改装“小型”气举反循环钻机技术

改装“小型”气举反循环钻机技术张强中铁十四局集团第二工程有限公司山东省泰安市271000提要：先是针对气举反循环钻孔技术的原理及特点进行阐述，并结合巴河特大桥深水桩基工程施工的实际，对特殊复杂地质条件下，改装"小型”气举反循环钻机的施工技术要点做了详细的分析及研究。成功解决深水桩基泥浆难抽排的问题，整个大桥按期顺利施工得到了保障。关键词：改装的"小型”气举反循环钻机水压差大施工参数机械配置一工程概况347国道黄冈市巴河特大桥全长1500m，桥面宽度34.5m，交叉角度90°。全桥共36个墩台，312根桩基。其中7#〜25#共19个墩位于巴河河道中；两个主墩21、22号桩长最长，长度为69m。该桥位于茅山-蔡家楼断裂带，构造活动频繁，断裂带走向325-330，与桥位小角度斜交于K6+130-K7+020处。断裂带长40公里，断裂带内有数百米厚的构造岩。桥址区地层主要为第四系全新统冲积（Q4al）黏性土、淤泥质土、中砂、粗砂，下伏基岩为白垩-第三系（K-Rdn2）砂岩及深厚的构造角砾岩（AnZ）.如图1-1。巴河位于鄂东黄冈境内，是（蕲水、浠水、巴水）之首，是长江北岸的一条支流，航道规划等级为III（3），本桥位于巴河下游孙镇河段，平均河面宽度约810m。枯水期水位一般在8-13.4m，栈桥顶（护筒顶）标高为21.0m，反循环钻机护筒内的水位至栈桥顶的高差为7.6m〜13m，普通反循环钻机无法抽排孔底泥浆。经过多次试验探索，改装的：“小型”气举反循环钻机克服护筒内漏浆，水压差大的问题，成功在两个主墩桩基应用。图1-122号主墩地质图二气举反循环的技术原理就气举反循环技术而言，其原理就是通过把风管安到双壁管或钻杆侧壁上，再通过空压机把经压缩后的空气输进钻孔内部的气水混合液里，待钻杆中泥浆液充满气体，且有高压气体从风管中喷出后，与泥浆混合，再在导管里分散开来，产生大量的小密度气泡，这些气泡在泥浆往上的浮力作用下，带动泥浆往上运动，最终形成相应的动能。随泥浆的上升，压力会减小，而体积则会增大。所以，气泡和泥浆液混合段的下面会产生负压，再有泥浆不断填充。在动能及压差的推动下，使得气举形成反循环并把岩屑及泥碴排到外面，进而成为一个连续且稳定的运动过程。三改装“小型”气举反循环钻机成功应用3.1改装"小型”气举反循环钻机枯水期由于巴河水位持续下降，导致反循环钻机护筒内的水位至栈桥顶的高差过大，现场采用在护筒内部加水，降低水压差，但是由于护筒内的水位太高，护筒内水位增高而使得压力增大，导致护筒和围岩面接触的位置产生漏浆，护筒内外连通，护筒内泥浆面和巴河水面一致，此时孔内泥浆面和护筒顶部高差过大，普通反循环钻机泵已经无法抽排泥浆。大型的气举反循环钻机单价高（费用高），机身重（对栈桥整体性有影响），配件吊装需要100t吊车，工期又紧张。通过对比，不能用大型的气举反循环钻机。现场技术人员对目前的的两台浙江中锐重科全液2000转钻机改装成"小型”气举反循环钻机，外加1台150kw空压机将风压用5cm的风管传递至孔的底部（见图3-1）。在钻机的出浆管顶部打眼，然后插入5cm的风管，对该部位进行密封处理，逐节上紧小风管直至接近钻头5-6m的位置，通过调整空压机的风压大小和小风管底部的标高，多次试验，使得孔底的泥浆能顺利外排。图3-1改装小型气举反循环立面图3.2多次试验得出巴河特大桥桩基的施工参数、泥浆性能指标、机械配置。3.2.1参数设置在现场实施多次试验之后，确定钻杆底与孔底最佳间距为0.5m~1.5m。刚开始因为孔底泥浆密度比较大，所以启动钻机的时候，可以合理的扩大与孔底的间距，待钻机及泥浆密度正常后，再往下放。同时，因为现场没有储气罐，所以气体压力和风管出口部位的泥浆压力大致相同，然而因为气体有一定的初速度，所以L3距离不宜＜5m~6m，预防有气体跑出钻杆之外。L2段的长度关系着风管气体压力的大小，这是因为空压机输出的气体压力和外面荷载压力是相当的，所以要想确保气体压力及流量稳定，则L2的长度最好是超过（L2+L3）的2/3，并低于空压机的最大额定压力值。钻孔深度超过90m的，空压机的额定压力值要＞0.8MPa，钻孔深度在50m~90m之间的，空压机的额定压力值应＞0.65MPa。钻孔深度在小于50m的，空压机的额定压力值应＞0.6MPa。尽可能减小L1高度，降低压力差，减小泥浆的输送距离及损耗。如图3-13.2.2泥浆的性能指标及循环系统设置在本工程中，结合工程的现实地质情况、钻机性能及泥浆材料条件等情况，对泥浆做了科学的配制。具体泥浆配制材料有清水、红土及膨润土，也结合泥浆性能的需要掺入了一定量的聚丙烯酰胺（PHP），泥浆的设计密度值是1.13g-cm-3，粘度设计值在23s~28s范围内，碱的用量是膨润土用量的百分之四。钻机作业时，严控泥浆密度在1.10g・cm-3~1.15g・cm-3范围内，增强泥浆的液柱压力，与钻孔外面的底层压力保持平衡状态，提高孔壁的稳定性，使得反复循环施工高效优质开展。同时，严控粘度在20s~35s范围内，对孔壁在钻进过程中形成保护，并便于二次清孔。控制PH值约为8~9，保持泥浆的碱性状态，增大粘土的分散性。反循环泥浆性能指标参考表3-1。反循环泥浆性能指标表3-1结合气举反循环钻孔技术的特点及工艺要求，在现场对泥浆循环系统进行了相应的完善处理，确保供浆稳定、顺畅。本桥泥浆循环系统如图3-2所示。图3-2泥浆循环示意图3.2.3机械配置本工程现场机械配置见表3-23.3“小型”气举反循环钻机注意事项及控制重点3.3.1防止小风管掉落和沉渣埋钻外加的小风管是在现场根据需要制作的，为避免钻进作业期间小风管掉到钻杆中去，所以安装了必要的防脱落器件到上、下两节风管上。钻杆加接的过程中，最好是提高钻杆30cm，并先使钻机回转停止，再持续送风状态几分钟，待吸干净钻孔底部的残渣后，再把钻头放下，再开始钻杆拆装，这样可以有效防止钻渣沉淀埋钻事故的出现。实时观测孔口泥浆面的标高，若出现下落的情况，必须及时利用水泵往护筒里补充水，防止由于水头不足而引发坍孔事故。3.3.2经过改装的"小型”气举反循环钻机施工中控制重点为：小气管距离钻头底部的距离，小气管和泥浆管交接处密封性的控制，空压机压力的检查，泥浆比重的检查等。必须各方协同操作，各工序衔接紧密，方可确保成孔质量。四改装"小型”气举反循环的优点4.1成孔时间短。巴河特大桥69m的深水桩基用改装的“小型”气举反循环钻机一般情况下10天钻成孔，比普通钻机快5天。4.2克服护筒顶标高和护筒内水位差过大而无法成功抽排浆的现象。由于巴河特大桥的栈桥顶面标高和护筒内水位的高差过大，使得普通反循环钻机无法吸出沉渣（泥屑），但是经过改装的气举反循环钻机在孔底加压，成功克服水头差过大现象。4.3费用低。在原来的ZJD-2000型钻机基础上外加39节2.5m的风管，就地取材，维修方便，如图4-1。由于成孔时间短，现场的电费消耗、人员工资等也随之降低。同时，成孔的质量也相对较高，运用传统技术制孔的时候，需要针对钻孔进行多次修整及检验后才能下管。气举反循环钻进工艺破岩效率高，由于在底部产生"吸力”，孔底干净，避免二次清孔时间长的缺点。钻头可以长时间进行钻进工作，有效延长了钻头提起的间隔时间，进而在加快成孔效率的同时，也在很大程度上减小了人工作业的强度。4.4施工用水少。若施工期间，孔壁的稳定性很好，无坍塌现象，则能直接选择地下水当做冲洗液。简化了或不用再配制相应的泥浆系统，基于此，在本工程现场，做了简易的二级泥浆箱。如图3-2所示。4.5浅孔施工的时候，供气压力难以形成，容易自孔底排出去。钻杆里的水流升起的速度比较低，所以排渣效果也不理想，在现场做了多次试验后得知，若孔深＜6.2m，就难以实现吸升;钻孔越深，则供气压力也会增大，从而使得水流上升达到理想速度。孔的深度＞55m，则可以实现高效稳定的钻进。这个现象在巴河特大桥21#、22#墩体现尤为明显。4.6改装的"小型”气举反循环钻机配备的空压机为阿特拉斯科普柯(无锡)压缩机，与我们现场所使用的钻机、泥浆泵配用的动力机相同，其零配件互换性强，现场的机组人员均能自行维护保养，无需专设维管人员。大大降低了“大型”气举反循环钻机的维修保养费用。4.7在浅孔时，气压容易从钻杆底部跑出，供气压力不易建立，钻杆内水流基本不会上升，无排渣能力，通过现场多次试验，如果孔的深度小于6.5米，则吸升是无效的；孔深增大后，只要相应地增加供气量和供气压力，就能获得理想的上升速度。孔深超过51m后，即能保持相对稳定的钻进效率。这个现象在巴河特大桥22#墩体现尤为明显。图4-1现场加5cm的风管五结论用改装的"小型”气举反循环钻机成孔，在最短的时间内成功解决由于漏浆普通钻机无法施工的问题，未出现任何质量事故，未因巴河水位变化无常而影响工期，未因泥浆排放等问题污染环境，受到当地海事渔政及水利部门的好评。经交质监站检测，用改装的气举反循环钻机成孔21#，22#主墩桩基全部为I类桩，合格率达到100%。截止目前巴河特大桥主墩剩余15根主墩桩基全部用小型气举反循环钻机安全优质成孔，为大桥按期完成提供保障。参考文献公路桥涵施工技术规范北京：人民交通出版社2011公路施工手册《桥涵》北京：人民交通出版社2005桥梁施工技术问答北京：中国铁道出版社2014表2作者简介上接第61页(2)结果验证疑似漏点位于回收点泵站1#蓄水池上游140.1m附近。后经现场勘查，发现该处异常声信号是由与DEN3600A管线相连的一根地面抽水的水管造成，该水管为水质观察水池供水，见图7。图7DN3600A管与地面抽水水管连接部位四、结论大口径长距离原水管道的爆漏监测宜建立软件监测系统和硬件监测机制，软件类的探漏手段(如压力梯度法)作为日常连续监测手段，硬件类探漏手段作为长周期性或临时性的监测手段，两者相验证可有效把控管道爆漏风险。本次应用的硬件类探漏技术在试验段的检测比较成功，整个过程通过试验获得了试验章程、时间控制和现场问题解决等多方面的经验和处理方案。试验的全过程不影响管道的正常运行和泵站的正常运行，对生产干扰少。整体工作在一周内全部完成，满足管理者的需要。本次检测距离3.16km,仅用时1小时10分便完成了检测工作，相比传统方法检测效率更高。智能球内置电池可连续工作12小时，单次检测距离可达20km，适合长距离大口径输水管道的检测。（3） 本次选择的试验段含括了本次检测对象为管径大、埋深大、工法复杂和管材混合的各种因素，表明该填补了大口径非金属管道检漏的空白。同样也适合于城市中复杂的管网系统探漏检测。（4） 针对西江引水工程DN3600管线压力小，部分管段外压高于内压导致外水通过漏水口进入管道内部的问题，工作人员通过优化检测软件的声音数据库模型解决了该问题，现场配备了更灵敏的声传感器和SBR接收器，能够捕捉到管内细微的声音变化，可用于检测外界水进入管内的异常声音，提高了检测手段