淺談復合片鉆頭在灌漿工程中鉆孔的應用

　　灌漿工程中，鉆孔是非常重要的一道工序，鉆孔質量直接影響著灌漿質量；并且鉆孔成本占灌漿工程成本的30%-40%。這就需重視鉆孔作業，鉆孔作業的關鍵是選擇鉆進方法，既要到達質量要求，又要考慮經濟實用，還要便于操作。鉆進方法取決于鉆頭形式的選擇。近年來，隨著材料和制造工藝方面的發展，復合片鉆頭逐漸在灌漿工程中使用，并能滿足質量，又經濟，操作易掌握，被鉆探灌漿工逐漸認可。

　　1 復合片鉆頭

　　復合片鉆頭是采用人造聚晶金剛石制作的復合片（PDC）作為切削具， 鉆頭體上焊接復合片而成。復合片鉆頭是隨著PDC復合材料的發展而發展起來的一種新型鉆頭。

　　1.1 工作原理

　　復合片鉆頭工作原理：切削。

　　1.2 復合片鉆頭形式

　　復合片鉆頭的形式很多，在灌漿工程中，主要采用復合片取芯鉆頭和復合片不取芯鉆頭（無芯鉆頭、或稱全斷面鉆頭）。另外，按鉆頭切削冠部結構分，常用平底式復合片鉆頭和階梯復合片鉆頭、拋物線復合片鉆頭。見下圖A、B、C、D：

　　A、B為復合片取芯鉆頭，C、D復合片不取芯鉆頭；A、C為復合片平底鉆頭，B為復合片階梯鉆頭， D為拋物線復合片鉆頭。

　　1.3 復合片鉆頭規格

　　按鉆頭直徑劃分：65mm、75mm、94mm、113mm、133mm、153mm。灌漿工程中鉆孔直徑主要采用59mm、75mm、94mm，對于復合片取心鉆頭直徑，有的產品與金剛石鉆頭相適應，采用59mm、75mm、91mm。

　　1.4 適用范圍

　　最初，復合片鉆頭鉆頭只被用于軟頁巖地層中，后發展用于灰巖、粘土巖、粉砂巖、砂巖等軟、中硬地層的鉆進，與一般的鉆頭相比，特別是鉆進軟巖層，效果尤為顯著；新型復合片可以應用到十級硬度的巖層，石英巖、玄武巖、堅固的礫巖、堅固的砂巖、石灰巖都可以使用。

　　砂卵石地層中，不宜使用復合片鉆頭，因為在砂卵石地層中極易造成鉆頭崩片、掉片。

　　1.5 鉆進參數

　　鉆壓：復合片鉆頭鉆壓按每片復合片施加1kN～1.5kN計算。高轉速時，鉆壓也可采用同徑金剛石孕鑲鉆頭鉆壓（如75mm孕鑲鉆頭鉆壓為8～12kN）1/3左右的低壓。復雜地層或軟巖層中鉆壓根據實際情況還可以降低，降低到0.8～1.0kN。

　　轉速：復合片鉆頭的線速度為0.6m/s～1.5m/s。根據巖石情況，可低轉速鉆進，如91mm鉆頭轉速為150-200轉/min。鉆頭直徑越小，轉速應當變快。

　　泵量：根據地層和鉆頭直徑選擇30～80L/min。

　　2 工程應用

　　復合片鉆頭在陜西鴨兒溝水庫二期灌漿工程、貴州黔中大壩灌漿等工程中已經或正在使用，均取得了好的效果。

　　2.1 復合片鉆頭在貴州黔中大壩灌漿工程應用

　　黔中大壩基礎主要為灰巖，為中硬地層，趾板帷幕兩排，排距1m，孔距3m，1200m高程以下孔深多為100m左右。

　　開始采用孕鑲金剛石鉆進，一方面由于該地層巖石研磨性較強，另一方面由于部分鉆頭只在胎體表層有金剛石微粒，鉆頭存在質量問題，使得一般鉆進10-40m鉆頭就報廢。后在第三單元改用復合片鉆頭進行鉆孔，經過該單元18個孔的施工，鉆進效率與孕鑲金剛石鉆進效率接近，沒有明顯優勢；但鉆頭消耗量明顯降低，復合片鉆頭一般鉆150m左右消耗一個，每個鉆頭500-800元，平均4.3元/m，而孕鑲金剛石鉆頭270-380元/個，平均13.0元/m，相比使用復合片鉆頭是相當經濟的。

　　鉆孔質量評價主要有：孔位、孔向、孔徑、孔深。其中，孔位是按放樣的孔位開孔鉆進，保證孔位偏差符合要求；孔徑是按鉆孔結構要求，采用的鉆頭直徑就為實際孔徑；孔深按按要求的深度鉆進，并采用測繩進行測量；孔向是按要求的角度進行鉆進，控制指標為實際孔底與設計孔底之間的偏差值，即孔底偏差（孔斜），是鉆孔質量評價的一項重要指標。

　　孔底偏差經過鉆孔孔斜測量，最小孔底偏差為0.30m，最大為1.32m。質量要求：孔底偏差不大于1.5m。通過18個孔的施工，鉆孔質量均滿足要求，說明復合片鉆頭適用于該地層，在孔斜方面能保證鉆孔質量。

　　2.2 復合片鉆頭在陜西鴨兒溝水庫二期灌漿工程應用

　　鴨兒溝水庫基礎主要為泥巖，巖石屬于軟巖。開始采用XY-2PC地質鉆機配硬質合金鉆頭或孕鑲金剛石鉆進，雖然是軟巖，但鉆進效率特低，5m灌漿段需要4小時左右。

　　后改用陜西乾縣一個鉆頭廠生產的復合片鉆頭進行鉆孔，主要采用75mm孔徑。轉速采用三檔，轉速298轉/min（采用四檔后，鉆具穩定性變差），鉆壓1.0kN，泵量60L/min，5m灌漿段需要鉆進1.5小時左右，效率提高了2.6倍。

　　另外，復合片鉆頭在泥巖中十分耐用，記得2200多米消耗了4個鉆頭，還是鉆頭復合片掉片造成鉆頭報廢。在該工程中，采用復合片鉆頭鉆孔是非常經濟實用的。

　　3 操作

　　經過上述工程的應用，在操作上有以下幾點認識：

　　3.1 便于操作

　　復合片鉆頭鉆進可參照金剛石鉆進要求進行施工，但比金剛石鉆進的要求低些，便于司鉆掌握操作。

　　在不同地層中，采用的鉆進參數范圍較大，如轉速，可低速鉆進，巖石條件好時，可采用較高的轉速進行鉆進。

　　采用復合片不取芯鉆頭鉆進時，由于鉆頭壽命長，可以連續鉆進，減少提、下鉆工作，大大減少了勞作強度，既經濟又操作方便。 　　3.2 操作要點措施

　　1）改善鉆具穩定性的措施

　　（1）使用直的機上鉆桿，輕便水龍頭和輕型高壓膠管；

　　（2）鉆具、鉆桿彎曲度不要超過規定要求，連接后的同心度要好；

　　（3）鉆壓與轉速要適當，不要盲目提高鉆壓或轉速。

　　2）預防燒鉆的措施

　　（1）保證鉆具水路暢通，孔內水量滿足鉆具潤滑作用；

　　（2）每次下鉆，不得將鉆具直接下到孔底，在接上機上主動鉆桿后開泵送水，然后慢慢下到孔底；

　　（3）在軟硬互層或遇軟弱夾層時，增大泵量鉆進；

　　（4）嚴禁用復合片鉆頭進行干鉆。

　　3）避免鉆頭非正常損壞的措施

　　（1）孔底保持清潔，當發現有金屬塊、脫落巖心及孔壁掉塊時采用沖、撈、抓、磨、等方法加以清除，防止磕掉復合片；

　　（2）鉆具通過換徑、探頭石、孔壁掉塊等部位以及在斜孔和干孔中下鉆時，必須放慢下降速度，防止磕掉、墩掉復合片；

　　（3）地層由硬變軟時應減壓并控制鉆進速度。

　　3.3 注意事項

　　1）做好復合片鉆頭的選型，更好發揮其高效作用。

　　2）規范操作，鉆頭仍發生復合片掉片，則是復合片焊接問題，應購置質量合格的復合片鉆頭。

　　3）在軟巖中鉆進，盡量采用低鉆壓，高轉速，大泵量進行鉆進。在硬巖中鉆進，盡量采用較高的鉆壓，高轉速，泵量適量進行鉆進，但要保證鉆孔巖粉充分清洗和鉆頭充分冷卻。

　　4）根據地層，要及時調整鉆進參數，防止采用固定參數鉆至終孔，使鉆進參數盡量與地層匹配合理，這樣既能提高鉆孔質量，又能提高鉆孔效率。

　　5）提鉆后，加強對復合片鉆頭磨損檢查分析，判斷孔內情況，查找非正常磨損原因，并采取調整措施，減少鉆頭非正常磨損。

　　6）采用復合片不取芯鉆頭鉆進時，加強孔斜測量，同時司鉆要精細操作，防止巖層變化處發生孔斜變化過大。

　　4 結論

　　經過不同工程的應用，采用復合片鉆頭鉆孔，有以下優點：

　　4.1 適用不同硬度的巖石，使用范圍廣，完全滿足鉆孔質量標準

　　4.2 復合片鉆頭具有超強的耐磨性，使用壽命比其他鉆頭長（耐用、經濟）

　　4.3 復合片鉆頭鉆進便于司鉆掌握操作，并且操作方便

　　復合片鉆頭具有上述鉆孔質量可靠、經濟實用、便于操作的優點，因此在灌漿工程鉆孔施工中，復合片鉆頭鉆進是值得推廣的一種鉆進方法。