复杂硬地层（精选8篇）
复杂硬地层 篇1
0前言
PDC钻头, 即聚晶金刚石复合片钻头, 是将聚晶金刚石复合片镶焊在钻头体上而制成的一种新型切削型钻头, 由于其高效优异的切削性能, 广泛地应用于煤田, 地质, 石油等领域[1]。按钻头体冠部材料分为胎体式和钢体式两种, 相应地钻头也分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头[2]。目前在我国煤炭行业, 钢体式PDC钻头使用范围最为广泛, 但是随着我国深部探矿工作的不断推进, 钻孔钻进过程中遇到的地层条件越来越复杂, 岩性种类也越来越多, 钢体式PDC钻头的寿命和时效已无法满足钻进要求。相对于钢体式, 胎体式PDC钻头具有耐磨性好、焊接强度高、抗冲击能力强等特点, 对复杂硬地层适应性强, 能够取得很好的钻进效果。为此, 本文开展了煤矿用胎体式PDC钻头的研究, 这对于解决我国煤矿井下复杂硬地层钻进困难、时效低等问题具有重要的指导意义。
1 PDC钻头设计
目前煤矿井下PDC钻头结构形式繁多, 并对使用地质条件非常敏感, 因此需要针对具体使用条件进行钻头设计。PDC钻头设计主要包括钻头冠部设计、工作角设计等。
1.1 钻头冠部设计
PDC钻头冠部设计是PDC钻头总体设计的一个重要组成部分。冠部形状决定PDC钻头的布齿面, 因此也影响着PDC钻头对特定地层的工作特性。不同的冠部形状具有不同的工作特性, 对于地层的适应性也不同[3]。为了保证PDC钻头的钻进效率, 合理地选择钻头冠部形状会增加钻头的稳定性, 同时也有利于孔底的清洗和减少切削齿的磨损。目前煤矿常用PDC钻头冠部形状主要有刮刀型、内凹型、平底型等[4]。对于松软地层, 主要以刮刀型PDC钻头为主, 该钻头钻进速度快, 排屑效果好;对于软-中硬度地层, 主要以内凹型PDC钻头为主, 该钻头稳定性好, 地层钻进适应性强;对于硬及复杂地层, 主要以平底型PDC钻头为主, 该钻头由于单位切削齿承受的钻进压力小, 不易造成切削齿崩刃等非正常磨损, 使用寿命长。
1.2 钻头布齿设计
PDC钻头布齿设计主要包括切削齿数量和布齿方式, 是PDC钻头设计的核心内容, 对PDC钻头的钻进效率、稳定性和工作寿命都有着十分重要的影响。PDC钻头的布齿设计对其钻进速度和钻头寿命具有相反的影响效果。为了获得较高的钻头寿命, 必然要增大切削齿密度, 但钻进速度随之降低。反之, 降低布齿密度可提高钻进速度, 但会对钻头寿命造成一定的负面影响。在实际工况条件下, 适当地牺牲钻头寿命以提高钻进速度, 并不一定影响钻头进尺和钻进成本, 因此PDC钻头的布齿采用以提高钻进速度为主, 以提高钻寿命为辅的设计原则, 应在保证可以获得较高钻进速度的前提下尽可能提高钻头的工作寿命, 以充分发挥剪切破岩效率高的优势[5]。
根据煤矿常用钻孔尺寸, 研制的钻头规格为Ф65mm, 钻头PDC复合片数量为5片, 外环采用3个PDC复合片均布, 内环采用2个PDC复合片, 保证全断面破岩。所有PDC复合片高度保持一致, 以提高钻头的抗冲击和抗剪切能力。水口位于钻头中心位置, 便于更好地排除岩屑和冷却PDC复合片。设计的钻头如图3所示。
1.3 钻头工作角设计
PDC钻头工作角主要包括切削角α和径向角β, 该结构参数对钻头的性能和钻进效果具有重要的影响。
切削角α是切削具表面与钻头轴向间的夹角如图2, 它是PDC复合片钻头切削岩石最重要的设计参数, 其数值减小时, 切削作用加强, 即在同样的钻压下切削角小的切削深度大, 可以钻出较大的岩屑, 故在相同的条件下可获得较高的钻速, 但较小的切削角在钻进硬地层时因切削具受到较大的轴向力而易损坏。相反, 较大的切削角α虽然切削出较小的岩屑, 但是在硬地层中寿命将会更长。从理论设计和实践经验, 对于较硬岩层, 切削角为10°~20°为最佳。
径向角β是切削具表面和钻头径向平面之间的夹角, 如图3所示。具有径向角的复合片可将岩屑引导到外环空间, 同时保证切削具有较强的研磨性。在钻头的切削作用下, 有些岩屑的移动具有切向和径向两种运动, 不易被岩粉粘附, 而且径向角越大岩屑粘附切削具的可能性越小[6]。一般是以利于切削岩石和排除岩粉两方面因素进行经验设计, 通常选取径向角为5°~10°。
2 PDC钻头试制
2.1 PDC复合片选择
在PDC钻头钻进过程中, 切削齿PDC复合片通过剪切方式直接破碎岩石, 同时承受着各种不同的载荷。在大多数情况下, PDC钻头损坏失效的主要原因是由于PDC复合片切削齿的严重磨损造成, 尤其是非正常磨损, 如崩刃、聚晶金刚石层脱落等。因此PDC复合片的性能在很大程度上决定了整个PDC钻头的使用性能。
PDC复合片具有不同的类型, 需根据所钻岩石地层特点进行正确地选择。目前常用的有Ф10.0mm, Ф13.3mm, Ф16.0mm等规格。在同一钻压下, 对于软-中硬地层, 阻力较小, 采用大直径的PDC复合片可获得较高的钻进效率;对于硬地层, 直径越大越难切入, 因此宜采用直径较小的PDC复合片, 但其抗冲击性能低于大直径的复合片。
由于复杂硬地层存在非均质的特点, 在钻进过程中, PDC复合片易受到冲击载荷的破坏, 故选用具有高硬度、高耐磨性、高抗冲击韧性及高热稳定性的Ф13.3mm加强型PDC复合片, 使用该复合片保证了PDC钻头优异的综合性能, 不仅可以提高钻头的钻进效率, 同时延长其使用寿命。
2.2 钎料钎剂选择
PDC钻头与钻头体的焊接为异种金属间的焊接, 且PDC钻头体与PDC复合片的收缩率也不一样, 故需采用钎焊来完成钻头体与刀片间的焊接。影响PDC复合片钻头焊接强度的因素不仅有焊接工艺, 还有焊接所使用的钎料、温度等。PDC复合片钻头焊接使用钎料主要分为铜基钎料和银基钎料。铜基钎料焊接强度相对于银基钎料来说, 焊接强度较高, 而且价格也较低, 但铜基钎料焊接温度较高, 容易对PDC复合片的人造聚晶金刚石层造成热损伤 (复合片所能承受的最高温度为700℃) 。为保证PDC复合片的性能不被加热温度过高而损坏, 要求复合片与钻头体间采用银基钎料进行焊接, 它完全可以满足PDC复合片低温钎焊的要求, 同时也能满足PDC复合片与钻头体间的焊接强度。一般选用银焊条L312, 同时选用相应的钎剂, 其作用是清除钎料和母材表面的氧化物, 保护焊件和液态钎料在焊接过程中免于氧化, 改善液态钎料对焊件的浸润性。
2.3 钻头体试制
胎体式PDC钻头钻头体整个试制工艺过程主要包括软模成型和无压浸渍两个部分[7]。
软模成型是一种新型的模具制造工艺, 主要采用软质材料 (如硅橡胶、环氧树脂等) 制造模具。其具有良好的复制性和脱模性, 因此在制作形状复杂、精度要求较高的产品方面具有独特的优势。同时可以降低了生产成本, 简化了模具制造工序, 缩短工期, 大大提高生产效率。
无压浸渍是粉末冶金液相烧结方法之一, 主要通过熔化粘结金属对具有湿润性的骨架粉末 (铸造碳化钨) 的浸渍并使其制品能达到设定的尺寸和性能。其工艺简单, 可以制造出结构复杂、大尺寸制品。
胎体式PDC钻头试制过程如下:首先采用三维实体设计方法对钻头体结构和布齿进行优化设计, 加工出基础模具, 然后采用硫化工艺制备出橡胶模, 再次以橡胶模为基础浇注成陶瓷模, 即钻头烧结模具, 最后将合理的钻头体配方加入其中进行无压浸渍烧结成型。
2.4 PDC复合片焊接
在完成钻头体的试制后, 下一步的工作就是将PDC复合片焊接到钻头体上, 目前制作PDC钻头焊接方法有真空扩散钎焊、高频感应钎焊、火焰钎焊等。
(1) 真空扩散钎焊。真空扩散焊对连接组件的形状、尺寸有很大限制, 一般要求PDC复合片和钻头体的凹槽正面接触以实现轴向对接, 整个焊接工艺过程复杂, 焊接时间较长, 成本较高, 一次性投资也很大。尽管真空扩散钎焊能达到很高的焊接质量, 但对真空度和温度要求较高, 工艺复杂, 操作难度较大[8]。
(2) 高频感应钎焊。PDC复合片钎焊时, 钎焊时间对PDC复合片的性能影响很大, 钎焊时间越长, 对PDC复合片的性能损害越大, 如耐磨性等。感应钎焊的优点是加热速度快, 通常可在极短的时间内完成加热过程, 并能保证零件的尺寸精度, 从而可减轻金属烧损和氧化程度, 焊后清理简单, 能得到清洁的焊接焊缝, 不会引起整个基体较大的变形, 对冷作硬化的基体软化现象也大大减轻, 对操作者的要求相对低, 而且工作环境条件相对较好。
由于高频感应具有加热速度快;材料内部发热, 热效率高;加热时间短, 金属表面不易氧化;热变形较小;加热均匀且有选择性;产品质量好;几乎无环境污染;易于实现生产自动化等一系列优点而得到迅速推广。而且钎焊工艺操作简便, 生产效率高, 运营成本低, 并能保证钎焊质量。与激光钎焊、真空扩散焊、真空钎焊等钎焊方法比较, 高频感应钎焊最大优势在于其设备投资少、钎焊工艺易于掌握。缺点在于高频感应加热的温度难于控制, 不宜使用于结构复杂的产品。
(3) 火焰钎焊。火焰钎焊其应用十分广泛, 主要优点有以下几点:a) 设备简单, 价格低廉, 操作方便灵活, 可以获得较高的钎焊质量;b) 可钎焊形状不规则的产品, 而且钎焊焊缝平整光滑, 外形美观;c) 可随时观察到钎焊过程中的不良状态并及时控制, 避免产生过多的不良品, 从而保证了钎料填充的均匀性和稳定性;d) 钎焊火力的大小及钎焊时间均可自由设定[9]。
基于PDC复合片和钎料的特性及, 在火焰加热过程中, 一般选用氧-乙炔的中焰或外焰加热, 这样不仅可以防止过热对PDC复合片的损伤和钎料过分氧化, 同时可以避免钎缝区金属晶粒长大, 影响焊缝强度性能。采用火焰钎焊时, 首先加热钻头体, 以致钎料开始熔化, 然后将火焰移到复合片上加热到钎焊温度。与其他钎焊方法相比, 火焰钎焊操作比较灵活, 一般适用于结构形状复杂的产品, 通常适合应用于大批量的生产中。
根据平底型PDC钻头的结构特点, 采用火焰钎焊进行单齿局部焊接, 该方法使用方便, 可以保证获得较高的钎焊质量。其工艺流程:a) 焊接前首先对钻头体焊接面进行喷砂, 以除油、除锈和除氧化物, 然后利用酒精进行表面清洗, 同时对PDC复合进行打磨清洗增加表面粗糙度;b) 将PDC复合片与钎料安放在预留凹槽中, 利用火焰喷枪进行加热。加热时, 温度必须控制在700℃以内, 以保证PDC复合片的质量;c) 焊后将PDC钻头放入珍珠岩中进行保温冷却处理, 减小焊接内应力, 提高焊接质量。待冷却后对钻头进行喷砂打磨处理, 以除去表面焊疤, 试制钻头如图4所示。
3 PDC钻头试验
为了检验钻头的性能, 将试制的3只PDC钻头在重庆松藻煤电公司松藻煤矿进行试验, 地点位于二区+100茅口巷 (N5#-N6#石门) , 该地层较为复杂, 主要以石灰岩和铝土泥岩为主, 其中富含黄铁矿结核, 岩石坚固性系数f=8~12, 属于硬地层。试验用钻机为中煤科工集团重庆研究院改装型ZY-1250, 配备Ф50×800mm光钻杆。在施工钻孔过程中, 钻机的推进压力和旋转压力分别为5MPa和6.5MPa。截止到钻头失效, 每个钻头均完成3个孔的钻进, 取得较好的试验效果, 解决了松藻煤矿钻孔施工困难、钻进速度慢、效率不高等问题, 其试验情况详见表1。
(1) 该研制的PDC钻头结构设计合理, 在钻进复杂硬岩中时, 能够有效地切削岩层并防止和降低冲击载荷对复合片的破坏, 具有较好的稳定性。
(2) 该钻头钻进时效高, 在复杂硬地层条件下, 钻进时速可达25.2m/h, 并且能够在低钻压下取得高进尺和高钻速, 极大地提高钻进效率, 降低钻进成本。
(3) 该钻头具有高耐磨性, 较强的抗冲击韧性, 没有出现崩刃、掉齿等非正常磨损现象, 寿命长, 累计进尺高达156m, 其寿命大约是同类型钻头的1.5倍。
摘要：由于煤炭钻探和开采难度不断地增加, 从而对破岩工具提出了更高的要求。胎体式PDC钻头因其优异的综合性能, 得到了越来越广泛地应用。本文针对重庆松藻煤矿复杂硬地层的特点, 研制了一种新型的Ф65mm胎体式PDC钻头, 并进行了现场试验, 试验结果表明:研制的PDC钻头耐磨性好, 抗冲击能力强, 能够有效地钻进复杂硬地层, 其寿命大约是同类型钻头的1.5倍;同时在低钻压下可取得高进尺和高钻速, 钻进时效可达25.2m/h, 极大地提高了钻进效率, 节约了钻进成本。
关键词：胎体式PDC钻头,综合性能,复杂硬地层,钻进
参考文献
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[9]左平英.PDC钻头钎焊工艺的研究[D].西安:西安科技大学硕士学位论文, 2005.
复杂硬地层 篇2
复杂地层岩心钻探综合治理技术
复杂地层是影响钻探施工的.重要因素,对复杂地层治理需要设备、工艺的相互结合.分析了钻探设备、工艺、冲洗液在治理复杂地层方面的作用,重点介绍了三套管取心钻具的结构、功用特点,以及植物胶泥浆的作用和配制方法.
作 者：石立明 SHI Li-ming 作者单位：武警黄金指挥部,北京,100055刊 名：探矿工程-岩土钻掘工程 ISTIC英文刊名：EXPLORATION ENGINEERING(ROCK & SOIL DRILLING AND TUNNELING)年，卷(期)：35(2)分类号：P634.5关键词：复杂地层 岩心钻探 全液压动力头钻机 立轴钻机 孔底反循环 三套管取心钻具 植物胶泥浆
上软下硬地层盾构掘进关键技术 篇3
由于受到城市地下交通规划和设计的限制,地铁盾构区间不可避免的会部分位于硬质岩石,部分位于风化层或软弱地层,而硬岩与软弱地层相比,两者之间的物理特性差别较大,这对盾构掘进施工带来了一定的困难,国内许多学者一直在研究这类问题。文献[1]对上软下硬地层的盾构施工,提出了关于刀具配置和更换、掘进控制等的对策,以及对掘进异常情况的辨别和处理方法。文献[2]介绍了在上软下硬地层的盾构施工掘进参数和渣土改良技术。文献[3]结合深圳地铁2号线东沿线土建2222标侨香站—香蜜站区间,对上软下硬地层盾构施工,给出具体盾构掘进参数以提高掘进效率,以及研究渣土改良技术和带压开仓换刀技术。
1 工程概况
深圳地铁11号线某区间采取盾构法施工,全长约5.5 km,采用4台A6980大盾构机由中部始发井向两端车站掘进。其中盾构始发井至较远侧车站起止里程左线总长1 869.165 m,右线总长1 861.604 m,该段线路最小曲线半径600 m,线间距13 m~37.6 m;隧道最大纵坡24‰,最小纵坡4‰,区间共设3个联络通道,联络通道兼做换刀加固区。
该隧道穿越的地质条件主要为砾质粘性土、全风化粗粒花岗岩,但左右线局部总计存在284 m硬岩凸起。取芯结果显示,岩体完整性较好,天然抗压强度平均值为81.7 MPa。现场取芯照片如图1所示。
全断面硬岩总计121 m,头尾两侧均为上软下硬地层,其中大里程段有条件进行预处理,已施作预裂爆破与注浆处理,后期掘进相对容易。小里程段由于上部为酒店建筑绿化带,未能进行预处理,后期掘进风险较大。
2 盾构施工的难点及风险分析
上软下硬地层指隧道下半断面或者大部分断面位于岩层中,上半断面或者拱部位于软弱地层中。正是这种特殊的地质条件造成了在上软下硬地层中盾构隧道掘进与一般地层的不同之处。主要体现在:1)上软下硬地层掘进易造成地表沉降;2)上软下硬地层掘进刀具磨损严重;3)上软下硬地层掘进需频繁开仓检查刀具,开仓风险大;4)上软下硬段地处下坡,对掘进不利;5)爆破预处理区掘进时,由于原有地表注浆孔可能存在封堵不密实,将会出现螺机喷涌、地表冒浆等问题。
3 上软下硬地层掘进前技术措施
3.1 加密补勘
针对上软下硬地段,在详勘的基础上,加密布孔,保证沿线每5 m有一个地质取芯资料,充分了解岩面变化情况,尽可能排查孤石分布情况。
3.2 孤石处理
发现孤石,需提前采取破碎处理。
3.3 大里程上软下硬段预裂爆破及注浆处理
上软下硬段大里程部位前期具备预处理条件,设计采用地表钻孔预裂爆破+深孔袖阀管预注浆工艺。岩石预裂爆破的孔距、深度以及装药量等都需进行试验和检验,同时根据规范[4]进行爆破安全校核,要求预裂爆破后岩石块径不大于30 cm,满足螺机出渣要求。
3.4 换刀点的设置及加固措施
区间联络通道范围均设计为换刀检查点,采用旋喷桩提前对隧道范围进行预加固处理。
4 小里程段上软下硬地层掘进技术
4.1 推进参数
左右线在上软下硬地层中实际刀盘转速1.5 rpm,掘进速度8 mm/min,贯入度4 mm~6 mm,上部土仓压力1.0 bar~1.3 bar,扭矩1 700 k N·m~2 000 k N·m。
4.2 刀具磨损情况
小里程段上软下硬地层中新更换的单刃滚刀可以使用约15环~20环,中心刀15环左右。其中内圈滚刀较多出现偏磨,外圈滚刀除偏磨外,还有断刀圈及缺口等现象。
4.3 防喷涌措施
由于掌子面地下水含量丰富,隧道位于下坡段,盾构外部水体汇集刀盘及土仓内,当动水压力较大时,为防止坍塌又需要保证较高土压力,易造成螺机喷涌。采取措施如下:1)加入高粘度泥浆,改变渣土的附着性,喷涌现象得到改善,渣土可以顺利通过皮带机输送。2)缩短同步注浆初凝时间,调整后的浆液初凝时间为2.5 h,基本吻合硬岩段每环纯掘进时间3 h。3)及时进行二次注浆,管片外部每5环一道双液浆止水环封堵。
地层含水丰富,同步注浆容易被稀释,为保证二次注浆质量,采用如下措施控制注浆效果:1)用高粘度膨润土泥浆填满土仓;2)用高粘度膨润土泥浆填充盾壳,从尾盾至前盾;3)打开管片吊装孔注浆,由下至上,由掌子面向后延伸至第五环;4)间歇性注浆,注浆压力小于1 MPa;5)相邻管片顶部吊装孔打开,保证压力不会瞬时过大造成管片受损。
4.4 小里程段上软下硬地层施工小结
1)保证同步注浆效果,二次注浆要及时跟进,做到常态化;2)不断尝试渣土改良工艺,达到最佳效果;3)保证二次注浆工艺质量的同时避免双液浆对盾构机的损害;4)不能盲目相信地质情况,遇到异常情况时及时停机处理;5)刀具磨损量大,应尽可能多的设置换刀加固区,进行常压换刀。
5 大里程段上软下硬地层掘进技术
5.1 推进参数
左右线在上软下硬地层中实际刀盘转速1.5 rpm,贯入度8 mm~10 mm,扭矩小于2 300 k N·m,推力小于2 200 t。
5.2 注意保持土仓压力
爆破处理以后,围岩裂隙发育,若注浆不到位或地表处理过程中封孔不到位,掘进时土仓内可能出现漏气等情况。因此实际掘进过程中应密切关注土仓压力情况,并做好注浆及地表封堵工作。
5.3 大里程段上软下硬地层施工小结
1)由于硬岩处理段土仓压力无法有效控制,无法进仓换刀和检查刀具,若爆破区过长,可能会影响盾构顺利通过,建议在爆破区中部设置一处换刀检查点,该部位无需进行预处理;2)由于炸药残留,掘进过程中,洞内有害气体浓度可能较大,应加强通风和有害气体的检查;3)螺机双闸门设计非常有效,爆破所用的PVC管容易卡住渣口,一旦卡住,疏通时单闸门无法保压。
6 结语
1)现场条件具备的情况下,应坚决对不良地层进行预处理措施,无条件时也应尽可能创造条件,保证盾构掘进顺利,同时降低风险及成本。2)爆破后的注浆施工可进一步优化,同时必须要仔细对残留孔进行封堵和排查,避免留下安全隐患。3)硬岩掘进,对设备的维护和刀具管理需格外加强,出现异常情况时切忌蛮干。
摘要：根据深圳地铁11号线某盾构区间工程的实际情况,分析了盾构施工的难点,阐述了小里程段与大里程段上软下硬地层的掘进技术,总结了掘进过程中的注意事项,以供同类工程参考。
关键词：地铁,盾构施工,上软下硬地层,掘进技术
参考文献
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[3]邓彬,顾小芳.上软下硬地层盾构施工技术研究[J].现代隧道技术,2012,49(2):59-63.
复杂地层岩心钻探综合治理技术 篇4
1.1 钻探设备的影响
在进行复杂地层岩心钻探时, 有许多因素会影响岩心钻探工作的质量和进度, 在这些影响因素中, 钻探设备对复杂地层岩心钻探的影响最大。岩心钻探时, 对于不同的地层结构要采用不同强度的钻探设备。目前, 我国大部分进行岩心钻探工作的施工队伍在钻探时使用的钻探设备都是立轴式的钻孔机。立轴式钻孔机的成本相对较低, 且便于携带, 对于长期在野外矿井施工的队伍来说, 非常实用。立轴式钻孔机在使用时有明显的弊端, 钻孔取芯的成功率较低, 不能满足人们对钻孔取芯效率的要求。由于立轴式钻孔机的动力部分设计是采用机械振动原理, 因此, 在立轴式钻孔机工作时会产生很大的作用力, 一旦地层的结构不稳定, 就会发生地层断裂或者坍塌事故, 对施工人员的人身安全造成很大的威胁, 而且岩心钻探的成功率也不高, 所以, 钻探设备对于复杂地层岩心钻探工作的影响较大, 只有加强对钻探设备的研究, 提高钻探设备的成功率, 才能更好的促进复杂地层岩心钻探工作的进行。
1.2 冲洗液的影响
在进行岩心钻探工作时, 要用大量的冲洗液将岩心周围的岩屑冲洗掉, 方便岩心的钻探, 但是, 由于复杂地层的结构较为复杂, 所以, 普通的冲洗液不能应用到复杂地层中, 因此, 冲洗液也成为影响复杂地层岩心钻探工作质量的重要因素之一。在岩心钻探工作中, 使用冲洗液最主要的作用就是保护孔壁, 使其不致发生坍塌。由于复杂地层的结构相对于普通地层更为复杂多变, 在复杂地层岩心钻探时使用普通的冲洗液, 不仅不能起到保护孔壁的作用, 还会导致复杂地层出现坍塌或者膨胀, 影响钻孔取芯的成功率。为了避免以上情况的发生, 研究者们研究出了更为适合复杂地层岩心钻探的泥浆冲洗液和无固相冲洗液, 这两种冲洗液与普通的冲洗液在组成成分上有很大的区别, 这两种冲洗液中含水量更少, 因此, 在使用时不会导致地层膨胀或者坍塌, 经过多次的研究实验表明, 泥浆冲洗液和无固相冲洗液对于孔壁的腐蚀程度更小, 从而大大提高钻孔取芯的成功率。
2 复杂地层岩心钻探综合治理技术
2.1 注重地质因素对工艺选择的影响
在岩心钻探工作开始之前, 施工队伍需要对施工地点的地质结构进行多次分析, 一旦确定为复杂地层时, 更需要进行多次的勘探, 并根据勘探结果估测形成复杂地层的原因, 再根据具体的分析结果, 采取适当的钻探技术。复杂地层的形成原因是多种多样的, 每一种原因都会导致地层情况的不同, 只有彻底的掌握复杂地层的形成原因, 并分析地层的具体情况, 才能够采取更好的措施, 避免孔内事故, 降低成本, 提高钻效。目前我国存在最多的复杂地层就是力学不稳定岩层和水敏性地层, 这两种地层结构都会导致钻孔取芯时出现孔壁不稳定情况, 因此, 在对岩心钻探之前, 需要判断该地层属于哪一种地层, 再选择恰当的措施, 提高孔壁的稳定性, 避免孔壁坍塌, 从而影响钻孔取芯的成功率。对于力学不稳定岩层, 由于其岩层较为松散, 因此, 钻孔取芯时可以采用泥浆冲洗液, 提高孔壁的稳定性, 避免孔壁坍塌。而对于水敏性地层来说, 对冲洗液中的含水量要求较高, 只有采用低失水、高矿化度、适当比重和黏度都适当的冲洗液, 才能更好的提高钻孔取芯的成功率[1]。
2.2 复杂地层护壁技术
复杂地层岩心钻探综合治理技术中的重要组成部分就是复杂地层护壁技术, 由于复杂地层的结构都比较松散, 容易出现坍塌事故, 因此, 可以在进行岩心钻探时, 在复杂地层的孔壁上附着一层泥浆, 利用泥浆的聚合力和黏性, 将松散的地层黏合在一起, 当前, 在普通地层岩心钻探中使用的泥浆冲洗液不符合复杂地层的需求, 因此, 研究人员研发了一种新型的低固相泥浆。这种新型的低固相泥浆冲洗液中加入了植物胶, 使得其黏度有了很大的提高, 新型泥浆表观黏度比较高, 即使采用较小的泵量, 排粉的能力也很强。加入植物胶后的泥浆是一种黏弹性液体, 这种黏弹性胶体在孔壁和岩芯的表面及一定深度的表层具有胶结作用和黏弹性强度, 在一定程度上可抵抗钻具的振动破坏和地表其他外力的破坏。而普通细分散泥浆产生的泥皮是黏塑性体, 胶体很少, 大多是固体颗粒, 护壁效果差。一旦钻具开始工作后, 会产生剧烈的振动, 普通的泥浆冲洗液不能抵抗这种振动, 低固相泥浆却能够凭借其超强的黏度保护孔壁不受外力的影响, 对于提高复杂地层岩心钻探的成功率有重要的作用[2]。
3 结语
复杂地层岩心钻探的难度较大, 如果不采取综合治理技术对孔壁进行保护, 容易导致孔壁坍塌或者膨胀, 影响钻孔取芯的成功率。因此, 复杂地层岩心钻探综合治理技术对于提高钻孔取芯的成功率有重要的意义。
参考文献
[1]任亮.煤田地质钻孔各地层段相应技术措施讨论[C]//安全高效煤矿地质保障技术及应用——中国地质学会、中国煤炭学会煤田地质专业委员会、中国煤炭工业劳动保护科学技术学会水害防治专业委员会学术年会文集, 2013.
复杂地层钻井液选用浅谈 篇5
我国地域辽阔, 复杂地层的种类较多、分散范围较广。主要包括了:岩膏地层, 裂隙岩溶地层, 砂卵石层, 淤泥质土层, 松软和水敏性地层, 流砂、砂砾、松散破碎地层, 高压油、气、水地层等。
复杂地层是指钻进时产生不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、孔壁膨胀以及缩小等孔内复杂情况的地层[1]。复杂地层的钻进是钻探施工中不可避免的问题, 亦是难题。而复杂地层钻进时钻井液的选择恰当与否是保证钻进顺利的一个重要因素。钻井液被誉为钻探的“血液”, 由此可知钻井液在钻探施工中的重要地位。
1 复杂地层钻井液的选择
1.1 复杂地层钻井液的选择原则
由于复杂地层种类繁多, 故钻井液选择时也不能一概而论。
对于岩膏地层, 钻井时钻井液主要具有以下两个作用:一是, 抑制岩盐的溶解、过饱和重结晶;二是, 延缓岩盐层的蠕变[2]。因此, 选择具有较强抗盐钙性、抑制性及防止坍塌性的钻井液是较为合适的。
钻探过程中如遇裂隙岩溶地层, 可能遇到井壁漏水, 涌水, 掉块, 坍塌等复杂情况, 造成钻进困难。但若在钻进过程中选择具有造壁、堵漏效果好的钻井液, 则可使钻进更易进行。
就松软和水敏性地层而言, 其典型地层包括松散粘土层、各种泥岩、软页岩, 有裂隙的硬页岩, 粘土胶结及水溶矿物胶结的地层, 在钻进过程中易出现膨胀缩径, 泥浆增稠, 钻头泥包, 孔壁表面剥落, 崩解垮塌超径等钻井事故[3]。故在钻进此类地层时钻井液需具有较好的降滤失性能和一定的剪切稀释性能及抑制水敏和防塌作用。
对于流砂、砂砾、松散破碎地层, 其孔隙多、裂隙发育、地层破碎, 故在选择钻井液时第一要素便是需要钻井液有良好的造壁性, 才使得在钻井过程中不至于漏浆甚至无浆上返。在钻遇流砂层时, 由于钻井液的冲刷易导致流砂坍塌从而造成钻进困难, 故更应选择具有一定密度, 粘度较大和防塌性能的钻井液。
在钻进淤泥质土层时, 必须保证地层孔内泥浆的压力与孔深处的地应力相平衡, 且循环中的泥浆能快速形成致密的泥皮[4], 故钻井液的选择关键即是钻井液须有合理的密度, 利用泥浆的压力来平衡地层压力, 同时要求钻井液具有一定的粘度和抑制防塌性能和较好的降滤失性能。
虽复杂地层类型各异, 性状不同, 以上列举的复杂地层在选择钻井液时均有其侧重方向, 但在选择钻井液时亦有其通用原则, 即是:因“地层”制宜、攻之以矛, 守之以盾。针对地层特点下手, 着眼于其易造成钻进困难的点, 逐一攻破, 即可达到顺利钻进。
1.2 几种复杂地层钻井液选择的实例分析
1.2.1 舒兰5#井
该井位于舒兰市平安镇镜内, 属伊舒断陷沉积盆地。地层岩性主要以砂岩、砂砾岩、泥岩、页岩、煤层等组成。砂岩以中粗砂岩为主, 无胶结、松散, 砂砾岩层段占整个井层段50%以上, 砾石直径大小不一, 极易坍塌、泥岩、页岩以泥质成分为主, 水敏性特强、扩孔, 缩径现象非常普遍。
钻进该孔即要防止砂砾岩坍塌现象, 又要防止泥页岩缩径, 扩孔现象。根据经验分析, 如钻井液对砂岩起效, 对泥岩所起的作用可能就小。钻遇两种岩性矛盾, 而必须依靠一种钻井液护壁, 是该钻孔钻进的难题。
针对舒兰5#井中复杂地层的钻进问题, 须选用一种性能稳定, 既能在泥岩抑制地层的水化膨胀, 又能在砂岩中起到良好的胶结护壁作用。故采用以天然植物胶-2, KP共聚物, 聚乙烯醇为主, 配合CMC、PHP、KCl等材料, 配制出无固相钻井液。实践表明, 运用该钻井液使得钻进顺利进行, 成功完成钻探任务。
1.2.2 敦化3#井
该井位于敦化盆地, 地层岩性变化大, 上部是较硬质玄武岩, 下部以砂岩为主, 局部夹有泥岩、页岩、即有硬层、软层, 且涌水、漏失现象严重, 是一个极其复杂地层。
针对改孔软硬相间的岩层, 及涌、漏水现象。需采取具有胶结性防塌和强抑制性护壁的钻井液同时配合比重压涌方式, 加强防涌和防漏的预防。因此, 采用低固相钻井液配置。即清水+膨润土+天然植物胶-1+KP共聚物+聚乙烯醇+硅酸钠+CMC+KCl+多功能随钻堵漏剂。历时43天, 成功进尺1000.66米, 圆满完成了钻探任务。
1.2.3 松原ZK0833
该井位于松原市朝阳乡境内, 属松辽沉积盆地。岩性大体如下:0-32m, 冲积层, 32—116m, 砂岩层, 胶结不好、松散, 116-875.50m, 泥岩、页岩层, 巨厚泥岩层段, 水敏性强, 极易坍塌、扩径、缩径现象时常发生。
该孔地层岩性变化较小, 钻进时主要需对砂岩、泥岩、页岩的坍塌、缩径的问题加以预防。阻止或减轻地层水化膨胀造成井壁坍塌、缩径事故的发生。针对该孔的特殊情况, 采用低固相钻井液配置。即清水+膨润土+天然植物胶SD-1+PHP。此配方中, 所选的天然植物胶又有一定的护壁作用, PHP有一定的堵漏作用。真正对钻孔做到了对症下药, 药到病除。该孔历时28天, 成功进尺875.50米。
2 对复杂地层钻井液选择的认识
钻井液在普通地层的钻进过程中主要起以下作用:冷却钻头、润滑钻具、清洗孔底、携带岩粉等[5]。但在复杂地层的钻进过程中还要求钻井液具有一些特殊的性能。如钻进破碎地层时要求钻井液须有护壁作用。然而在实际钻探过程中, 钻遇地层通常并非一种而是多种, 所以一种类型的钻井液并不能满足整个钻进过程的需要, 有时需更换钻井液体系。但更换钻井液体系时不能突变, 需有一个过渡的过程, 如不能将酸性泥浆直接变换成碱性泥浆, 若如此则会造成本已稳定的孔壁变得不稳定或是其他钻进安全隐患。
同时在钻进过程中也要保证钻井液的性能稳定。要保证钻井液的性能稳定, 固相控制是关键, 尤其是对低密度固相控制。在同等条件下, 低密度固相含量越低, 钻井液的内摩擦力就越小, 更有利减少能量消耗, 同时也可以提高钻井液的高温稳定性、抗污染能力等, 所以控制低密度固相含量可以保证钻井液性能稳定。
3 结论及建议
(1) 钻探施工之前对可能遇到的地层进行预测, 并选择、设计合理的钻井液, 做好地层预测应对方案, 是钻探施工前一项重要的准备工作。
(2) 在复杂长裸地层 (时间或空间) , 采用套管护壁或其他护壁方式较泥浆护壁更为妥当[6]。
(3) 钻井泥浆要保持性能的稳定性。禁止泥浆体系的突变或性能质量的变化, 易导致孔壁失稳, 即使更换泥浆体系也需要过渡性的更替。
(4) 泥浆的固控技术尤为重要, 可按钻孔实际情况选用泥浆固控设备。
(5) 泥浆材料选择不拘泥于现有品种, 扩大泥浆的品种类型, 对复杂地层的钻进有裨益。
(6) 钻探过程是一个很复杂的过程, 除对钻进液的选择合理之外, 还应注重于钻探设备的合理选择及钻探工艺的密切配合, 环环相扣, 才能使钻探有条不紊的进行。
摘要：复杂地层钻探一直以来都是钻探施工的难点问题, 如何选用合适的钻井液来保证钻探的顺利进行是复杂地层钻进的关键问题之一。本文以舒兰5#井, 敦化3#井及松原ZK0833的钻井液选用情况及使用效果为例介绍了复杂地层钻井液的选用原则, 为复杂地层的钻井液选用提出了建议。
关键词：复杂地层,钻井液,选用
参考文献
[1]舒智.复杂地层深孔钻进关键技术的探讨与实践[J].探矿工程 (岩土钻掘工程) , 2009, S1:161-166.
[2]李茂成.岩膏层蠕变及钻井液配套技术研究[J].中国科技信息, 2011, 21:51+59.
[3]张晓静.水敏/松散地层钻井液的护壁机理分析与应用研究[D].中国地质大学, 2007.
[4]许晓琳, 张晓静, 乌效鸣, 倪宾.平衡淤泥质地层的泥浆比重设计及配方调整[Z].2012:3.
[5]王建军.植物胶泡沫钻井液在裂隙岩溶地层中的应用研究[D].中南大学, 2012.
复杂地层盾构刀盘磨损处理技术 篇6
1 工程概况及盾构使用情况
1.1 工程概况
南京地铁4号线鼓楼站-市政府盾构区间由鼓楼站出发, 以半径500m曲线转向东北方向, 区间南北两侧建筑物较为密集, 地面周边环境十分复杂。
盾构区间主要为侵蚀堆积岗地及秦淮河冲积平原, 堆积岗地地区主要为可塑~硬塑的粉质粘土及中密的混合土, 秦淮河冲积平原主要为可塑的新近沉积土, 局部分布流塑状软土及稍密的粉土、粉砂。下部岩体主要为白垩系浦口组 (K2p) 含砾泥质粉砂岩及侏罗系象山群 (J1-2xn) 石英砂岩。石英砂岩为较硬岩, 含砾泥质粉砂岩为软岩。盾构穿越的部分区间地质属于典型上软下硬复合地层。
1.2 盾构使用情况
为适应该复杂地层的工作, 采用了1台国产的土压平衡盾构进行该区间的掘进。该盾构刀盘为复合式刀盘, 刀盘有6个主刀梁、6个三角形结构的箱型面板、6个箱型结构的牛腿及外圈梁等结构组成, 刀盘的开口率为40%, 刀盘中心区域设有较大开口, 可有效避免中心泥饼的产生。刀盘设计3个泡沫喷口、2个膨润土喷口。为提高刀盘的耐磨性, 在刀盘面板上堆焊大量的耐磨网格, 在刀盘外圈梁的周边堆焊耐磨焊条、耐磨钢板和外圈梁保护刀。
刀盘 (图1) 采用6台110k W变频电机驱动, 能够提供的额定扭矩为5 500k Nm, 脱困扭矩为6 900k Nm, 刀盘转速在0~3rpm间任意可调;采用的主轴承直径为3 000mm, 通过3道内密封和4道外密封确保主轴承安全, 密封最大能够承载6bar压力。
2 复杂地层掘进中刀盘磨损故障及原因
2.1 刀盘磨损位置地层介绍
在盾构穿越区间右线70余米长的土岩复合地层中, 前50m盾构已经历了2次带压进仓换刀工作, 在第二次换刀后的掘进过程中, 盾构出现了推进速度下降、出渣量较大的现象, 随后刀盘扭矩限制器动作频繁, 导致无法推进。
根据详细勘探资料显示 (图2) , 刀盘停机位置纵剖面地质从上至下依次为杂填土、粉质粘土、2-3b4淤泥质粉质粘土、2-4b2粉质粘土, 盾构刀盘范围内的地层主要为岩、土的复合地层, 掌子面70%为中风化石英砂岩, 强度为48~57MPa, 刀盘右上处存在3-2b2粉质粘土层。
2.2 刀盘磨损故障情况
盾构出现无法掘进的情况后, 根据以往经验判断为刀盘或刀具已经磨损, 但由于刀盘上方为粉质粘土地层, 带压进仓工作存在一定风险, 采用地面加固措施 (后文详述) 后进行了进仓检查工作。
经检查发现刀盘中心部位有较大的磨损, 刀盘磨损范围为中心直径2.7m区域内, 其中4把双联滚刀全部掉落, 磨损区域范围内的8把正面滚刀全部掉落, 其他滚刀均存在不同程度的磨损;磨损区域范围内6把切刀掉落 (部分刀座也存在磨损、掉落) ;刀盘面板和辐条主梁等结构件也存在不同程度的磨损 (图3) 。刀盘磨损较为严重, 已无法进行正常的掘进工作。
2.3 刀盘故障磨损原因分析
造成刀具磨损的主要原因主要有以下几种[1]: (1) 地质因素; (2) 滚刀结构功能和破岩能力; (3) 刀盘形式与刀具组合因素; (4) 施工控制因素; (5) 工程设计因素。
鉴于此次刀盘的磨损情况, 结合项目部在施工过程中的参数和故障的记录统计, 本次刀具和刀盘磨损如此严重的原因可以归咎于以下几个方面。
1) 地质因素地质因素是刀具磨损的重要因素, 而造岩矿物的种类对滚刀磨损有着较大的影响, 简单来说滚刀的研磨性随岩石中石英含量的增大而增大, 而当地层中粘粒和粉粒含量高时, 很容易产生泥饼, 造成刀具偏磨。本次盾构刀盘故障区域正是上软下硬的复合地层, 隧道断面由70%的石英砂岩和30%的粉质粘土组成, 极易造成刀具的磨损, 当刀盘失去刀具的保护后, 其结构件的磨损将十分迅速。
2) 磨损刀具未能及时更换在盾构通过这70余米的复合地层过程中, 大概每掘进20余米便需要带压进仓检查更换刀具, 然而在上软下硬的复合地层中, 建立带压条件苛刻, 土仓环境容易坍塌。在盾构的第二次带压进仓换刀过程中, 便出现了地层不稳定无法带压进仓的情况, 导致刀具检查不全面, 中心区域刀具没有进行更换, 而此时刀具已使用30余米, 继续使用的情况下磨损风险非常大。
3) 施工控制在盾构施工掘进的过程中, 面对不良地层, 掘进参数的控制和渣土改良工作是保证盾构施工的重要措施。在本次的复合地层掘进过程中, 项目主要采用的是添加泡沫剂作为渣土改良手段。在设备故障停机前, 盾构出现了推力和扭矩增大, 推进速度下降的情况, 经判断, 其刀具已经磨损, 但由于地层不稳定, 无法带压进仓检查更换刀具, 进而继续掘进, 最终导致了刀盘的较大面积磨损。
总体而言, 本次盾构刀盘和刀具磨损严重是综合因素造成, 石英砂岩和粉质粘土的复合地层导致了刀具和刀盘的快速磨损, 而上软下硬地层带压进仓不稳定, 导致刀具更换不彻底, 为通过不良区域继续掘进的过程中造成了刀具和刀盘的严重磨损。
3 复杂地层刀盘磨损故障修复探讨
结合时间、成本、地面环境因素和上软下硬地层等问题的考虑, 为解决地层不稳定对故障刀盘刀具修复带来的隐患, 对修复工法进行了一定的探讨。
3.1 洞内修复条件探讨
由于刀盘和刀具磨损较为严重, 修复工作量较大, 若可以营造常压进仓条件, 其刀盘修复的时间和成本将大大减少, 而常压进仓的关键便在于上软下硬地层自稳性较差。盾构刀盘所在地层从上至下依次为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土和石英砂岩, 为稳定刀盘上方的软土综合考虑地面可施工区域较小等因素, 进行了以下工作。
1) 袖阀管注浆加固地面 (图4) 。袖阀管注浆是将袖阀式注浆管通过钻孔下入地层, 采用分段注浆工艺, 使浆液在压力条件下, 较均匀地进人地层, 以达到浆液在地层中分段可控、均匀扩散的目的。本次注浆范围为盾体左右两侧各1.0m, 刀盘前方3.0m (且须保证大于塌陷区) , 刀盘后方2.0m;布孔间距不大于3.0m, 孔位为布孔深度为刀盘上方0.5~1.5m, 刀盘前方可适当加深。地面注浆完成后, 进行带压进仓检查了刀具磨损情况, 但是在尝试常压进仓的过程中发现效果不佳, 无法实现目标。
2) 树根桩法地面加固。树根桩法适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、碎石土及人工填土等地基的加固工作[2]。本次因袖阀管注浆未能达到预期加固效果, 在刀盘右前方打设两排树根桩。树根桩桩径∅150mm, 桩间距200mm, 桩深入岩层50cm, 注入水泥-水玻璃双液浆。由于管线及大树影响, 共打设树根桩19根 (另外有2根树根桩偏孔进入刀盘, 未成孔) , 每根桩注入浆液约为1t水泥量。注浆完成后, 在常压条件下, 仍旧未达到预计的加固效果, 无法进行长时间的进仓修复工作。
3.2 竖井开挖修复方案探讨
考虑到盾构刀盘磨损较严重, 掌子面不稳定、操作空间狭小等因素, 在土仓内完成刀盘修复比较困难, 需在刀盘正面进行修复, 同时考虑到工期、环境影响等因素后决定在盾构切口处开挖竖井对刀盘进行修复。
施工竖井平面为矩形 (图5) , 净空尺寸为1 650mm×1 800mm, 竖井采用倒挂井壁法施工, 人工分层开挖。以刀盘顶部20cm处为分界面, 分上下两部分施工, 上部为封闭结构, 下部为敞口式“U”结构。
同时为确保竖井结构稳定及刀盘修复过程中刀盘前方土体稳定, 在刀盘前方及竖井前方布设3根人工挖孔桩 (1根900mm、2根800mm) 。
3.3 刀盘修复结果
采用竖井开挖方案进行了刀盘修复工作, 通过低标号水泥-膨润土砂浆进行填仓和刀盘前方挖孔桩进行封闭加固等措施, 保证了竖井开挖过程中土体稳定, 没有出现渗水或其他风险。在近一个月的刀盘机械修复过程中, 通过布点监测和加强通风等手段, 保证了整个修复、换刀过程的安全顺利实施。
4 小结
本次刀盘修复处理工作总共历时约四个月的时间, 期间为处理不良地层经历多次探索, 虽然地面加固工作最后无法实现常压进仓要求, 但却达到了一定时间内带压进仓换刀的条件。而本次刀盘故障直接原因正是无法在软土地层条件下带压进仓更换刀具, 为以后处理类似故障提供了一定的借鉴。
同时通过分析在石英砂岩和粉质粘土的复合地层掘进过程中导致刀盘磨损如此严重的原因, 为以后在类似地层掘进过程中盾构的使用管理奠定了一定的基础, 以渣土改良为辅, 严格监控掘进参数, 出现异常数据后第一时间检查并更换刀具, 是盾构安全、正常地通过复合地层的关键。
参考文献
[1]竺维彬, 王晖, 鞠世健.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术, 2006, (4) :72-76.
复杂硬地层 篇7
传统排桩+内支撑或锚杆方式在全国范围内已经得到广泛运用, 但排桩或内支撑施工工期长、资源浪费严重且造价高, 不符合基坑支护绿色节能要求。SMW工法三轴搅拌桩 (型钢水泥土搅拌墙) 是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构, 在地下室基坑回填完毕后, 型钢可以快速拔出, 该工法已经广泛运用于淤泥层、砂层及粘土层中的地下连续墙、深基坑支护及地基加固[1]。
而针对城市地下空间开发中出现的超硬地层 (卵石及风化岩) , 大多还采用传统支护工艺, 缺乏SMW工法桩相关设计及施工经验。本文从技术及经济层面分析SMW工法桩在超硬地层中的运用。
1 SMW工法桩国内现状
1.1 运用现状
SMW工法以多轴搅拌机在现场一定位置向一定深度进行钻掘, 在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土自上而下、自下而上反复进行混合搅拌, 在各施工单元之间则采取部分重叠搭接施工, 在水泥土混合体未结硬之前插入H型钢或钢板作为补强材料, 与水泥土结硬形成具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体。
传统SMW工法以水泥土搅拌桩法为基础, 凡是适合应用水泥土搅拌桩的场地都可以使用该工法, 特别适合于以黏土和粉细砂为主的松软土层, 在砂层中也具有广泛运用。SMW工法适宜的基坑深度与施工机械有关, 在国内开挖深度6~13m的基坑比较适宜。国内东部沿海一带城市将SMW工法广泛应用于地铁基坑工程、市政建设工程、建筑基坑工程及海岸防渗工程等, 且SMW工法桩的基坑往深大方向发展, 国内已经有开挖20m以上深度工程运用成功案例。
1.2 普通地层工艺流程
(1) 工艺流程
传统SMW工法桩施工的大体流程为:导槽开挖→钻机就位与钻进→三轴搅拌桩钻进→型钢制作与安装→型钢拔出与回收[2]。具体施工步流程下:
(2) 施工关键事项
开工之前调查地下管线、清除地上和地下的一切障碍物, 平整施工场地。根据放样出的围护中心线, 沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽, 沟槽宽度根据围护结构宽度确定。三轴工作轴线可通过设置定位型钢或定位线的方式来控制。挖沟槽前划定三轴机动力头中心线到机前定位型钢或定位线的距离, 并在定位型钢或者定位线上做好每一幅三轴搅拌桩的定位标记。
水泥采用设计标号的普通硅酸盐水泥, 常规水泥浆液的水灰比1.5~2.0:1, 水泥掺入比不小于20%, 同时确保泵送压力不小于0.3MPa。在施工中根据地层条件, 严格控制搅拌钻机下沉速度和提升速度, 确保搅拌时间。
清除H型钢表面的污垢和铁锈, 涂刷减摩剂, 如出现剥落现象, 及时铲除重新涂刷。型钢插入到设计位置后, 固定在钢悬挂梁上, 以免型钢继续下沉, 待水泥土搅拌桩达到一定强度后, 拆除钢悬挂梁及定位导轨。地下结构完成后, 先用千斤顶松动顶起H型钢再用千斤顶配合吊机将H型钢拔出回收。并用6%~10%的水泥浆填充H型钢拔出后的空隙。
(3) 施工顺序
SMW工法桩施工按下图顺序进行, 保证墙体的连续性和接头的施工质量, 水泥土搅拌桩的搭接以及施工设备的垂直度正是依靠重复套打来保证, 以达到止水作用。
1.3 施工功效
根据不同地层和桩长, 据已有经验, 传统SMW工法桩单日可完成15~25延米工程量, 施工效率高。同时该工法的特点主要表现在止水性能好, 构造简单, 型钢插入深度一般小于搅拌桩深度, 施工速度快, 施工噪音小, 排土量少, 型钢可回收重复利用, 成本低, 对周围地层的影响小等。
2 超硬地层SMW工法桩施工改进措施
国内城市地下空间开发已经往深大方向发展, 很多城市已经面临卵石层或风化岩等超硬地层基坑支护施工, 传统灌注桩工艺固然可行, 但存在泥浆污染及资源浪费现象, SMW工法桩施工速度快, 型钢可回收, 相对灌注桩有速度及成本优势, 其在超硬地层基坑支护中的运用值得研究, 通过对传统SMW工法桩施工设备及工艺做相关改进, 使其可运用于超硬地层。
2.1 设备改进
(1) 钻头及钻杆改进
普通地层 (淤泥、砂土、粘性土和粉土) 中三轴搅拌桩钻头采用螺旋钻头, 钻杆采用螺旋式叶片钻杆, 此钻头和钻杆在普通地层中可以有效搅拌土体和固化剂, 使搅拌桩桩体上下均匀、密度一致, 提高墙体强度和防渗能力。而在超硬地层中, 受超硬地层密实度及地层颗粒粒径影响, 螺旋钻头和螺旋式叶片钻杆钻进速度和搅拌均匀性均受到很大影响, 成桩速度慢且质量可靠性差。
针对超硬地层, 通过改进传统三轴水泥搅拌桩机的钻头和叶片, 采用锥型镶齿螺旋钻头及砂质土地层专用钻杆 (花杆) , 改进后能提高超硬地层钻进速度及钻切削土体, 同时在钻头端部将水泥浆液注入土体, 并充分搅拌混合作为围护体系的止水结构, 增强三轴搅拌桩成桩和止水效果。,
(2) 动力头改进
普通地层中三轴搅拌桩动力头为ZLD180/85-3普通型动力头 (180KW) , 该动力头在普通地层已大面积运用。而在超硬地层中180KW动力头往往因为钻进困难导致超负荷运行而损坏, 因此引入220KW超强动力头 (ZLD220/85-3-M2-CS超级) , 该动力头具有超强的钻孔扭矩及极强的超载能力, 极低的噪音使得工程施工对周边环境的影响降到最低, 可靠、精确的导向装置确保成墙精度, 高强度结构设计、自重轻, 更有利于提高整套施工设备的安全性, 采用CAN-BUS总线技术与智能化控制系统, 提高超硬地层钻进效率。
2.2 施工参数改进
普通地层中SMW工法桩施工下沉速度为0.5~1.0m/min, 提升速度为1.0~2.0m/min, 超硬地层中控制下沉速度<0.5m/min, 提升速度为1.0~2.0m/min, 同时将注浆压力从0.3~1.0Mpa提升到1.0~2MPa。
2.3 引孔辅助
针对超硬地层SMW工法桩施工可能出现钻进困难的情况, 通过大功率动力头单轴钻具 (如长螺旋桩机或旋挖机) , 对超硬地层进行引孔搅碎松土, 提高三轴搅拌钻进速率及成桩效果, 引孔直径和间距可根据地勘揭示的土层强度及地层颗粒粒径来确定, 通常引孔直径为500~800mm, 间距可选择800~1500mm。
2.4 型钢插入辅助措施
超硬地层SMW工法桩施工中, 特别是大粒径卵石层中, 当型钢插入一定深度后, 常会因为卵石影响而导致型钢无法靠自身重力插入的现象, 为克服这一困难, 在型钢无法靠自身重力插入时, 配合振动锤辅助插入, 确保型钢插入深度符合相关设计要求。
3 超硬地层SMW工法桩施工存在的问题
传统SMW工法桩施工工艺经过上述改进后, 可以使用于超硬地层施工, 目前国内已有部分施工案例, 但施工中仍存在如下一些问题, 特别是地层颗粒粒径大于15cm时尤为明显。
3.1 设备损耗
当超硬地层颗粒粒径过大时 (大于15cm) , 即使经过相关设备引孔, 但是钻头依然磨损严重, 钻头上的合金子弹头每日均需要不停更换, 转杆会因扭矩过大发生弯曲现象, 严重影响SMW工法桩施工。
3.2 偏钻
受大粒径地层颗粒影响, 三轴搅拌桩容易出现偏钻现象, 直接导致搅拌桩搭接不充分, 成桩效果差, 搅拌桩桩墙止水性能不足等结果。
3.3 型钢插入及拔出困难
超硬地层特别是卵石层中型钢插入困难, 需配合振动锤辅助插入, 同时在超硬地层中, 三轴搅拌时间长, 水泥浆注入量大, 型钢与水泥土接触面粘结强度高, 大大增加了后期型钢拔出难度, 个别情况可能造成型钢无法拔出。
3.4 水泥浆注入量大, 水泥损耗及反浆量大
因超硬地层中三轴搅拌时间长及注浆压力大, 水泥浆注入量大, 同时也直接造成反浆量增加, 材料浪费及造价提升。
4 工程实例
4.1 工程概况
某基坑工程开挖至底板垫层底深度约为9.7~11.0m, 基坑周长1300m。土层从上至下依次为杂填土、粉质粘土、淤泥、中砂、粉质粘土、卵石层 (卵石层约5~13m厚, 深度约13~18m, 最大粒径可达28cm) , 残积砂质粘性土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩。
基坑采用SMW工法桩+扩孔锚杆支护结构, 搅拌桩桩径850@600, 内插HN700*300*13*24型钢, 支护典型剖面见图3。SMW工法桩 (含双排桩工法桩) 施工共计1800m (周长) 。针对大粒径深厚卵石层, 采用改进后的SMW工法桩施工工艺进行施工。
4.2 施工效果
本工程于2014年8月10日开始施工, 经参建各单位共同努力, 于2014年10月8日完成全部SMW工法桩施工, 监测结果 (图2) 表明基坑支护结构受力及变形稳定, 效果良好, 保证了建设单位后续各项工作顺利开展, 支护效果获建设单位好评。
但是施工过程中发现, 单台工法桩机单日平均完成约8~12延米工程量, 较传统工法桩下降约25%~50%, 水泥用量比设计超约20%, 特别是在卵石粒径大于15cm以上地层中, 上述超硬地层SMW工法桩施工存在的问题均有出现。
5 结论
(1) 通过改进传统SMW工法桩桩机动力头、钻头、钻杆、施工参数、增加引孔辅助措施, SMW工法桩可运用于超硬地层施工。
(2) 超硬地层特别是地层颗粒粒径大于15cm时, SMW工法桩施工存在设备磨损严重、偏钻、型钢插入和拔出较困难, 水泥用量大等不足, 有必要研制高强度钻杆钻头材料, 改进钻杆及钻头结构, 进一步改进施工工艺, 降低SMW工法桩在超硬地层中的工程造价。
(3) 超硬地层SMW工法桩施工造价比普通地层工法桩施工造价有较大提高, 但比传统灌注桩施工造价低, 且超硬地层SMW工法桩属于绿色节能工艺, 其运用值得推广。
参考文献
[1]黄伟达, 张明, 蓝永基等.SMW工法桩及扩孔锚杆在深大基坑中的工程实践[J].岩土工程学报, 2010, 32 (增刊1) :261-264.
复杂硬地层 篇8
1 工程概况
长治市城区信用联社培训中心位于府后西街, 本工程基础为钢筋混凝土独立基础, 地基处理采用钻孔灌注桩, 桩径1 200 mm, 有效桩长20 m, 混凝土强度等级C30。
1.1 工程地质条件
场地土自上而下大致分为3层。第 (1) 层人工填土为杂填土、素填土、建筑生活垃圾、冲填土、平均厚度7.0 m;第 (2) 层土为圆砾、角砾坚土, 平均厚度4.0 m;其中圆砾、角砾粒径大于20 mm颗粒质量超过总质量的50%;第 (3) 层土为粉质粘土, 标贯击数实测值平均为12.3击。
1.2 设计要求
桩基采用钻孔灌注桩, 桩身混凝土强度等级为C30, 混凝土灌注充盈系数要求大于1。桩位允许偏差不大于50 mm。孔深+300 mm, 桩径±50 mm, 垂直度不大于0.5%。灌注混凝土之前, 孔底沉渣厚度应不大于50 mm。
1.3 问题分析
施工场地所在位置原为旧河道汇流之处, 后将河流改道, 人工杂填铺垫而成, 地质条件相当复杂。施工场地狭小, 拟建工程东侧, 南侧又与原有建筑物紧相邻, 施工难度大。上部杂填土属空桩部分, 若将其全部挖除后进行桩基施工, 那么场地布置, 设备安放及混凝土浇筑将受到极大限制, 且工期紧, 所以不能采取。上部人工杂填土其中含有大量建筑垃圾采用回转钻机, 不易钻进而且土体本身孔隙率较大, 泥浆护壁相当困难, 容易造成泥浆漏失孔壁坍塌。第 (2) 层以河卵石为主, 回转钻机施工难度大容易折断钻杆, 钻头磨损严重, 施工速度缓慢, 工期滞后, 费用增大。如采用冲击钻容易穿透卵石层, 而且钻机工作振动大后造成上层人工填土部分塌孔。
2 实施对策与措施
根据以上问题分析, 采用下述方案进行施工:放线定桩位, 埋设护筒上部人工填土采用洛阳铲卷扬机人工挖桩孔, 加强钢筋混凝土护壁支护孔壁, 防止塌孔, 挖除杂填土后注入泥浆, 采用CZ-1500型冲击钻机, 钻透卵石层进入粉质粘土层移机后用GPS-15型回转钻机钻孔, 钻孔深度满足设计要求后, 及时采用泥浆循环清孔, 清孔后吊车吊放钢筋笼, 放置混凝土导管, 水下灌注混凝土成桩。本工程采用商品混凝土, 浇筑采用导管法水中浇筑。
根据桩位布置及周围场地情况, 先进行施工场地平整, 合理地安排钻孔及吊车, 混凝土运输车的行走路线, 建立泥浆循环系统。
根据施工方案, 本工程从开孔至成桩先后10道施工工序, 其中成孔是关键工序, 其他工序的施工安排及衔接均围绕此工序进行。结合本工程的施工工艺, 施工过程中设置了成孔过程中的泥浆性能、成孔后的泥浆性能、大体积混凝土灌注等质量控制点进行重点控制, 以确保成孔不出现扩径、坍孔现象, 浇筑混凝土桩身夹泥芯、断桩等问题。
3 施工方法与主要技术措施
1) 回转钻成孔灌注桩施工工艺程序:放线定桩位→埋设护筒→钻孔机就位→成孔、注浆→清孔及排渣→制作及吊放钢筋笼→安放混凝土导管→浇筑混凝土。
2) 放线定桩位:根据图纸放出桩位点, 采取灌白灰或打入钢筋等定位措施, 保证桩位标记明显准确, 经现场监理工程师复核无误后进行施工。
3) 埋设护筒:护筒一般用4 mm~8 mm厚钢板制成, 高度为1.5 m~3 m, 钻孔桩护筒内径应比钻头直径大100 mm, 护筒顶部应开设溢浆口。
4) 钻机就位:钻机就位时必须保持平稳, 不得发生倾斜。回转钻应使转盘保持水平, 转盘孔中心、钻架上吊滑轮和护筒中心应在同一铅垂线上。机架机管上应做出控制标尺, 以便施工中进行观测、记录以及控制钻孔深度。
5) 成孔、注浆:调直机架挺杆, 对好桩位 (用对位圈) , 开动机器钻进, 出土, 达到一定深度 (视土质和地下水情况) 钻孔, 钻进过程中必须保证泥浆的供给, 使孔内浆液面稳定。
a.钻机钻进时应根据土层类别、孔径大小及供浆量确定相应的钻进速度。初钻时应低挡慢速钻进, 钻至刃脚下1 m并形成坚固的泥皮护壁后, 根据土质情况按正常速度钻进, 若局部出现坍孔时应加设钢筋混凝土护筒。b.回转钻开始钻孔时宜先在护筒内放入一定数量的泥浆, 空钻不进尺, 并从钻杆中压入清水搅拌成浆, 开动泥浆泵循环, 待泥浆拌匀后开始钻进。c.正循环回转钻应符合以下规定:在粘性土层中钻进时, 宜选用尖底钻头、中等转速、大泵量、稀泥浆。在砂土或软土等易塌土层中, 钻进时宜选用平底钻头, 控制进尺, 轻压、低挡慢速, 大泵量稠泥浆。在坚硬土层中钻进时, 宜采用优质泥浆, 低挡慢速, 大泵量, 两级钻进。d.当护筒底土质松软而出现漏浆时, 应提起钻头, 并向孔内设入粘土块, 再放下钻头倒钻, 直至胶泥挤入孔壁堵住漏浆后方可继续钻进。e.正常钻进时应根据不同地质条件随时检查泥浆浓度。钻孔直径应每钻进5 m~8 m检查一次。f.成孔过程中如发现塌孔应停钻, 回填粘土, 待孔壁稳定后再轻提慢钻。g.钻孔钻至设计深度后, 应会同有关部门对孔深、孔径、垂直度、孔位以及其他情况进行验收, 符合设计要求后方可移走钻机。
6) 清孔及排渣。
a.回转钻成孔后可使钻头空转不进尺, 循环泥浆。b.孔壁土质较差, 可用泥浆循环或抽渣筒抽渣清孔。c.清孔后泥浆密度, 应控制在1.1左右, 孔内排出或抽出的泥浆用手触摸应无颗粒感, 含砂量不大于4%。
7) 制作及吊放钢筋笼。
a.灌注桩钢筋制作时应符合以下规定:钢筋笼制作长度、焊接方法和接头长度应符合设计要求和有关规范的规定。为防止钢筋笼吊放时扭曲变形, 一般在主筋外侧每2 m加设一道14加强箍。钢筋笼制作的允许偏差:主筋间距:±10 mm;箍筋间距:±20 mm;钢筋笼直径:±10 mm;钢筋笼长度:±100 mm。b.钢筋笼验收合格后方可安放, 采用12 t汽车吊下钢筋笼, 控制好笼顶标高。钢筋笼吊放前宜在上中下部的同一横截面上, 对称或间隔120°绑好砂浆垫块或设置钢筋耳环。吊放时应对准孔位, 采用对称吊筋, 吊直扶稳, 缓慢下沉。钢筋笼放到设计位置时应立即固定, 钢筋笼就位后其安装偏差应控制在±100 mm以内。
8) 安放混凝土导管。
a.导管内壁应光滑圆顺, 第一节底管不宜小于4 m, 孔口漏斗下宜配置0.5 m和1 m配套顶管。b.导管连接应竖直, 接头加橡胶圈密封, 下端宜高出孔底沉渣面300 mm~500 mm。
9) 浇筑混凝土。混凝土采用商品混凝土, 浇筑采用导管法在水中浇筑。
a.清孔完毕经现场监理工程师验收后, 应立即浇筑混凝土。在浇筑混凝土前应复测沉渣厚度, 如超过规定必须重新清孔, 合格后方可浇筑混凝土。b.混凝土浇筑前, 导管中应设置球、塞等隔水;浇筑时, 首罐量应保证导管埋深不小于1 m。c.浇筑混凝土应连续施工, 边浇筑边拔导管, 并随时掌握导管埋入深度, 预拌混凝土应保证连续供应。d.混凝土浇筑到桩顶时, 应及时拔出导管, 并使混凝土标高大于设计标高一倍桩径且不小于1 000 mm。混凝土浇筑完毕后, 应拔出护筒, 并用素土填埋桩坑。e.检查每根桩的混凝土实际灌注量, 充盈系数要求大于1。
10) 试块留置。混凝土抗压试块, 应每浇筑50 m3留做一组试件, 小于50 m3的桩, 每根应做一组试件。
4 结语
本工程共见证取样52组混凝土强度试块, 经质量检测中心检测, 混凝土强度全部满足设计要求。经大、小应变及桩体钻芯检测, 工程质量满足设计及规范要求, 工程质量优良。
参考文献
[1]GB 50300-2001, 建筑工程施工质量验收统一标准[S].
[2]GB 50202-2002, 建筑地基基础施工质量验收规范[S].