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淺探深孔帷幕灌漿孔斜成因與處理論文
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。事實上，因為各方面的原因，鉆孔與設(shè)計方向往往會產(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；假如偏斜度嚴重發(fā)展，不僅對鉆進質(zhì)量、事故發(fā)生率、鉆進效率等方面產(chǎn)生不良的影響，而且會嚴重影響具有一定防滲標準的“連續(xù)帷幕”的形成，使灌漿質(zhì)量不能達到要求，以致不得不進行一定量的補充灌漿，從而使帷幕的造價提高。所以，我們不得不對孔斜由發(fā)生到處理等一系列技術(shù)問題加以掌握，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)實際經(jīng)驗，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?shù)?個方面。
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）鉆進松散覆蓋層時，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的活動性，鉆出的鉆孔孔徑較大時，勢必對粗徑鉆具不能形成強有力的控制，因而不能保證鉆進方向的一致性；
（2）在有一定傾角的、軟硬交替的巖石中鉆進，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產(chǎn)生不同的鉆進速度，從而改變鉆頭的鉆進方向；
（3）在厚度大、破碎較嚴重的巖層中鉆進，其鉆孔孔徑也較大，粗徑鉆具在鉆進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，鉆孔最容易偏斜。因為礫石的圓滑對鉆頭產(chǎn)生偏滑作用，形成不均衡的阻力，易改變鉆頭前進的方向；
（5）在遇到溶蝕孔洞、大斷裂帶或老空洞等情況時，亦會產(chǎn)生鉆孔的偏斜。
2.2 技術(shù)條件不適宜
因采用與實際不相宜的技術(shù)措施造成的鉆孔偏斜，主要表現(xiàn)為：
（1）在開孔鉆進或淺孔階段的鉆進中，鉆機立軸與鉆孔不在同一條中心線上，這會直接影響鉆孔偏斜；使用過高的立軸鉆桿與磨損較嚴重的立軸鉆桿定向套管，容易使立軸產(chǎn)生較大的擺動，直接影響到鉆頭在孔底鉆進時的不穩(wěn)定性；帷幕深孔一般都要安裝孔口管，如果孔口管不正，也會直接影響到開孔鉆進時的方向；
（2）使用了彎曲的鉆具或過短的巖心管。巖心管、鉆桿等的彎曲，都會使鉆具連接后不正，從而影響鉆進的方向。使用過短的巖心管，在孔內(nèi)歪斜時，比長巖心管的歪斜度更大，產(chǎn)生的孔斜度也更為嚴重；
（3）在由大孔徑換小孔徑或擴孔鉆進過程中，因為孔壁各部硬度不一，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；
（4）孔徑越大，受壓鉆桿產(chǎn)生的彎曲、拉伸、扭曲也會增大，使鉆頭在孔底鉆進時不穩(wěn)定性增強，從而使鉆進方向發(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，也會直接影響到鉆進方向的改變。
2.3 操作方法不當
操作方法的不當往往是產(chǎn)生鉆孔偏斜的直接原因。
（1）鉆進時過大的加壓，使鉆桿產(chǎn)生多段處的嚴重彎曲，特別是在不利的地質(zhì)條件下，對產(chǎn)生鉆孔偏斜的影響會更大；
（2）使用磨損過鈍的金剛石或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進，會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方向；
（3）在松散易坍塌的巖層中鉆進，沖洗液的排量過大，壓力過高，特別是使用粘度很小的泥漿或清水作沖洗液時，會較嚴重地破壞孔壁，造成孔內(nèi)某一局部的坍塌，使孔徑擴大。
由此不易控制鉆桿過大的彎曲，致使粗徑鉆具容易產(chǎn)生偏斜。
3、孔斜對產(chǎn)生孔內(nèi)事故的影響
鉆孔一旦發(fā)生較嚴重的孔斜，將會給鉆孔施工過程帶來很多難題。嚴重的孔斜，不僅會加劇孔內(nèi)事故的發(fā)生，而且會增加已發(fā)事故處理的復(fù)雜性。
3.1 孔斜會加劇孔壁坍塌、掉塊、巖層錯動等地質(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，當遭遇到局部地層結(jié)構(gòu)不堅固、不完整時，會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困難；在節(jié)理多、傾角大、破碎多等容易活動的巖層內(nèi)鉆孔，往往會發(fā)生成批的巖石塊（孔壁巖石）向孔內(nèi)滑動，使鉆孔變形，產(chǎn)生因巖層部分錯動的卡鉆擠夾事故。
如果鉆孔在上述部位發(fā)生了較為嚴重的偏斜，會很容易產(chǎn)生孔壁坍塌、掉塊、巖層錯動，使原有地層的活動性增加，穩(wěn)定性減弱，影響范圍也相應(yīng)擴大，使孔內(nèi)埋鉆、卡鉆、擠夾事故發(fā)生的頻率增加。
3.2 鉆具折斷事故的機率增加
鉆孔的嚴重偏斜，使高速回轉(zhuǎn)的鉆具在孔壁巖石的磨擦作用下，磨損相當嚴重。鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)時，會因鉆孔較大偏斜產(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，其下部的斷頭會因孔斜而深藏在大孔徑段內(nèi)，使打撈矢錐不易對上斷頭；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多大變化，也會因孔斜度較大，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)地增加了打撈時的復(fù)雜性。
4、孔斜對鉆進效率的影響
鉆孔產(chǎn)生較嚴重的偏斜，會使鉆進效率大大降低，集中表現(xiàn)在下面3個方面：
（1）鉆孔偏斜會使鉆桿在孔內(nèi)隨之發(fā)生彎曲，這樣，當回轉(zhuǎn)動力由立軸鉆桿向鉆頭傳遞時，會使鉆頭的回轉(zhuǎn)非常不穩(wěn)定，造成鉆頭的磨損，降低鉆進的效率，鉆進進尺也會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，從而影響進尺。如果過分增加壓力，就容易造成鉆具折斷；
（3）由于鉆孔偏斜比較嚴重，不能使用快速鉆進的方式鉆孔。因此，快速鉆進容易導(dǎo)致鉆具折斷。
由此可見，孔斜對鉆進效率的影響體現(xiàn)在進尺的快慢上，因鉆孔偏斜致使鉆具折斷事故的增多，勢必需要浪費大量時間用于孔內(nèi)事故的處理，使單位進尺減少，效率降低。同時，鉆孔偏斜造成的鉆具磨損，使鉆具使用壽命降低，單位進尺的材料消（損）耗量增加，造價提高，相應(yīng)地降低了鉆具的鉆進效率。在帷幕灌漿中，鉆孔的費用和工時一般占1/3~1/2以上，因此設(shè)法提高鉆進效率，具有十分重要意義。
5、孔斜對鉆孔質(zhì)量的影響
5.1 鉆孔地質(zhì)資料的準確性受懷疑
在進行灌漿孔特別是帷幕灌漿深孔的鉆進中，要求對巖層巖性以及孔內(nèi)各種情況進行詳細記錄，便于在研究灌漿資料時分析灌漿質(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)資料不準確，表現(xiàn)在以下3方面：
（1）對巖層或構(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)資料進行巖層對比及灌漿分段等方面都會發(fā)生困難；
（2）鉆孔產(chǎn)生偏斜會破壞灌漿孔間的合理孔距。因此，會產(chǎn)生部分無效進尺，甚至只有采取補孔的辦法來彌補因孔斜帶來的負面影響。有時，因鉆孔偏斜太大及其偏斜方向巧合，鉆孔的下部會鉆至臨近孔中或穿過臨近鉆孔，使鉆孔下部的進尺無效。再進行補孔時，無疑會造成很大浪費；
（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，甚至保存不住巖心，嚴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行
有了良好的灌漿孔，才能實行良好的灌漿。鉆孔偏斜必然會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，很容易發(fā)生“固死”鉆桿的現(xiàn)象，從而影響灌漿的順利進行。
6、孔斜對灌漿質(zhì)量的影響
孔斜所造成的灌漿孔孔距的變化使相鄰孔的有效充填范圍彼此銜接不起來，從而使灌漿帷幕不能達到規(guī)定的防滲標準，灌漿質(zhì)量受到影響。
漿液在巖石縫隙中的擴散范圍受灌漿壓力、漿液性質(zhì)、巖縫發(fā)育特征及施工工藝等因素的影響。同一性質(zhì)的漿液在不同壓力、不同地質(zhì)條件下，擴散充填的范圍差異性很大。灌漿孔距的確定，過去應(yīng)用最多的是憑經(jīng)驗判斷，現(xiàn)在一般是在現(xiàn)場作灌漿試驗。經(jīng)過試驗后確定的孔距相對于某一壩址地質(zhì)狀況來說是較為合理的，它的最主要的特點是，使相鄰灌漿孔漿液的充填范圍能彼此銜接，而且到最后既不會遺留下能導(dǎo)致透水性超過標準的大裂縫，又不使搭接重疊的部分太少，以能形成一個具有一定防滲標準的“連續(xù)帷幕”，又使鉆孔量最少。但鉆孔產(chǎn)生偏斜后，無疑會破壞相鄰鉆孔間漿液充填時的這種“銜接”關(guān)系，灌漿不能達到預(yù)期目的。
7、孔斜的預(yù)防與處理措施
控制鉆孔鉆進方向，使之不發(fā)生嚴重偏斜是一項很復(fù)雜的技術(shù)工作。采取何種技術(shù)措施防止鉆孔偏斜或鉆孔產(chǎn)生嚴重偏斜后如何處理，都必須將影響鉆孔偏斜的3方面因素結(jié)合起來全面加以考慮。
7.1 預(yù)防孔斜的措施
（1）鉆機的安裝要水平牢固，立軸中心與鉆孔中心應(yīng)在同一條垂直線上，并按要求的孔向?qū)士孜婚_孔，以使鉆進中不擺不晃；
（2）孔口管必須牢固并滿足要求，在開孔鉆進與淺孔階段鉆進中，立軸鉆桿不能太長，否則鉆進時擺動性大，致使立軸轉(zhuǎn)動不穩(wěn)，造成鉆具擺動性增大；
（3）使用符合規(guī)格的各種鉆孔器具，并隨時檢查，如發(fā)現(xiàn)有彎曲的鉆具或有磨損較嚴重的立軸導(dǎo)管時，應(yīng)及時更換。在淺孔鉆進階段，一般情況下，使用的巖心管長度較大一些為宜；
（4）孔較深以后，即開始需要從地面減壓鉆進時，特別要注意鉆壓的調(diào)整，同時要注意提升吊環(huán)必須與立軸及鉆孔中心線在一條直線上；
（5）鉆進中，當巖石換層時，不論是由軟變硬還是由硬變軟，或者是由完整變破碎，破碎變完整等情況，均應(yīng)減壓減速鉆進，對其進尺的速度和沖洗液的流量及壓力也應(yīng)加以適當?shù)目刂疲?/p>
（6）鉆進中，應(yīng)勤檢查鉆機有無移動，立軸鉆進的方向有無變化，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時糾正；
（7）為防止孔斜發(fā)生，必須熟悉所使用機械性能和鉆孔方法的特點，經(jīng)常研究，總結(jié)經(jīng)驗。在深孔帷幕的鉆孔中，應(yīng)對孔斜及時測量，及時準確地掌握鉆孔的偏斜情況，以利于及時處理。
7.2 孔斜的處理措施
7.2.1擴孔糾偏法
此種方法適合于淺孔階段中（一般不超過10 m）鉆孔已偏斜嚴重的情況。采取加長粗徑鉆具，并使用比原鉆具直徑至少大一級的鉆具，從孔口或從孔口管底部位置擴下去。可以擴大處理符合要求的鉆孔，矯正鉆孔的方向，防止在繼續(xù)鉆進中該孔偏斜嚴重發(fā)展的情況出現(xiàn)。
7.2.2短鉆具法
在松軟巖層或厚度大的覆蓋層中鉆進時，當鉆孔產(chǎn)生一定偏斜后，可利用較短的粗徑鉆具進行矯正。因為在上述地質(zhì)條件下鉆孔，孔徑一般比較大，而短鉆具在較大孔徑內(nèi)較易改變方向。主要通過用輕壓力慢轉(zhuǎn)速的操作方法，鉆具會因自重垂向鉆進。使用的巖心管長度一般可為1~1.5 m，鉆進3~5 m后進行鉆孔測斜。如果孔斜度已減少，則可使用正常鉆具鉆進；如果沒有矯正過來，則可加長粗徑鉆具，從開始矯正位置掃孔后，即或按原孔斜度鉆進。
7.2.3換徑法
換徑法主要是用比原正常鉆進用的粗徑鉆具小一級或二級直徑且長度短于1.5 m的粗徑鉆具鉆進。因為短細的粗徑鉆具可在較大的孔徑內(nèi)成接近于垂直狀態(tài)。
在進行矯正前，先把孔內(nèi)巖心取凈。鉆進時要輕壓慢速控制給進。鉆進3~5 m后進行測斜。如果孔斜沒有減少，可用原正常鉆具擴下去，待條件成熟后再進行矯正。如果新孔孔斜度有所減少，可換用帶有導(dǎo)向裝置的鉆具進行擴孔，擴完后換用正常鉆具鉆進。在容許的情況下，也可用換徑的鉆具加長后鉆進，直至終孔。
7.2.4控制法
控制法主要是在考慮進行其它矯正方法時有很大困難，或還有不多的距離就抵達終孔的情況下應(yīng)用。這一方法的主要措施是加長粗徑鉆具。一般情況下，加長后的粗徑鉆具不小于原鉆具的2倍。加長粗徑鉆具后，無疑會增大孔壁對整個粗徑鉆具按原方向繼續(xù)鉆進的控制力，使原有的孔斜度不再繼續(xù)擴大，但在操作方法上要嚴格注意。
7.2.5掃孔法
掃孔法是在某一灌漿段鉆孔結(jié)束時進行孔斜測量，發(fā)現(xiàn)偏斜值超過允許值時，先不進行糾偏處理，按正常程序繼續(xù)進行灌漿，當接近灌漿結(jié)束標準時，用比例為0.5（或0.6）∶1的濃漿（可加適量的速凝劑）置換出孔內(nèi)稀漿，并待凝24~48 h后再掃孔，掃孔時注意控制鉆壓并隨時檢測孔斜，可使已偏斜的鉆孔段得到有效的糾正。但此種辦法耗時較長，一般在上述幾種方法處理無效的情況下采用。
7.2.6補孔法
補孔法有兩種情況：
（1）在灌漿施工中，當發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜嚴重時，為防止嚴重的孔斜對灌漿質(zhì)量產(chǎn)生影響，可在該孔附近補鉆新的灌漿孔，一般與原灌漿孔的距離應(yīng)不大于50 cm，但補鉆灌漿孔前應(yīng)封填好原偏斜灌漿孔。此種情況適用于淺孔階段中就嚴重偏斜且在采取多種矯正方法均無效的灌漿孔。補鉆新的灌漿孔后在與原偏斜孔相對應(yīng)的孔深位置以上的各灌漿段一般可不再灌漿；
（2）在灌漿施工結(jié)束對施工質(zhì)量進行檢查驗收時，通常的方法是采用打質(zhì)量（效果）檢查孔。檢查孔位置的選定，既要考慮到有代表性和普遍性，又要照顧到薄弱環(huán)節(jié)。這時，可結(jié)合對灌漿施工資料的綜合分析，在因孔斜可能使灌漿不足的地方布置檢查孔，使其得到一次補強的機會，因為檢查孔也要灌漿。同時，通過檢查孔的壓水試驗，也能獲知因孔斜對灌漿質(zhì)量的影響程度。
8、對保證鉆孔方向重要性的商榷
要保證很深的帷幕灌漿孔不發(fā)生偏斜，絕非易事。雖然結(jié)合地質(zhì)條件采取多種技術(shù)措施和操作方法，往往也很難控制鉆孔不發(fā)生偏斜。如果用加強測斜等方法來加強控制，但在如此多的灌漿孔內(nèi)，勢必要增加浩繁的工作量，使施工單位難以承受。另外，一旦發(fā)現(xiàn)偏斜，要采取糾偏，不但費時，而且不易成功。因此，對于解決偏斜問題，筆者認為，不僅要從施工方面入手，而且要從設(shè)計方面著手。基于此，提出如下有待商榷的建議：
（1）合理降低深層的要求標準，放寬容許偏差值。規(guī)范規(guī)定了垂直或頂角不小于5°的帷幕灌漿孔其孔底的容許偏差值。但當孔深大于60 m時，孔底最大容許偏差值除了應(yīng)根據(jù)工程實際情況并考慮帷幕排數(shù)等具體情況確定外，還應(yīng)結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)條件下漿液擴散半徑和該孔下部巖層的透水性能來分析比較后確定。在特殊情況下，容許偏差值可大于孔距；
（2）增加帷幕的排數(shù)。在地質(zhì)條件不良、鉆孔偏斜的情況下，可考慮在局部地方增加帷幕的排數(shù)，以防止孔斜對灌漿質(zhì)量產(chǎn)生不良影響；
（3）分層施工。如果帷幕灌漿孔深超過100 m，可開鑿中間平洞分層施工；
（4）適當提高灌漿壓力。在深孔階段鉆孔發(fā)生了稍大一些的偏斜（但未超過規(guī)定標準），采用高一些的壓力灌漿，可在一定程度上使?jié){液的擴散范圍增大并彌補因鉆孔偏斜造成灌漿范圍的不足。
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