顏純文

(中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102)

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聲波鉆進(jìn)和寶長(zhǎng)年LS250聲波鉆機(jī)

顏純文

(中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102)

聲波鉆進(jìn)是一種新的鉆探技術(shù)方法，由于具有鉆進(jìn)速度快、巖土樣保真度高、施工安全性好和環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境鉆探、礦物勘探、巖土工程勘察與施工等領(lǐng)域。本文主要介紹了聲波鉆進(jìn)的工作原理、鉆進(jìn)過(guò)程、主要優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域，以及美國(guó)寶長(zhǎng)年公司最新研制的LS250小型聲波鉆機(jī)的主要特點(diǎn)和技術(shù)性能參數(shù)。

聲波鉆進(jìn)；鉆機(jī)；振動(dòng)器；勘探；勘察

0 引言

聲波鉆進(jìn)(sonic drilling)，又稱為回轉(zhuǎn)聲波鉆進(jìn)或振動(dòng)鉆進(jìn)，它是利用高頻振動(dòng)力、回轉(zhuǎn)力和壓力三者結(jié)合在一起使鉆頭切入土層或軟巖進(jìn)行鉆探或其他鉆孔作業(yè)的一種新型鉆探技術(shù)。 國(guó)外在20世紀(jì)70年代研制成功適用于鉆進(jìn)的小功率振動(dòng)器后，由于具有鉆進(jìn)速度快，巖土樣品保真度高等優(yōu)點(diǎn)，80年代開(kāi)始在美國(guó)的環(huán)境鉆探中得到廣泛應(yīng)用；90年代后經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)而日趨成熟，鉆探工作量不斷增加，出現(xiàn)了許多聲波鉆進(jìn)承包商和一些聲波鉆機(jī)制造商，如美國(guó)的寶長(zhǎng)年(BoartLongyear)公司、加拿大的聲波鉆機(jī)(Sonic Drill)公司和MIP鉆井公司、英國(guó)的聲波鉆進(jìn)供應(yīng)商(Sonic Drilling Suppliers)公司、以及日本的利根鉆探(Tone Boring)公司等。

目前，除美國(guó)外，聲波鉆進(jìn)技術(shù)在加拿大、英國(guó)、荷蘭、澳大利亞、日本等國(guó)家也得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用范圍幾乎包括所有的鉆探領(lǐng)域，主要是環(huán)境鉆探、砂礦勘探、地震爆破孔鉆進(jìn)、水文水井鉆進(jìn)、巖土工程勘察與施工等。

在我國(guó)，無(wú)論是聲波鉆進(jìn)的應(yīng)用還是聲波鉆機(jī)的研制目前可以說(shuō)還是處于起步階段。2011年8月，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)聯(lián)合研制出YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)，并先后成功應(yīng)用于尾礦壩勘查、大壩監(jiān)測(cè)、鋼板樁施工。隨后，無(wú)錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司引進(jìn)日本利根公司聲波動(dòng)力頭技術(shù)，研制了YGL-S100和YGL-S50型聲波鉆機(jī)。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)和無(wú)錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司還針對(duì)松散地層專門(mén)研制聲波鉆機(jī)配套鉆具，提高了聲波鉆進(jìn)繩索取心的效率和質(zhì)量。

1 聲波鉆進(jìn)工作原理及應(yīng)用

1.1 工作原理

聲波鉆進(jìn)是利用高頻共振能量將巖心管和套管推進(jìn)到巖土層中。鉆進(jìn)時(shí)，共振能量通過(guò)鉆柱傳遞到鉆頭工作面，同時(shí)低速回轉(zhuǎn)的鉆柱將能量平均分配到鉆頭工作面上。由于振動(dòng)頻率屬于較低的機(jī)械波振動(dòng)范圍，能夠引起人的聽(tīng)覺(jué)，因此稱之為聲波鉆進(jìn)。

聲波鉆進(jìn)的主要設(shè)備是聲波動(dòng)力頭(見(jiàn)圖1)，它比標(biāo)準(zhǔn)的回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭大，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，主要包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和振動(dòng)器(見(jiàn)圖2)。振動(dòng)器由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的擺輪組成，能夠產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的高頻振動(dòng)。動(dòng)力頭的高頻振動(dòng)和低速回轉(zhuǎn)作用，再加上向下的壓力，使鉆管柱和環(huán)形鉆頭不斷向巖土層推進(jìn)。另外，動(dòng)力頭內(nèi)獲得專利的空氣彈簧隔離系統(tǒng)可將振動(dòng)和鉆機(jī)本身隔離，而將該能量直接傳遞到鉆柱上。

圖1 聲波鉆機(jī)動(dòng)力頭

圖2 聲波振動(dòng)器示意圖

鉆機(jī)操作人員可以控制振動(dòng)器產(chǎn)生的工作能量大小，以便與所鉆進(jìn)的地層相匹配，達(dá)到最佳的鉆進(jìn)速度。當(dāng)振動(dòng)器的振動(dòng)頻率與鉆柱的自然諧振頻率一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。此時(shí)，鉆柱的作用就像飛輪或彈簧一樣，把最大的共振能量直接傳遞到鉆頭工作面。高頻振動(dòng)作用使鉆頭的切削刃以切削、剪切、斷裂的方式排開(kāi)其鉆進(jìn)路徑上的物質(zhì)，甚至還會(huì)引起周?chē)翆宇w粒液化，使鉆進(jìn)變得更加容易。同時(shí)，振動(dòng)作用把土層顆粒從鉆具的側(cè)面移開(kāi)，從而大大降低了鉆具與孔壁之間的摩擦阻力，因此鉆進(jìn)速度極快，在許多地層中鉆速可高達(dá)300 mm/min。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與其他鉆進(jìn)方法相比，聲波鉆進(jìn)技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)鉆進(jìn)速度快。與傳統(tǒng)的覆蓋層鉆進(jìn)相比，聲波鉆進(jìn)有效地結(jié)合振動(dòng)、回轉(zhuǎn)和加壓鉆進(jìn)，特別是振動(dòng)作用可將土粒排開(kāi)，并使土壤產(chǎn)生液化，從而可以獲得較高的鉆進(jìn)速度。一般情況下，聲波鉆進(jìn)比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和螺旋鉆進(jìn)速度快3～5倍，在某些地層中可高達(dá)9倍。

(2)巖土樣品保真度好。聲波鉆進(jìn)時(shí)對(duì)周?chē)貙拥母蓴_小，可在覆蓋層和軟巖中采集直徑大(100～300 mm)、代表性強(qiáng)、保真度好的連續(xù)巖土樣品，從而可準(zhǔn)確確定地層接觸界面的深度，巖土物性和成分，以及污染物含量。

(3)環(huán)境污染少。一般情況下，聲波鉆進(jìn)不需采用泥漿和添加劑或其他洗孔介質(zhì)，鉆進(jìn)產(chǎn)生的廢棄物比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)少70%～80%，大大減少了鉆井液對(duì)環(huán)境的污染。

(4)施工風(fēng)險(xiǎn)小。聲波鉆進(jìn)和取樣一般都采用雙管系統(tǒng)，巖心管與外層套管先后單獨(dú)推進(jìn)，提取巖心后立即將外套管跟進(jìn)到先前取心的孔底。這樣外套管能夠很好地保護(hù)孔壁，防止鉆孔坍塌，同時(shí)還可隔離含水層，避免交叉污染。

(5)鉆進(jìn)成本低。與傳統(tǒng)的鉆進(jìn)方法相比，聲波鉆進(jìn)由于速度快，縮短了施工周期，降低了勞動(dòng)力費(fèi)用；而且鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的廢物少，減少了現(xiàn)場(chǎng)清理的費(fèi)用；加上獲取的巖土樣品準(zhǔn)確，地質(zhì)信息可靠，帶來(lái)了較好的間接效益。

(6)適應(yīng)性廣。聲波鉆進(jìn)方法適用于各種覆蓋層和軟巖層，如砂土、粉砂土、黏土、礫石、粗礫、漂礫、冰磧物、碎石堆、垃圾堆積物(包括木頭、鋼板、混凝土、瀝青等)、砂巖、灰?guī)r、頁(yè)巖、板巖等，可有效采集連續(xù)、干擾小的巖土樣品。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

由于具有上述無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，決定了聲波鉆進(jìn)可應(yīng)用于諸多鉆探領(lǐng)域，主要包括：

(1)采礦。由于可在松散地層精確取樣，因此可用于堆浸或尾礦取樣、監(jiān)測(cè)井施工和水樣采集、降水或繩索取心。

(2)環(huán)境鉆探。由于鉆進(jìn)過(guò)程中連續(xù)下入套管，并且不使用或使用少量鉆井液，消除了交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，能采集高保真的樣品(見(jiàn)圖3)，因而是環(huán)境鉆探最佳的選擇。

(3)巖土工程勘察?？稍诟采w層和軟巖中鉆取保真度好的連續(xù)巖土樣，為獲取準(zhǔn)確的巖土力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)和地球化學(xué)信息等提供了理想的手段。

(4)礦產(chǎn)勘探。進(jìn)行砂金礦床勘探時(shí)，聲波鉆進(jìn)可非常成功地采集連續(xù)砂金礦樣；在石油和天然氣地震勘探中，聲波鉆進(jìn)也是爆破孔施工的理想鉆進(jìn)方法。

(5)水文水井鉆探。聲波鉆進(jìn)的打井速度快，判定含水層準(zhǔn)確，雙管系統(tǒng)有利于過(guò)濾器安裝，鉆孔清潔可減少洗井時(shí)間和廢棄物處理量。

(6)巖土工程施工。可用于混凝土灌注樁、鋼板樁、土釘、錨樁、壓裂孔、灌漿孔、錨索孔等工程施工。

圖3 聲波鉆進(jìn)采集巖土樣品

2 聲波鉆進(jìn)過(guò)程

根據(jù)地層條件、取樣對(duì)象和取樣要求不同，聲波鉆進(jìn)可采用幾種鉆進(jìn)方法，最常用的是采用內(nèi)層鉆管和外層套管的雙管系統(tǒng)。內(nèi)層鉆管包括鉆桿、巖心管和鉆頭，外層套管包括套管和鉆頭。鉆進(jìn)時(shí)，外層套管既可與內(nèi)層鉆管同時(shí)向下推進(jìn)，也可超前內(nèi)層鉆管推進(jìn)；或者內(nèi)層鉆管先向下推進(jìn)一定深度后，再推進(jìn)外層套管和采集非擾動(dòng)的連續(xù)巖土樣品并提出鉆孔，此時(shí)外層套管可對(duì)鉆孔起到保護(hù)作用，防止鉆孔坍塌，并且可防止多層含水層的交叉污染。

典型的聲波鉆進(jìn)施工步驟(見(jiàn)圖4)如下：

圖4 典型的聲波鉆進(jìn)施工步驟

步驟1：推進(jìn)內(nèi)層鉆管

先用聲波的方法將內(nèi)層鉆管推進(jìn)到未受干擾的地層，取心的過(guò)程中不使用壓縮空氣、泥漿或者水。

步驟2：推進(jìn)外層套管

內(nèi)層鉆管推進(jìn)一定深度后(一般可以超前1.5～6 m)，同樣用聲波的方法將外層套管推進(jìn)到土層，以保證提取巖土樣時(shí)孔壁的穩(wěn)定。

步驟3：提取巖土樣

外層套管保持在原位不動(dòng)，將巖心管提出地面并將巖土樣取出。

步驟4：再次推進(jìn)內(nèi)層鉆管

重復(fù)上述步驟，直至設(shè)計(jì)深度。

3 寶長(zhǎng)年公司LS250小型聲波鉆機(jī)

目前，美國(guó)寶長(zhǎng)年公司研制了LS250和LS600兩種型號(hào)的聲波鉆機(jī)，適用于不同的地層條件和鉆進(jìn)深度，其技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

最新研制的LS250型小型聲波鉆機(jī)(見(jiàn)圖5和圖6)是一款結(jié)構(gòu)緊湊型鉆機(jī)，非常適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、巖土工程勘察、水井施工和采礦等領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的適用性和可靠性，該鉆機(jī)的主要特點(diǎn)包括：

(1)互鎖的回轉(zhuǎn)圍欄打開(kāi)時(shí)，動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)速度自動(dòng)降低，提高了安全性，也可根據(jù)歐洲最新的安全標(biāo)準(zhǔn)EN16228獲得CE認(rèn)證；

(2)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，可放在集裝箱內(nèi)運(yùn)輸，鉆機(jī)墊的尺寸??；

(3)鉆桿處理裝置允許在水平方向上鉆桿或套管，然后執(zhí)行機(jī)構(gòu)再將鉆桿或套管從垂直方向與動(dòng)力頭連接，進(jìn)一步提高了施工的安全性；

(4)采用先導(dǎo)控制液壓系統(tǒng)，使鉆機(jī)的操作和維護(hù)方便；

(5)采用鉸接的桅桿和肘節(jié)鉆具，使桅桿可左右、前后移動(dòng)，鉆孔的定位精度高，可在45°～90°之間進(jìn)行鉆進(jìn)，而且省去了移動(dòng)鉆機(jī)的時(shí)間；

(6)傾斜的動(dòng)力頭更方便鉆桿處理，循環(huán)時(shí)間更短；獲得專利的氣袋裝置可將振動(dòng)與鉆機(jī)隔離，而直接傳遞到鉆孔底部，因而鉆進(jìn)效率更高；

表1 LS250和LS600聲波鉆機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)

續(xù)表1

續(xù)表1

(7)橡膠履帶寬度大(600 mm)、接地壓力小(28 kPa)，適用于大多數(shù)環(huán)境敏感地表或不穩(wěn)定地面，以及難進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)；

(8)配置符合Tier 4i標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，空轉(zhuǎn)時(shí)的噪音僅74 dB，滿負(fù)荷鉆進(jìn)時(shí)不超過(guò)99 dB。

圖5 LS250聲波鉆機(jī)

圖6 小型聲波鉆機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

聲波鉆進(jìn)是一種先進(jìn)的施工新技術(shù)，具有鉆進(jìn)速度快、巖土樣保真度好、施工安全性好和環(huán)境污染少等許多優(yōu)點(diǎn)，在深厚覆蓋層等復(fù)雜地層，尤其能顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在國(guó)外，聲波鉆進(jìn)已廣泛適用于環(huán)境勘察、砂金地質(zhì)勘探、工程勘察以及地源熱泵孔、大壩及尾礦監(jiān)測(cè)孔、邊坡加固、微型樁、水井孔等施工。在國(guó)內(nèi)，聲波鉆進(jìn)的應(yīng)用剛剛起步，隨著環(huán)境保護(hù)日益受到重視，其應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。

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2016-08-28

顏純文(1960-)，男，教授級(jí)高工，享受?chē)?guó)務(wù)院特殊津貼專家，中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司《地質(zhì)裝備》副主編，中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)非開(kāi)挖技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員，長(zhǎng)期從事巖土工程和非開(kāi)挖技術(shù)科技信息分析研究工作，北京市朝陽(yáng)區(qū)望京西園221號(hào)博泰大廈5層，Tel：010-64843889，Email：yan64843889@126.com。

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1009-282X(2016)05-0011-05