潜孔锤偏心跟管钻进技术

及城市基础设施等建设工程中， 遇到了大量 的 地 质 灾 害 防 治 、基 础 加 固 等 复 杂 地 层 的 工 程施工， 使潜孔锤跟管钻进技术得到了空前 的发展。国际上已经有的潜孔锤偏心跟管钻 进技术基本上在国内都得到了广泛的应用。
中国地质科学院探矿工艺研究所在潜孔 锤跟管钻进技术领域内研究起步较早， 自“七 五”开始研究以来， 特别是“九五”期间的进一 步开发、完善， 已经形成了与潜孔锤偏心跟管 钻进技术相配套的数十种单偏心、双偏心、三 偏心等潜孔锤跟管钻具产品， 不仅服务于地 质 勘 察 、地 质 灾 害 治 理 领 域 ， 还 满 足 了 水 电 站、高速公路、铁路及城市基础设施等建设工 程的需要。其中， ＳＰ 系列潜孔锤偏心跟管钻 具是专利产品， 专利号是： ＺＬ２００３２０１１５２０２．８。 其 产 品 规 格 有 ： ＳＰ１０８、 ＳＰ１２７、ＳＰ１４０、ＳＰ１４６、ＳＰ１６８、ＳＰ１７８、ＳＰ１９４、 ＳＰ２１９、ＳＰ２４５ 等。ＳＰ 系列跟管钻具可与常用 的冲击器相配套。
图 ２ 是单偏心三件套跟管钻进系统示意 图， 单偏心三件套跟管钻具由中心钻头、偏心 扩孔钻头、导正器、联接销系统等组成。 ２．２ 潜孔锤偏心跟管钻进工作原理
单偏心三件套潜孔锤偏心跟管钻具工作 时由钻机提供回转扭矩及推进动力。正常钻 进时， 由空气压缩机提供的压气， 经钻机、钻
凿岩机械气动工具， ２００７（ １）
潜孔锤偏心跟管钻进技术
赵建勤
（ 中国地质科学院 探矿工艺研究所， 四川 成都 ６１００８１）
摘要： 主要介绍潜孔锤偏心跟管钻进技术、ＳＰ 系列偏心跟管钻具的特点以及潜
孔 锤 偏 心 跟 管 钻 进 技 术 用 于 解 决 地 质 灾 害 、水 电 建 设 、城 市 高 层 建 筑 地 基 处 理 、公
图 １ 国外 ０ｄｅｘ 法潜孔跟管钻具
两个动力头分别驱动钻杆和护壁套管进行 的双回转跟管钻进法即土星法和海王星法 等。
在国内， 潜孔锤跟管钻进技术是随着潜 孔 锤 钻 进 技 术 的 引 进 、消 化 发 展 起 来 的 。 特 别是近年来， 我国的水电站、高速公路、铁路
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套管
冲击器
管靴 偏心钻头
导正器 中心钻头
图 ２ 单偏心三件套跟管钻进系统示意图
杆进入潜孔冲击器使其工作， 冲击器的活塞 冲击跟管钻具的导正器， 导正器将冲击波和 钻压传递给偏心钻头和中心钻头， 破碎孔底 岩石。同时， 钻机带动钻杆回转， 钻杆将回转 扭矩传递给冲击器并由冲击器通过花键带动 跟管钻具的导正器转动， 导正器上有偏心轴， 导正器转动时偏心钻头张开， 并在开启到设 计位置后被限位， 使中心钻头、偏心钻头同时 随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大于套 管的最大外径， 使套管不受孔底岩石的阻碍 而跟进。套管的重力大于地层对套管外壁的 摩擦阻力时， 套管以自重跟进； 当套管外壁的 摩擦阻力超过套管的重力时， 内层跟管钻具 继续向前破碎岩石， 直到导正器上的凸肩与 套管靴上的凸肩接触， 此时， 导正器将钻压和 冲击波部分传给套管靴， 迫使套管靴带动套 管与钻具同步跟进， 保护已钻孔段的孔壁。导 正器表面开有吹岩屑的气孔， 也有使孔底岩 屑能够排出的气槽。大部分压缩空气经冲击 器作功后通过导正器中心孔、偏心钻头和中 心钻头达到孔底， 冲刷已被破碎或松散的孔
Ｐ ＝ Ｐ１＋ Ｐ２ ≤ Ｓ ［Ｒ］
（ １）
（ Ｐ２ 是通过钻具传递给套管的）
式中 Ｓ — ——钻具组合中最弱环节杆件的断
面积（ 通常是钻杆）
［Ｒ］ — ——该杆件材质的许用抗压强度。
从上式中， 即可求解出最大的跟管钻压
Ｐ２。对套管来说：
Ｐ２ ≤ Ｓ′［Ｒ］ ′
Ｐ ＝ Ｐ１ ＋ Ｐ２ ≤ Ｐ１ ＋ Ｓ′［Ｒ］ ′
路 、铁 道 建 设 工 程 等 复 杂 地 层 钻 进 的 实 例 。
ห้องสมุดไป่ตู้
关键词： 潜孔锤； 偏心跟管钻进； 复杂地层； 地质灾害
中图分类号： ＴＥ９２
文献标识码： Ｂ
１ 概述
潜孔锤跟管钻进技术是在潜孔锤钻进成 孔过程中逐步发展起来的一门新的钻进技 术， 也是近年来对付第四纪覆盖层包括卵砾 石层、坡积层、流砂层等地层非常有效的一门 钻进新技术。潜孔锤跟管钻进目前主要有潜
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但过大的钻具钻压不仅会使钻头冲击刃齿过
快磨损， 而且容易产生事故。据实验和生产总
结， 用于钻进的钻压， 以每厘米钻头直径 ０．５～
０．９ ｋＮ 为宜。跟管钻压 Ｐ２ 是决定潜孔锤跟管 钻进跟管深度的主要因素， 在设计确定潜孔锤
跟管深度时， 原则上应以钻具或套管允许施加
的钻压为依据， 对钻具来说：
（ ２）
式中 Ｓ′— ——套管的断面积
［Ｒ］ ′— ——套管材质的许用抗压强度
从式（ １） 和（ ２） 中可求得两个不同值的跟
管钻压 Ｐ２， 取其小值作为施加的最大跟管钻 压。在生产中， 跟管的阻力 Ｒｆ 是随着跟管深 度的增加而增大的， 因此跟管钻压也应大致
与之相适应， 在设计跟管深度时， 应尽可能使
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斜， 从而能最大限度地满足工程设计的要求。
４ 潜孔锤偏心跟管钻进技术应用
随着我国国民经济的飞速发展， 潜孔锤 偏心跟管钻进技术在我国的工程建设领域中 已经得到了广泛的应用。
（ １） 地质灾害防治 在 重 视 环 境 保 护 、改 善 人 类 生 存 环 境 的 今天， 由于预应力锚索具有结构简单、质量轻 等优点， 被广泛应用于防治滑坡、稳定高边坡 等地质灾害防治领域。现在， 城镇、各大中型 水电站、高速公路、重要铁路等的边坡加固都 要用到预应力锚索。在预应力锚索施工中， 钻孔工作是最重要的。由于许多锚索孔要穿 过坡积层、弃渣或破碎带， 用常规方法往往由 于地层太破碎复杂而不能钻出有效的锚孔。 潜孔锤跟管钻进方法在钻进垮塌破碎岩土体 方面提供了一种快速、有效、安全的方法。如 云南小湾电站左岸山体滑坡抢险工程， 该工 程在左岸坝肩的开挖施工过程中， 即 ２００３ 年 １２ 月 １７ 日 ， 在 饮 水 沟 及 ２＃ 山 脊 、 高 程 １２４５￣２６００ ｍ 之间发现裂缝， 之后裂缝范围 迅速扩大， 观测资料显示， 整个堆积体有整体 下滑的趋势， 情况相当紧急。通过现场勘查， 决定对崩塌堆积体进行全面加固， 加固主要 采用预应力锚索和抗滑桩相结合的形式。根 据观测所测得的各个部位不同的变形速度， 整个堆积体分成五个区域， 在这五个区域内 共 布 置 两 千 余 根 １８００ｋＮ 及 ２０００ｋＮ 的 网 板 预应力锚索， 要求预应力锚索必须穿过堆积 体， 进入弱风化岩层， 这样， 最大钻孔深度达 到 ７５ｍ， 孔向均为下倾 ５０， 锚索均采用全长无 粘结结构， 锚固段长度根据施工部位岩层的 不同分别为 ８ｍ 或 １０ｍ。堆积体地质结构复 杂， 根据勘探资料显示， 堆积体主要由块石、 特大孤石夹碎石质粉土或碎石层组成， 碎石 土不成层， 主要填充在块石缝隙之间， 堆积体 与 下 伏 基 岩 面 之 间 有 一 层 厚 ０．１５￣８．０５ｍ 的 坡积层， 成分以砾石、粉砾为主。堆积体下伏
在以冲击为主的潜孔锤偏心跟管钻进工 艺中， 钻压是一个很重要的参数。当正常钻进 时， 其钻压从理论上讲由钻具钻压 Ｐ１ 和跟管 钻压 Ｐ２ 组成。对钻具钻压 Ｐ１ 来讲， 当保持足 够钻压时， 可防止钻具在冲击时反弹， 使钻具 紧密地与孔底岩石接触， 对传递冲击功， 提高 破碎效率是十分重要的。实践证明， 在一定范 围内， 随着钻具钻压增大， 机械钻速随之增高，
提钻吹孔时， 只要导正器表面的孔露出 套管靴， 解除封闭状态， 大量空气将通过此 二孔进入套管， 对套管内岩屑进行强吹。当 钻进工作告一段落， 需将钻具提出时， 可慢 速反转钻具， 偏心钻头又依靠惯性力和摩擦 力 收 回 ， 整 套 钻 具 的 外 径 小 于 管 靴 、套 管 的 内径， 即可将钻具提出到配接钻杆和套管的 位置或将钻具提出孔外， 套管留在孔内护 壁。
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底岩石、冷却钻头， 并携带岩粉经中心钻头、 导 正 器 的 排 粉 槽 进 入 套 管 与 冲 击 器 、钻 杆 的 环状空间被高速上返的气流或泡沫排出孔 外， 如图 ３ 所示。
套管
冲击器
管靴 偏心钻头
导正器 中心钻头
图 ３ 单偏心三件套跟管钻具岩渣流向示意图
正常钻进时， 导正器表面的气孔被套管 靴内壁封闭， 使绝大部分空气进入钻头工作 区， 对钻头进行冷却和清洗孔底。
ＳＰ 系 列 潜 孔 锤 偏 心 跟 管 钻 具 使 用 过 程 中要严格遵守操作规程， 才能取得较好效果。 如每次钻孔前， 须逐一检查偏心跟管钻具、潜 孔锤、套管、套管靴等连接是否牢固、可靠， 偏
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套管 管靴 偏心钻头
冲击器 导正器 中心钻头
图 ４ 单偏心三件套跟管钻具收拢状态示意图
传递扭距 的键平面
图 ５ 单偏心三件套跟管钻具工作状态示意图 心钻头转动是否灵活。选择的钻进参数应以
“低转速、低钻压、高上返气速”为原则。钻进 过程中， 应注意观察套管的跟进情况及孔内 排粉情况， 并每钻进一段距离应该强吹排粉， 以保持孔内清洁。吹孔时， 钻具向上提动距 离严加控制。 ＳＰ系 列 潜 孔 锤 偏 心 跟 管 钻 具 分 低 气 压 （ ０．８ＭＰａ 以 下 ） 和 中 高 气 压 （ ０．８ＭＰａ ￣２．５ ＭＰａ） ， 主要取决于配套使用的潜孔冲击器。 目前在我国大部分地方使用的是低气压跟管 钻具， 使用中高气压跟管钻具是发展趋势。 ＳＰ 系 列 潜 孔 锤 偏 心 跟 管 钻 具 有 如 下 特 点： （ １） 扭矩传递合理， 钻具工作可靠。ＳＰ 系 列潜孔锤偏心跟管钻具设计用平键来传递扭 矩， 当偏心扩孔钻头在展开到最大位置时， 其 键的侧平面与导正器上键的侧平面有良好的 平面接触， 大大改善了跟管钻具的受力条件， 确保了 ＳＰ 系列潜孔锤偏心跟管钻具在设计 寿命期内磨损较小， 很好地起到了定位和传 递扭矩的作用。加之选用了高强度的材料， 采用了特殊的热处理工艺， 先进的固齿工艺， 保证了 ＳＰ 系列偏心跟管钻具能满足各种复 杂地层跟管的需要。 （ ２） 跟管钻具独具特色的联接销系统。 该联接销系统在 ＳＰ 系列偏心跟管钻具中的 功能是使中心钻头与导正器之间连接可靠， 避 免 掉 钻 。 主 要 由 横 销 、伸 缩 头 、竖 销 组 成 ， 当装配到 ＳＰ 系列偏心跟管钻具上时， 该联 接销系统为相互自锁的结构保证了中心钻头 与导正器之间连接具有良好的可靠性， 且装 配、拆卸都非常方便， 彻底解除了用户的掉钻 之忧。 （ ３） 钻孔导向性好， 钻进速度快。中心钻 头与整套钻具处于同一条中心轴线上， 起到 了较好的导向作用。且中心钻头承担了跟管 钻具大多数破岩任务， 仅扩孔部分由偏心扩 孔钻头完成， 所以跟管钻具钻进速度快。这 种具有中心钻头起导向作用的偏心跟管钻具 结构对钻孔有要求的工程， 更有利于预防孔