冲击钻机在高强度岩层中钻进的工艺研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇冲击钻机在高强度岩层中钻进的工艺研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：为提高大型桥梁桩基施工的效率和质量，采用冲击钻钻进高强度岩层。从冲击钻碎岩原理、钻进规程、循环系统等方面研究了影响冲击钻钻进效果的各种原因，改进了冲击钻在岩层中钻进的施工工艺。改进后的工艺可以有效提高钻进效率及成孔质量，避免钻孔事故的发生，达到了节省施工成本、保证施工工期的目标。该工艺在跨海大桥桩基施工中取得了良好的效果，充分发挥了冲击钻在岩层中施工的优越性，解决了常规工艺下的各种难题，达到了预期目的。

关键词：大型桥梁；施工工艺；钻孔桩；冲击钻；高强度岩层

Abstract: To improve the efficiency and quality of the pile foundation construction of large bridges, impact drill drillinghigh strength rock. The principle of broken rock from theimpact of drilling, drilling procedures, circulatory system,affect the impact of diamond drilling the effect of a variety of reasons, to improve the impact of drilling in rock drillingconstruction technology. Improved technology can improvedrilling efficiency and hole quality, to avoid drilling accident,reached the goal of saving construction costs and to ensurethat the construction period. Bridge Pile Foundation Construction, the process to obtain good results, give full play to the superiority of the impact of drilling in theconstruction of the rock, to solve the various problems in theconventional technology, to achieve the desired purpose.Key words: large-scale bridge; construction technology;bored piles; impact drill; high-strength rock

中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：

引言

大型桥梁越来越多地选用端承桩作为桩基，端承桩以弱风化或微风化岩层作为承重基岩，嵌岩一般较深，该类岩层因其强度高、硬度大，施工时难度很大。很多大桥尽管在桩基施工时采取了相关的解决办法，但是效果离预期目标相差甚远，不仅耗废了大量的人力物力，而且还使工期严重滞后，如何高效地完成钻孔桩施工成为众多工程迫切需要解决的问题。

破碎坚硬岩石主要采用冲击成孔法和冲击回转成孔法1，单纯的回转钻进在坚硬岩石中效果较差，而冲击回转钻进对于钻进小直径钻孔桩效果很好，对于大孔径超深钻孔桩，通常选用冲击成孔法进行施工，受机具和钻进工艺等因素影响，目前该方法施工效率较低，难以满足当前的施工要求。

冲击钻机有钻杆式和绳式两种，前者所钻孔径小、效率低，应用较少，应用较为广泛的是绳式冲击钻，可进行大直径、超深孔的钻孔桩施工，目前桩径已超过3.5m，孔深已突破120m，但对钻机的性能要求较高。

冲击钻施工原理

冲击钻碎岩原理

冲击钻通过将钻头自身的重力势能转化为冲击动能，钻头接触岩层时，冲击荷载的接触应力瞬时达到极高值，应力比较集中，使岩石产生变形，在冲击荷载的多次作用下使岩石破碎[4]。在软岩、塑性岩石中，因岩石吸收大量的冲击能，使这一过程变得弱化 而使钻进效率低下，从破碎岩石的形态来讲，冲击钻碎岩过程分三个步骤：

（1）当冲击动能不大时，在岩石表面只能见到钻齿冲击的痕迹—边缘出现裂纹带。

（2）增加冲击能后，在边缘之外便出现环形崩离体，随着冲击能的增大，崩离体的体积稍有增加；

（3）冲击能量达到一定值后，钻齿底下的岩石发生脆性破碎；再继续增大冲击能，不会引起破碎形态明显的质的变化，余裕的能量使压头的侵深有所增加，并使接触面周围有岩石崩离体出现，当冲击能达到相当大时，则出现新的稳定的破碎形态。

从应力角度分析，当接触面上的压力没有达到岩石的压入硬度时，在岩石的弱面处形成裂纹，经多次作用后使其扩展增多，甚至相互沟通，该过程需经多次外载的作用，故称为疲劳破碎。当接触面上的压力等于或大于岩石的压入硬度时，将产生体积破碎，破岩的速度较快，故为得到理想的体积破碎，必须具备足够的瞬间冲击应力。

常见岩层及其可钻性

在三大岩类中，沉积岩和变质岩强度和硬度相对较小，比较容易钻进，岩浆岩因其具有较高的强度和硬度，钻进起来难度较大，而多数结构物尤其是跨海大桥，多选岩浆岩层作为承重基岩，几座著名的大型桥梁桩基岩层见表1。

表1 大型桥梁端承桩常见基岩

注：岩石抗压强度均为实测值，岩性描述通过钻渣进行确认

岩层的结构、构造、结晶程度、矿物颗粒大小、节理裂隙等决定着岩石的可钻性。岩石强度高、硬度大、结晶程度高、裂隙不发育，则可钻性低，钻进难度大、钻头磨损快、容易发生卡钻事故，而且钻渣颗粒较细，反之，则可钻性高、容易钻进，孔内事故也比较少。对于弹-塑性岩石中的硬岩，采用冲击方式可在压入硬度增加不多的前提下，降低岩石的塑性系数，从而增大脆性破碎深度，可以获得理想的体积破碎，而对于高塑性的软岩或多孔隙岩石，其强度较低，动载效应对硬度等力学指标的影响比硬岩要显著得多，钻进效率也相对较低。

影响碎岩效果的因素

碎岩机具的影响

合理的破碎工具形状应使其压入岩石时的阻力最小、钻压最大，钻头在泥浆中运动时，受到泥浆的阻力将会减小冲击动能，而适当减小钻齿与岩石的接触面积，可增大钻齿单位面积上的钻压。同时应确保钻头应具有足够的强度、硬度和耐磨性，钻机的整体性能就能满足高负荷作业的要求。

钻进规程的影响

冲击钻钻进规程包括冲程、冲击频率、钻压（钻头质量起着决定性作用）。钻进过程中，钻头将产生巨大的冲击动能，计算公式如下：

，

（1） （2）

其中：表示钻头冲击时的加速度（未考虑泥浆粘度对钻头的阻力），表示孔内泥浆比重，表示钻头的比重，表示钻头落到孔底的时间，表示钻头到达孔底与离开孔底之间的时间，表示离开孔底到达冲程的时间，表示完成一次冲击所需时间，表示实现体积破碎的冲击动能。

为了获取最大的钻进效率，在单位时间里必须具有足够大的连续冲击动能，根据公式2，由于钻头的质量是定值，只能通过调整钻头的冲程和冲击的频率来获得理想的冲击动能。