深孔帷幕灌漿孔斜原因與處理措施

雷振云

摘要:為保證大壩地基安全,深孔帷幕灌漿質量保證是至關重要的。事實上,因為各方面的原因,鉆孔與設計方向往往會產生不一致的偏斜變化。如果鉆孔產生的偏斜度很小,其影響是不大的;假如偏斜度嚴重,不僅對鉆進質量、事故發生率、鉆進效率等方面產生不良的影響,而且會嚴重影響具有一定防滲標準的"連續帷幕"的形成,使灌漿質量不能達到要求,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生到處理等一系列技術問題加以掌握,以便在深孔帷幕灌漿中將孔斜控制在規程要求容許偏差值內。筆者主要根據實際經驗,總結性地探討深孔帷幕灌漿孔斜的原因及其處理措施,以供借鑒。

關鍵詞:鉆孔方向;孔斜成因;孔內事故;鉆進效率;鉆孔質量;連續帷幕

1 孔斜成因分析

孔斜作為鉆孔事故產生的原因較多,視其主客觀因素可歸納為地質條件不良,技術條件不適宜,操作方法不當等3個方面。

1.1 地質條件不良

在地質條件方面,集中表現在鉆孔內巖石的力學性質上,主要為:

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;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生不同的鉆進速度,從而改變鉆頭的鉆進方向;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;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生偏滑作用,形成不均衡的阻力,易改變鉆頭前進的方向;在遇到溶蝕孔洞、大斷裂帶或老空洞等情況時,亦會產生鉆孔的偏斜。

1.2 技術條件不適宜

因采用與實際不相宜的技術措施造成的鉆孔偏斜,主要表現為:

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,容易使立軸產生較大的擺動,直接影響到鉆頭在孔底鉆進時的不穩定性;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;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,在孔內歪斜時,比長巖心管的歪斜度更大,產生的孔斜度也更為嚴重;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;孔徑越大,受壓鉆桿產生的彎曲、拉伸、扭曲也會增大,使鉆頭在孔底鉆進時不穩定性增強,從而使鉆進方向發生變化;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。

1.3 操作方法不當

操作方法的不當往往是產生鉆孔偏斜的直接原因。

鉆進時過大的加壓,使鉆桿產生多段處的嚴重彎曲,特別是在不利的地質條件下,對產生鉆孔偏斜的影響會更大;

使用磨損過鈍的金剛石或硬質合金鉆頭鉆進,會因在金剛石顆粒或合金粒向巖石內切入不穩定的情況下,容易改變鉆頭的鉆進方向;

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生偏斜。

2 孔斜的預防與處理措施

控制鉆孔鉆進方向,使之不發生嚴重偏斜是一項很復雜的技術工作。采取何種技術措施防止鉆孔偏斜或鉆孔產生嚴重偏斜后如何處理,都必須將影響鉆孔偏斜的3方面因素結合起來全面加以考慮。

2.1 預防孔斜的措施

鉆機的安裝要水平牢固,立軸中心與鉆孔中心應在同一條垂直線上,并按要求的孔向對準孔位開孔,以使鉆進中不擺不晃;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,致使立軸轉動不穩,造成鉆具擺動性增大;使用符合規格的各種鉆孔器具,并隨時檢查,如發現有彎曲的鉆具或有磨損較嚴重的立軸導管時,應及時更換。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;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整,同時要注意提升吊環必須與立軸及鉆孔中心線在一條直線上;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加以適當的控制;鉆進中,應勤檢查鉆機有無移動,立軸鉆進的方向有無變化,發現問題應及時糾正;為防止孔斜發生,必須熟悉所使用機械性能和鉆孔方法的特點,經常研究,總結經驗。在深孔帷幕的鉆孔中,應對孔斜及時測量,及時準確地掌握鉆孔的偏斜情況,以利于及時處理。

2.2 孔斜的處理措施

2.2.1 擴孔糾偏法

此種方法適合于淺孔階段中(一般不超過10m)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,防止在繼續鉆進中該孔偏斜嚴重發展的情況出現。

2.2.2 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。因為在上述地質條件下鉆孔,孔徑一般比較大,而短鉆具在較大孔徑內較易改變方向。主要通過用輕壓力慢轉速的操作方法,鉆具會因自重垂向鉆進。使用的巖心管長度一般可為1~1.5m,鉆進3~5m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。

2.2.3 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1.5m的粗徑鉆具鉆進。因為短細的粗徑鉆具可在較大的孔徑內成接近于垂直狀態。

在進行矯正前,先把孔內巖心取凈。鉆進時要輕壓慢速控制給進。鉆進3~5m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。

2.2.4 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鉆進的控制力,使原有的孔斜度不再繼續擴大,但在操作方法上要嚴格注意。

2.2.5 掃孔法

掃孔法是在某一灌漿段鉆孔結束時進行孔斜測量,發現偏斜值超過允許值時,先不進行糾偏處理,按正常程序繼續進行灌漿,當接近灌漿結束標準時,用比例為0.5(或0.6)∶1的濃漿(可加適量的速凝劑)置換出孔內稀漿,并待凝24~48h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。

2.2.6 補孔法

補孔法有兩種情況:

在灌漿施工中,當發現鉆孔偏斜嚴重時,為防止嚴重的孔斜對灌漿質量產生影響,可在該孔附近補鉆新的灌漿孔,一般與原灌漿孔的距離應不大于50cm,但補鉆灌漿孔前應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的孔深位置以上的各灌漿段一般可不再灌漿;

在灌漿施工結束對施工質量進行檢查驗收時,通常的方法是采用打質量(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,又要照顧到薄弱環節。這時,可結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量的影響程度。