地质钻机倒垂钻进施工工法在新沂河海口控制工程的应用

地质钻机倒垂钻进施工工法 在新沂河海口控制工程的应用

俞俊秋黎昱韩亮

一、概况

在岩土工程检测、监测、钻井工程 中，一般对钻孔垂直精度要求较高，目 的是检测出受检桩体(墙体)长度、受 检体完整性、底端沉渣厚度，以保证孔 内安放的设备能达到设计位置。受地 层、钻进操作方法、钻探设备等因素影 响，钻孔易发生偏斜、弯曲，垂直精度 难以满足设计要求，造成岩土工程基 桩(或墙体)检测钻孔达不到桩底，对 桩长、受检体完整性、底端沉渣厚度无 法评判，孔内安放的设备仪器不能满 足设计要求，钻孔质量和工作效率受 到影响。

江苏省淮沭新河管理处为提高新 沂河海口控制工程建筑物沉降观测的实现CAD模型向适合有限元分析的模 型的转换。Hypermesh和MSC.Marc软 件之间通过写出、读人文本格式的数据 文件通过参数和载荷信息的设置来传 递有限元模型的节点、单元信息等信 息。三者之间的集成结构如图3。

三、多软件集成协作有限元分析 的步骤

Stepl:根据水利工程分析任务， 用AutoCAD建立模型，输出的模型数 据文件必须为.* . dxf#格式，以实现 Hypermesh软件的正确读取。

Step2:打开 Hypermesh 软件，点

准确性，同时在管理区域内建设必要 的岩基观测标点作为精度较高的引据 点，拟于新沂河海口控制工程范围内 建立一个专用的、可靠的！等水准点。 要求通过钻探成井，同时安装岩基观 测标点的保护管、标管、主副标头、灌 注蒽油并设置保护井，为新沂河海口 控制工程的建筑物沉降观测提供可靠 的岩基观测标点。

二、场地及地质条件1.场地及区域地质

场地位于苏北黄淮平原区。根据 《江苏省环境水文地质图集》，场地地 貌类型为海积平原中的海湾低平原， 地势较平坦，地面高程\"~5m。场地地 面高程3.2m左右。场地处于下扬子准击 File > Import > Geom，选择dxf# 格式导人CAD文件，读取时依据实际 需要调整模型比例因子和设置几何单 元清理修整时的容差。然后生成控制 几何点线剖分平面单元并自动生成三 维单兀。利用“defeature”等功能进行 模型清理修整，剔除不必要的细节特 征等。最后认真检查模型及边界条件 添加无误后，将写出的模型文件存储 为.* . dat#格式，以实现MSC. Marc 软件的正确读取。

Step3:在Marc静态菜单的. Files# 中，将.* . dat# 文件.read# 进来

即可，读取后即可 在MSC. Marc中进 行边界条件定义、 材料特性选择、求 解及后处理。在 MSC. Marc求解的

图3

多软件集成协作有限元分析流程图

过程中，可以利用

地台盐阜凹陷的西北边缘，太古界一下 元古界区域中深变质岩系组成基底，白 垩纪至第三纪沉积了一套碎屑岩系，上 覆100多米厚的第四系海陆交互沉积地 层。场地西北约35km有海州一泗阳断裂 带，东南约33km有淮阴一响水口断裂。 场地处于相对稳定的地块上，自新第三 纪以来新构造运动表现为缓慢地上下振 荡运动，区域构造稳定性较好。

2.岩基观测标点岩土层 Q4m(第四系全新统人工填土）(1 )0~3.7m >素填土，浅黄色，主要由 河道开挖回填而成，可塑，表层30cm含 植物根系。

Q4(第四系全新统海积土） (2)3.7~15.5m:淤泥，灰色，流塑，土共享文件夹、修改注册系统注册表和设 定服务器的方法，实现MSC. Marc软件的 多台计算机的并行计算，从而更加高效 地实现整个有限元模型的仿真分析。

根据上述步骤，通过各软件间的接 口连接和程序的二次开发，就实现了从 CAD建立平面的模型，到导人 Hypermesh进行有限兀网格剖分的前处 理，最后在MSC. Marc中进行有限元模型 计算和后处理的全过程。

四、结语

本文通过对有限元分析原理和各软 件特点的介绍，探讨了 Hypermesh、MSC. Marc和AutoCAD软件集成协作的可能 性，并研究了具体的多软件集成的有限 元分析过程。为解决大型水利工程复杂 多变的有限元仿真分析， 提供了高效可 行的科学依据■

(作者单位：安徽省（水利部淮河水 利委员会)水利科学研究院233000)

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I【科技推广与应用

质较均匀，局部夹粉砂薄层，偶见贝壳 碎片。

(3)

一般，锤击易碎，局部夹泥质砂岩薄 层，胶结差、易碎。

15.5~29.6m 6淤质粉质粘土，灰 (20)198.6~207.8m:砂质泥岩，灰

白色夹灰绿色，泥质胶结，胶结程度一 般，锤击易碎，局部夹泥质砂岩薄层， 205.5m以下砂质含量高。

PtE(中上元古界海州群云台组）(21 )207.8~210.8m:片麻岩，中等 场地处于下扬子准地台盐阜凹陷的 西北边缘，太古界一下元古界区域中深 变质岩系组成基底，白垩纪至第三纪沉 积了 一套碎屑岩系，上覆148.2m厚的第 四系海陆交互沉积地层。土层钻探采用 泥浆护壁。第四纪土层采用无芯钻进，基 岩采用取芯钻进。取芯钻进过程中，严格 控制回次进尺和水泵供水量，杜绝超管 色，软塑，土质均匀，局部夹粉砂薄层； 局部夹钙质结核，直径2~7cm不等。

(4)29.6~37m:粉质粘土，灰绿 色一浅黄色夹灰黄色，可塑一硬塑，局 部夹粉土、粉砂薄层。

-3~(第四系上更新统冲洪积土）(5)

37~42m:粉砂，浅灰色色，密实，含云母碎片。

(6)

42~52m:粉质粘土，灰硬塑，夹粉土薄层。

(7)

52~62m:粉砂，浅灰黄实，局部为粉质粘土混砂，含云母碎片。

(8)

62~70m:粘土，褐黄夹色，硬塑，含铁锰质结核。

(9)

70~75m:粉质粘土，灰黄硬塑，局部夹少量粉土薄层。

(10)

75~80m:粘土，褐黄色塑，含大量钙质结核，直径6~10+m不 等，分布不均匀。

(11)

80~91m:粘土，褐黄色塑，含铁锰质结核及少量钙质结核。

(12)

91~95m:粘土，黄色，硬含有少量细中砂，切面光滑。

(13)

95~113m:粘土，灰白色塑，杂少量中砂。

(14)

113~130m:粗砂，灰白色实，夹粘土团块，局部粘粒含量较高。

(15 ) 130~134.5m:粘土，灰白色夹 浅黄色，硬塑混砂。

(16)

134.5~148.2m:细砂，色，密实，混有粘性土团块。

白垩系上统王氏组）(17)

148.2~157.5m:砂质泥白色，泥质胶结，中厚层构造，手捏易 碎，胶结程度一般，遇水易软，夹泥质 砂岩层及团块。

(18) 157.5~172m:泥质砂岩，灰白色，细粒结构，中厚层构造，泥质胶结， 局部胶结较好，夹砂质泥岩薄层、团 块，手捏易碎。

(19) 172~198.6m:砂质泥岩，灰白色，泥质胶结，中厚层构造，胶结程度

风化，灰青夹灰绿色，变晶结构，片麻

状黄构 造，岩芯上部成碎块状，下部为柱

状，岩石坚硬，锤击声脆。

色， 三、 钻进方案设计

1. 项目难点分析

，密 岩基观测标点作为精度较高的引

据点，其自身的稳定尤为重要。中上元

古界海州群云台组片麻岩历史年代久 黄

远，稳定性高，抗压强度150MP.，

强度 色高， ，承载力可满足标管地基要求，选择

该层片麻岩为标管持力层，沉降可忽

，略硬 不计。岩基观测标点埋深大，在深度

142.2m以上为土层，有淤泥、淤泥质 粉质粘土、粘土、砂土，在钻机钻进过

，程硬 中会遇到淤泥、淤泥质土缩颈，砂土

坍塌等风险。岩基观测标点埋深

塑210.8， m，如何保证钻孔的垂直度也是

该项目最大的难点。

，硬 2. 钻孔设计

为解决淤泥、淤泥质土缩颈，砂土

，坍密 塌等问题，采用泥浆护壁、套管跟进

的钻进工艺，开孔孔径为219mm，钻 至199m(该深度的地层为白垩系砂质 泥岩)，安装直径168mm保护管，后使

用白直 径150钻具钻至预定深度。

3. 钻孔垂直度方案设计

针对岩土工程钻孔过程中钻孔垂

，直灰

精度不能保证的难题，从2003年开 始对倒垂钻进成孔技术进行研究，研 制出一种实用的倒垂钻进导向装置和 钻杆扶正装置，并申领了水利水电工 程建设工法证书和实用新型专利证 书。利用该倒垂钻进导向装置和钻杆 扶正装置，钻孔深度、钻孔垂直度都能 满足技术要求。

四、 岩基观测标点施工过程及质量控制

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钻进，并轻压慢钻，岩芯采取率均达到 90<以上。利用倒锤孔导向装置和钻杆扶 正装置保证成孔质量，岩基观测标点成 井过程中，分别于50.3m、104.65m、 152.35m和190.35m四个位置进行了深 度校正，深度误差均为0;并用KXP-2D (M)数字罗盘(多点)测斜仪对钻孔的倾 斜度进行了测量，分别于51m、103m、 149m和198m处进行了 4次测斜，测斜 结果分别为 0.26?、0.21。、0.31。和 0.41 。，达到了预期孔斜控制在1°/100m范 围内的要求。岩基观测标点的成井终孔 深度为210.8m，测深、测斜均满足技术要 求，依次安装保护管、标管、主标头和副 标头，将岩基观测标点移交给新沂河海 口控制工程管理所，顺利通过有关专家 和验收会的审查。

五、结论

采用地质钻机倒垂钻进施工工法， 利用倒垂孔导向装置和钻杆扶正装置， 岩基观测标点成井顺利，成井垂直精度 高，井内设备安装质量符合规范要求。

地质钻机倒垂钻进施工工法关键技 术“倒垂孔导向装置”和“钻杆扶正装 置”结构简单，可根据钻孔孔径大小灵 活改进尺寸，加工方便，制造成本低。与 现有的钻具可随意搭配，在实际钻进过 程中具有操作方便、易于排出孔底岩粉 等优点。

地质钻机倒垂钻进施工工法在水 利、桥梁、房屋等工程中可解决岩土工程 基桩及地下混凝土连续墙体检测、基岩 标成井等钻孔垂直精度要求高的成孔技 术难题，该新技术具有良好的社会推广 价值！

(作者单位：江苏省工程勘测研究院

有限责任公司225002)

，灰黄色灰灰岩