羅強(qiáng)

（無錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司，江蘇 無錫 214112）

1 聲波鉆機(jī)的鉆進(jìn)原理

聲波鉆進(jìn)的主要設(shè)備是振動(dòng)回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭，動(dòng)力頭能夠產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的高頻振動(dòng)和低速回轉(zhuǎn)功能。通過圍繞平衡點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)擺動(dòng)而形成振動(dòng)，能量在鉆桿中積累，當(dāng)達(dá)到其固有頻率時(shí)，引起共振而得到釋放、傳遞，能量通過鉆桿的高效傳遞，使鉆桿和鉆頭不斷向巖土中鉆進(jìn)。振動(dòng)波能量垂直傳遞到鉆柱上，頻率一般可達(dá)到4000～10000次／min，沖擊功可達(dá)到27～270kNm。由于屬于較低的機(jī)械波振動(dòng)范圍，能夠引起人的聽覺，所以習(xí)慣上稱為聲波鉆進(jìn)。

2 聲波鉆進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)

（1）應(yīng)用范圍廣

廣泛適用于工程勘察，環(huán)境保護(hù)調(diào)查孔，地源熱泵孔，砂金地質(zhì)勘探、大壩及尾礦監(jiān)測孔，海洋工程勘察，大壩基礎(chǔ)的鉆探取樣及灌漿，以及微型樁、水井等。

（2）地層適應(yīng)范圍寬

在0～300m的深厚堆積體、各種松散層：如砂土、粉砂土、粘土、礫石、粗礫、漂礫、冰磧物、碎石堆、垃圾堆積物，以及軟巖中，能有效、高速的進(jìn)行連續(xù)原狀取樣鉆進(jìn)，以及全套管成孔。這是傳統(tǒng)鉆進(jìn)工法無法比擬的。

（3）成孔速度快，鉆孔直線度高

聲波鉆進(jìn)是振動(dòng)、回轉(zhuǎn)和加壓三種鉆進(jìn)力的有效疊加，特別是振動(dòng)作用，不僅有效破碎巖石，同時(shí)也使巖土排開和液化，從而獲得較高的鉆進(jìn)速度。通常鉆速在20～30m／h，比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法快5倍以上。鉆孔直線度高，偏差低于1%。

（4）巖土樣保真度好

聲波鉆進(jìn)可在覆蓋層和軟基巖中采集直徑大，代表性強(qiáng)，保真度好、不混層的連續(xù)巖土樣。擾動(dòng)降到最低，尤其適合應(yīng)用在需要采集原狀樣及無污染樣品的場合。

（5）環(huán)境污染少，是綠色施工法

通常情況下，聲波鉆進(jìn)可不使用泥漿或添加泥漿處理劑的鉆井液，少用水或者不用水，鉆進(jìn)產(chǎn)生的廢棄物比常規(guī)鉆進(jìn)少70～80%，從而減少了鉆井液對環(huán)境的污染。此外，施工過程環(huán)保，施工時(shí)噪音低，對周邊環(huán)境影響小。

（6）施工安全性好

聲波鉆進(jìn)采用了套管跟進(jìn)護(hù)壁技術(shù)，套管跟進(jìn)和取樣同時(shí)進(jìn)行。外套管能夠很好地保護(hù)孔壁，防止孔壁坍塌。同時(shí)還可隔離含水層，避免交叉污染。由于有外層套管的保護(hù)，因此不怕卡鉆、埋鉆，鉆孔過程孔內(nèi)事故少。

（7）施工工藝多樣

可以使用繩索鉆進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)不提鉆取樣；也可采用單管、單動(dòng)雙管取樣鉆進(jìn)。能用較大直徑的套管（100～300mm）高效連續(xù)鉆進(jìn)。

（8）鉆進(jìn)成本低

國外聲波鉆機(jī)施工，一般要求每天鉆進(jìn)進(jìn)尺100m以上，由于鉆進(jìn)速度快，縮短了施工周期，降低了勞動(dòng)力費(fèi)用；不用泥漿及少水鉆進(jìn)，材料消耗少；鉆進(jìn)產(chǎn)生的廢物少，減少了現(xiàn)場清理費(fèi)用。

3 YGL-S100型聲波鉆機(jī)性能參數(shù)

聲波鉆機(jī)在國外已廣泛適用于工程勘察，環(huán)境保護(hù)調(diào)查孔，地源熱泵孔，砂金地質(zhì)勘探、大壩及尾礦監(jiān)測孔，海洋工程勘察，大壩基礎(chǔ)的鉆探取樣，以及微型樁、水井孔等。

在我國聲波鉆進(jìn)由于其聲波高頻振動(dòng)頭技術(shù)瓶頸的局限，聲波鉆進(jìn)的應(yīng)用目前還還剛剛起步。無錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司歷經(jīng)兩年的研發(fā)，引進(jìn)日本利根公司聲波動(dòng)力頭技術(shù)，研制出國內(nèi)第一臺(tái)YGL-S100型聲波鉆機(jī)（技術(shù)參數(shù)見表1）。

表1 YGL-S100型聲波鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

4 深厚覆蓋層成孔及取樣介紹

4.1 向家壩水電站施工

向家壩水電站位于云南省水富縣（右岸）和四川省宜賓縣（左岸）境內(nèi)金沙江下游，是金沙江水電基地下游4級(jí)開發(fā)中的最末一個(gè)梯級(jí)電站。左右岸分別安裝4臺(tái)單機(jī)80萬kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量640萬kW，裝機(jī)規(guī)模僅次于三峽、溪洛渡水電站，為目前中國第三大水電站。向家壩加上1386萬千瓦的溪洛渡水電站，其總發(fā)電量大于三峽水電站，是西電東送骨干電源點(diǎn)。2002年10月，向家壩水電站經(jīng)國務(wù)院正式批準(zhǔn)立項(xiàng)，2006年11月26日正式開工建設(shè)，2015年將全面投產(chǎn)，總投資約542億元。

水電站攔河大壩為混凝土重力壩，壩頂高程384m，最大壩高162m，壩頂長度909.26m。壩址控制流域面積45.88萬km2，占金沙江流域面積的97%，多年平均流量3810m3／s。水庫總庫容51.63億m3，調(diào)節(jié)庫容9億m3，回水長度156.6km。

水電站壩區(qū)地層復(fù)雜，上部地層主要為沖積層，砂礫為主，厚度不均。

水電站建成后，壩區(qū)居民反映居住的建筑物有不明震感，為查明引起震動(dòng)的原因及其震動(dòng)來源，決定在庫區(qū)及居民點(diǎn)地下埋設(shè)震動(dòng)監(jiān)測儀器。監(jiān)測分三個(gè)區(qū)共布置18個(gè)監(jiān)測孔，震動(dòng)監(jiān)測儀器直徑為φ102mm，長度550mm。根據(jù)震動(dòng)儀器埋鉆孔要求，鉆孔深度在50～150m不等，鉆孔直徑120mm。鉆孔穿過地層自上而下為：填方層，主要為混凝土塊、灰?guī)r塊石、礫石、少量沙土；砂卵礫石層，主要為中粗砂含少量礫石，礫徑一般在10～50mm，個(gè)別地層礫徑達(dá)1～2m；基巖，主要為泥巖。

4.2 施工的難點(diǎn)或技術(shù)關(guān)鍵

該地區(qū)地處金沙江邊，地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)以前鉆進(jìn)取樣顯示，鉆進(jìn)過程要先后穿過堆石層、松散砂礫層、強(qiáng)風(fēng)化層以及基巖；回填層碎石較硬，易塌孔，采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法成孔非常困難，以致1～2個(gè)月不能鉆成一個(gè)監(jiān)測孔。

此外，采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，在砂卵石層取樣困難、取樣率不高、保真度較低；而巖芯取樣是對具體地方的具體地質(zhì)狀況判斷的依據(jù)。因此需所取的樣品完整、連續(xù)，即要求巖樣保真度要高，鉆機(jī)在取樣過程中對地層擾動(dòng)要小。

為此，決定利用聲波振動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的特點(diǎn)，使用YGL-S100型聲波鉆機(jī)對壩外縣城居民區(qū)4個(gè)震動(dòng)儀器埋設(shè)孔實(shí)施上部覆蓋層快速鉆孔，以加快監(jiān)測儀器埋設(shè)進(jìn)程，同時(shí)對個(gè)別典型區(qū)域地層監(jiān)測孔進(jìn)行原狀取樣。

4.3 工程施工情況介紹

中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院水建司向家壩項(xiàng)目部采用無錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的YGL-S100型聲波鉆機(jī)，結(jié)合具體工程，進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)。于2013年1月18日至1月30日在向家壩電站污水廠進(jìn)行了不取樣快速成孔鉆進(jìn)。此后，2013年4月1日至4月10日在云南水富縣育才路安置小區(qū)內(nèi)進(jìn)行了取樣鉆進(jìn)。

（1）不取樣快速成孔鉆進(jìn)

不取樣快速成孔鉆進(jìn)是為埋設(shè)地震儀而進(jìn)行的鉆孔施工。地震儀孔施工時(shí)采用全套管不取樣快速成孔鉆進(jìn)工藝，配BW-200泥漿泵清渣。鉆進(jìn)選用φ140特制的厚壁套管（圖1）、φ160鉆頭（圖2），實(shí)現(xiàn)一徑鉆進(jìn)。共鉆進(jìn)4個(gè)孔，由于時(shí)間關(guān)系，后兩個(gè)孔只穿過32.5m的填方塊石覆蓋層，到達(dá)基巖后轉(zhuǎn)讓其他鉆機(jī)繼續(xù)施工。

圖1 φ140厚壁套管圖

圖2 從日本進(jìn)口的φ160鉆頭

前兩個(gè)地震儀孔施工過程為：

按照設(shè)計(jì)要求，在距離壩基500m處，分別鉆進(jìn)了55m、67m兩個(gè)孔，先后穿過堆石層、松散砂礫層、強(qiáng)風(fēng)化層以及基巖。鉆至終孔，鉆套管放在孔中護(hù)壁，待測震儀器放入后，回轉(zhuǎn)振動(dòng)提出鉆套管。

（2）取樣鉆進(jìn)

根據(jù)不同的地層，YGL-S100聲波鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)如下三種取樣鉆進(jìn)工藝：

1）單管取樣（圖3）

圖3 DS91單管鉆具

單管取樣鉆具比較適合土層取樣鉆進(jìn)，可以無水、不回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，取出原樣土層。也可以使用少量水來冷卻水龍頭，水從取樣鉆具上部排出，不會(huì)沖刷土樣。

單管取樣鉆具鉆頭上部設(shè)計(jì)有土樣自動(dòng)裝樣機(jī)構(gòu)，進(jìn)入巖心管內(nèi)的樣品自動(dòng)灌裝在塑料樣品袋中，既方便從巖心管內(nèi)取出樣品，也有利于保存樣品防止土樣失水。

提取樣品后立即將外套管跟進(jìn)到先前取芯的孔底，再進(jìn)行取樣鉆進(jìn)，如此反復(fù)，直至鉆進(jìn)深度。外套管能夠很好地保護(hù)孔壁，防止孔壁坍塌。

2）單動(dòng)雙管取樣（圖4）

在沙礫層或基巖鉆進(jìn)時(shí)，需要回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，由于單動(dòng)雙管鉆具內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，樣品擾動(dòng)小，達(dá)到保真取樣的目的。

圖4 PS91-00單動(dòng)雙管取樣鉆具

單動(dòng)雙管取樣鉆進(jìn)過程同單管取樣鉆進(jìn)。使用套管護(hù)壁，鉆孔穩(wěn)定，不會(huì)塌孔，縮徑，保證鉆孔能順利鉆進(jìn)。

3）繩索取芯（圖5）

近年來繩索取芯鉆進(jìn)已成為首選的取樣鉆進(jìn)方法，其最大優(yōu)點(diǎn)就是取樣速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低。YGL-S100聲波鉆機(jī)也配套了專用的繩索取芯鉆具，實(shí)現(xiàn)繩索取芯取樣。

圖5 SS140-00繩索取芯鉆具

在鉆進(jìn)過程中，將繩索取芯雙管總成放入外鉆桿內(nèi)，取芯鉆具同外鉆桿一起旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，達(dá)到取樣長度后，用打撈器將繩索取芯雙管總成打撈出來，取出其中的樣品；重新放入雙管總成，加接外鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)，依次進(jìn)行取樣。采用繩索取芯鉆進(jìn)，不需要提取鉆桿，取樣速度快、提高了鉆進(jìn)效率。

在向家壩水電站取樣施工中，使用了SS140-00繩索取芯鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)。取樣鉆進(jìn)一共鉆了兩個(gè)孔，鉆進(jìn)借用了φ140特制的厚壁鉆桿外管，使用φ155鉆頭（圖6），取樣直徑φ98。為達(dá)到保真取樣的目的，鉆頭設(shè)計(jì)成特殊的底噴結(jié)構(gòu)，以保證循環(huán)液不沖刷樣品。

圖6 φ155／98鉆頭

取樣鉆進(jìn)過程顯示，在填方層時(shí)（0～9m），鉆進(jìn)速度快，鉆進(jìn)時(shí)效可達(dá)20m，取樣率高，可達(dá)95%以上，且所取的樣品呈現(xiàn)完整的圓柱狀，保真度好，能夠反應(yīng)地層的真實(shí)的狀況，如圖7所示。

圖7 填方層巖樣

進(jìn)入砂礫層后，鉆進(jìn)同樣快速，其鉆進(jìn)時(shí)效可達(dá)十幾米，所取巖樣分為兩種情況，一部分是較為完整的圓柱狀，也有散落的砂礫石。分析其原因是沙礫層膠結(jié)性不好，鉆頭與取樣器之間的間隙過大，水流將沙土被沖走，只剩下砂礫石，無法形成圓柱狀，因此呈現(xiàn)散落狀，如圖8所示。

圖8 砂礫層巖樣

針對該種狀況，在XK02號(hào)孔的取樣鉆進(jìn)過程中，我們采用少量清水鉆進(jìn)，提高振擊力，快速成孔。這樣巖樣被水沖刷的概率減小很多，巖樣可以較為完整的保持圓柱狀。

在砂礫層的鉆進(jìn)過程中，也會(huì)遇見大塊礫石（粒徑30～45cm）。此時(shí)鉆進(jìn)速度會(huì)放慢點(diǎn)，但取樣效果很好，巖樣較為完整，如圖9～10所示。

根據(jù)兩個(gè)取樣孔鉆進(jìn)情況分析，YGL-S100型聲波鉆機(jī)可以滿足在復(fù)雜地質(zhì)條件下的取樣，取樣率高，效果好。結(jié)合取樣鉆具的進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)， YGL-S100型聲波鉆機(jī)的取樣將達(dá)到更好的效果。

圖10 直徑30～45cm塊卵石巖樣

4.4 建議與結(jié)論

（1）鉆機(jī)性能穩(wěn)定。經(jīng)過生產(chǎn)性試鉆驗(yàn)證，YGL-S100聲波鉆機(jī)的主要性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。鉆機(jī)在該項(xiàng)目中表現(xiàn)突出，其獨(dú)特的鉆進(jìn)能力，得到外方專家、施工單位及參觀客戶的好評(píng)。

（2）地層適應(yīng)性強(qiáng)。在監(jiān)測孔施工中，能一徑順利穿過非常復(fù)雜的地層：堅(jiān)硬塊填石層、松散沙礫層、強(qiáng)風(fēng)化層及基巖。

（3）鉆孔速度快。在填石層（大灰?guī)r塊，卵礫石）平均小時(shí)進(jìn)尺3～4m；砂礫石層、粘土層、淤泥層或不含較大孤石的覆蓋層鉆進(jìn)時(shí)，成孔速度快，平均時(shí)效可達(dá)20m，基巖平均時(shí)效4～5m。

（4）在深厚砂礫石層中取樣鉆進(jìn)速度快、取樣率高，可獲取原狀樣。在覆蓋層取樣率可達(dá)95%以上，在砂礫層也有80%以上。

（5）繩索取芯鉆進(jìn)不提鉆，能連續(xù)、高速取出原狀樣。由于不需提鉆取樣或更換鉆頭，巖樣不混層，反映了地層真實(shí)的情況。

（6）單動(dòng)雙管鉆具取樣時(shí)，內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，能取出無擾動(dòng)的原狀樣。鉆進(jìn)時(shí)，鉆套管內(nèi)直接下取樣器取樣，取樣后，鉆套管繼續(xù)鉆進(jìn)護(hù)壁。

（7）在取樣鉆進(jìn)過程中可以少水或無水鉆進(jìn)，避免了對巖樣造成污染，可以取出較為完整的原狀巖樣，大大提高了巖樣的保真度，為正確的分析地質(zhì)狀況提供了真實(shí)的依據(jù)。

（8）鉆孔質(zhì)量好，鉆孔直線度高。監(jiān)測儀器由鉆套管內(nèi)直接下放，由于鉆套管是內(nèi)平，無卡阻，順利投放到孔位。

（9）鉆具不怕卡鉆、埋管。由于聲波動(dòng)力頭的高頻振動(dòng)的特性，使巖土排開和液化，鉆具不怕卡鉆、埋管，處理孔內(nèi)事故能力極強(qiáng)。

（10）應(yīng)增加系列配套鉆具，在鉆進(jìn)較深時(shí)更換較小直徑的鉆具，可提高鉆進(jìn)速度和鉆孔深度；針對硬巖，礫石層等較硬的地層配套不同的鉆頭。

5 國外聲波鉆機(jī)的最新動(dòng)態(tài)

5.1 地質(zhì)勘探取樣

5.1.1 加拿大

鉆探人員使用Sonic drill公司450-24鉆機(jī)，在不列顛哥倫比亞塔布勒嶺的一個(gè)工程中，當(dāng)鉆進(jìn)到48.7m，鉆探人員發(fā)現(xiàn)了古老的蕨類植物葉子的化石，工程師推測該化石距今大約有8000萬年了。

5.1.2 美國

位于內(nèi)華達(dá)的西北部一處金礦施工中，客戶使用寶長年公司 （Boart Longyear）的LS600聲波鉆機(jī)，做金礦取樣鉆探，深度107m。

5.1.3 日本

客戶使用利根公司JP-60型聲波鉆機(jī)，采用TS118繩索取樣鉆具，在砂卵石地層連續(xù)取樣124m深。

5.2 地源熱泵

圖11為日本某養(yǎng)老院利用地?zé)岬难b置，使用聲波鉆機(jī)，鉆成5個(gè)100m深的孔，通過熱交換將地?zé)徂D(zhuǎn)換為老人日常生活所需的熱水。

圖11

5.3 防滑坡工程的地下排水施工

利用聲波鉆機(jī)可以在保證垂直度的情況下使用地下排水隧道，將滑坡積水排放干凈，可以較為徹底的治理滑坡。

5.4 安裝地線工程

如太陽能發(fā)電站風(fēng)能發(fā)電的電線工程。

6 結(jié)語

聲波鉆進(jìn)方法是一種先進(jìn)的施工手段，在深厚覆蓋地層等復(fù)雜地層，尤其能顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。在國內(nèi)，聲波鉆機(jī)及其施工技術(shù)目前還處于方興未艾之勢，希望通過鉆探界同仁的一起努力，聲波鉆進(jìn)技術(shù)在工程中的應(yīng)用能越來越多，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。