深孔帷幕灌浆孔斜原因与处理措施

雷振云

摘要:为保证大坝地基安全,深孔帷幕灌浆质量保证是至关重要的。事实上,因为各方面的原因,钻孔与设计方向往往会产生不一致的偏斜变化。如果钻孔产生的偏斜度很小,其影响是不大的;假如偏斜度严重,不仅对钻进质量、事故发生率、钻进效率等方面产生不良的影响,而且会严重影响具有一定防渗标准的"连续帷幕"的形成,使灌浆质量不能达到要求,以致不得不进行一定量的补充灌浆,从而使帷幕的造价提高。所以,我们不得不对孔斜由发生到处理等一系列技术问题加以掌握,以便在深孔帷幕灌浆中将孔斜控制在规程要求容许偏差值内。笔者主要根据实际经验,总结性地探讨深孔帷幕灌浆孔斜的原因及其处理措施,以供借鉴。

关键词:钻孔方向;孔斜成因;孔内事故;钻进效率;钻孔质量;连续帷幕

1 孔斜成因分析

孔斜作为钻孔事故产生的原因较多,视其主客观因素可归纳为地质条件不良,技术条件不适宜,操作方法不当等3个方面。

1.1 地质条件不良

在地质条件方面,集中表现在钻孔内岩石的力学性质上,主要为:

钻进松散覆盖层时,覆盖层越厚,越容易改变钻孔的方向。其主要原因是覆盖层具有较强的活动性,钻出的钻孔孔径较大时,势必对粗径钻具不能形成强有力的控制,因而不能保证钻进方向的一致性;在有一定倾角的、软硬交替的岩石中钻进,由于钻头在同一接触面上有软硬不同的岩层,因此,可钻性不同的岩层会产生不同的钻进速度,从而改变钻头的钻进方向;在厚度大、破碎较严重的岩层中钻进,其钻孔孔径也较大,粗径钻具在钻进方向上不容易被控制。此外,破碎岩层往往是软硬岩层共存,因此,钻头容易改变方向;砂卵石层中钻进,钻孔最容易偏斜。因为砾石的圆滑对钻头产生偏滑作用,形成不均衡的阻力,易改变钻头前进的方向;在遇到溶蚀孔洞、大断裂带或老空洞等情况时,亦会产生钻孔的偏斜。

1.2 技术条件不适宜

因采用与实际不相宜的技术措施造成的钻孔偏斜,主要表现为:

在开孔钻进或浅孔阶段的钻进中,钻机立轴与钻孔不在同一条中心线上,这会直接影响钻孔偏斜;使用过高的立轴钻杆与磨损较严重的立轴钻杆定向套管,容易使立轴产生较大的摆动,直接影响到钻头在孔底钻进时的不稳定性;帷幕深孔一般都要安装孔口管,如果孔口管不正,也会直接影响到开孔钻进时的方向;使用了弯曲的钻具或过短的岩心管。岩心管、钻杆等的弯曲,都会使钻具连接后不正,从而影响钻进的方向。使用过短的岩心管,在孔内歪斜时,比长岩心管的歪斜度更大,产生的孔斜度也更为严重;在由大孔径换小孔径或扩孔钻进过程中,因为孔壁各部硬度不一,孔径大小也不一致,换径后的钻头很难保持在与原孔中心线一致的方向向下钻进;孔径越大,受压钻杆产生的弯曲、拉伸、扭曲也会增大,使钻头在孔底钻进时不稳定性增强,从而使钻进方向发生变化;金刚石钻头胎体硬度不一致与金刚石颗粒分布不均一,或硬质合金钻头底出刃尺寸不同,也会直接影响到钻进方向的改变。

1.3 操作方法不当

操作方法的不当往往是产生钻孔偏斜的直接原因。

钻进时过大的加压,使钻杆产生多段处的严重弯曲,特别是在不利的地质条件下,对产生钻孔偏斜的影响会更大;

使用磨损过钝的金刚石或硬质合金钻头钻进,会因在金刚石颗粒或合金粒向岩石内切入不稳定的情况下,容易改变钻头的钻进方向;

在松散易坍塌的岩层中钻进,冲洗液的排量过大,压力过高,特别是使用粘度很小的泥浆或清水作冲洗液时,会较严重地破坏孔壁,造成孔内某一局部的坍塌,使孔径扩大。

由此不易控制钻杆过大的弯曲,致使粗径钻具容易产生偏斜。

2 孔斜的预防与处理措施

控制钻孔钻进方向,使之不发生严重偏斜是一项很复杂的技术工作。采取何种技术措施防止钻孔偏斜或钻孔产生严重偏斜后如何处理,都必须将影响钻孔偏斜的3方面因素结合起来全面加以考虑。

2.1 预防孔斜的措施

钻机的安装要水平牢固,立轴中心与钻孔中心应在同一条垂直线上,并按要求的孔向对准孔位开孔,以使钻进中不摆不晃;孔口管必须牢固并满足要求,在开孔钻进与浅孔阶段钻进中,立轴钻杆不能太长,否则钻进时摆动性大,致使立轴转动不稳,造成钻具摆动性增大;使用符合规格的各种钻孔器具,并随时检查,如发现有弯曲的钻具或有磨损较严重的立轴导管时,应及时更换。在浅孔钻进阶段,一般情况下,使用的岩心管长度较大一些为宜;孔较深以后,即开始需要从地面减压钻进时,特别要注意钻压的调整,同时要注意提升吊环必须与立轴及钻孔中心线在一条直线上;钻进中,当岩石换层时,不论是由软变硬还是由硬变软,或者是由完整变破碎,破碎变完整等情况,均应减压减速钻进,对其进尺的速度和冲洗液的流量及压力也应加以适当的控制;钻进中,应勤检查钻机有无移动,立轴钻进的方向有无变化,发现问题应及时纠正;为防止孔斜发生,必须熟悉所使用机械性能和钻孔方法的特点,经常研究,总结经验。在深孔帷幕的钻孔中,应对孔斜及时测量,及时准确地掌握钻孔的偏斜情况,以利于及时处理。

2.2 孔斜的处理措施

2.2.1 扩孔纠偏法

此种方法适合于浅孔阶段中(一般不超过10m)钻孔已偏斜严重的情况。采取加长粗径钻具,并使用比原钻具直径至少大一级的钻具,从孔口或从孔口管底部位置扩下去。可以扩大处理符合要求的钻孔,矫正钻孔的方向,防止在继续钻进中该孔偏斜严重发展的情况出现。

2.2.2 短钻具法

在松软岩层或厚度大的覆盖层中钻进时,当钻孔产生一定偏斜后,可利用较短的粗径钻具进行矫正。因为在上述地质条件下钻孔,孔径一般比较大,而短钻具在较大孔径内较易改变方向。主要通过用轻压力慢转速的操作方法,钻具会因自重垂向钻进。使用的岩心管长度一般可为1~1.5m,钻进3~5m后进行钻孔测斜。如果孔斜度已减少,则可使用正常钻具钻进;如果没有矫正过来,则可加长粗径钻具,从开始矫正位置扫孔后,即或按原孔斜度钻进。

2.2.3 换径法

换径法主要是用比原正常钻进用的粗径钻具小一级或二级直径且长度短于1.5m的粗径钻具钻进。因为短细的粗径钻具可在较大的孔径内成接近于垂直状态。

在进行矫正前,先把孔内岩心取净。钻进时要轻压慢速控制给进。钻进3~5m后进行测斜。如果孔斜没有减少,可用原正常钻具扩下去,待条件成熟后再进行矫正。如果新孔孔斜度有所减少,可换用带有导向装置的钻具进行扩孔,扩完后换用正常钻具钻进。在容许的情况下,也可用换径的钻具加长后钻进,直至终孔。

2.2.4 控制法

控制法主要是在考虑进行其它矫正方法时有很大困难,或还有不多的距离就抵达终孔的情况下应用。这一方法的主要措施是加长粗径钻具。一般情况下,加长后的粗径钻具不小于原钻具的2倍。加长粗径钻具后,无疑会增大孔壁对整个粗径钻具按原方向继续钻进的控制力,使原有的孔斜度不再继续扩大,但在操作方法上要严格注意。

2.2.5 扫孔法

扫孔法是在某一灌浆段钻孔结束时进行孔斜测量,发现偏斜值超过允许值时,先不进行纠偏处理,按正常程序继续进行灌浆,当接近灌浆结束标准时,用比例为0.5(或0.6)∶1的浓浆(可加适量的速凝剂)置换出孔内稀浆,并待凝24~48h后再扫孔,扫孔时注意控制钻压并随时检测孔斜,可使已偏斜的钻孔段得到有效的纠正。但此种办法耗时较长,一般在上述几种方法处理无效的情况下采用。

2.2.6 补孔法

补孔法有两种情况:

在灌浆施工中,当发现钻孔偏斜严重时,为防止严重的孔斜对灌浆质量产生影响,可在该孔附近补钻新的灌浆孔,一般与原灌浆孔的距离应不大于50cm,但补钻灌浆孔前应封填好原偏斜灌浆孔。此种情况适用于浅孔阶段中就严重偏斜且在采取多种矫正方法均无效的灌浆孔。补钻新的灌浆孔后在与原偏斜孔相对应的孔深位置以上的各灌浆段一般可不再灌浆;

在灌浆施工结束对施工质量进行检查验收时,通常的方法是采用打质量(效果)检查孔。检查孔位置的选定,既要考虑到有代表性和普遍性,又要照顾到薄弱环节。这时,可结合对灌浆施工资料的综合分析,在因孔斜可能使灌浆不足的地方布置检查孔,使其得到一次补强的机会,因为检查孔也要灌浆。同时,通过检查孔的压水试验,也能获知因孔斜对灌浆质量的影响程度。