砂卵礫石層倒垂孔施工技術(shù)

砂卵礫石層倒垂孔施工技術(shù)砂卵礫石層倒垂孔施工技術(shù)9/24砂卵礫石層倒垂孔施工技術(shù)砂卵礫石層倒垂孔施工技術(shù)2011年第38卷第2期探礦工程(巖土鉆掘工程)43砂卵礫石層倒垂孔施工技術(shù)石紹云,袁宏光,李春海(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都610081;2.四川I省地礦局405地質(zhì)隊(duì),四川都江堰611830)摘要:針對(duì)砂卵礫石層倒垂孔施工中鉆孑L偏斜,孔內(nèi)坍塌掉塊,取心以及保護(hù)管的安裝等困難問題,從鉆機(jī)安裝,鉆具結(jié)構(gòu),沒備能力,鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)等多方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施,取得了良好的施T效果.介紹了紅葉電站砂卵礫石層倒垂孔的施T技術(shù).關(guān)鍵詞:砂卵礫石層;倒垂孔;浮筒式測(cè)斜儀;鉆進(jìn);取心;糾斜中圖分類號(hào):P634.5;TV221文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672—7428(2011)02—0043—03ConstructionTechnologyofReversedPendentHoleinSandGravelStratum/SHlShao—yun,YUANHong—guang,LIChun—hai(1.TheInstituteofExplorationTechnology.,CAGS,ChengduSiehuan610081,China;2.405GeologicalTeam,SichuanBureauofGeologyandMineralExplorationandDevelopment,DujiangyanSichuan611830,China)Abstract:Accordingtothedifficultiesofboreholedeviation,in—holecollapsingandblock—falling,cotingandinstallationinconstructioninsandgravelstratum,thecorrespondingtechnicalnleasuresweretakenwithgoodconstructioneffect.Thepa—perintroducedtheconstructiontechnologyinsandgravelstratumofHongyepowerstation.Keywords:sandgravelstratum;reversedpendenthole;floatinclinometer;drilling;coring;deviationcorrection1概述在砂卵礫石層上進(jìn)行大口徑倒垂孔施工,最大的難度在于孔內(nèi)坍塌,掉塊,不容易形成鉆孔,鉆孔容易偏斜,巖心不易取出,同時(shí),由于鉆孔內(nèi)巖石松散,造成對(duì)巖心重復(fù)破碎,影響金剛石鉆頭的使用壽命,鉆進(jìn)成本非常高.倒垂孑L施工對(duì)鉆孑L的偏斜度要求非常高,如果采用常規(guī)的鉆進(jìn)技術(shù)和普通的鉆探設(shè)備來實(shí)施倒垂孑L施工,很難滿足其鉆進(jìn)成孔的要求.以前我們成功地完成了多口倒垂孔的施工,但都是在基巖和混凝土中鉆進(jìn),從未在砂卵礫石層上進(jìn)行過施工.在國內(nèi),在砂卵礫石層中進(jìn)行倒垂孑L施工的報(bào)道也很少.本文介紹筆者在紅葉水電站砂卵礫石層倒垂孔施工中的技術(shù)方案和措施.2地層情況紅葉電站屬于小型水電站,大壩建在河床的砂卯礫石層上,地基沒有進(jìn)行深層的開挖和灌漿等處理,由于閘基持力層各層類型組成及物理力學(xué)性質(zhì)存在差異,分布位置及厚度亦不盡相同,所以閘基存在一定的不均勻變形問題,需要進(jìn)行倒垂孔施工來監(jiān)測(cè)其水平位移和垂直位移.大壩混凝土厚11.5m,混凝土下面覆蓋層厚80m,主要由漂卵石,碎石,礫石,河床堆積層組成,堆積層巖石直徑大小不等,最大的有2～3m,最小的只有10mm;巖石之間沒有膠結(jié)充填物,非常松散破碎.在這樣的地層上進(jìn)行倒垂孔施工,難度很大,不僅不容易形成鉆孔,而且鉆孔容易偏斜.3設(shè)計(jì)指標(biāo)鉆孔設(shè)計(jì)深度50m,設(shè)計(jì)口徑為280mm,其中上部為鋼筋混凝土層,厚度11.5m,下部為砂卵礫石層,厚度39.5m,鉆孑L垂直有效口徑大于80mm,鉆孔頂角小于l4.4鉆進(jìn)和取心技術(shù)措施4.1鉆進(jìn)方法的選擇倒垂孔施工雖然不需要采取巖心,但是如果采用全面回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆壓要求很大,往往會(huì)造成鉆孔偏斜;如果選用潛孔錘偏心跟管鉆進(jìn),在卵石層雖然可以成功保護(hù)孔壁穩(wěn)定,但是也易造成孔斜.因此針對(duì)砂卵石地層的特點(diǎn),根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn),采用了大口徑(0280IYlm)金剛石回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)方法.4.2鉆進(jìn)中遇到的問題收稿日期:2010—07—14;修回日期:2010—11一叭作者簡介:石紹云(1966一),男(漢族),重慶人,中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所工程師,探礦工程專業(yè),從事科研開發(fā)工作,四川省成都市一環(huán)路北二段1號(hào),ssy@cgiet.corn;袁宏光(1962一),男(漢族),四川彭州人,NJFI省地礦局405地質(zhì)隊(duì),探礦T程專業(yè),從事勘探技術(shù)工作,四川省都江堰市奎光路250號(hào).探礦工程(巖土鉆掘工程)2011年第38卷第2期開孔時(shí),采用電鍍金剛石鉆頭鉆進(jìn),在上部0～11.5m的混凝土段鉆進(jìn)和取心都非常順利,鉆孔偏斜值只有20mm.當(dāng)進(jìn)入卵石層后,鉆進(jìn)出現(xiàn)了許多困難,首先是形狀大小各異的卵石松散無膠結(jié),在孑L底處于活動(dòng)狀態(tài),鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)阻力大,造成金剛石鉆頭胎體崩刃,掉塊報(bào)廢,鉆頭平均壽命不到2in,鉆進(jìn)進(jìn)尺緩慢;其次是當(dāng)回次進(jìn)尺結(jié)束后,由于卵石巖心尺寸大小不規(guī)則,巖心質(zhì)量大,提鉆時(shí)巖心全部脫落,巖心打撈不起來,孔內(nèi)巖心堆積,重復(fù)對(duì)卵石巖心進(jìn)行鉆進(jìn)研磨;另外,鉆孔孔壁巖石處于極不穩(wěn)定狀態(tài),經(jīng)常坍塌掉塊垮孔,使得孔內(nèi)情況非常復(fù)雜,整整一周時(shí)間未進(jìn)尺,一籌莫展.針對(duì)這些情況,我們從鉆頭結(jié)構(gòu)形式和制造方法進(jìn)行廠改進(jìn);另一方面,對(duì)提取巖心,研磨殘余巖心的鉆具也做了修改設(shè)計(jì).4.3金剛石鉆頭的改進(jìn)首先采用熱壓方法燒結(jié)出金剛石鉆頭胎塊,然后把胎塊焊接到鉆頭剛體;同時(shí),加工鉆頭剛體時(shí),在胎體旋轉(zhuǎn)方向前面加工一個(gè)擋塊,增加胎塊的焊接強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度(見圖I),這樣生產(chǎn)的金剛石鉆頭平均壽命達(dá)到10m以上,大大提高了鉆進(jìn)效率,降低了鉆進(jìn)成本,成功解決了鉆頭胎體掉塊和使用壽命低的問題.加工鉆頭時(shí),要求鉆頭絲扣和胎體的同心度高,使用過程中不變形.鉆頭胎體硬度為HRC42,鉆頭內(nèi),外徑用天然金剛石或者聚晶金剛石保徑.4.4鉆具的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)加工了3套不同用途的鉆具,分別滿足正常鉆進(jìn),撈心和研磨巖心的要求,實(shí)踐證明,每套鉆具均發(fā)揮了應(yīng)有的作用.4.4.1正常鉆進(jìn)用鉆具采用0273mln的巖心管,壁厚10illm,要求加工同心度為0.1film,垂直度為0.1film,絲扣部分進(jìn)行熱處理.巖心管長度《3i'I1,以使鉆孔不易偏斜.另外使用鏈子鉗擰卸鉆頭和巖心管.4.4.2打撈巖心專用鉆具由于巖心直徑大,質(zhì)量大,為了便于取心和卡取巖心,加工了一套專用打撈巖心的鉆具(見圖2),其中卡塊3的加工和正確安裝,對(duì)打撈巖心起到了至關(guān)重要的作用.只要巖心最大尺寸大于200～250ITIIII,一旦巖心進(jìn)入卡塊,就能打撈出來.此套鉆具解決了大塊巖心取心問題.4.4.3研磨掉塊,殘留巖心,碎石等專用鉆具由于是在卵石層里鉆進(jìn),常常會(huì)有一些碎塊巖日?qǐng)D1鉆頭胎塊焊接圖圖2打撈巖心用專用鉆具心,孑L壁掉塊,較小的卵石殘留在孔底,無法用巖心管和打撈鉆具打撈起來.我們采取的辦法是:用與鉆孔大致相同口徑的石油三牙輪鉆頭對(duì)孑L底殘留巖心進(jìn)行研磨,直至把巖心磨完為止,然后用大泵量的沖洗液返出巖粉.5防斜,糾斜技術(shù)措施由于卵石層的不穩(wěn)定性,孔內(nèi)巖石各向異性,鉆孔極易偏斜,在施工孔深為15.3～18.1rfl,20.3～23.4ITI,35.5～36.9m,46.2～47.8m等多個(gè)孔段時(shí),孔內(nèi)坍塌,鉆孔形成"大肚子",而且鉆孔向軟地層方向偏離,孔斜最大偏離值達(dá)到300mlil,孔斜率最大達(dá)到2%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)孔斜率0.4%的技術(shù)指標(biāo).如果不糾正過來,鉆孔就會(huì)報(bào)廢.5.1糾斜措施在偏斜孔段灌注高強(qiáng)度快凝水泥漿液,特別重要的是,凝固后一定要采用低壓慢轉(zhuǎn)掃孑L鉆進(jìn),因?yàn)榧訅簰哝軱仍然會(huì)使鉆孔偏斜.由于所封水泥孔段的孔徑都比較大,當(dāng)水泥凝固后使用粗徑鉆具掃孔,實(shí)踐證明這種方法基本上都能使鉆孑L的偏斜糾正過來.5.2防斜措施我們著重從以下幾個(gè)方面來解決.5.2.1設(shè)備選用由于在砂卯礫石層上進(jìn)行大口徑同轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力非常大,在施工過程中,鉆機(jī)的傳動(dòng)軸,橫軸,傘形齒輪曾多次損壞,鉆桿也扭斷.因此,設(shè)備上要認(rèn)真準(zhǔn)備.采用XY一4型鉆機(jī),配45kw電動(dòng)機(jī);BW250/50型泥漿泵;0108mm厚壁三角鉆塔;01081Tlln厚壁鉆桿(鉆桿剛度和同心度要好,接頭部分需要進(jìn)行熱處理).5.2.2鉆機(jī)安裝鉆機(jī)的安裝至關(guān)重要,鉆機(jī)立軸在整個(gè)施工過程中必須保證完全垂直,同時(shí),為了糾斜和保證鉆孔垂直,必要時(shí)整臺(tái)鉆機(jī)還要能夠向各個(gè)方向移動(dòng),因此牢固鉆機(jī)底座和加工鉆機(jī)移動(dòng)滑軌是必不可少2011年第38卷第2期探礦工程(巖土鉆掘工程)45的.在施工過程中,由于鉆機(jī)的晃動(dòng),經(jīng)常使鉆機(jī)的立軸處于不垂直狀態(tài),還須隨時(shí)借助經(jīng)緯儀和其他輔助設(shè)備來檢驗(yàn)鉆機(jī)立軸安裝的垂直度.鉆機(jī)的底座用槽鋼加工,采用地腳螺栓固定.在槽鋼上留有移動(dòng)的滑槽,鉆機(jī)在槽鋼上面可以移動(dòng)并固定,見圖3.唇{至}圖3鉆機(jī)底座固定不惹圖一旦發(fā)現(xiàn)孔斜,就要及時(shí)采取措施糾正.當(dāng)測(cè)出鉆孔向某一方位偏斜,可移動(dòng)鉆機(jī),使鉆機(jī)立軸中心向偏斜的相反方向移動(dòng)5～10mm,同時(shí),使鉆機(jī)立軸的傾角向鉆孔傾斜的相反方向調(diào)整l.～2.,直到鉆孑L垂直為止,然后調(diào)整鉆機(jī)的位置為正常狀態(tài).在施工過程中,采用此方法有效地處理了幾處有偏斜趨勢(shì)的孔段.5.2.3防斜鉆具使用粗徑鉆具,長鉆具是預(yù)防孔斜的常用措施,另外鉆孔結(jié)構(gòu)越簡單越好,最好一口徑到孑L底,變徑是造成孔斜的因素之一;同時(shí)我們還使用了石油鉆井用的鉆鋌和扶正環(huán),在取心鉆具的上部每隔5ITI要連接一個(gè)比鉆孔直徑小2mm的扶正環(huán),在扶正環(huán)的外徑上鑲嵌硬質(zhì)合金,保證鉆具的穩(wěn)定和垂直.5.2.4鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)開孔時(shí)采用低壓慢轉(zhuǎn),均勻平穩(wěn)鉆進(jìn);正常鉆進(jìn)中,不能加壓,僅僅靠鉆具和鉆桿的自重就足夠了,鉆桿成拉升或者輕微的壓縮狀態(tài),轉(zhuǎn)速100～150r/rain,水量80～120L/rain.在正常鉆進(jìn)情況下,鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)最好保持一致,不要隨意調(diào)節(jié)改變.6測(cè)斜采用浮筒式測(cè)斜儀.此種測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)非常簡單,但卻十分有效,準(zhǔn)確率高,操作方便,是倒垂孔施工中必不可少的儀器之一.每鉆進(jìn)一個(gè)回次必須測(cè)斜一次,或者每鉆進(jìn)1m測(cè)斜一次,并作好測(cè)斜記錄,及時(shí)畫出鉆孔彎曲趨勢(shì),隨時(shí)掌握鉆孑L情況.7護(hù)管的加工及保護(hù)管安裝保護(hù)管圓柱度允差0.5mm,彎曲度<1mm/m,底部加以焊封,底部內(nèi)部0.5m加工為粗糙面,精細(xì)加工各鋼管接頭,并作防水處理.全面沖洗鉆孔,除凈孔內(nèi)殘留巖粉,自上而下準(zhǔn)確測(cè)定鉆孔偏斜值,確定鉆孔保護(hù)管的埋設(shè).鉆孔底部放入0.5m的水泥漿,保護(hù)管外設(shè)扶正環(huán),下到孔底后略提起(不得提出水泥漿面),并用鉆桿或千斤頂進(jìn)行固定.測(cè)定保護(hù)管的有效口徑,待水泥漿固結(jié);拆除固定保護(hù)管的鉆機(jī)或千斤頂,再次測(cè)定保護(hù)管的偏斜值.8施工效果一共用時(shí)50天成功地完成該倒垂孔的施工.在灌漿,凝固方面花費(fèi)了較長時(shí)問,差不多占施工總時(shí)間的50%.經(jīng)建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到或超過了設(shè)計(jì)要求:鉆孔深度50.5m,孔斜率3.8‰,鉆孔傾斜度13.3,垂直有效口徑85mm,下保護(hù)管深度51m,露出孔口0.5m.在如此特別復(fù)雜的地層里,成功完成高精度的倒垂孔施工,得到了業(yè)內(nèi)人士高度評(píng)價(jià).9體會(huì)砂卵石層倒垂孔施工是一個(gè)技術(shù)難度較大,需要精心準(zhǔn)備,細(xì)致施工的工程,每個(gè)施工環(huán)節(jié)都不能疏忽大意.(1)鉆機(jī)的安裝使其立軸豎直,傾斜度<0.1%,在鉆孔處澆注混凝土,鉆機(jī)底盤預(yù)埋緊固螺栓;(2)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理,鉆孔口徑大,鉆進(jìn)設(shè)備能力強(qiáng);(3)用金剛石鉆頭低壓或無壓,低轉(zhuǎn)速,小水量鉆進(jìn);(4)鉆桿,鉆具和鉆頭需要特殊加工來滿足鉆進(jìn)要求;(5)孔內(nèi)需要及時(shí)處理,預(yù)防坍塌,掉塊和涌水漏失問題;(