fig. 1 Local air lift reverse circulation theory
采用气举反循环工艺尽管可以彻底解决钻硬岩的难题，但一次性投入较大，需要配置空压机、气龙 头、气管等并且需要有全护筒配合钻进，否则容易造成塌孔事故-
2.2辑压锤击式切削工艺
进效率极低时就应选择采用辗压链击式破碎施工， 1)在刮削式切削钻进中，如果采用截齿筒钻钻采用牙轮筒钻钻进，钻进方法与截齿筒钻相似-因为旋挖属无循环钻进牙轮下的岩屑不能带离孔底，易造成重复破碎进尺至400-500mm后进尺效率明显降低进尺效率先快后慢.施工时无论是采用 螺旋钻头主动破碎还是钻进震裂的岩块，同样面临岩块不易处理的难题
3旋挖组合工艺难点
旋挖钻进硬岩方法，无论是采用钻具方面的组合还是采用工艺方面（气举）的组合都属于组合 钻进.从上述分析可知，除全断面局部气举反循环外困扰组合钻进工艺最大的难题就是岩芯的提取，针对这个难题进行了多次室内外试验研制了一种取芯式筒钻，解决了这个难题.结构如图2所示.
2）局部气举反循环钻进硬岩将气举反循环应用于旋挖施工是由勘探技术研究所最先提出并取得试验成功-它是将气举优势与旋挖相结合优势 互补，也是一种组合工艺.它的原理是将压缩气体经管道压入专用钻头内的排气口排气口在吸渣口
取芯筒钻的切削刃根据硬岩强度既可选择截齿，又可选择牙轮，它是利用筒钻的钻进原理，在提钻取芯之前，正常钻进筒钻，钻进终了时反转提钻，两斗瓣收拢将破碎的岩块抱住，一起提出孔外.
图2取芯简钻结构Fig. 2 Structure of core barrel
4取芯筒钻的结构特点及操作规程
取芯筒钻经过若干次试验不仅在结构上进行了改进和完善，而且还总结出操作规程
4.1取芯筒钻的结构及性能特点
1)具有双重防事故功能钻具上设置有传扭防脱装置及防事故索，一旦发生旋转轴折断不会将钻 具掉入孔内-
2）设置有限位装置钻进硬岩时不会出现单次进尺过深而使岩芯将上部机构磨损毁坏.
内时或钻进过程中两斗赠张至最大，并且不会因钻 3）压紧弹簧装置，此装置确保取芯筒钻下入孔杆的抖动而颤抖这样就可以防止岩块挤入斗与筒体之间随着钻杆施加压力的增大将斗糖折断.
4）取芯筒钻既可以作为旋挖钻具的标准配置作筒钻使用，又可在组合工艺钻进中代替筒钻实现 钻取一体化
5)取芯筒钻不仅可以在硬岩中钻进，而且还可以在砾径大于250mm的漂石地层作为主要钻进工具进行施工.
4.2取芯简钻操作规程
1）下入筒钻之前在孔口必须进行机构灵活性检查-
2)斗瓣必须在张至最大状态下入孔.
渐加压此时筒钻不应出现局部跳钻现象. 3）初始钻进不可进行加压待回钻平稳后再逐
4）钻进过程中若发生憨钻，停止加压，不可打反钻
5)钻进中发现回转阻力突然增加，此时可初步判断岩芯已断反转2-3圈提钻即可
6)钻进过程中发现突然失压即回转时没有阻力需立即停钻，提钻检查，以防回转轴折断.
6结语
参考文献：
5取芯简钻组合工艺在实际施工中的应用
中铁十四局对东深（东莞一深圳）高速某标段施工b1.5m口径桥梁基础桩进行施工，地层情况：开孔0-6m为强风化地层，从6m以下直至终孔17m为中风化白云质灰岩，石英含量较大，节理发BG40钻杆为机锁式选择钻具为截齿旋挖斗牙轮 育，岩石单轴抗压强度为85-132MPa.设备为和截齿取芯筒钻，人岩锥形螺旋钻头.
施工时直接由截齿旋挖斗钻至6m更换截齿取芯筒钻，单次进尺到0.8m左右提钻，若岩芯断裂，进因有环状自由面的存在岩芯在钻进中较容易崩 直接提出孔外，若岩芯完整，需用螺旋钻头加压钻裂形成大块岩石后再用截齿取芯筒钻取芯，在钻深至13m左右随着岩石硬度的增加，截齿筒钻进尺缓慢此时更换牙轮筒钻，为防止岩屑重复破碎， 单次进尺控制在0.5m左右，之后的施工顺序如截齿筒钻，最后由截齿旋挖斗清孔确保沉渣厚度不超标.
此标段采用取芯筒钻组合工艺解决了取岩芯的难题施工效率达到1-1.5m/h是另一标段采用的 冲击钻进工艺效率的10倍以上不仅打消了业主对旋挖工法不能施工的疑虑，而且深得甲方和当地环保部门的好评.
程概况合理选择相应的组合工艺以及配套组合工 1）旋挖施工硬岩前，应根据工程地质资料，工艺所需的钻具-
2)取芯筒钻可以作为旋挖工法的标准配置钻具不仅可以完成岩石取芯、卵砾石钻进，桩孔纠偏孔内的切削盘、钻尖等进行打捞. 等工作而且还可以作为事故打捞工具对不慎掉入
3）旋挖工法作为一种新兴工法还需要众多单位和个人在实际施工中不断研究、实践针对不同地完善、丰富这样有助于此工法的拓展和推广应用. 层及工程情况总结出相应的施工工艺并对其进行
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