羅強

（無錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司，江蘇 無錫 214112）

1 聲波鉆機的鉆進原理

聲波鉆進的主要設(shè)備是振動回轉(zhuǎn)動力頭，動力頭能夠產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的高頻振動和低速回轉(zhuǎn)功能。通過圍繞平衡點進行重復(fù)擺動而形成振動，能量在鉆桿中積累，當達到其固有頻率時，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。振動波能量垂直傳遞到鉆柱上，頻率一般可達到4000～10000次／min，沖擊功可達到27～270kNm。由于屬于較低的機械波振動范圍，能夠引起人的聽覺，所以習慣上稱為聲波鉆進。

2 聲波鉆進的技術(shù)特點

（1）應(yīng)用范圍廣

廣泛適用于工程勘察，環(huán)境保護調(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、高速的進行連續(xù)原狀取樣鉆進，以及全套管成孔。這是傳統(tǒng)鉆進工法無法比擬的。

（3）成孔速度快，鉆孔直線度高

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

（4）巖土樣保真度好

聲波鉆進可在覆蓋層和軟基巖中采集直徑大，代表性強，保真度好、不混層的連續(xù)巖土樣。擾動降到最低，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，鉆進產(chǎn)生的廢棄物比常規(guī)鉆進少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，施工時噪音低，對周邊環(huán)境影響小。

（6）施工安全性好

聲波鉆進采用了套管跟進護壁技術(shù)，套管跟進和取樣同時進行。外套管能夠很好地保護孔壁，防止孔壁坍塌。同時還可隔離含水層，避免交叉污染。由于有外層套管的保護，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

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

（8）鉆進成本低

國外聲波鉆機施工，一般要求每天鉆進進尺100m以上，由于鉆進速度快，縮短了施工周期，降低了勞動力費用；不用泥漿及少水鉆進，材料消耗少；鉆進產(chǎn)生的廢物少，減少了現(xiàn)場清理費用。

3 YGL-S100型聲波鉆機性能參數(shù)

聲波鉆機在國外已廣泛適用于工程勘察，環(huán)境保護調(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。

在我國聲波鉆進由于其聲波高頻振動頭技術(shù)瓶頸的局限，聲波鉆進的應(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)，引進日本利根公司聲波動力頭技術(shù)，研制出國內(nèi)第一臺YGL-S100型聲波鉆機（技術(shù)參數(shù)見表1）。

表1 YGL-S100型聲波鉆機的主要技術(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級開發(fā)中的最末一個梯級電站。左右岸分別安裝4臺單機80萬kW水輪發(fā)電機組，總裝機容量640萬kW，裝機規(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。2002年10月，向家壩水電站經(jīng)國務(wù)院正式批準立項，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，為查明引起震動的原因及其震動來源，決定在庫區(qū)及居民點地下埋設(shè)震動監(jiān)測儀器。監(jiān)測分三個區(qū)共布置18個監(jiān)測孔，震動監(jiān)測儀器直徑為φ102mm，長度550mm。根據(jù)震動儀器埋鉆孔要求，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，個別地層礫徑達1～2m；基巖，主要為泥巖。

4.2 施工的難點或技術(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)以前鉆進取樣顯示，鉆進過程要先后穿過堆石層、松散砂礫層、強風化層以及基巖；回填層碎石較硬，易塌孔，采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進方法成孔非常困難，以致1～2個月不能鉆成一個監(jiān)測孔。

此外，采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進方法，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，鉆機在取樣過程中對地層擾動要小。

為此，決定利用聲波振動回轉(zhuǎn)鉆進的特點，使用YGL-S100型聲波鉆機對壩外縣城居民區(qū)4個震動儀器埋設(shè)孔實施上部覆蓋層快速鉆孔，以加快監(jiān)測儀器埋設(shè)進程，同時對個別典型區(qū)域地層監(jiān)測孔進行原狀取樣。

4.3 工程施工情況介紹

中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院水建司向家壩項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，結(jié)合具體工程，進行了生產(chǎn)性試驗。于2013年1月18日至1月30日在向家壩電站污水廠進行了不取樣快速成孔鉆進。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)進行了取樣鉆進。

（1）不取樣快速成孔鉆進

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

圖1 φ140厚壁套管圖

圖2 從日本進口的φ160鉆頭

前兩個地震儀孔施工過程為：

按照設(shè)計要求，在距離壩基500m處，分別鉆進了55m、67m兩個孔，先后穿過堆石層、松散砂礫層、強風化層以及基巖。鉆至終孔，鉆套管放在孔中護壁，待測震儀器放入后，回轉(zhuǎn)振動提出鉆套管。

（2）取樣鉆進

根據(jù)不同的地層，YGL-S100聲波鉆機可以實現(xiàn)如下三種取樣鉆進工藝：

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，可以無水、不回轉(zhuǎn)鉆進，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，不會沖刷土樣。

單管取樣鉆具鉆頭上部設(shè)計有土樣自動裝樣機構(gòu)，進入巖心管內(nèi)的樣品自動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到先前取芯的孔底，再進行取樣鉆進，如此反復(fù)，直至鉆進深度。外套管能夠很好地保護孔壁，防止孔壁坍塌。

2）單動雙管取樣（圖4）

在沙礫層或基巖鉆進時，需要回轉(zhuǎn)鉆進，由于單動雙管鉆具內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，樣品擾動小，達到保真取樣的目的。

圖4 PS91-00單動雙管取樣鉆具

單動雙管取樣鉆進過程同單管取樣鉆進。使用套管護壁，鉆孔穩(wěn)定，不會塌孔，縮徑，保證鉆孔能順利鉆進。

3）繩索取芯（圖5）

近年來繩索取芯鉆進已成為首選的取樣鉆進方法，其最大優(yōu)點就是取樣速度快，勞動強度低。YGL-S100聲波鉆機也配套了專用的繩索取芯鉆具，實現(xiàn)繩索取芯取樣。

圖5 SS140-00繩索取芯鉆具

在鉆進過程中，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，達到取樣長度后，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，依次進行取樣。采用繩索取芯鉆進，不需要提取鉆桿，取樣速度快、提高了鉆進效率。

在向家壩水電站取樣施工中，使用了SS140-00繩索取芯鉆具進行鉆進。取樣鉆進一共鉆了兩個孔，鉆進借用了φ140特制的厚壁鉆桿外管，使用φ155鉆頭（圖6），取樣直徑φ98。為達到保真取樣的目的，鉆頭設(shè)計成特殊的底噴結(jié)構(gòu)，以保證循環(huán)液不沖刷樣品。

圖6 φ155／98鉆頭

取樣鉆進過程顯示，在填方層時（0～9m），鉆進速度快，鉆進時效可達20m，取樣率高，可達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)地層的真實的狀況，如圖7所示。

圖7 填方層巖樣

進入砂礫層后，鉆進同樣快速，其鉆進時效可達十幾米，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號孔的取樣鉆進過程中，我們采用少量清水鉆進，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。

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

根據(jù)兩個取樣孔鉆進情況分析，YGL-S100型聲波鉆機可以滿足在復(fù)雜地質(zhì)條件下的取樣，取樣率高，效果好。結(jié)合取樣鉆具的進一步設(shè)計改進， YGL-S100型聲波鉆機的取樣將達到更好的效果。

圖10 直徑30～45cm塊卵石巖樣

4.4 建議與結(jié)論

（1）鉆機性能穩(wěn)定。經(jīng)過生產(chǎn)性試鉆驗證，YGL-S100聲波鉆機的主要性能參數(shù)達到了設(shè)計要求。鉆機在該項目中表現(xiàn)突出，其獨特的鉆進能力，得到外方專家、施工單位及參觀客戶的好評。

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

（3）鉆孔速度快。在填石層（大灰?guī)r塊，卵礫石）平均小時進尺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時，成孔速度快，平均時效可達20m，基巖平均時效4～5m。

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

（5）繩索取芯鉆進不提鉆，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，反映了地層真實的情況。

（6）單動雙管鉆具取樣時，內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，能取出無擾動的原狀樣。鉆進時，鉆套管內(nèi)直接下取樣器取樣，取樣后，鉆套管繼續(xù)鉆進護壁。

（7）在取樣鉆進過程中可以少水或無水鉆進，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。由于聲波動力頭的高頻振動的特性，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。

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

5 國外聲波鉆機的最新動態(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，在不列顛哥倫比亞塔布勒嶺的一個工程中，當鉆進到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，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，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)老院利用地熱的裝置，使用聲波鉆機，鉆成5個100m深的孔，通過熱交換將地熱轉(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)電站風能發(fā)電的電線工程。

6 結(jié)語

聲波鉆進方法是一種先進的施工手段，在深厚覆蓋地層等復(fù)雜地層，尤其能顯示出其獨特的優(yōu)勢。在國內(nèi)，聲波鉆機及其施工技術(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，聲波鉆進技術(shù)在工程中的應(yīng)用能越來越多，為國民經(jīng)濟建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻。