閔 文，鄧爭榮，吳樹良

（長江勘測規(guī)劃設計研究院 長江巖土工程總公司，武漢 430010）

1 工程背景

某擬建水電站位于東南亞某國北部山區(qū)一大型河流中游段，裝機容量3 400MW，屬Ⅰ等大（1）型水電站工程，擋水建筑物——大壩布置于主河床，設計為混凝土面板堆石壩，擬正常蓄水位高出河床枯水位150 m余，壩頂高出正常蓄水位10m，最大壩高200m余。

擬建水電站河流流域內發(fā)育有區(qū)域性順河斷裂，在規(guī)劃梯級選壩河段壩址比選后初步選定壩址總寬度為85～145m，分布于河床，穿越大壩壩基，經斷裂帶物質測年等綜合研究，表明其不屬于活動斷裂。從工程地質實際意義出發(fā)，將該區(qū)域斷裂劃分為碎裂巖帶、軟弱構造巖帶，并將后者視為斷層，走向5°～20°，總體傾向東，傾角75°～85°，主要由泥化物及其夾碎石構成，系構造巖在地質作用下經軟化及部分泥化形成的，稱為“泥化帶”，其中碎裂巖帶寬度合計36～84m，F41斷層泥化帶寬度13～42m，F42斷層泥化帶寬度3～11m，F43斷層泥化帶寬度小于1m，見圖1。

查明河床區(qū)域性順河斷裂空間分布、規(guī)模、物質組成、工程性狀等特征，是工程關鍵技術地質問題之一，為了避免采用河底過河平洞施工帶來的安全風險，因此，在兩岸岸邊布置了成對穿江深斜孔，替代過河平洞，每對斜孔要求在1個月內完成。

圖1 某水電站壩址成對穿江深斜孔工程地質剖面圖

W，傾角70°～80°。

2 地層地質概況

擬建水電站所在地區(qū)屬于構造剝蝕中低山地貌區(qū)，山脈主要呈近南北向延伸，地勢總體上具有北高南低、東高西低的特點。主干河流自北向南流經區(qū)內，河谷呈較開闊“V”字形，為峽谷區(qū)；河床地面高程為226～252m，枯水面寬200～250m，兩岸山體高聳，沖溝較為發(fā)育。區(qū)內臨江山頂高程1 000～1 500m。

布置斜孔的部位穿越地層為中上元古界（Pt2－3）結晶變質巖、區(qū)域順河斷裂構造巖和地表覆蓋的第四系沖積層及殘坡積層，巖性由東向西為斑狀變晶花崗片麻巖、第四系沖積層砂礫卵石、碎裂巖、F42斷層泥化帶、碎裂巖、斑狀變晶花崗片麻巖、碎裂巖、F41斷層泥化帶、花崗片麻巖、第四系殘坡積層黏土夾母巖風化碎屑或碎石。其中斑狀變晶花崗片麻巖、花崗片麻巖總體完整程度好；碎裂巖微裂紋發(fā)育，大部分巖體較破碎；斷層泥化帶寬度大，巖體軟弱、破碎。

基巖片麻巖走向355°～15°，以區(qū)域順河斷裂為界，東側傾向近E，傾角65°～75°；西側傾向近

3 斜孔工程地質要求及鉆探技術難點

3.1 工程地質要求

（1）工程地質設計參數

斜孔計劃孔深250～265m，設計斜度（斜孔軸線與地表水平面夾角）55°，方位角右岸鉆孔為112°、左岸鉆孔為292°，成對孔末端交叉重疊長度5～10m。

（2）工程地質基本要求

① 合理設計鉆孔結構，終孔孔徑91mm，特殊情況下不小于75mm。② 采取有效措施提高巖芯采取率，嚴格控制回次進尺，一般地段鉆進回次進尺控制在3m以內；軟弱、破碎等特殊地段應控制在0.5m～1m以內，遇堵必須提鉆。③ 巖芯采取率全強風化基巖段平均不小于85%，弱風化及以下基巖段平均不小于90%，軟弱、破碎等特殊地段平均不小于85%。④ 鉆進過程中，應及時記錄回水顏色、水量變化、鉆進速度、掉鉆、異味氣體及鉆進異常現象等，并及時向地質工程師反映情況。⑤ 當上一鉆次巖芯采取率達不到要求時，應在下一鉆次中采取必要措施，保證巖芯采取率達到要求；當連續(xù)二回次巖芯采取率均未達到要求時，應認真進行機組討論，采取有效的工藝和措施，保證巖芯采取率要求。⑥鉆孔班報原始記錄應真實、整潔、齊全。巖芯應按順序擺放到巖芯箱，放置巖芯隔板，及時填寫巖芯牌，并進行巖芯編號。⑦ 鉆孔開鉆及終孔，均須經地質工程師批準。⑧ 認真觀測鉆孔初見水位、交接班水位及終孔穩(wěn)定水位，并詳細記錄。⑨ 采用32.5級以上水泥配制水泥砂漿，進行全孔段封孔。

3.2 鉆探技術難點

本工程深斜孔鉆探技術難度主要表現在以下幾點：① 斜孔深度超過250m，設計斜度偏小，鉆探人員無類似斜孔施工經驗，鉆孔工程地質要求高，工期緊；② 超深、大頂角、高精度斜孔國內尚無成熟經驗可以借鑒；③ 穿越第四系松散堆積層，易坍塌；④穿越軟弱、破碎巖體寬度大，孔內事故概率高，易產生掉塊卡鉆或偏斜過大等事故；⑤ 穿越地層復雜，硬軟（碎）互層多，加之巖體發(fā)育裂隙，鉆孔極易彎曲；⑥ 操作不當、參數使用不合適造成鉆孔彎曲，一旦彎曲度過大，易產生鉆孔毀滅性事故，致使中途報廢而前功盡棄。

4 斜孔鉆探工藝

4.1 鉆探設備

（1）鉆機與水泵選擇

因鉆孔傾斜度偏小、深度大，阻力大，故需選用重量較大、重心較低、功率大、鉆進平穩(wěn)的鉆探機械。由此，本工程鉆探選用XY－4型巖芯鉆機，其主要技術參數為：可鉆深700～1 000m，鉆桿直徑φ42mm～φ50mm；37kW、1 500r／min電動機或43.75kW、2 000r／min柴油機（考慮電源供應困難，選用柴油機）；鉆孔角度0°～90°；正轉八速135 r／min～1 588 r／min、反轉兩速110或338 r／min；立軸最大扭矩3 200 N·m、行程600mm、最大起重力80kN、最大加壓力60 kN、內徑93mm；卷揚機單繩最大提升力30kN、鋼絲繩直徑16mm、最大卷繩量為52m；外形尺寸2 680mm×1 100 mm×1 935 mm；鉆機質量1 990kg（不含動力）。

經過對目前市場情況調查及結合本水電站工程在已有勘探鉛直鉆孔中的使用情況，衡陽探礦機械廠生產的新型BW250型三缸泵和BW150泥漿泵質量好，動力小且輕便，適合本工程深斜孔鉆進配置使用。

（2）鉆塔改造與安裝

由于天車與鉆孔孔口不在垂直于地面的軸線上，鉆塔在提鉆時將產生偏心受力，為便于鉆具提升，必須將現有鉆塔做相應改造。鉆塔安裝在C20混凝土基座上，在混凝土基座中預埋φ28螺桿加固。因鉆探支撐腿受力較大，故應在四個方向設置地錨、拉繩，防止發(fā)生意外，如圖2。

圖2 斜孔鉆塔改造與安裝

4.2 鉆孔初始定向

深斜孔設計斜度55°，據已有淺斜孔經驗，因鉆進過程鉆具與鉆桿重力作用，會下垂3°左右，因此，鉆機立軸安裝成52°，以減少鉆進過程中的鉆孔下垂誤差；立軸斜向延伸方向與鉆孔方位角重合。

在鉆機安裝定位后，人工挖槽，埋設長度不少于1m、直徑為φ146mm的定向管，定向管孔底先磨平或在埋設導向管前用砂漿找平；然后，用經緯儀測定定向管、主軸方向符合鉆孔方位角，且定向管、主軸、天車在同一直線上；最后，用高等級水泥砂漿或混凝土將定向管外圍固結固定，如圖3。

圖3 斜孔鉆機基座與開孔定向示意

4.3 鉆機安裝調試

在鉆機就位前開挖地基、澆筑鋪墊尺寸不小于100cm×100cm×80cm C20混凝土基座，預埋直徑φ22螺桿，待滿足要求后，將鉆機安裝在混凝土地腳上，并用預埋螺桿固定，鉆機安裝必須水平周正，鉆機軸線必須與鉆孔方位垂直；立軸與地表水平面夾角成52°（較設計斜度小3°），角度采用量角器或羅盤測量。

4.4 鉆孔結構及鉆具使用

（1）開孔及全、強、弱風化層

孔徑采用φ130mm，金剛石單管鉆進，鉆至完整基巖后，下入φ127mm套管護孔。

（2）基巖完整層

孔徑采用φ110mm、φ91mm，金剛石單管鉆進，由于不是鉛直孔，單動雙管鉆具沒有太大取芯優(yōu)勢，且鉆頭壁厚較大，鉆進速度比單管慢。

（3）斷層帶

孔 徑 采 用 φ91mm 或 φ75mm（盡 量 采 用φ91mm，特殊情況下采用φ75mm），單動雙管或單管金剛石鉆進。

（4）其它

孔徑采用φ91mm，特殊情況下采用φ75mm；鉆桿使用φ50mm，單根長度為1.0m～3.0m內，有利于保證鉆桿整體剛度和鉆孔方向。

4.5 鉆進及取芯技術

（1）鉆頭、鉆具及工具配備

φ130mm合 金 鉆 頭、φ130mm 金 剛 石 鉆 頭、φ110mm合金鉆頭、φ110mm金剛石鉆頭、φ91mm合金鉆頭、φ91mm金剛石單管鉆頭、φ91mm金剛石雙管鉆頭、φ75mm金剛石雙管鉆頭。金剛石鉆頭胎體硬度HRC35～38，并堅持排隊使用，防止出現孔內事故。

根據鉆頭直徑配套確定，盡可能采用長鉆具，有利于防止鉆孔過度偏斜，金剛石鉆具必須配備金剛石擴孔器，并適時測量外徑、更換，防止孔徑過小夾鉆。

配備充分、合理的鉆探工具，如常規(guī)操作工具、修理工具、事故處理工具、各種測量工具。

（2）鉆進技術參數

開孔對于孔斜控制十分重要，在預埋定向管內開孔。開孔后測定孔斜，如孔斜不合格，必須用水泥砂漿封孔后重新開孔，直至開孔孔斜滿足要求。開孔采用低壓力，低轉速。

鉆進至完整基巖后下入φ127mm套管護孔，下管前必須測量孔斜，如果孔斜、孔向偏差過大，采取在管腳焊接偏心片的方式糾斜。

管腳、管口采取止水及可靠固定措施，防止保護管在鉆進過程中晃動或絲扣松脫，必要時采用水泥漿或水泥砂漿將保護管固定。

采用φ110mm或φ91金剛石單管鉆進，減阻劑一般采用皂化油（加量0.5%左右，沖洗液變?yōu)槿榘咨瑳_洗液流量不超過32L／min，泵壓不超過1MPa。由于斜孔鉆進摩擦阻力較大，鉆壓應比規(guī)程［1］規(guī)定大100～200kg，即800～1 200kg，地層巖石性質變化不大時，各班組應采用相同壓力，有利于保持鉆孔斜度；轉速宜為574r／min～819 r／min。

斷層及破碎帶鉆進大體上與一般基巖段一致，采用φ91金剛石雙管鉆進，但回次進尺應盡量減短，遇堵塞必須提鉆，以提高巖芯采取率和巖芯完整度。

4.5 孔斜測量及預防

采用上海力擎SDC－1G型儲存式數字鉆孔測斜儀器，每5m測斜一次，包括方位角、斜度，根據測斜數據，做好分析及預測工作，并及時調整鉆進參數。最好采用兩套儀器，進行對比、調試，防止誤差過大。

5 斜孔鉆探班組配置及管理

5.1 班組配置

深斜孔工程地質要求高，工期緊，必須配置合適的班組，保證鉆進的順利進行。專設鉆探技術指導及跟蹤顧問1人，由具有豐富鉆探知識和經驗的高級工程師擔任，對各深斜孔施工進行技術指導及跟蹤。每臺鉆機設機長1名，由具有豐富鉆探知識和經驗的高級技師或技師擔任，對鉆機的日常事務進行管理；設2個班組，分白班、晚班組，其中，班長2名，由具有豐富鉆探經驗的技師或技術工人擔任；設組員12名，每個班組6名，由長期從事鉆探工作的技術工人擔任。

5.2 班組管理

為了使穿江深斜孔鉆探得以順利實施，成立了鉆探QC小組，作業(yè)控制成員主要由鉆探技術指導及跟蹤顧問、機長、班長組成，并在鉆探班組管理中加強了交接班、議事討論、向技術指導及跟蹤顧問匯報制度。

（1）交接班制度

每天白、晚班倒班作業(yè)中，及時做好交接班。上一班的班長將本班作業(yè)中的鉆孔情況、設備狀況、安全隱患等信息準確傳達給下一班的班長，使下一班掌握上一班的作業(yè)信息及遺留的未來得及處理的隱患，避免出現上一班的隱患未處理，造成下一班作業(yè)即產生事故或積累越深。

交接班時兩班長在交接班記錄上進行簽名確認，交接班記錄表格具體內容包括鉆孔生產完成情況、設備運行及故障排除情況、安全隱患及可能造成的后果、其它注意事項等等。

（2）議事討論制度

開展班前班組討論會，班長在開班作業(yè)前，將交接班重點內容通報給班組成員，大家一起事先討論當班時可能出現的問題，使每個人都非常關注鉆孔質量及安全，并互相提醒、互相監(jiān)督。

（3）向鉆探技術指導及跟蹤顧問匯報制度

機長將了解的鉆進過程信息和每班班長下班時將當班鉆進情況及時向鉆探技術指導及跟蹤顧問匯報，其根據匯總的匯報情況結合工程地質師預測的地層巖性，對深斜孔鉆探工藝后續(xù)各關鍵工序進行把關，并對遇到的問題及時指導與處理。

6 結 語

本水電站工程深斜孔鉆探實踐應用多鉆探工藝、信息化施工等綜合技術，實時分析鉆探地層條件、測斜結果，調整鉆探參數、鉆孔結構及鉆具使用、泥漿參數，采取預防為主的策略，精心施工，使整個鉆探過程具有可控性，大大提高了鉆探效率，在規(guī)定的時間內順利完成了任務，并基本滿足了工程地質要求。該項目深斜孔的鉆探成功，可為其它類似工程的深斜孔鉆探施工提供實踐經驗。

［1］SL291－2003，水利水電工程鉆探規(guī)程［S］.