大口徑鉆探方法

1、大口徑鉆探超過常規(guī)孔徑的工程鉆探。大口徑鉆孔在不同的工程鉆探領(lǐng)域，有不同的含義。對整個(gè)工程鉆探領(lǐng) 域而言，一般泛指孔徑在500mm以上的為大口徑鉆孔。大口徑鉆孔深度多數(shù)在 50m以內(nèi)，少數(shù)為100m左右, 有的深達(dá)數(shù)百米。其大多數(shù)為垂直向下的直孔，亦有斜孔、水平孔和仰孔。鉆孔截面除圓形外，還有矩形 和長槽形。發(fā)展概況 用機(jī)械方法施工大口徑鉆孔最早的是荷蘭，于1927年采用多級(jí)擴(kuò)孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法鉆進(jìn)直徑2. 7m深達(dá)130m的豎井。此后許多國家相繼用鉆孔法進(jìn)行礦山豎井施工。1945年后，各種工程建設(shè)中大口徑鉆孔有廣泛的發(fā)展。法國50年代初開發(fā)全套管施工法（貝諾特法）和鉆機(jī)。聯(lián)邦德國在 1951年成功

2、地采用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)法。此后鉆孔的直徑、深度、適用地層和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，施工技術(shù)迅速發(fā)展。如 荷蘭于19541959年鉆成兩口孔徑7. 5m深506和512m的豎井；蘇聯(lián)于19601964年由直徑3m的導(dǎo) 向孔一次擴(kuò)孔鉆成直徑 8 . 75m的豎井；美國所鉆大口徑孔的最大深度達(dá)1960m；日本于70年代在水域的硬巖鉆成數(shù)十個(gè)直徑 3. 64. 4m的橋墩基礎(chǔ)樁孔，于1984年在沉井內(nèi)用旋臂式鉆機(jī)在 14m深海底鉆成直 徑11m深37m的孔。中國1959年建造水庫土壩時(shí)，在防滲墻施工中曾用沖擊鉆打直徑1m最深53m的成排鉆孔。1969年，用分級(jí)擴(kuò)孔法鉆煤礦豎井，最大孔徑& 8m最大深度508.

3、 6m 80年代以來，在許多與各種基礎(chǔ)樁、擋土墻、集水井和地下連續(xù)墻相關(guān)的施工中采用了大直徑鉆孔，如直徑達(dá)3m深度5060m的重慶長江大橋基樁孔，寬1m深30m長200m的上海寶山鋼鐵總廠地下連續(xù)墻的槽孔。應(yīng)用大口徑鉆探主要用于地下資源開發(fā)、基礎(chǔ)工程施工和處理、地下工業(yè)設(shè)施建造三方面。地下資源開發(fā) 包括：工業(yè)和民用供水井、地?zé)岬V泉井、集水井；可溶鹽類的鉆孔水溶法開采；海底 砂礦采選（反循環(huán)抽吸）等。基礎(chǔ)工程施工和處理 包括：各種鉆孔灌注樁、擴(kuò)底樁基礎(chǔ)，陸地和水域嵌巖鋼管樁基礎(chǔ)；各種深層 地基處理、注漿加固，原有工程基礎(chǔ)的改造加固；高大建筑箱形基礎(chǔ)及其擋土防滲墻；深基坑邊坡和山坡 防塌擋土墻；水

4、壩防滲墻；深基坑開挖的降水井，防治地面沉降的回灌井；預(yù)制鋼筋混凝土樁管的埋設(shè)和 大型爆破孔等。地下工業(yè)設(shè)施建造 包括：豎井、斜井等各種坑道；通風(fēng)、排水、運(yùn)輸和滅火通道；輸電、氣、水等 地下管線的敷設(shè)；隧道涵洞、地下鐵路、地下街道房屋的承重框架；安放地震、地殼運(yùn)動(dòng)觀測儀器的地下 孔洞；地下核試驗(yàn)井、導(dǎo)彈發(fā)射井；儲(chǔ)存石油、液化氣的地下庫，儲(chǔ)藏珍貴物品、危險(xiǎn)品的特種地下保險(xiǎn) 庫；排放核廢料、有毒廢液渣、污染物的地下洞池等。特點(diǎn)主要有：（1）鉆頭直徑大，鉆探裝備重、設(shè)備功率大。如美國可鉆直徑4. 6m深500m孔的鉆機(jī)重達(dá)368t、功率為224kwo鉆渣量大，鉆進(jìn)施工中必須采用機(jī)械化方式凈化沖洗液。（

5、3）排渣方式多樣或組合化，沖洗液排渣有正循環(huán)法和泵吸、氣舉、潛水泵舉反循環(huán)法，沖擊鉆進(jìn)和潛孔錘鉆進(jìn)亦采用反 循環(huán)法排渣；短螺旋、鉆斗、沖擊抓斗鉆進(jìn)使用回次升鉆排渣法。（4）護(hù)壁難度大，松散易坍塌地層多采用隨鉆全孔跟套管工藝，配備跟套管專用設(shè)備。（5）可使用插裝式或伸縮式鉆桿，提高升降鉆具機(jī)械化程度。（6）鉆進(jìn)方式多樣化，鉆探設(shè)備和鉆頭結(jié)構(gòu)類型繁多。鉆進(jìn)方式 可分為：（1）螺旋鉆進(jìn)，又分為長螺旋鉆進(jìn)和短螺旋鉆進(jìn)兩類，后者更適于大口徑鉆孔；（2）鉆斗鉆進(jìn).叉稱土鉆施工法.適用于鉆挖砂土； （3）刮刀鉆進(jìn)；（4）滾刀鉆進(jìn)（牙輪鉆進(jìn)）；（5）鉆粒鉆進(jìn)（6）沖擊鉆進(jìn).包括鋼繩式、反循環(huán)式；（7）打筒式?jīng)_

6、擊鉆進(jìn)（8）沖擊抓斗鉆進(jìn)；（9）沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；（10）振動(dòng)鉆進(jìn)；（11）滾銑刀鉆進(jìn)，旋轉(zhuǎn)滾筒銑刀鉆頭鉆進(jìn)矩形孔。設(shè)備鉆孔時(shí)在現(xiàn)場直接使用的地面和孔內(nèi)的機(jī)械和裝置。包括鉆機(jī)，鉆架、循環(huán)泵組、泥漿凈化裝 置和套管機(jī)等。大口徑詁機(jī)（含鉆架）主要類型為轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)、螺旋鉆機(jī)、動(dòng)力頭式鉆機(jī)、孔底動(dòng)力式鉆機(jī)、沖擊抓 斗鉆機(jī)、反循環(huán)沖擊鉆機(jī)和地下連續(xù)墻用鉆機(jī)，近年又開發(fā)了滾銃刀式和沉井內(nèi)旋臂式鉆機(jī)。（1）轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)。鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤能方便地通過較大直徑的鉆頭或移開孔口。鉆架多為門式，便于取下太直徑鉆具，用液壓缸系統(tǒng)帶動(dòng)水龍頭橫梁沿鉆架導(dǎo)軌升降鉆具、調(diào)整鉆壓（圖1）。有的鉆機(jī)仍設(shè)絞車鋼繩提升系統(tǒng)。有的鉆機(jī)不設(shè)鉆架，用

7、普通起重機(jī)升降鉆具。圖1大口桂榜盤式鮎楓和鮎具畀盤 lS 孔$ it 桿 l8 配1（躱* 9-1. 10-站頭（2）螺旋鉆機(jī)。大口徑螺旋鉆機(jī)多為短螺旋鉆和鉆斗兼用.有的也配長螺旋鉆具，日本等國家也生產(chǎn) 專用的鉆斗鉆機(jī)（叉稱土鉆）。鉆機(jī)的絞車鋼繩經(jīng)導(dǎo)軌式鉆架的天車懸吊伸縮鉆桿的最內(nèi)層軸桿，軸桿下端 連接短螺旋鉆具或鉆斗，伸縮鉆桿最外層由轉(zhuǎn)盤或動(dòng)力頭帶動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。導(dǎo)軌式鉆架可前后左右傾斜不大 的角度，以便對正孔位中心線。底座以上設(shè)備可整體轉(zhuǎn)動(dòng)100。360。，以便于倒渣。(3) 動(dòng)力頭式鉆機(jī)(圖2)。有機(jī)械和液馬達(dá)傳動(dòng)兩種形式，動(dòng)力頭由鉆架立柱內(nèi)油缸推動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)。 機(jī)座以上部分可在底座滑軌上移開

8、孔口。底座裝有液壓步履和整機(jī)轉(zhuǎn)向裝置。有的鉆機(jī)裝載在汽車或履帶 車上。ffi 2動(dòng)力頭式姑機(jī)i對力養(yǎng)2-帖flu 3亠立氏電機(jī)I 4城車1(4) 孔底動(dòng)力式鉆機(jī)。叉稱潛孔鉆機(jī)。一類是用鉆扦將電機(jī)和減速裝置下到孔底驅(qū)動(dòng)鉆頭，孔口有臺(tái) 架卡住鉆桿不回轉(zhuǎn)，以承受鉆頭回轉(zhuǎn)的反扭矩。有的將砂石泵也裝在孔底鉆機(jī)上，施行泵舉反循環(huán)排渣。另一類無鉆桿的鉆機(jī)是用絞車鋼繩吊人孔內(nèi)，在下部可回轉(zhuǎn)的箱體下裝三個(gè)鉆頭(圖3)。其工作原理是:由行星輪系驅(qū)動(dòng)鉆頭繞各自軸線順時(shí)針方向自轉(zhuǎn)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)箱體和修孔鉆頭繞鉆孔軸線反時(shí)針方向旋 轉(zhuǎn)，鉆頭也隨之公轉(zhuǎn)這兩種扭矩互相平衡，鉆機(jī)主體則不轉(zhuǎn)動(dòng)。排遣軟管睫鉆機(jī)也深入孔底，旖行泵

9、吸 或泵舉反循環(huán)排渣。(5) 沖擊抓斗鉆機(jī)。又稱貝諾特(Benote)鉆機(jī)。它用絞車鋼繩起落沖擊抓斗并控制其張合；用液壓套 管機(jī)夾持大口徑套管使其在 15。30。的角度內(nèi)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)施以軸向力，使套管跟進(jìn)或起拔。其反力 和反扭矩由全機(jī)自身重量和支腿承受。抓斗提岀鉆渣后，由溜渣槽支臂向前推岀并卸掉。 3無枯桿孔底祐力或桔機(jī)怙進(jìn)示意衛(wèi)12 薊轉(zhuǎn)綺* 3 鉆雖屋賣帆*5 f i 6*1f?t I 7 亂 口 ti 8 itt(6) 反循環(huán)沖擊鉆機(jī)。內(nèi)外平直的反循環(huán)排渣管貫穿沖擊鉆頭中心孔，為鉆頭導(dǎo)向并隨鉆進(jìn)下移。用液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的雙筒同步絞車的鋼繩提動(dòng)鑲嵌楔形硬質(zhì)合金刃的雙層筒狀沖擊鉆頭鉆進(jìn)。隨著鉆

10、頭破碎巖石，用泵吸或氣舉反循環(huán)法將鉆渣排到地面。鉆進(jìn)效率比普通沖擊鉆進(jìn)高數(shù)倍，也可配備套管機(jī)進(jìn)行跟管鉆進(jìn)。(7) 地下連續(xù)墻用鉆機(jī)。主要類型有抓斗式成槽機(jī)和多頭回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。前者先在槽的兩端鉆導(dǎo)孔，再以抓斗沖抓導(dǎo)孔間的土體。多頭鉆機(jī)有孔底動(dòng)力式.BW型鉆機(jī)和多軸并列螺旋鉆機(jī)。BW型鉆機(jī)用鋼繩吊入槽 孔內(nèi)，兩臺(tái)潛水電機(jī)驅(qū)動(dòng) 57個(gè)刮刀鉆頭同時(shí)破碎孔底巖土鉆進(jìn)，由側(cè)壁鏟刀或滾齒刀修整孔壁成槽(圖4)。 4址下連址堆B謝燮鉆楓帖進(jìn)禾慧由i BW2 毀港曽 4 3-耕石亀 I *5-ti4l循環(huán)泵組 大口徑鉆探排渣，孔深在 50m以內(nèi)的宜用泵吸反循環(huán)排渣，超過50m的宜用汽舉反循環(huán)排渣。排渣所用泵組主要包

11、括大排量泥漿泵、離心式砂石泵。采用反循環(huán)沖洗排渣時(shí)，泵組包括離心式砂石 泵、啟動(dòng)主泵用的真空泵或注水泵、電動(dòng)機(jī)和配屬管路、閥門等，泥漿池內(nèi)還有向孔內(nèi)及時(shí)回灌沖洗液用 的潛水砂泵。離心式砂石泵適于抽送含泥砂、土石塊等固體雜質(zhì)的液體。其葉輪多為開式、寬度大、葉片 數(shù)少（少至兩片），泵體內(nèi)各過流斷面與吸入口面積相同，配用鉆桿內(nèi)徑亦與之相同，因此可避免流道堵塞。泥漿凈化裝置 泥漿凈化除用沉淀池循環(huán)槽自然沉淀外，還采用機(jī)械振動(dòng)篩、水力旋流除砂器和潛水砂泵。其工作流程如圖 5所示。泥漿池（箱）和沉淀池常有23個(gè)，其容積總和一般為鉆孔容積之3倍，可滿足鉆進(jìn)、沉渣以及灌注混凝土?xí)r溢流的需要。循環(huán)槽或回灌管路的

12、坡度不宜小于1/ 100。鉆頭大口徑鉆頭多為全面鉆進(jìn)鉆頭。按鉆進(jìn)機(jī)理分為沖擊式、回轉(zhuǎn)式、沖擊回轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式和滾筒 銑刀式鉆進(jìn)鉆頭。沖擊式鉆頭在沖擊功作用下鉆進(jìn)地層。包括多刃鑿形鉆頭、撈砂抽筒、筒式鉆頭和沖擊抓斗。它適于松散、漂卵、礫石層和風(fēng)化基巖中鉆進(jìn)。大口徑?jīng)_擊鉆頭有各種環(huán)形多翼鑿刃和副刃。沖擊抓斗（圖6）是利用鋼繩控制其勺形活瓣鑿刃 （一般為24個(gè)）的張合來抓取鉆渣，實(shí)施鉆進(jìn)的。為使鉆子L圓整、垂直,一般需全孔跟套管。它適于松散地層，遇特大漂石可用鑿形鉆頭擊碎后抓取。其最大鉆孔直徑可達(dá)23m孔深可達(dá)4060m=回轉(zhuǎn)式鉆頭有刮刀鉆頭、螺旋鉆頭、鉆斗、滾刀（牙輪）鉆頭、行星輪式三軸鉆頭和鉆粒鉆

13、頭等類型， 還有擴(kuò)底、跟管和鉆仰孔用鉆頭等。（1）刮刀鉆頭。在大口徑鉆進(jìn)中應(yīng)用最廣泛，以刮削方式鉆進(jìn)地層。其種類繁多，有魚尾、三翼、四翼（圖7）、階梯、環(huán)形等鉆頭。其刃具鑲焊硬質(zhì)合金，多為組裝式，排列成犁耙狀。它適用于除漂、卵石 層以外的松散地層和強(qiáng)風(fēng)化巖石鉆進(jìn)。（2）螺旋鉆頭（圖8）。多為可拆式，有單翼、雙翼和三翼等形式，以雙翼螺旋鉆頭應(yīng)用為多。在呈平底或錐形布置的翼片上鑲焊硬質(zhì)合金塊或插裝可換的刃具，刃具有錐齒、平鏟和犁齒形，排列成耙狀。鉆頭下端常接先導(dǎo)鉆頭。短螺旋鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭之上接一短根螺旋鉆桿，再接伸縮鉆桿。另外還有擴(kuò)底、環(huán)狀取 樣、沖擊振動(dòng)、半合式等多種螺旋鉆頭。螺旋鉆頭適于鉆進(jìn)地下

14、水位以上的粘性土、砂土、砂礫石地層。螺旋鉆頭相同。鉆斗還有擴(kuò)底式、半合式及帶氣動(dòng)沖擊器的。鉆斗能鉆進(jìn)地下水位以下的粘性土、砂礫石土、淤泥地層*號(hào)(3)鉆斗(圖9)。土鉆鉆頭。常用類型為底開門式。在圓筒形鉆斗體的可開閉的底蓋上，沿徑向開兩 個(gè)長孑L,裝列刃具和上開活門。鉆進(jìn)時(shí)鉆渣沖開活門積存于鉆斗體內(nèi)，提鉆后打開底蓋倒渣。其刃具和(4) 滾刀(牙輪)鉆頭(圖10)。以刀具的滾動(dòng)鉆進(jìn)地層。鉆頭由鉆頭體和若干滾刀組合而成。滾刀有楔 齒、盤形齒和球齒三種型式，其支座有懸臂式和雙支點(diǎn)鞍形兩類。鉆頭常用平底或階梯式，適于鉆進(jìn)硬土、 砂礫石及各種巖石。陽9帖斗I 一樓去 * 2 f 13 站牛庫 * 魚-毛

15、童鮎失許孔薊具*7站址刀具*8話門(5) 行星輪式三軸鉆頭。在與鉆頭體軸線平行的三個(gè)軸上裝有三個(gè)刮刀型鉆頭，隨鉆頭體公轉(zhuǎn)的同時(shí) 自轉(zhuǎn)，適于鉆進(jìn)硬土、砂礫石地層。% 10施卩鉆頭（6）鉆粒鉆頭。有全面和環(huán)狀（取心）鉆頭。用厚鋼板卷制，加焊肋骨或堆疊焊接鋼材以增加壁厚，亦 可用鑄鋼鑄造；設(shè)多個(gè)導(dǎo)砂水口。巖心可用吊錘和鉆桿楔斷器沖斷后，用鋼繩套取、沖抓錐抓取或巖心上 鉆小孔擠夾提出。（7）擴(kuò)底（孔）鉆頭。常用類型為有 24個(gè)翼片的刮刀鉆頭或鉆斗式鉆頭。利用鉆具自重、反轉(zhuǎn)加壓或液壓推動(dòng)有刃具的翼片張開。張開方式有上開、下開、滑降和外推式。結(jié)構(gòu)上，有專用擴(kuò)底鉆頭（圖11）和鉆擴(kuò)兩用鉆頭兩類。跟套管用擴(kuò)孔

16、鉆頭有單輪彎脖和滾刀式，以及鉆斗式等。12 fi At 1 3T沖擊回轉(zhuǎn)式鉆頭 有十字鑿刃和球齒兩類，用潛孔錘帶動(dòng)。單錘最大孔徑為508762mm裝有三個(gè)單錘的反循環(huán)組合式潛孔錘可鉆孔徑達(dá)11. 5m,其中心為排渣管。振動(dòng)式鉆頭（具）分縱向與橫向兩類：縱向振動(dòng)器帶動(dòng)筒狀鉆頭切入或錐尖形鉆頭擠入地層成孔；橫 向振動(dòng)器帶動(dòng)鉆具向外周側(cè)向振動(dòng)，同時(shí)用水沖射向下鉆進(jìn)，可使孔壁擠密而成較大鉆孔。滾筒銃刀鉆頭孔底動(dòng)力式鉆機(jī)下部水平裝置四個(gè)外周有齒形刀具的滾筒銃刀，相向轉(zhuǎn)動(dòng)并向下給 進(jìn)，即鉆成矩形孔。它用于地下連續(xù)墻施工。鉆具包括鉆桿、導(dǎo)正器、配重塊、水龍頭、氣水混合器等。鉆桿正循環(huán)鉆進(jìn)使用普通鉆桿（見鉆探

17、管件）。大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)要求使用內(nèi)壁平直的鉆桿。其連接 常用法蘭螺栓或插入式鍵銷。主要規(guī)格為內(nèi)徑，常用的有150、200、250、300mm最大外徑達(dá)508mm氣舉反循環(huán)用的并列兩根送氣管的法蘭鉆桿或雙臂鉆桿其規(guī)格以外管外徑/內(nèi)管內(nèi)徑（mm）表示，例如194/114、219/127、244/ 152、340/178等。短螺旋和鉆斗用伸縮式鉆桿一般為34層，長度可達(dá)3242m導(dǎo)正器包括鉆桿扶正器和鉆頭穩(wěn)定器。（1）鉆桿扶正器。按一定間隔裝于鉆桿柱中，以其四面的弧形滑靴板依托孔壁扶正鉆桿柱，使其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不晃動(dòng)。有隨鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)和不轉(zhuǎn)動(dòng)兩種?；グ逯С斜鄣拈L度可 調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的鉆孔直徑。（2）鉆頭穩(wěn)定器。裝于鉆頭上部，用滑靴板或若干個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)之滾輪依托于孔 壁上，防止鉆頭擺動(dòng)造成鉆孔