大口径钻探方法

1、大口径钻探超过常规孔径的工程钻探。大口径钻孔在不同的工程钻探领域，有不同的含义。对整个工程钻探领域而言，一般泛指孔径在500mmz上的为大口径钻孔。大口径钻孔深度多数在50m以内，少数为100m左右,有的深达数百米。其大多数为垂直向下的直孔，亦有斜孔、水平孔和仰孔。钻孔截面除圆形外，还有矩形和长槽形。发展概况用机械方法施工大口径钻孔最早的是荷兰，于1927年采用多级扩孔回转钻进法钻进直径2.7m深达130m的竖井。此后许多国家相继用钻孔法进行矿山竖井施工。1945年后，各种工程建设中大口径钻孔有广泛的发展。法国50年代初开发全套管施工法（贝诺特法）和钻机。联邦德国在1951年成功地采用泵吸反循

2、环钻进法。此后钻孔的直径、深度、适用地层和应用领域不断扩大，施工技术迅速发展。如荷兰于19541959年钻成两口孔径7.5m7506和512m的竖井；苏联于19601964年由直径3m的导向孔一次扩孔钻成直径8.75m的竖井；美国所钻大口径孔的最大深度达1960m；日本于70年代在水域的硬岩钻成数十个直径3.64.4m的桥墩基础桩孔，于1984年在沉井内用旋臂式钻机在14m深海底钻成直径11n737m的孔。中国1959年建造水库土坝时，在防渗墙施工中曾用冲击钻打直径1E最深53m的成排钻孔。1969年，用分级扩孔法钻煤矿竖井，最大孔径8.8m最大深度508.6m80年代以来，在许多与各种基础桩

3、、挡土墙、集水井和地下连续墙相关的施工中采用了大直径钻孔，如直径达3e深度5060m的重庆长江大桥基桩孔，宽1e30m长200m的上海宝山钢铁总厂地下连续墙的槽孔。应用大口径钻探主要用于地下资源开发、基础工程施工和处理、地下工业设施建造三方面。地下资源开发包括：工业和民用供水井、地热矿泉井、集水井；可溶盐类的钻孔水溶法开采；海底砂矿采选（反循环抽吸）等。基础工程施工和处理包括：各种钻孔灌注桩、扩底桩基础，陆地和水域嵌岩钢管桩基础；各种深层地基处理、注浆加固，原有工程基础的改造加固；高大建筑箱形基础及其挡土防渗墙；深基坑边坡和山坡防塌挡土墙；水坝防渗墙；深基坑开挖的降水井，防治地面沉降的回灌井；

4、预制钢筋混凝土桩管的埋设和大型爆破孔等。地下工业设施建造包括：竖井、斜井等各种坑道；通风、排水、运输和灭火通道；输电、气、水等地下管线的敷设；隧道涵洞、地下铁路、地下街道房屋的承重框架；安放地震、地壳运动观测仪器的地下孔洞；地下核试验井、导弹发射井；储存石油、液化气的地下库，储藏珍贵物品、危险品的特种地下保险库；排放核废料、有毒废液渣、污染物的地下洞池等。特点主要有：（1）钻头直径大，钻探装备重、设备功率大。如美国可钻直径4.6m7500m孔的钻机重达368t、功率为224kw。（2）钻渣量大，钻进施工中必须采用机械化方式净化冲洗液。（3）排渣方式多样或组合化，冲洗液排渣有正循环法和泵吸、气举

5、、潜水泵举反循环法，冲击钻进和潜孔锤钻进亦采用反循环法排渣；短螺旋、钻斗、冲击抓斗钻进使用回次开钻排渣法。（4）护壁难度大，松散易坍塌地层多采用随钻全孔跟套管工艺，配备跟套管专用设备。（5）可使用插装式或伸缩式钻杆，提高升降钻具机械化程度。（6）钻进方式多样化，钻探设备和钻头结构类型繁多。钻进方式可分为：（1）螺旋钻进，又分为长螺旋钻进和短螺旋钻进两类，后者更适于大口径钻孔；（2）钻斗钻进.叉称土钻施工法.适用于钻挖砂土；（3）刮刀钻进；（4）滚刀钻进（牙轮钻进）；（5）钻粒钻进（6）冲击钻进.包括钢绳式、反循环式；（7）打筒式冲击钻进（8）冲击抓斗钻进；（9）冲击回转钻进；（10）振动钻进；

6、（11）滚铳刀钻进，旋转滚筒铳刀钻头钻进矩形孔。设备钻孔时在现场直接使用的地面和孔内的机械和装置。包括钻机，钻架、循环泵组、泥浆净化装置和套管机等。大口径诂机（含钻架）主要类型为转盘式钻机、螺旋钻机、动力头式钻机、孔底动力式钻机、冲击抓斗钻机、反循环冲击钻机和地下连续墙用钻机，近年又开发了滚铳刀式和沉井内旋臂式钻机。（1）转盘式钻机。钻机的转盘能方便地通过较大直径的钻头或移开孔口。钻架多为门式，便于取下太直径钻具，用液压缸系统带动水龙头横梁沿钻架导轨升降钻具、调整钻压（图1）。有的钻机仍设绞车钢绳提升系统。有的钻机不设钻架，用普通起重机升降钻具。西1大口粮林盘式祐机和站具】一帖»之一

7、木意头；3-五时站杆T5fl.6站杆a7一整8-Ett9一等正810站杂（2）螺旋钻机。大口径螺旋钻机多为短螺旋钻和钻斗兼用.有的也配长螺旋钻具，日本等国家也生产专用的钻斗钻机（叉称土钻）。钻机的绞车钢绳经导轨式钻架的天车悬吊伸缩钻杆的最内层轴杆，轴杆下端连接短螺旋钻具或钻斗，伸缩钻杆最外层由转盘或动力头带动回转钻进。导轨式钻架可前后左右倾斜不大的角度，以便对正孔位中心线。底座以上设备可整体转动100'-360,以便于倒渣。(3)动力头式钻机(图2)。有机械和液马达传动两种形式，动力头由钻架立柱内油缸推动上下运动。机座以上部分可在底座滑轨上移开孔口。底座装有液压步履和整机转向装置。有的

8、钻机装载在汽车或履带车上。ffi2动力兵式站机】一金力头2-U<一立式电铜4原本.(4)孔底动力式钻机。叉称潜孔钻机。一类是用钻杆将电机和减速装置下到孔底驱动钻头，孔口有台架卡住钻杆不回转，以承受钻头回转的反扭矩。有的将砂石泵也装在孔底钻机上，施行泵举反循环排渣。另一类无钻杆的钻机是用绞车钢绳吊人孔内，在下部可回转的箱体下装三个钻头(图3)。其工作原理是:由行星轮系驱动钻头绕各自轴线顺时针方向自转。同时驱动回转箱体和修孔钻头绕钻孔轴线反时针方向旋转，钻头也随之公转.这两种扭矩互相平衡，钻机主体则不转动。排遣软管睫钻机也深入孔底，旖行泵吸或泵举反循环排渣。(5)冲击抓斗钻机。又称贝诺特(B

9、enote)钻机。它用绞车钢绳起落冲击抓斗并控制其张合；用液压套管机夹持大口径套管使其在1530'的角度内正反向转动，同时施以轴向力，使套管跟进或起拔。其反力和反扭矩由全机自身重量和支腿承受。抓斗提出钻渣后，由溜渣槽支臂向前推出并卸掉。的3无秸杆孔底诂力式拈机站进示意卫1砧抗IE的铸糖*m站聂-曜重帆i5陟石皂16电环掖隼I7<a»|S禅演管(6)反循环冲击钻机。内外平直的反循环排渣管贯穿冲击钻头中心孔，为钻头导向并随钻进下移。用液马达驱动的双筒同步绞车的钢绳提动镶嵌楔形硬质合金刃的双层筒状冲击钻头钻进。随着钻头破碎岩石，用泵吸或气举反循环法将钻渣排到地面。钻进效率比普

10、通冲击钻进高数倍，也可配备套管机进行跟管钻进。(7)地下连续墙用钻机。主要类型有抓斗式成槽机和多头回转钻机。前者先在槽的两端钻导孔，再以抓斗冲抓导孔间的土体。多头钻机有孔底动力式.BW型钻机和多轴并列螺旋钻机。BW型钻机用钢绳吊入槽孔内，两台潜水电机驱动57个刮刀钻头同时破碎孔底岩土钻进，由侧壁铲刀或滚齿刀修整孔壁成槽(图4)。®4地下速箍墙BW里站机站盘示意由iHW地贴机12嗖贵管j3一期石4帖熊15一站具循环泵组大口径钻探排渣，孔深在50m以内的宜用泵吸反循环排渣，超过50m的宜用汽举反循环排渣。排渣所用泵组主要包括大排量泥浆泵、离心式砂石泵。采用反循环冲洗排渣时，泵组包括离心式

11、砂石泵、启动主泵用的真空泵或注水泵、电动机和配属管路、阀门等，泥浆池内还有向孔内及时回灌冲洗液用的潜水砂泵。离心式砂石泵适于抽送含泥砂、土石块等固体杂质的液体。其叶轮多为开式、宽度大、叶片数少（少至两片），泵体内各过流断面与吸入口面积相同，配用钻杆内径亦与之相同，因此可避免流道堵塞。泥浆净化装置泥浆净化除用沉淀池循环槽自然沉淀外，还采用机械振动筛、水力旋流除砂器和潜水砂泵。其工作流程如图5所示。图5泥蒙冷化流程示意用泥浆池（箱）和沉淀池常有23个，其容积总和一般为钻孔容积之3倍，可满足钻进、沉渣以及灌注混凝土时溢流的需要。循环槽或回灌管路的坡度不宜小于1/100。钻头大口径钻头多为全面钻进钻头

12、。按钻进机理分为冲击式、回转式、冲击回转式、振动式和滚筒铳刀式钻进钻头。冲击式钻头在冲击功作用下钻进地层。包括多刃凿形钻头、捞砂抽筒、筒式钻头和冲击抓斗。它适于松散、漂卵、砾石层和风化基岩中钻进。大口径冲击钻头有各种环形多翼凿刃和副刃。冲击抓斗（图6）是利用钢绳控制其勺形活瓣凿刃（一般为24个）的张合来抓取钻渣，实施钻进的。为使钻子L圆整、垂直,一般需全孔跟套管。它适于松散地层，遇特大漂石可用凿形钻头击碎后抓取。其最大钻孔直径可达23m孔深可达4060nl回转式钻头有刮刀钻头、螺旋钻头、钻斗、滚刀（牙轮）钻头、行星轮式三轴钻头和钻粒钻头等类型，还有扩底、跟管和钻仰孔用钻头等。（1）刮刀钻头。在

13、大口径钻进中应用最广泛，以刮削方式钻进地层。其种类繁多，有鱼尾、三翼、四翼（图7）、阶梯、环形等钻头。其刃具镶焊硬质合金，多为组装式，排列成犁耙状。它适用于除漂、卵石层以外的松散地层和强风化岩石钻进。（2）螺旋钻头（图8）。多为可拆式，有单翼、双翼和三翼等形式，以双翼螺旋钻头应用为多。在呈平底或锥形布置的翼片上镶焊硬质合金块或插装可换的刃具，刃具有锥齿、平铲和犁齿形，排列成耙状。钻头下端常接先导钻头。短螺旋钻进时，钻头之上接一短根螺旋钻杆，再接伸缩钻杆。另外还有扩底、环状取样、冲击振动、半合式等多种螺旋钻头。螺旋钻头适于钻进地下水位以上的粘性土、砂土、砂砾石地层。图7日刮月站头*2瞿式13翼极

14、|4-1刃具.5七鸟帖4(3)钻斗(图9)。土钻钻头。常用类型为底开门式。在圆筒形钻斗体的可开闭的底盖上，沿径向开两个长孑L,装列刃具和上开活门。钻进时钻渣冲开活门积存于钻斗体内，提钻后打开底盖倒渣。其刃具和螺旋钻头相同。钻斗还有扩底式、半合式及带气动冲击器的。钻斗能钻进地下水位以下的粘性土、砂砾石土、淤泥地层。用困大口径般截砧，1一杳。具.2手¥了具3一.电相华船具与导砧主：5一钻去悻£-修青片了gb-(4)滚刀(牙轮)钻头(图10)。以刀具的滚动钻进地层。钻头由钻头体和若干滚刀组合而成。滚刀有楔齿、盘形齿和球齿三种型式，其支座有悬臂式和双支点鞍形两类。钻头常用平底或阶梯

15、式，适于钻进硬土、砂砾石及各种岩石。(5)行星轮式三轴钻头。在与钻头体轴线平行的三个轴上装有三个刮刀型钻头，随钻头体公转的同时自转，适于钻进硬土、砂砾石地层。(6)钻粒钻头。有全面和环状(取心)钻头。用厚钢板卷制，加焊肋骨或堆叠焊接钢材以增加壁厚，亦可用铸钢铸造；设多个导砂水口。岩心可用吊锤和钻杆楔断器冲断后，用钢绳套取、冲抓锥抓取或岩心上钻小孔挤夹提出。11)(7)扩底(孔)钻头。常用类型为有24个翼片的刮刀钻头或钻斗式钻头。利用钻具自重、反转加压或液压推动有刃具的翼片张开。张开方式有上开、下开、滑降和外推式。结构上，有专用扩底钻头(和钻扩两用钻头两类。跟套管用扩孔钻头有单轮弯脖和滚刀式，以

16、及钻斗式等。冲击回转式钻头有十字凿刃和球齿两类，用潜孔锤带动。单锤最大孔径为508762mm装有三个单锤的反循环组合式潜孔锤可钻孔径达11.5m,其中心为排渣管。振动式钻头（具）分纵向与横向两类：纵向振动器带动筒状钻头切入或锥尖形钻头挤入地层成孔；横向振动器带动钻具向外周侧向振动，同时用水冲射向下钻进，可使孔壁挤密而成较大钻孔。滚筒铳刀钻头孔底动力式钻机下部水平装置四个外周有齿形刀具的滚筒铳刀，相向转动并向下给进，即钻成矩形孔。它用于地下连续墙施工。钻具包括钻杆、导正器、配重块、水龙头、气水混合器等。钻杆正循环钻进使用普通钻杆（见钻探管件）。大口径反循环钻进要求使用内壁平直的钻杆。其连接常用法

17、兰螺栓或插入式键销。主要规格为内径，常用的有150、200、250、300mm最大外径达508mm气举反循环用的并列两根送气管的法兰钻杆或双臂钻杆其规格以外管外径/内管内径（mm）表示，例如194/114、219/127、244/152、340/178等。短螺旋和钻斗用伸缩式钻杆一般为34层，长度可达3242m导正器包括钻杆扶正器和钻头稳定器。（1）钻杆扶正器。按一定间隔装于钻杆柱中，以其四面的弧形滑靴板依托孔壁扶正钻杆柱，使其转动时不晃动。有随钻杆转动和不转动两种。滑靴板支承臂的长度可调节，以适应不同的钻孔直径。（2）钻头稳定器。装于钻头上部，用滑靴板或若干个可转动之滚轮依托于孔壁上，防止钻头摆动造成钻孔