大口径硬岩钻凿技术在国内外的现状与存在问题

  随着国家经济实力的增长，岩土钻凿工程领域得到了迅速扩展。如桥基、高层建筑基础、国防工程与火箭发射仓、矿山竖井、科学钻探、地质灾害防治、环境工程、隧道通风井等，这些几乎都在硬岩中钻进。最典型的岩石为花岗岩、石英岩、砂岩等，其特点都是坚硬、致密、强度高、施工难度大。
  中国的大口径硬岩钻凿工程具有悠久的历史，早在春秋时期湖北铜录山矿井钻井断面达5平方米、深近百米，北宋以前的盐井口径达4.2 m。国际现代大口径钻凿技术已有100年的历史，欧美、前苏联、日本等都先后用冲击、回转、振动、水力喷射、井底动力钻等钻凿各类用途的大口径井。其直径为0.8—3.0 m，最大达10 m以上，深度为30—100 m，最深达2 000 m。
  目前著名的三峡工程、黄河小浪底工程中的大口径硬岩钻凿工程和技术基本代表了当前的世界水平和状况。各国科学家和工程技术人员尽管在硬岩钻凿技术方面开展了大量的研究和工作，并取得了一定成就。但是，硬岩钻凿技术在国内外仍然是一个难题，同时也是一个具有广阔前景和重大意义的研究课题。
  硬岩钻凿工程面临的课题和难点主要有以下几方面：①设备能力：主要包括输出扭矩和功率、给进压力和自动化程度；②破岩机具：主要包括超硬材料的研究、破岩方式耐磨和易修复性要求、岩渣的排放等；③钻凿工艺：主要包括岩渣的排放形式和取心方法、操作规程、单一钻凿、复合钻凿；④工程设计：工程实施前的总体设计，设计的合理程度将决定着工程施工的难度和效率。
  目前，国内外用于硬岩钻凿工程的主要方法和技术手段有：
  (l）冲击钻进：靠冲击钻头（几吨到十几吨）的重量，通过钢丝绳升降来实现破碎岩石。
  存在问题是：排渣困难，钢丝绳寿命短，效率低。
  (2）冲击反循环钻进：日本曾花费10年时间研制了KPC—1200型和KPC-2000型冲击反循环钻机。它增加了反循环系统，在冲击过程中把小颗粒的岩渣通过钻杆排出地面，从而提高了钻进效率。中国水利部基础工程局，结合国情对国产的C2—22型、C2—30型冲击钻进行了改造，并在三峡工程一期围堰的防渗墙工程中使用。但是，钻凿的井径小于1.5 m。
  (3）滚刀牙轮组合钻头钻进：这种钻进方法国内应用最广泛。其破岩材料为钨钻硬质合金或焊齿、钢齿刀具。国内钻进的最大口径为3—4 m，深度在20—80 m；美国原子能委员会曾采用1.22～3.45 m直径的竖井进行地下特种试验，深度达l 960 m，钻进效率一般在0.1～0.5 m/h。钻头轴承寿命：德国400 h，中国800 h。最大的问题是：钻头所需钻压大，一般设备和钻具不能满足压力需要，从而导致钻头磨损快、效率低、成本高。
  (4）冲击回转钻进：这种钻进方法是近年来发展比较迅速且效果显著的一种新技术。
  在硬脆碎和坚硬地层钻进效率高，特别是长春科技大学蒋荣庆研究员和殷琨教授研制的潜孔锤（风动和液动）及其钻进技术代表了目前国际领先水平。其钻进效率提高了几十倍，如FGC-1500/150型潜孔锤钻进Φ800 mm口径硬岩其平均时效达1.11 m/h。主要问题是：
  凿岩口径小于2m，尽管出现了捆绑式多头潜孔锤，但是，所需风量大，设备费用高；再者，地层软硬不均时出现空打现象等。
  (5）梅花孔施工工艺：美国LNGERSOLL-RAND FAR EAST在大口径硬岩钻凿工程巾，推荐采用梅花点孑L眼施工工艺。这种工艺方法是：用一定规格的潜孔锤在桩径范围内分别先打8个小孔，使之成为蜂窝煤状，然后再用冲击或其他方法修整钻孔。其具体要求如下：
  梅花孔径与桩孔大小比例——4:1。
  周边孔眼数量——7个。
  周边孔相间角度——51.4°。
  中心孔眼数量——1个。
  上述方法的主要问题是：每个桩孔施工8个小孔，累计进尺多；钻孔定位和设备移动麻烦。
  (6）取心与断岩心技术：前苏联在这方面做了许多工作并取得显著成绩。如图1是荣获列宁勋章的全苏茄克勘测设计科学研究所设计制造的截断岩心和提取岩心装置。取心钻头内径为Φ970 mm，在钻具中心有一套中心钻具，其中装有截断岩心装置，钻头体有两层管子，其空隙中均布6根水管，通过这6根水管向孔底提供冲洗液。中心钻具开有4个窗口，每个窗口内各布置一个冲头，内部安有可将冲头向外撑的锥体，锥体的垂向运动是靠油缸活塞杆来推动的，靠冲头“挤”断环状岩心。中心钻具的上端连接在钻杆上承受回转扭矩和轴载，断取Φ780 mm的环状岩心时，顶断岩心的瞬间压力为30～50 kg/cm2。此时每个冲头上的力达35—60t。这种装置曾在5—7级石灰岩、孔径Φ1 250 mm钻进，断取岩心时间比用弹簧卡头断取岩心的时间缩短了3/4。
  另外，断取岩心的方法和技术还有钢丝切削套断法，YK-3.6型岩心割断装置、楔子楔断法（平移切断），爆破法等。