聲波鉆進和寶長年LS250聲波鉆機

顏純文

(中國地質裝備集團有限公司，北京 100102)

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聲波鉆進和寶長年LS250聲波鉆機

顏純文

(中國地質裝備集團有限公司，北京 100102)

聲波鉆進是一種新的鉆探技術方法，由于具有鉆進速度快、巖土樣保真度高、施工安全性好和環境污染少等優點，被廣泛應用于環境鉆探、礦物勘探、巖土工程勘察與施工等領域。本文主要介紹了聲波鉆進的工作原理、鉆進過程、主要優點、應用領域，以及美國寶長年公司最新研制的LS250小型聲波鉆機的主要特點和技術性能參數。

聲波鉆進；鉆機；振動器；勘探；勘察

0 引言

聲波鉆進(sonic drilling)，又稱為回轉聲波鉆進或振動鉆進，它是利用高頻振動力、回轉力和壓力三者結合在一起使鉆頭切入土層或軟巖進行鉆探或其他鉆孔作業的一種新型鉆探技術。 國外在20世紀70年代研制成功適用于鉆進的小功率振動器后，由于具有鉆進速度快，巖土樣品保真度高等優點，80年代開始在美國的環境鉆探中得到廣泛應用；90年代后經過不斷改進而日趨成熟，鉆探工作量不斷增加，出現了許多聲波鉆進承包商和一些聲波鉆機制造商，如美國的寶長年(BoartLongyear)公司、加拿大的聲波鉆機(Sonic Drill)公司和MIP鉆井公司、英國的聲波鉆進供應商(Sonic Drilling Suppliers)公司、以及日本的利根鉆探(Tone Boring)公司等。

目前，除美國外，聲波鉆進技術在加拿大、英國、荷蘭、澳大利亞、日本等國家也得到了廣泛應用，應用范圍幾乎包括所有的鉆探領域，主要是環境鉆探、砂礦勘探、地震爆破孔鉆進、水文水井鉆進、巖土工程勘察與施工等。

在我國，無論是聲波鉆進的應用還是聲波鉆機的研制目前可以說還是處于起步階段。2011年8月，中國煤炭地質總局第二勘探局與中國地質大學(北京)聯合研制出YSZ-50型聲頻振動鉆機，并先后成功應用于尾礦壩勘查、大壩監測、鋼板樁施工。隨后，無錫金帆鉆鑿設備股份有限公司引進日本利根公司聲波動力頭技術，研制了YGL-S100和YGL-S50型聲波鉆機。中國地質大學(武漢)和無錫金帆鉆鑿設備股份有限公司還針對松散地層專門研制聲波鉆機配套鉆具，提高了聲波鉆進繩索取心的效率和質量。

1 聲波鉆進工作原理及應用

1.1 工作原理

聲波鉆進是利用高頻共振能量將巖心管和套管推進到巖土層中。鉆進時，共振能量通過鉆柱傳遞到鉆頭工作面，同時低速回轉的鉆柱將能量平均分配到鉆頭工作面上。由于振動頻率屬于較低的機械波振動范圍，能夠引起人的聽覺，因此稱之為聲波鉆進。

聲波鉆進的主要設備是聲波動力頭(見圖1)，它比標準的回轉動力頭大，由液壓馬達驅動，主要包括回轉機構和振動器(見圖2)。振動器由兩個旋轉方向相反的擺輪組成，能夠產生可調節的高頻振動。動力頭的高頻振動和低速回轉作用，再加上向下的壓力，使鉆管柱和環形鉆頭不斷向巖土層推進。另外，動力頭內獲得專利的空氣彈簧隔離系統可將振動和鉆機本身隔離，而將該能量直接傳遞到鉆柱上。

圖1 聲波鉆機動力頭

圖2 聲波振動器示意圖

鉆機操作人員可以控制振動器產生的工作能量大小，以便與所鉆進的地層相匹配，達到最佳的鉆進速度。當振動器的振動頻率與鉆柱的自然諧振頻率一致時，就會產生共振。此時，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。高頻振動作用使鉆頭的切削刃以切削、剪切、斷裂的方式排開其鉆進路徑上的物質，甚至還會引起周圍土層顆粒液化，使鉆進變得更加容易。同時，振動作用把土層顆粒從鉆具的側面移開，從而大大降低了鉆具與孔壁之間的摩擦阻力，因此鉆進速度極快，在許多地層中鉆速可高達300 mm/min。

1.2 技術優勢

與其他鉆進方法相比，聲波鉆進技術具有如下優點：

(1)鉆進速度快。與傳統的覆蓋層鉆進相比，聲波鉆進有效地結合振動、回轉和加壓鉆進，特別是振動作用可將土粒排開，并使土壤產生液化，從而可以獲得較高的鉆進速度。一般情況下，聲波鉆進比常規回轉鉆進和螺旋鉆進速度快3～5倍，在某些地層中可高達9倍。

(2)巖土樣品保真度好。聲波鉆進時對周圍地層的干擾小，可在覆蓋層和軟巖中采集直徑大(100～300 mm)、代表性強、保真度好的連續巖土樣品，從而可準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)環境污染少。一般情況下，聲波鉆進不需采用泥漿和添加劑或其他洗孔介質，鉆進產生的廢棄物比常規回轉鉆進少70%～80%，大大減少了鉆井液對環境的污染。

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

(5)鉆進成本低。與傳統的鉆進方法相比，聲波鉆進由于速度快，縮短了施工周期，降低了勞動力費用；而且鉆進時產生的廢物少，減少了現場清理的費用；加上獲取的巖土樣品準確，地質信息可靠，帶來了較好的間接效益。

(6)適應性廣。聲波鉆進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、灰巖、頁巖、板巖等，可有效采集連續、干擾小的巖土樣品。

1.3 應用領域

由于具有上述無可比擬的優點，決定了聲波鉆進可應用于諸多鉆探領域，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、監測井施工和水樣采集、降水或繩索取心。

(2)環境鉆探。由于鉆進過程中連續下入套管，并且不使用或使用少量鉆井液，消除了交叉污染的風險，能采集高保真的樣品(見圖3)，因而是環境鉆探最佳的選擇。

(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巖土樣，為獲取準確的巖土力學性質、水文地質和地球化學信息等提供了理想的手段。

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

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

(6)巖土工程施工?？捎糜诨炷凉嘧?、鋼板樁、土釘、錨樁、壓裂孔、灌漿孔、錨索孔等工程施工。

圖3 聲波鉆進采集巖土樣品

2 聲波鉆進過程

根據地層條件、取樣對象和取樣要求不同，聲波鉆進可采用幾種鉆進方法，最常用的是采用內層鉆管和外層套管的雙管系統。內層鉆管包括鉆桿、巖心管和鉆頭，外層套管包括套管和鉆頭。鉆進時，外層套管既可與內層鉆管同時向下推進，也可超前內層鉆管推進；或者內層鉆管先向下推進一定深度后，再推進外層套管和采集非擾動的連續巖土樣品并提出鉆孔，此時外層套管可對鉆孔起到保護作用，防止鉆孔坍塌，并且可防止多層含水層的交叉污染。

典型的聲波鉆進施工步驟(見圖4)如下：

圖4 典型的聲波鉆進施工步驟

步驟1：推進內層鉆管

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

步驟2：推進外層套管

內層鉆管推進一定深度后(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到土層，以保證提取巖土樣時孔壁的穩定。

步驟3：提取巖土樣

外層套管保持在原位不動，將巖心管提出地面并將巖土樣取出。

步驟4：再次推進內層鉆管

重復上述步驟，直至設計深度。

3 寶長年公司LS250小型聲波鉆機

目前，美國寶長年公司研制了LS250和LS600兩種型號的聲波鉆機，適用于不同的地層條件和鉆進深度，其技術性能參數見表1。

最新研制的LS250型小型聲波鉆機(見圖5和圖6)是一款結構緊湊型鉆機，非常適用于環境監測、巖土工程勘察、水井施工和采礦等領域，具有很強的適用性和可靠性，該鉆機的主要特點包括：

(1)互鎖的回轉圍欄打開時，動力頭的回轉速度自動降低，提高了安全性，也可根據歐洲最新的安全標準EN16228獲得CE認證；

(2)鉆機的結構緊湊，可放在集裝箱內運輸，鉆機墊的尺寸??；

(3)鉆桿處理裝置允許在水平方向上鉆桿或套管，然后執行機構再將鉆桿或套管從垂直方向與動力頭連接，進一步提高了施工的安全性；

(4)采用先導控制液壓系統，使鉆機的操作和維護方便；

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

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

表1 LS250和LS600聲波鉆機的主要技術性能參數

續表1

續表1

(7)橡膠履帶寬度大(600 mm)、接地壓力小(28 kPa)，適用于大多數環境敏感地表或不穩定地面，以及難進入施工現場；

(8)配置符合Tier 4i標準的發動機，空轉時的噪音僅74 dB，滿負荷鉆進時不超過99 dB。

圖5 LS250聲波鉆機

圖6 小型聲波鉆機施工現場

4 結語

聲波鉆進是一種先進的施工新技術，具有鉆進速度快、巖土樣保真度好、施工安全性好和環境污染少等許多優點，在深厚覆蓋層等復雜地層，尤其能顯示出其獨特的優勢。在國外，聲波鉆進已廣泛適用于環境勘察、砂金地質勘探、工程勘察以及地源熱泵孔、大壩及尾礦監測孔、邊坡加固、微型樁、水井孔等施工。在國內，聲波鉆進的應用剛剛起步，隨著環境保護日益受到重視，其應用會越來越多。

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2016-08-28

顏純文(1960-)，男，教授級高工，享受國務院特殊津貼專家，中國地質裝備集團有限公司《地質裝備》副主編，中國地質學會非開挖技術專業委員會副主任委員，長期從事巖土工程和非開挖技術科技信息分析研究工作，北京市朝陽區望京西園221號博泰大廈5層，Tel：010-64843889，Email：yan64843889@126.com。

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