一种嵌岩桩的钻进成孔工艺的制作方法

本发明涉及港口码头管桩施工技术领域，具体涉及一种嵌岩桩的钻进成孔工艺。

背景技术：

在码头工程结构中，为满足承载能力的要求，经常使用到嵌岩桩技术，嵌岩桩是较常用的桩基工程之一，主要是直桩，也有部分斜桩。钻进成孔工艺是斜嵌岩桩施工最重要的一环，由于超长斜嵌岩桩采用冲击钻进施工容易发生偏位，卡锤等问题，目前在超长斜嵌岩桩钻进成孔工艺中采用回旋钻机施工效果更佳。但是在回旋钻机施工过程中，钻具的自重将造成钻具下垂弯曲，钻头的导向性和钻头的轴线会产生较大的偏差，使得钻头斜率与钢套管斜率无法保持一致，影响成孔质量，特别是在嵌岩桩嵌岩深度大于10m，部分嵌岩桩倾斜度较大时，易出现成孔倾斜不顺直的问题，施工难度较大，现有的钻进成孔工艺无法满足施工的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种嵌岩桩的钻进成孔工艺，能够保证斜向嵌岩桩施工中钻头斜率与钢套管斜率保持一致，提高成孔质量和效率，满足施工设计要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种嵌岩桩的钻进成孔工艺，包括以下步骤：

1）在钢套管内部安装第一导向器和第一钻头，并在钢套管和第一导向器的导向作用下，对嵌岩桩有钢套管部分进行钻孔；

2）将第一钻头更换为第二钻头，并在第二钻头后端安装第二导向器，在第二导向器和第一导向器的共同导向作用下，对无钢套管嵌岩段进行导向孔钻进，钻进过程中，第一导向器始终位于钢套管内部，第二导向器跟随第二钻头逐渐进入导向孔中，所述导向孔的钻进深度大于设计嵌岩深度；

3）导向孔钻进完成后，拆除第二导向器并将第二钻头更换为第三钻头，在第三钻头前端安装第三导向器，并在第三导向器和第一导向器的共同导向作用下，进行最终成孔的钻进，钻进过程中第三导向器始终位于所述导向孔中，第一导向器始终位于钢套管内部。

所述第一导向器的直径与钢套管内径相同，第二导向器的直径和第三导向器的直径均与导向孔内径相同。

所述第一钻头直径与钢套管的内径相同，第二钻头直径与导向孔的直径相同，第三钻头直径与最终成孔的直径相同。

所述步骤1）、步骤2）和步骤3）的钻进过程均采用反循环回旋钻进工艺，所述反循环回旋钻进工艺，具体为：回旋钻机旋转加压，使钻头破碎岩面进行钻进，再利用泵机将破碎岩面产生的石块或石粉从中空的钻杆中吸出。

所述钢套管内部设置多个第一导向器。

所述第一导向器呈等间距布置。

所述第一导向器、第二导向器和第三导向器均通过轴承与钻杆相连接。

所述第一导向器、第二导向器以及第三导向器的上端和下端均加工有倒角。

所述第一钻头、第二钻头以及第三钻头的上端和下端均加工有倒角。

所述步骤2）中导向孔的钻进分多次施工完成。

本发明具有以下有益效果：本发明的钻进成孔工艺，对无钢套管嵌岩段采用先钻导向孔再进行成孔钻进的方式，利用导向孔和钢套管的导向限位，并配合第一导向器、第二导向器和第三导向器的使用，能够很好地保证斜向嵌岩桩施工中钻头斜率与钢套管斜率保持一致，提高了成孔质量,使孔壁光滑完整、顺直度高，满足施工要求，提高了施工效率；该工艺操作简单，施工成本低，具有较好的经济效益。

附图说明

图1是嵌岩桩有钢套管部分的钻进原理图；

图2是无钢套管嵌岩段导向孔钻进原理图；

图3是无钢套管嵌岩段最终的成孔钻进原理图；

图中：1、第一钻头，2、第一导向器，3、钻杆，4、钢套管，5、第二钻头，6、第二导向器，7、第三钻头，8、第三导向器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明应用于原油泊位中的系缆墩建设工程，涉及系缆墩建设工程中的嵌岩桩施工工艺，具体涉及全断面斜向嵌岩桩施工中的钻进成孔工艺。

系缆墩处的覆盖层厚度情况为：前沿选择散体状强风化凝灰岩作为桩基持力层，后沿选择中等风化凝灰岩作为桩基持力层。覆盖层自上至下分别为：①1.9～2.8m厚的灰色含碎石淤泥；0.1～5.1m厚的杂色含碎石黏性土；②4.6～7.6m厚的灰黄～灰绿色粉质粘土；③0.8～7.8m厚的散体状强风化凝灰岩，此为前沿桩基持力层；④2.6～4.2m厚的碎裂状强风化凝灰岩；⑤底层为中等风化凝灰岩，此为后沿桩基持力层。

本工程的系缆墩由八根嵌岩桩支撑，嵌岩桩持力层主要为强风化凝灰岩，部分为中风化凝灰岩，持力层标准贯入击数N均大于50。根据地质资料显示，系缆墩附近的ZK15孔饱和单轴抗压强度为30.56MPa，ZK16孔饱和单轴抗压强度为87.05MPa。饱和单轴抗压强度大于60MPa的岩石为坚硬岩，旋挖钻机难以施工。由于嵌岩桩直径较大，嵌岩深度达18m，部分嵌岩桩斜度达5:1，若采用冲击钻机容易发生偏位，卡锤等问题，因此本工程配置一台反循环回旋钻机进行施工作业。

本实施例中钻杆3为每2m一节，可接长。相邻钻杆之间采用螺纹连接。

本实例中钢套管4的内径为1.8m。

配备三种钻头，第一钻头1的直径为1.8m，用于钢套管4内钻进；第二钻头5的直径为1m，用于钻进导向孔（直径1m）；第三钻头7的直径为1.6m，与设计嵌岩桩直径一致,也即与最终成孔（直径1.6m）的直径相同。

配备三种导向器，第一导向器2的直径与钢套管4的内径一致，每隔8m布置一个；第二导向器6的直径与第二钻头5的直径一致，均为1m，第二导向器6长度为2.4m，第三导向器8的直径为1m，长度为0.8m，第二导向器6和第三导向器8均用于导向孔中导向。

嵌岩桩的钻进成孔工艺，包括以下步骤：

1）嵌岩桩有钢套管部分的钻进：

如图1所示，在钢套管4内部设置第一导向器2和第一钻头1，在钢套管4和第一导向器2的导向作用下，对嵌岩桩有钢套管部分进行钻孔。

其中第一导向器2与钻杆3相连接，钻杆3与第一钻头1相连接。

第一钻头1采用三翼刮刀钻头。

2）无钢套管嵌岩段导向孔的钻进：

如图2所示，将第一钻头1更换为第二钻头5，并在第二钻头5的后端连接有第二导向器6，在第二导向器6和第一导向器2的共同导向作用下，对无钢套管嵌岩段进行导向孔钻进，使得钻进过程中第二钻头5始终沿直线方向前进；钻进过程中，第一导向器2始终位于钢套管4内部，第二导向器6逐渐进入导向孔中，导向孔的钻进深度大于设计嵌岩深度。

其中导向孔的直径为1m，第二导向器6与钻杆3相连接，钻杆3与第一导向器2相连接。

第二钻头5采用刮刀钻头。

优选的，第二钻头5与第二导向器6内的钻杆通过法兰连接，使得连接更加牢固可靠。

导向孔的钻进过程可以一次施工完成，优选的，为减少第二钻头5的偏移量，导向孔的钻进过程分两次施工，第一次钻10m，剩余长度第二次钻进完成。

3）无钢套管嵌岩段最终成孔的钻进

如图3所示，导向孔钻进完成后，将第二钻头5更换为第三钻头7，并在第三钻头7前端连接有第三导向器8，并在第三导向器8和第一导向器2的共同导向作用下，进行最终成孔(直径为1.6m)钻进。在最终成孔钻进过程中，第三导向器8始终保持在导向孔中，第一导向器2始终位于钢套管内部，使得在第三导向器8和第一导向器2的共同导向和限位作用下，保证最终成孔钻进的顺直度。

最终成孔的直径为1.6m。

第三钻头7采用刮刀钻头。

优选的，第三钻头7与第三导向器8内的钻杆通过法兰连接，以使连接更加牢固可靠，第三钻头7与钻杆3相连接，钻杆3与第一导向器2相连接。

上述步骤1）、步骤2）和步骤3）的钻进过程均采用反循环回旋钻进工艺。

反循环回旋钻进工艺是利用回旋钻机旋转加压，使钻头前端设置的刮刀或牙轮破碎与之接触的岩面，再利用泵机将破碎岩面产生的石块或石粉从中空的钻杆中吸出，钻进过程要一直向孔内补充清水使孔内液面保持在较高水位，使孔内保持一定的水压以保持孔壁稳定。

进一步的，钢套管4内部的第一导向器2的布置间距和数量可根据具体钻进情况进行调整，第一导向器2之间既可以采用等间距布置，也可采用非等间距布置。相邻的第一导向器2之间通过钻杆连接。

优选的，第一导向器2、第二导向器6和第三导向器8均通过轴承与钻杆相连接，使得钻杆旋转时，第一导向器2、第二导向器6和第三导向器8均不会随钻杆旋转，防止因上述各个导向器与导向孔或钢套管的接触摩擦而磨损，从而防止因导向器磨损而无法实现其导向和限位作用。

优选的，第一导向器2的上端和下端均加工有倒角,第二导向器6的上端和下端均加工有倒角,第三导向器8的上端和下端均加工有倒角，且第一钻头1的上端和下端均加工有倒角、第二钻头5的上端和下端均加工有倒角、第三钻头7的上端和下端均加工有倒角，在导向器和钻头设置倒角可以防止钻孔或提钻头时发生卡锤现象。

本实施例在进行嵌岩桩有钢套管部分的钻进时，通过将钢套管4对第一导向器2的导向限位以及钢套管4对第一钻头1的导向限位相结合，对第一钻头1的钻进进行共同导向，可保证钻进过程中钻头斜率和钢套管斜率一致，另外钢套管4还起到护壁作用；在进行导向孔（直径1m）钻进时，通过将第二导向器6的导向限位和钢套管4对第一导向器2的限位相结合，对第二钻头5的钻进进行共同导向，可保证钻头斜率和钻孔中心位置与设计值一致；在最终成孔（直径为1.6m）钻进时，通过使第三导向器8始终保持在导向孔中，使得导向孔对第三导向器8起到很好地限位作用，再结合钢套管4对第一导向器2的限位作用，最终对第三钻头7的钻进过程起到较好的导向作用，能够保证最终成孔钻进的顺直度，另外由于第三导向器8设置在第三钻头7的前端，因此在之前进行导向孔钻进时，导向孔的钻进深度要大于设计嵌岩深度1m，以确保第三钻头7所钻进的最终成孔的钻进深度能达到设计值。

本实施例中导向孔主要起到导向和限位的作用，防止钻头在钻进斜桩过程中受重力作用影响导致成孔向重力方向倾斜成弧线，从而避免引发卡锤、钢筋笼无法下放、嵌岩桩承载力下降等问题。

本实施例的钻进成孔工艺采用清水反循环，反循环清孔后基本无沉渣，清渣效果较好，相较于使用泥浆进行反循环，更利于施工现场的环境保护；成孔后，孔壁光滑完整，顺直度高，斜率控制好，便于下钢筋笼过程顺利进行。

在钻进过程中，根据钻孔深度进行钻机转速调整，具体为：在钻头即将出钢套管4的底部时减慢转速，防止转速过快造成孔壁不稳发生塌孔、卡锤等事故；钻头入岩4m以上且孔壁稳定的情况下可提高转速加快钻进效率；基岩较完整孔壁稳定的情况下可提高转速，基岩破碎裂隙较发育孔壁不稳定的情况下应降低转速，防止孔壁坍塌。

钻进过程如遇钻进困难可采取增加配重或更换钻头的措施：

1、增加配重，需要增加配重时将焊接了配重块的钻杆连接到普通钻杆上即可。增加配重的重力通过钻头传递到岩面，相当于钻头对岩面的一个加压，适当加压可提高钻进效率。

2、替换钻头，本工艺配置了两种类型的钻头，一种为刮刀钻头，一种为滚刀钻头，刮刀钻头对岩层的破碎主要是通过钻头前端布置的刮刀对岩层进行切割，刮刀钻头的钻进效率高，适用于强度较低的岩层；对于强度较高刮刀钻头难以切割的岩层，采用滚刀钻头进行钻进，滚刀钻头对岩层的破碎主要是通过钻头前端布置的牙轮对岩层的进行研磨，滚刀钻头钻进效率较低，但是能将强度较大的岩层磨碎。

钻进过程中如果遇到呈斜坡状的基岩面，会导致施工不利，容易导致钻头在钻进过程中偏移中轴线、岩面破碎发生扩孔、甚至钢护筒下沉等情况。因此在遇到斜坡状的基岩面时，可减小钻压、降低钻机转速，待斜坡状基岩面磨平后再继续施工。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。