巖土工程師輔導(dǎo)：探深孔帷幕灌漿孔斜成因與處理(1)

　　摘要：在深孔帷幕灌漿鉆孔施工中，孔斜控制具有重要意義。著重探討孔斜成因及其不良影響，介紹了孔斜的預(yù)防和處理措施，對(duì)保證鉆孔方向的重要性提出了商榷性的建議。

　　關(guān)鍵詞：鉆孔方向 孔斜成因 孔內(nèi)事故 鉆進(jìn)效率 鉆孔質(zhì)量 連續(xù)帷幕

　　1、引言?

　　為保證大壩地基安全，深孔帷幕灌漿質(zhì)量與否是至關(guān)重要的。事實(shí)上，因?yàn)楦鞣矫娴脑颍@孔與設(shè)計(jì)方向往往會(huì)產(chǎn)生不一致的偏斜變化。如果鉆孔產(chǎn)生的偏斜度很小，其影響是不大的;假如偏斜度嚴(yán)重發(fā)展，不僅對(duì)鉆進(jìn)質(zhì)量、事故發(fā)生率、鉆進(jìn)效率等方面產(chǎn)生不良的影響，而且會(huì)嚴(yán)重影響具有一定防滲標(biāo)準(zhǔn)的“連續(xù)帷幕”的形成，使灌漿質(zhì)量不能達(dá)到要求，以致不得不進(jìn)行一定量的補(bǔ)充灌漿，從而使帷幕的造價(jià)提高。所以，我們不得不對(duì)孔斜由發(fā)生到處理等一系列技術(shù)問(wèn)題加以掌握，以便在深孔帷幕灌漿中將孔斜控制在規(guī)程要求的容許偏差值內(nèi)。在此，主要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)性地探討深孔帷幕灌漿孔斜成因及其防治措施，以供借鑒。?

　　2 、孔斜成因分析

　　孔斜作為鉆孔事故產(chǎn)生的原因較多，視其主客觀因素可歸納為地質(zhì)條件不良，技術(shù)條件不適宜，操作方法不當(dāng)?shù)?個(gè)方面。?

　　2.1 地質(zhì)條件不良?

　　在地質(zhì)條件方面，集中表現(xiàn)在鉆孔內(nèi)巖石的力學(xué)性質(zhì)上，主要為：

　　(1)鉆進(jìn)松散覆蓋層時(shí)，覆蓋層越厚，越容易改變鉆孔的方向。其主要原因是覆蓋層具有較強(qiáng)的活動(dòng)性，鉆出的鉆孔孔徑較大時(shí)，勢(shì)必對(duì)粗徑鉆具不能形成強(qiáng)有力的控制，因而不能保證鉆進(jìn)方向的一致性;

　　(2)在有一定傾角的、軟硬交替的巖石中鉆進(jìn)，由于鉆頭在同一接觸面上有軟硬不同的巖層，因此，可鉆性不同的巖層會(huì)產(chǎn)生不同的鉆進(jìn)速度，從而改變鉆頭的鉆進(jìn)方向;

　　(3)在厚度大、破碎較嚴(yán)重的巖層中鉆進(jìn)，其鉆孔孔徑也較大，粗徑鉆具在鉆進(jìn)方向上不容易被控制。此外，破碎巖層往往是軟硬巖層共存，因此，鉆頭容易改變方向;?

　　(4)砂卵石層中鉆進(jìn)，鉆孔最容易偏斜。因?yàn)榈[石的圓滑對(duì)鉆頭產(chǎn)生偏滑作用，形成不均衡的阻力，易改變鉆頭前進(jìn)的方向;?

　　(5)在遇到溶蝕孔洞、大斷裂帶或老空洞等情況時(shí)，亦會(huì)產(chǎn)生鉆孔的偏斜。

　　2.2 技術(shù)條件不適宜

　　因采用與實(shí)際不相宜的技術(shù)措施造成的鉆孔偏斜，主要表現(xiàn)為：?

　　(1)在開孔鉆進(jìn)或淺孔階段的鉆進(jìn)中，鉆機(jī)立軸與鉆孔不在同一條中心線上，這會(huì)直接影響鉆孔偏斜;使用過(guò)高的立軸鉆桿與磨損較嚴(yán)重的立軸鉆桿定向套管，容易使立軸產(chǎn)生較大的擺動(dòng)，直接影響到鉆頭在孔底鉆進(jìn)時(shí)的不穩(wěn)定性;帷幕深孔一般都要安裝孔口管，如果孔口管不正，也會(huì)直接影響到開孔鉆進(jìn)時(shí)的方向;?

　　(2)使用了彎曲的鉆具或過(guò)短的巖心管。巖心管、鉆桿等的彎曲，都會(huì)使鉆具連接后不正，從而影響鉆進(jìn)的方向。使用過(guò)短的巖心管，在孔內(nèi)歪斜時(shí)，比長(zhǎng)巖心管的歪斜度更大，產(chǎn)生的孔斜度也更為嚴(yán)重;?

　　(3)在由大孔徑換小孔徑或擴(kuò)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，因?yàn)榭妆诟鞑坑捕炔灰?，孔徑大小也不一致，換徑后的鉆頭很難保持在與原孔中心線一致的方向向下鉆進(jìn);?

　　(4)孔徑越大，受壓鉆桿產(chǎn)生的彎曲、拉伸、扭曲也會(huì)增大，使鉆頭在孔底鉆進(jìn)時(shí)不穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而使鉆進(jìn)方向發(fā)生變化;?

　　(5)金剛石鉆頭胎體硬度不一致與金剛石顆粒分布不均一，或硬質(zhì)合金鉆頭底出刃尺寸不同，也會(huì)直接影響到鉆進(jìn)方向的改變。

　　2.3 操作方法不當(dāng)?

　　操作方法的不當(dāng)往往是產(chǎn)生鉆孔偏斜的直接原因。?

　　(1)鉆進(jìn)時(shí)過(guò)大的加壓，使鉆桿產(chǎn)生多段處的嚴(yán)重彎曲，特別是在不利的地質(zhì)條件下，對(duì)產(chǎn)生鉆孔偏斜的影響會(huì)更大;?

　　(2)使用磨損過(guò)鈍的金剛石或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，會(huì)因在金剛石顆粒或合金粒向巖石內(nèi)切入不穩(wěn)定的情況下，容易改變鉆頭的鉆進(jìn)方向;?

　　(3)在松散易坍塌的巖層中鉆進(jìn)，沖洗液的排量過(guò)大，壓力過(guò)高，特別是使用粘度很小的泥漿或清水作沖洗液時(shí)，會(huì)較嚴(yán)重地破壞孔壁，造成孔內(nèi)某一局部的坍塌，使孔徑擴(kuò)大。

　　由此不易控制鉆桿過(guò)大的彎曲，致使粗徑鉆具容易產(chǎn)生偏斜。?

　　3、孔斜對(duì)產(chǎn)生孔內(nèi)事故的影響?

　　鉆孔一旦發(fā)生較嚴(yán)重的孔斜，將會(huì)給鉆孔施工過(guò)程帶來(lái)很多難題。嚴(yán)重的孔斜，不僅會(huì)加劇孔內(nèi)事故的發(fā)生，而且會(huì)增加已發(fā)事故處理的復(fù)雜性。?

　　3.1 孔斜會(huì)加劇孔壁坍塌、掉塊、巖層錯(cuò)動(dòng)等地質(zhì)因素所易造成的孔內(nèi)埋鉆、卡鉆擠夾等事故在松軟、破碎的巖層中鉆孔，不采取有效的護(hù)壁措施，就有可能產(chǎn)生孔壁坍塌，造成鉆具的埋擠、陷埋事故;在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地層中鉆進(jìn)，當(dāng)遭遇到局部地層結(jié)構(gòu)不堅(jiān)固、不完整時(shí)，會(huì)因巖層自身牢固性不夠，鉆桿在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)碰打，沖洗液沖刷破壞，使其部分巖石破裂而掉入孔內(nèi)，造成鉆具的擠夾，給鉆具的提升或下降帶來(lái)困難;在節(jié)理多、傾角大、破碎多等容易活動(dòng)的巖層內(nèi)鉆孔，往往會(huì)發(fā)生成批的巖石塊(孔壁巖石)向孔內(nèi)滑動(dòng)，使鉆孔變形，產(chǎn)生因巖層部分錯(cuò)動(dòng)的卡鉆擠夾事故。?

　　如果鉆孔在上述部位發(fā)生了較為嚴(yán)重的偏斜，會(huì)很容易產(chǎn)生孔壁坍塌、掉塊、巖層錯(cuò)動(dòng)，使原有地層的活動(dòng)性增加，穩(wěn)定性減弱，影響范圍也相應(yīng)擴(kuò)大，使孔內(nèi)埋鉆、卡鉆、擠夾事故發(fā)生的頻率增加。?

　　3.2 鉆具折斷事故的機(jī)率增加

　　鉆孔的嚴(yán)重偏斜，使高速回轉(zhuǎn)的鉆具在孔壁巖石的磨擦作用下，磨損相當(dāng)嚴(yán)重。鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)因鉆孔較大偏斜產(chǎn)生很大阻力，而此阻力又集中表現(xiàn)在孔內(nèi)的彎曲接觸上。因此，也就使鉆具折斷的機(jī)率增加。

　　3.3 在偏斜度較大的鉆孔內(nèi)，發(fā)生鉆具折斷事故后會(huì)影響事故的正常處理，增加其處理的復(fù)雜性?

　　鉆桿折斷以后，其下部的斷頭會(huì)因孔斜而深藏在大孔徑段內(nèi)，使打撈矢錐不易對(duì)上斷頭;如果鉆孔方位的偏斜變化較為復(fù)雜，盡管孔壁是完整的，打撈矢錐也不易碰上斷頭;假如鉆孔方位的偏斜無(wú)多大變化，也會(huì)因孔斜度較大，打撈矢錐與鉆桿斷頭不容易端正的接觸。在上述情況下，往往不得不改變打撈方法，也就相應(yīng)地增加了打撈時(shí)的復(fù)雜性。?

　　4、孔斜對(duì)鉆進(jìn)效率的影響?

　　鉆孔產(chǎn)生較嚴(yán)重的偏斜，會(huì)使鉆進(jìn)效率大大降低，集中表現(xiàn)在下面3個(gè)方面：?

　　(1)鉆孔偏斜會(huì)使鉆桿在孔內(nèi)隨之發(fā)生彎曲，這樣，當(dāng)回轉(zhuǎn)動(dòng)力由立軸鉆桿向鉆頭傳遞時(shí)，會(huì)使鉆頭的回轉(zhuǎn)非常不穩(wěn)定，造成鉆頭的磨損，降低鉆進(jìn)的效率，鉆進(jìn)進(jìn)尺也會(huì)因此而受到不同程度的影響;?

　　(2)鉆孔偏斜使鉆具與孔壁之間的摩擦力增大，這樣，鉆孔的軸心壓力不能按需要全部作用到鉆頭上，從而影響進(jìn)尺。如果過(guò)分增加壓力，就容易造成鉆具折斷;?

　　(3)由于鉆孔偏斜比較嚴(yán)重，不能使用快速鉆進(jìn)的方式鉆孔。因此，快速鉆進(jìn)容易導(dǎo)致鉆具折斷。?

　　由此可見，孔斜對(duì)鉆進(jìn)效率的影響體現(xiàn)在進(jìn)尺的快慢上，因鉆孔偏斜致使鉆具折斷事故的增多，勢(shì)必需要浪費(fèi)大量時(shí)間用于孔內(nèi)事故的處理，使單位進(jìn)尺減少，效率降低。同時(shí)，鉆孔偏斜造成的鉆具磨損，使鉆具使用壽命降低，單位進(jìn)尺的材料消(損)耗量增加，造價(jià)提高，相應(yīng)地降低了鉆具的鉆進(jìn)效率。在帷幕灌漿中，鉆孔的費(fèi)用和工時(shí)一般占1/3~1/2以上，因此設(shè)法提高鉆進(jìn)效率，具有十分重要意義。?

　　5、孔斜對(duì)鉆孔質(zhì)量的影響?

　　5.1 鉆孔地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性受懷疑?

　　在進(jìn)行灌漿孔特別是帷幕灌漿深孔的鉆進(jìn)中，要求對(duì)巖層巖性以及孔內(nèi)各種情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，便于在研究灌漿資料時(shí)分析灌漿質(zhì)量，了解不同巖層的可灌性，分析防滲帷幕的效果。但鉆孔偏斜后使所要了解的地質(zhì)資料不準(zhǔn)確，表現(xiàn)在以下3方面：

　　(1)對(duì)巖層或構(gòu)造帶的空間位置、厚度、結(jié)構(gòu)的分析有直接影響。一般在進(jìn)行深孔帷幕灌漿施工之前都要選取一部分Ⅰ序孔，將其作為先導(dǎo)孔施工，以便進(jìn)一步查明地質(zhì)勘探資料的正確性，了解巖層及構(gòu)造帶的分布狀況，將其灌漿成果資料用于指導(dǎo)后期各序孔的灌漿施工。但有孔斜以后，對(duì)巖層及構(gòu)造帶產(chǎn)生因孔斜所造成的假厚度，改變了施工目的和要求，使所要了解的內(nèi)容變得模糊，在根據(jù)各先導(dǎo)孔地質(zhì)資料進(jìn)行巖層對(duì)比及灌漿分段等方面都會(huì)發(fā)生困難;

　　(2)鉆孔產(chǎn)生偏斜會(huì)破壞灌漿孔間的合理孔距。因此，會(huì)產(chǎn)生部分無(wú)效進(jìn)尺，甚至只有采取補(bǔ)孔的辦法來(lái)彌補(bǔ)因孔斜帶來(lái)的負(fù)面影響。有時(shí)，因鉆孔偏斜太大及其偏斜方向巧合，鉆孔的下部會(huì)鉆至臨近孔中或穿過(guò)臨近鉆孔，使鉆孔下部的進(jìn)尺無(wú)效。再進(jìn)行補(bǔ)孔時(shí)，無(wú)疑會(huì)造成很大浪費(fèi);?

　　(3)鉆孔偏斜后，鉆頭在孔內(nèi)的回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，致使采取到的巖心很細(xì)，甚至保存不住巖心，嚴(yán)重地影響巖心的采取率。?

　　5.2 灌漿施工因孔斜而不能正常進(jìn)行?

　　有了良好的灌漿孔，才能實(shí)行良好的灌漿。鉆孔偏斜必然會(huì)使灌漿孔的孔壁不圓和不平整，給安設(shè)栓塞造成困難。帷幕灌漿一般采用孔口封閉器的方式灌注，大多數(shù)將鉆桿作為射漿管用，因有鉆孔孔壁的彎曲，鉆桿在孔內(nèi)也呈彎曲狀態(tài)，在灌漿特別是灌注濃漿時(shí)，很容易發(fā)生“固死”鉆桿的現(xiàn)象，從而影響灌漿的順利進(jìn)行。?

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