重力式导向防斜钻具在钻孔灌注桩施工中的应用及探讨.pdf

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2011年第38卷第1期探矿工程(岩土钻掘工程)63重力式导向防斜钻具在钻孔灌注桩施工中的应用及探讨廖光华(江西省地质工程总公司，江西南昌330029)摘要：介绍了一种高垂直度要求钻孑L灌注桩施工的防斜钻具——重力式导向防斜钻具的设计、加工，及其在福州至银川高速公路九江长江公路大桥桥基工程中的使用效果，从理论上分析了该钻具的防斜原理。关键词：重力式；导向防斜钻具；钻孔灌注桩；桥基中图分类号：U443．15；P634．7文献标识码：A文章编号：1672—7428(2011)01—0063—03ApplicationandDiscussionofGravityGuideIncline-preventionDrillingToolinBoredGroutingPileConstruction／L1AOGuang—hua(JiangxiGeologicEngineeringCompany，NanchangJiangxi330029，China)Abstract：Thepaperintroducedanincline—preventiondrillingtoolforboredgroutingpileconstructionwithhighverticalityrequirement，andintroducedthisgravityguideincline—preventiondrillingtoo]aboutitsdesign，processingandtheapplica—tioneffectinbridgefoundationengineeringofChangjianghighwaybridgeinJiujiang．Theoreticalanalysiswasmadeontheprincipleofincline—prevention．Keywords：gravity；guideincline—preventiondrillingtool；boredgroutingpile；bridgefoundation1工程概况⑤圆砾土，平均层厚3．6in，浅灰到浅灰黄色，福州至银JII高速公路九江长江公路大桥，主桥饱和，密实，成分主要为石英和长石，粒径一般小于为主跨818m的双塔混合梁斜拉桥，B1标段起止桩2cm；号为K19+264～K20+574．9，全长1310．9m，主要⑥．强风化泥质粉砂岩，平均层厚2m，棕红色，工程为南主墩(21号主墩)、过渡墩、辅助墩及上构岩石风化成坚硬粉质粘土状，岩质软；(包括中跨合龙段)工程、南引桥(4×30m+5×30⑥中风化泥质粉砂岩，平均层厚5．2in，暗红in)+2×(4×50in)基础及上构等截面预应力砼连色，泥质粉砂状结构，泥质胶结，胶结一般，岩心呈续箱梁等。我公司承接了1～20号墩(南引桥桥20～40CB柱状，岩石强度1～4．1MPa，岩面倾角墩、过渡墩、辅助过渡墩、辅助墩)钻孔灌注桩工程。10。一15。：l8、19号为辅助墩，设计桩径180ClVI，设计桩长50⑥微风化泥质粉砂岩，平均层厚20m以上，暗in，设计桩的垂直度要求小于1／200(超规范要求)。紫色，泥质粉砂状结构，泥质胶结，胶结较好，岩心呈3O～70cm柱状，少量10ClI1．岩石强度3．2～10．22工程地质情况MPa，岩面倾角10。～l5。。场区工程地质情况如下：①耕植土，平均层厚0．4in，灰黄色，主要为粉3问题的提出质粘土；根据工程有较多粉砂及圆砾地层情况，为提高②粉质粘土，平均层厚9．2m，灰黄、浅灰色，可施工速度，保证工程质量，同时考虑到1／200钻灌注塑为主，局部软塑；桩垂直度的特别要求，选用泵吸反循环成孑L施工工③细砂，平均层厚l2．7m，饱和，稍密～中密，艺，钻机选用GW一20型钻机(主机功率55kW，扭成分以石英、长石为主，局部夹薄层粘土；矩60kN·in)。④粘土，平均层厚6．1In，灰色，可塑，局部硬开始施工时使用双腰带四翼硬质合金钻头，螺塑，底部夹细砂层；栓连接钻杆。钻进过程中时时检查钻机水平，保持收稿Et期：2010—09—15作者简介：廖光华(1956一)，男(汉族)，江西南昌人，江西省地质工程总公司高级工程师，探矿工程专业，从事桩基工程施工工作，江西省南昌市红谷滩万达星城锦星二栋1502室，1gh8228070@163．coin。 探矿工程(岩土钻掘工程)2011年第38卷第1期钻机立轴垂直，通过钻具的刚度和保证钻具的垂直度来保证钻孑L的垂直度。成孔后通过测孔仪(UDM150Q型)检测，结果是钻孔偏差50cnl，钻孔垂直度为1／100，未达到设计要求。通过对钻孑L测斜结果分析，孔深34．5rn以浅钻孔垂直，从钻孔进入中风化泥质粉砂岩和微风化泥质粉砂岩后钻孑L不断偏斜，这一段的垂直度偏差达壁到1／30，说明这一地层钻孑L很容易偏斜。从钻孔和地层情况分析，在粘土和砂、砾层钻进，由于地层均质，强度低，钻进时钻具在自重作用下，能保证钻孑L垂直。当钻进到中风化泥质粉砂岩和微风化泥质粉砂岩地层，地层有较大的倾角，地层强度较大，而且地层中强度不均匀，钻头接触地层时会产生一种沿着地层倾斜面滑移的力量。当钻具发生一定偏斜后，钻具在自重力作用下会产生自重纠图2重力式导向防斜钻具T作原理示意图斜力，当自重纠斜力不足于克服这种钻头滑移力时生偏斜；当钻具发生偏斜后钻具自重会产生一个纠钻孔就会不断倾斜。斜力0，纠斜力Q使钻孔偏斜减少，纠正孑L斜；钻具从以上分析可知，要防止这一地层钻孔偏斜，就在偏斜力的作用下，钻头紧紧靠拢偏斜一边的钻孔要增加钻具重力，克服钻头沿着地层滑移的力量。孑L壁，钻孔孔壁给钻具一个反力月，孑L壁反力阻止根据这一原理，我们设计了一种重力式导向防斜钻钻头偏斜；当钻具发生偏斜后，导向器在偏斜相反的具方向与孑L壁接触，孔壁给导向器反力Ⅳ，孑L壁反力～限制了钻具的偏斜率；钻具在这4种力的作用下保4重力式导向防斜钻具防止孔斜的理论分析与使持水平力平衡。用效果4．2理论偏斜率的计算4．1结构原理钻孑L直径D，导向器与钻头的结构尺寸、D。、重力式导向防斜钻具见图1。控制钻具的偏斜率和可能偏斜的程度，钻孔最大理论偏斜率a计算如下：a=(2D—D一D2)／L(1)式中：n——钻孔最大理论偏斜率；D——实际钻孑L直径，mill，计算时可用设计钻孔直径代替；D——钻头导向圈外径，ITilTl；D——导向器外径，mill。综合考虑钻具刚度、地层情况等各方面因素，本工程重力式导向防斜钻具设计钻具参数如下：L=7200Inill，Dl=1770rnm，D2=1780mm。图1重力式导向防斜钻具照片重力式导向防斜钻具最大理论偏斜率：该钻具由3部分组成：底部为滚刀钻头，中部为a=(2X1800—1770—1780)／7200=1／144配重块，上部为防斜导向器。使用滚刀钻头主要是本工程全钻孔的理论垂直度按下式计算：地层最大强度达到10MPa以上，这样可以提高钻进A=B／H(2)速度。增加配重块是为了增加钻具重力，增加重力式中：4——本工程钻孑L的理论垂直度；B——钻孔纠斜能力。导向器主要是提高钻器的防斜能力。中心偏差，1171；一设计孔深，II1。重力式导向防斜钻具防斜工作原理参见图2。在该工程中上部32m由于地层较好，基本不会从图2中可知该钻具防止孔斜的原理是：当钻发生孔斜，孑L斜主要产生在中风化泥质砂岩和微风头从松软地层钻进有一定强度和一定倾角的地层化泥质砂岩地层，所以钻孑L中心偏差：时，钻头会产生一个偏斜滑移力P，这个力使钻具发B=(1／144)X18m=0．125Ill 2011年第38卷第1期探矿工程(岩土钻掘工程)65=50m(设计钻孔深度)6施工操作要求A=B／H=0．125／50=1／400由于钻孑L垂直度要求很高，除有较好的防斜钻本工程全孔的理论垂直度能满足设计要求。具外，钻进施工操作也十分重要，在施工中操作要求4．3实际施工效果如下：l8、19号墩使用该钻具施工的桩孔，经测斜仪(1)钻机安装稳固，钻进时保持钻机稳定。检测，钻孔垂直度全部达到设计1／200的要求。(2)安装时保持钻机转盘中心与设计桩中心一致，最大偏差不超过20mm，钻进时随时检查钻机稳5钻具的Jjn-r定情况，发现钻机移位及时复位。(1)导向器在孔内纠斜时受力较大，导向器加(3)保证钻机立轴垂直，钻进时随时检查钻机工要有较高的强度，焊接要牢固。立轴垂直情况，如发生偏差及时纠正。(2)导向器导向圈宽度每个不能小于50em，这(4)上部松软地层用常规四翼刮刀钻头钻进，样才能保证导向器与孑L壁的接触面积，防止导向器在钻进到强风化泥质砂岩1m前换重力式导向防斜与孔壁的接触压力过大。钻具钻进。(3)为保证重力纠斜效果，配重块质量10t以(5)由于两种钻头孔底形状不同，刚换钻头时上为好。要轻压慢转，使两种钻头在孔底平稳过度，在钻进到(4)从式(1)可知，导向器外径、钻头外径、导向中风化泥质砂岩和微风化泥质砂岩交接面以及地层钻具长度要根据防斜要求确定，从式(1)可知：岩强度变化大的孑L段，按如下方法操作：①增加导向器外径有利于提高防斜效果，减少①减少钻头压力，钻头只加上钻具重力30％～钻孑L最大理论偏斜率，但会增加钻进阻力，一般根据50％压力，使钻杆处于悬挂状态；地质情况和孑L斜要求比钻孔直径小20～30IIlllq；②用慢速钻进；②增加钻头导向圈外径利于减少钻孔最大理论③钻完该孔段后，应提高钻具1m扫孔2～3次偏斜率，但会较大增加钻进扭矩，增加扩孔系数，一后再往下继续钻进。般根据地层情况和防斜要求比钻孔直径小l5～30mm；7结语③增加导向钻具长度会提高钻具的防斜效果，重力式导向防斜钻具在理论上有较好的防止孔但会降低刚度，影响防斜效果，所以导向钻具长度要斜的效果，对于高垂直度要求的钻孔灌注桩施工或根据导向钻具刚度和防斜效果综合确定。在容易产生孔斜的地层中施工，配合较好施工操作(5)导向钻具3个部分的连接应选用强度较大规程，能达到较好的防止孔斜的效果。在实际施工管材刚性连接，确保钻具整体刚度。中应用验证了其良好的防斜效果。-4-“—-卜”-4-”-+-”—-“—+一”+“+“+“十一+一+“+--4-”+”++”+一+“-4-“-4-+“+”-4-”+—卜“—+-”—卜“—-卜”—+-“-+-”+··+·+一+·+”++”++-新疆地矿局“十二五"期间找煤锁定4000亿t中国矿业报消息⋯十二五’期问，我们将加大地质勘确定的十大资源基地，新疆的6处资源基地位列其中。新发查工作／，J度，为新疆跨越式发展提供强有力的保障。我们的现的新疆罗布泊亿吨级钾盐资源基地已经迅速转化为产能，发展目标是：煤炭资源量达到4000亿t；铁矿资源量25亿～将改变过去青海察尔汗盐湖一枝独秀的钾盐生产格局，大幅30亿t，保证50年开采利用量；有色金属资源量保证30年的提高我国钾盐自给率。随着东疆、准东特大型煤田的发现，开采使用；钾盐资源量保证50年⋯⋯”新疆地矿局局长曾小阿吾拉勒铁矿基地、乌拉根铅锌矿基地、东天山有色金属基刚在日前召开的新疆地矿工作会议上表示。地的建设以及祁曼塔格有色金属基地的形成，不仅显著提高据r解，“十一五”期间，新疆地质矿产勘查成果显著。r新疆资源保障能力，而且优化r我国煤炭工业、钢铁、有色基础地质下作程度大幅提高，为地质找矿重大突破提供了坚金属、交通运输业等产业结构和布局，有力推进了新疆跨越实基础，其巾，1：5万区域地质矿产调查覆盖面积提高到式发展。曰前，在新疆投资矿业开发的大企业大集团有数十15．6％，是全国完成1：5万区域地质矿产调查面积最大的家，一批矿业开发重点项目，特别是煤电煤化工、钾盐矿、铜省区；矿产勘查取得重大进展，新发现矿产地77处，可供升矿、铁矿等开发项目，正在加快建设。发的矿产地l8处，探求一批新增资源储量。国土资源部新