第３１卷第４期 ２ ０ １ ２年８月 四川水力发电 Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．４ Ａｕｇ，，２ ０ １ ２ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 深厚复杂地层潜孔锤钻进工艺探讨 楼莉莉 （四川准达岩土工程有限责任公司，四川成都６１００７２） 摘要：在潜孔锤钻进技术应用中，常常遇到超过潜孔锤跟管深度的深厚复杂地层，这类地层成孔难制约了工程的顺利进 行。介绍了两个工程实例中如何增加潜孔锤跟管深度、对深厚复杂地层所采取的处理措施以及所总结的施工经验，旨与同 行共同探讨深厚复杂地层潜孔锤钻进工艺。 关键词：深厚复杂地层；潜孔锤钻进；深厚覆盖层；松散堆积体；地下水；承压水；黄粘土 中图分类号：ＴＶ２２３．２；Ｐ６３４．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－２１８４（２０１２）０３－００９８－０３ １概述 ①为有效控制孔斜，使钻孔倾角在设计规范 允许的误差范围内，采用ＣＩＲ１３０冲击器加扶正 器； 潜孔锤钻进工艺是利用压缩空气（或气液混 合）作为循环介质并驱动孔底冲击器活塞，以较 大的冲击功和高频冲击潜孔锤钻头在钻机转盘的 ②保证钻孔质量，控制钻速，每钻进１ ｍ，必 须缓慢倒杆１ ｍ，往返不少于２次，以便充分吹岩 粉； 带动下，钻头低速回转，使岩石破碎；所产生的岩 屑被高压气流携带返至地表。潜孔锤冲击钻进是 空气钻进技术在破岩方法上的一项突破，为一项 用途广泛而先进的钻探技术。 ③每钻进１０延米，修正和校核钻孔孔斜误 差。 潜孔锤跟管钻进技术是在潜孔锤钻进成孑Ｌ过 程中逐步发展起来的一门新的钻进技术，也是近 年来对付第四纪覆盖层包括卵砾石层、坡积层、流 ２．３ 特殊情况的处理及其效果 ２．３．１深厚覆盖层 按照地质勘察报告，覆盖层最深为５１ ｒｎ。由 砂层等地层非常有效的一门钻进新技术。 ２二郎山隧道西口榛子林滑坡深厚覆盖层跟管 钻进工艺 ２．１ 造孔的主要设备及机具 于滑坡体锚孔所穿越的地层主要由崩积、坡积和 滑坡堆积层组成，结构松散，造孔时护壁困难。考 虑到滑坡体造孔严禁使用冲洗介质，因而如何确 保造孔、固壁的顺利实施是该工程施工中的关键 技术问题之一。针对实际地质条件，经综合考虑 钻进成本、工期要求、设备、工艺水平，在锚孔造孔 （１）造孔设备：ＸＹ一２型钻机。 （２）机 锤钻具。 （４）空压机：１０ ｍ ／０．８ ＭＰａ、２０ ｍ ／０．８ 具：冲击器ＣＩＲ１３０共２台（套）。 （３）造孔钻具：ＣＸＧ１３０型对 １５、，扩孔跟管潜孔 过程中，我们根据具体地质情况，采用ＣＸＤ１３０型 对心扩孔潜孔锤跟管钻进工艺，跟ｑ￣１４６管穿过 覆盖层后，裸孔钻进至设计孔深。 在钻进施工的ｌ０个锚索孔中，覆盖层最浅的 是ＭＺ一２２—３和ＭＺ一２２—４孔，均为５８．２ ｍ；覆 盖层最深的是ＭＺ一２２—２孔，为６８．８ ｍ。由于覆 盖层的加深，加大了造孔难度。在施工中，由于空 压机风压不够，当跟管钻进至４０ ｍ以后，跟管钻 ＭＰａ各一台。 ２．２岩性及钻进质量控制措施 （１）岩性：该段滑坡堆积物主要为崩积、坡积 和滑坡堆积层三种，由块碎石、块碎石土、黄粘土 和夹块石组成。基岩为中泥盆统养马坝组（Ｄ２ｙ） 和下泥盆统甘溪组（Ｄｌｙ），基岩内裂隙较为发育， 岩石质软。 进十分困难，最多仅能跟管到５０ ｍ。在覆盖层中 被迫采用注浆固结孔壁，裸孔钻进，这样操作也能 （２）质量保证技术措施。 收稿日期：２０１２－０１—１１ 保证钻孔的方位角和俯角与开孔方位角、俯角的 一致性，达到了设计要求。 圜Ｓｉｃｈｕａｎ ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒ 楼莉莉：深厚复杂地层潜孔锤钻进工艺探讨 ２０１２年第４期 通过对该工程深厚覆盖层中松散体的钻进情 况，采用ＣＸＤ系列对心扩孔套管跟进潜孔锤钻进 系统，能够顺利完成施工，并达到设计要求，既节 通过采取以上处理措施，顺利通过了破碎地 层，在起拔套管时亦能顺利拔出套管，从而加快了 钻进速度，提高了经济效益。 ２．３．３地下水、承压水和黄粘土层 约了钻进成本，又提高了钻进速度，大大提高了经 济效益和社会效益。 ＣＸＤ系列对心扩孔套管跟进潜孔锤钻进系 在钻遇地下水、承压水时，跟管钻进的排渣、排 粉效果较差，此时应加入一定的泡沫剂，同时增大 风量。如果仍不能正常钻进则起钻具、下栓塞并用 统是用于解决复杂地层难以成孔的全新技术，适 用于覆盖层、岩土层、松散层。较国内探矿工艺研 钻杆注浆处理该处地层，待凝后继续扫孔钻进。 究所开发的偏心式跟管钻具有下列特点： （１）有效的套管内排渣。压缩气由中心钎头 端孔排出后，在钻杆与套管间形成环形空间，把岩 粉气举上升排至地面，可保证高速排渣效率，减低 孔内聚土或孔壁变化； （２）同步扩孔完成后，中心钎头与钻杆可轻 易提出； （３）对心扩孔的设计可提高孔向精度，减轻 钎头的偏向载荷，亦可完成大孔和深孔； （４）与所用偏心扩孔钎头比较，在孔端遇泥 土或砂砾层时，仍可顺利继续扩孑Ｌ或提升钻杆，不 会卡钻； （５）与偏心扩孑Ｌ钎头比较，对心扩孔钻进成 本低，钻速快，所需扭矩较小； （６）容易锁定连接：在套管内，如遇上回落的 岩屑，亦可轻易提出钻杆，不会卡紧钻具，如使用 偏心扩孔钎头，在提升钻杆时，由于偏心钎头的偏 体卡住且套管靴不易提出，容易产生卡钻或埋钻 事故； （７）具有最佳的冲击能量传递方式，直接作 用于孔底，有利于破岩穿孔，套管磨损小，寿命长。 ２．３．２破碎地层段 在钻遇破碎地层时，钻具会发生跳动，导致钻 进负荷加大，甚至坍孔、埋钻、卡钻，给正常钻进施 工带来一定的影响。为此，必须采取有效措施，以 保证正常的钻进施工，具体情况如下： （１）崩坡积层必须采用跟管钻进工艺，待锚 索钢绞线和压浆管送到孔底后，方可拔出套管； （２）在钻进至一定深度后，发现掉块，致使钻 进负荷稍有加大，立即倒杆，将钻具退出破碎段。 采取跟管等稳壁措施，使孔壁周围岩体稳定； （３）基岩接触面岩层较破碎，且因覆盖层较 厚，套管无法跟到基岩，因此，采用注浆固结孔壁 的措施，待凝后继续扫孔钻进。 在钻遇黄粘土层时，若为干孔（无地下水），则 采用降低钻进速度、多提动、充分排粉的处理措施 进行施工；若有地下水，则加入一定的泡沫剂，同时 增大风量。如果仍不能正常钻进，则起钻具、下栓 塞并用钻杆注浆处理该处地层，待凝后继续钻进。 通过采取上述措施，顺利通过了该段地层，但 在起拔套管时，由于套管与围岩被水泥浆液固结 在一起无法起拔套管，造成了一定的经济损失。 ２．３．４钻进参数 钻孔施工过程中，随着钻孔深度的变化和地 层情况的变化，需要随时改变钻进参数，特别是遇 到特殊情况时，风量和风压的控制尤为重要。这 次施工中，由于空压机为低风压，在钻孔较深和遇 到特殊情况时，风压不足以达到施工要求，因此， 只能采取慢钻进、多提动的办法进行施工，从而严 重影响了钻进速度。 ３小湾水电站岩锚支护试验（左岸）堆积体地层 跟管钻进工艺 ３．１ 造孔的主要设备与机具 （１）造孔设备：ＭＧ一５０型钻机１台、ＹＧ一８０ 型钻机１台。 （２）冲击器：冲击器ＣＩＲ一１３０型２套、ＣＩＲ一 １５０型１２套、Ｔ一８Ｏ型３套。 （３）造孔钻具：ＣＸＧ１４６型偏心跟管潜孔锤钻 具１ １套、ＣＸＧ１６８型偏心跟管潜孔锤钻具４５套。 ３．２特殊情况的处理及其效果 由于堆积体部位锚孔所穿越的地层主要是堆 积层，其组成物质主要为碎石、块石和特大孤石并 夹碎石土，碎石土主要填充在碎块石缝隙之间，不 成层。堆积层中的砂土、碎石、块石、孤石的分布 和结构极不均匀，有的地段结构较紧密，部分固 结；有的则较松散、架空，但透水性均较强，造孔时 护壁困难。造孔及固壁是该工程施工中的关键技 术问题之一。考虑到在堆积体中造孔时严禁使用 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ圜 第３１卷总第１５３期 四川水力发电 ２０１２年８月 液体冲洗的原则，结合钻进成本、工期要求等情 况，最终采用风动潜孔锤跟管钻进工艺。 当时国内仅有两个生产造孔孔径能够满足堆 积体锚索孔要求的大口径偏心跟管钻具的厂家， 且大口径偏心跟管钻具的生产在国内尚属首次。 在施工过程中，两厂家都对其产品性能和使用情 况进行了跟踪调查，及时对其产品性能进行调整， 以便更好地适应该工程施工的需要。由于国内钢 材质量以及材料加工后的处理工艺等问题，至今 尚未能很好地解决这一问题。 ３．２．１堆积体地层复杂 该堆积体地层厚度较厚。根据已完成的９个 锚索孔和一个多点位移孔所揭露的地层情况得 知，该堆积体层厚为４７—５８ ｒｎ，要求最大跟管长 度大于５８ ｍ。但在施工中，一般跟管长度为４Ｏ～ ４２ ｒｎ，最大跟管长度为４９ ｒｎ（如Ｍ ６—２），在下锚 后的拔管操作时，由于跟管长度过长，套管外壁与 钻孔内壁的摩擦力大，已造成专用拔管机（起拔 力为８０ ｔ）两油缸弯曲变形。同时，由于跟管长度 不足，在从套管底到孔壁较稳定孔段的钻进施工 时，常常因地层破碎、掉块造成严重的卡钻事故， 施工的９个孔都发生过多次不同程度的卡钻事 故。经采取小孔径预先对该易垮塌段钻进后进行 一次或多次灌浆固结处理，仍不能避免卡钻事故 的发生。 由于堆积体较松散，在成孔施工过程中漏风 严重，管内排渣不完全，致使钻具和套管常发生卡 死现象，引起不必要的事故处理时间。堆积体内 的花岗片麻岩块、孤石混杂分布，硬度大，在钻进 遇到这些岩块、孤石时，钻具、锤头磨损严重，常常 发生锤头断裂、钻具脱落等事故。 根据以上情况，曾考虑采用跟双层套管的施 工工艺，这样操作需先采用ｑ￣２００跟管钻进２０～ ３０ ｍ，再采用ｑ￣１６８跟管钻进２０—３０ ｒｎ，既可以顺 利通过覆盖层，又可以解决因跟管长度过大引起 的拔管困难的问题。经深入调查得知，石油部门 虽有大量ｑ￣２００优质管材，套管来源不存在问题， 但国内没有任何一个跟管钻进器具生产厂家有能 力生产￣ｐ２００跟管钻进器具。 ３．２．２钻具制造工艺 实践证明：在堆积层钻孔采用偏心跟管钻进 工艺是正确的，同时也是先进的。在本次所完成 皿Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 的９个锚索孔施工中，最大跟管深度达４９ Ｉｎ。尽 管如此，仍不能满足该堆积体成孔施工的要求，但 在ｑ￣１７８施工孔径下能跟管钻进到如此深度，在 国内尚属首次。 国内两厂家在生产ｑ￣１７８偏心跟管钻具时， 在很多方面，如结构设计、材质选择和热处理方面 还需要进一步改进。比如导正器的体积较大，生 产厂家在进行加工时，不管采用进口钢材还是国 产钢材，都不可避免地要进行二次加工，然后再对 其表面进行材质处理。但因处理工艺问题，造成 导正器的薄弱环节——花键处极易断裂和脱落。 在现场使用的５５个导正器中，使用寿命最长的为 ３１．５ ｒｎ，最短的为４５ ｅｍ。两个厂家因此问题多 次现场跟踪调查并及时进行优化处理，但均不理 想。由于钻具寿命的不可预计，致使造孔过程中 事故发生频繁，从而大大增加了成孔时间。 ３．３效果分析 通过在左岸岩锚支护现场进行的生产性试验 施工，对施工设备、机具和施工工艺、施工方法、预 应力锚索的张拉、注浆等工序总结了成功的经验， 对小湾水电站各部位的锚索施工具有较强的适应 性和技术指导作用。 在左岸堆积锚索施工机具和施工工艺方面： 由于堆积体地层复杂、施工难度大，同时，由于钻 具制造工艺问题以及钻具材质问题和时间仓促 等，使得我部在进行堆积体锚索施工中消耗了大 量的材料、物资和人力，也是造成工期延迟的主要 因素。但通过左岸堆积体锚索试验的施工，成功 地总结了该地区堆积体锚索施工工艺和施工方 法，已较好地解决了施工机具配套、钻具组合、跟 管工艺方面的技术问题。 ４结语 潜孔锤跟管钻进技术比常规的放炮跟管和采 用固结灌浆护壁成孔的方式能有效地保证成孔质 量，大大提高了成孔速度，降低了成孔成本，是覆 盖层及松散堆积体等复杂地层中成孔的有效方法 之一，适用范围十分广泛。但是，如何增加潜孑Ｌ锤 跟管深度，更有效地发挥其优点，仍然需要进行更 进一步的探讨。 作者简介： 楼莉莉（１９８２一），女，浙江东阳人，工程师，学士，从事水利水电工 程岩土、勘探施工技术工作． （责任编辑：胡友权）