張明明，韋 猛，劉振新

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都610059;2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊，山東 煙臺264000)

1 工程概況

大崗山水電站壩址位于四川省雅安市石棉縣境內(nèi)，為大渡河干流規(guī)劃的22個梯級中的第14個梯級電站，大壩采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高210 m，為國內(nèi)設(shè)防烈度最高的拱壩。大壩樞紐區(qū)主要為黑云二長花崗巖，另有輝綠巖脈、花崗細(xì)晶巖脈、閃長巖脈等巖脈穿插發(fā)育于花崗巖之中，其中尤以陡傾的輝綠巖脈分布最多。

按規(guī)范要求，大崗山水電站帷幕灌漿工程中對成孔質(zhì)量要求:頂角偏差為0.5°/100 m，其精度要求大大超過了常規(guī)鉆進(jìn)的孔斜質(zhì)量控制要求。在孔深較大(＞100 m)時，很難控制相鄰灌漿孔的孔距和排距，減弱帷幕防滲的效果。在施工環(huán)境、施工設(shè)備受到約束的情況下，只有通過工藝、技術(shù)措施的優(yōu)化，才能實現(xiàn)大規(guī)模、高精度、低成本的鉆探成果。本文結(jié)合大崗山水電站深孔帷幕成孔防斜綜合工藝研究，以大壩左岸高程940 m平洞內(nèi)的帷幕灌漿試驗孔的施工過程為例，介紹該工區(qū)鉆探施工工藝、主要問題及解決措施。

2 鉆探施工

2.1 鉆探主要設(shè)備

鉆孔深度在70～200 m之間，根據(jù)孔深及灌漿廊道凈空尺寸(3.5 m×2.5 m)選擇以下設(shè)備:XY－2型鉆機，BW－150型泥漿泵，簡易四角鉆塔。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計規(guī)范要求帷幕灌漿區(qū)孔身為直孔結(jié)構(gòu)，終孔直徑76 mm;孔口封閉法灌漿，正常情況下用91 mm鉆頭開孔，鉆至2～5 m深度放入孔口管，再換用76 mm鉆頭鉆至設(shè)計深度。

2.3 鉆探施工工藝

0～5 m，硬質(zhì)合金鉆進(jìn);

5 m～設(shè)計深度，NQ繩索取心鉆探工藝;

清水護(hù)壁，遇漏失、破碎嚴(yán)重地層改用泥漿護(hù)壁(廢置泥漿需處理，不得直接排放)。

3 施工中主要鉆探問題

(1)受灌漿廊道凈高限制，繩索取心鉆具內(nèi)管長度較短(僅50～65 cm)，回次進(jìn)尺量少，打撈內(nèi)管總成的頻次增多，工人勞動強度大;鉆桿脫扣、變形嚴(yán)重;孔壁間隙小，鉆桿回轉(zhuǎn)阻力大，磨損嚴(yán)重;巖石致密堅硬，最大肖氏硬度＞116HSD，新鉆頭胎體磨損消耗慢，底唇金剛石不易出露，鉆進(jìn)效率低。

(2)鉆進(jìn)中遇到軟硬互層、節(jié)理、層理或片理發(fā)育的地層;鉆機錨固不牢，隨鉆桿振動晃動較大，導(dǎo)致孔位偏移;鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)選取不當(dāng)，高壓高轉(zhuǎn)速等，易造成鉆孔彎曲事故。

(3)設(shè)計規(guī)范要求全孔取心，取心率≥85%，但部分孔段地層破碎嚴(yán)重，鉆頭克取阻力不均，鉆具產(chǎn)生縱－橫向振動，從而引起鉆具與孔壁、孔底劇烈的碰撞，導(dǎo)致巖心管內(nèi)的巖心振斷、磨損，巖心采取率低(見圖1)。即使使用專門巖心撈取工具進(jìn)行巖心的補取工作，仍無法取得滿意效果。

圖1 部分巖心照片

4 解決鉆進(jìn)效率低的措施

4.1 優(yōu)化鉆頭參數(shù)

(1)數(shù)據(jù)顯示，在施工中，起下鉆及提取巖心等其他輔助工序時間占鉆進(jìn)時間的70%左右，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低下，繩索取心工藝雖解決了這一問題，但是鉆頭的壽命仍制約了這一工藝的優(yōu)越性。近年來，多水口高胎體金剛石鉆頭的研制很好地解決了鉆進(jìn)時效與鉆頭壽命相互矛盾的問題，通過對金剛石鉆頭胎體高度、水口位置和數(shù)量、胎體成分以及燒結(jié)工藝等進(jìn)行優(yōu)化，再結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗效果，綜合評價，設(shè)計出壽命較高的多層水口高胎體鉆頭。

(2)金剛石機械碎巖效果與鉆頭唇面形狀有一定關(guān)系，普通平底型唇面的鉆頭鉆進(jìn)穩(wěn)定性好，壽命長［1］，但是鉆進(jìn)時效低，改用高低交錯型的唇面或者同心環(huán)鋸齒狀唇面，使孔底巖石成槽狀破壞，特別適用于堅硬打滑地層的鉆進(jìn)。

(3)選用HRC15～25的鉆頭胎體硬度，降低胎體耐磨性，達(dá)到自磨出刃的效果。

(4)金剛石的濃度與鉆頭壽命和鉆進(jìn)效率也有一定關(guān)系，金剛石濃度高，底唇面上單位面積出露的金剛石多，破碎巖石的支撐點就多，但是單粒軸向壓力很小，導(dǎo)致軸壓不足，達(dá)不到碎巖的目的，合理的金剛石濃度為75%～85%。

(5)在胎體中混入一定量的磨料，磨料能加速胎體的磨耗，使金剛石及時出露［2］。

4.2 磨粒鉆進(jìn)

為了有效地磨削巖石，需要使胎體適當(dāng)?shù)乇荒ノg，即鉆頭唇面具有自磨和自銳作用，胎體的磨耗速度過快會增大金剛石的消耗量，縮短鉆頭壽命;過慢，金剛石的出刃少，進(jìn)尺效率低，因此，要求胎體磨耗速度略超前于金剛石的消磨速度。通常采用酸燒、金剛石砂磨屑等辦法解決金剛石出刃少的問題。但由于酸液處理的鉆頭，金剛石出露不均勻，砂磨費時且實際效果并不明顯。因此常采用向孔底投放碎石磨料的辦法，內(nèi)管提出后，通過繩索鉆桿向孔內(nèi)投入一定量的堅硬碎石(粒徑為0.5～1 cm)，再由經(jīng)驗豐富的鉆工操作鉆機，鉆具在孔內(nèi)上下提動4～6次，停泵不加壓“掃孔鉆進(jìn)”對鉆頭進(jìn)行預(yù)磨損。

孔底投磨料鉆進(jìn)雖能使金剛石及時出露，但該方法仍有使用缺陷:一是由于碎石的粒度、硬度和投入量有差異，且鉆工操作水平不一致，對鉆頭微進(jìn)尺控制不同，在停泵下磨損鉆頭，稍有不慎就可能發(fā)生燒鉆或金剛石過早脫落等事故;二是增加輔助時間，使鉆探成本增加。

4.3 應(yīng)用SYZX系列繩索取心液動錘

SYZX系列繩索取心液動潛孔錘(性能參數(shù)見表1)是將液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和繩索取心結(jié)合為一體的鉆探器具，通過液動潛孔錘的高頻沖擊碎巖，同時起下鉆的次數(shù)減少，減輕升降鉆具中的抽吸和激動壓力，孔內(nèi)事故降低［3，4］。

表1 SYZX系列繩索取心液動錘鉆具的主要性能參數(shù)

4.3.1 結(jié)構(gòu)特點

(1)容積式?jīng)_擊作用，擊砧水墊影響小，能量利用率高，整體工作穩(wěn)定;

(2)軸向沖擊作用與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)結(jié)合，產(chǎn)生微沖擊碎巖作用，增加鉆頭壓入巖石深度，切入量提高了，碎巖效果好;

(3)結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，維修費用低;

(4)鉆進(jìn)適應(yīng)能力強，主要性能參數(shù)可調(diào)整范圍大，可滿足多種工藝鉆進(jìn)需要［3］。

4.3.2 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆壓一般為8～10 kN;轉(zhuǎn)速248～538 r/min;繩索取心液動錘鉆進(jìn)主要靠泥漿泵泵送的高壓流驅(qū)動，因此常采用較大的泵量，一般為72～90 L/min。

4.3.3 對比試驗成果

為對比分析繩索取心和繩索取心液動錘鉆進(jìn)2種不同工藝的使用效果，在灌漿廊道內(nèi)選取鉆孔深度、鉆進(jìn)參數(shù)和地層條件一致的幾組灌漿孔的施工，分別使用不同工藝鉆進(jìn)，主要技術(shù)指標(biāo)對比情況見表2和表3。

表2 繩索取心鉆進(jìn)和繩索取心液動錘(繩沖)鉆進(jìn)效果比較

表3 鉆孔測斜數(shù)據(jù)

從表2可以看出，使用繩索取心液動錘鉆進(jìn)后，單回次進(jìn)尺深度提升了10%，回次進(jìn)尺達(dá)0.53 m(巖心管長0.65 m)，純鉆時間利用率提高;平均巖心采取率92%，同比提高12%，基本實現(xiàn)了全孔取心。

由表3可知，鉆孔彎曲情況為0.05°/15 m，終孔頂角偏差完全控制在0.5°/100 m內(nèi)，基本不需要進(jìn)行鉆孔糾斜處理，表明繩索取心液動錘沖擊鉆進(jìn)對鉆孔彎曲有一定預(yù)防作用。

4.4 鉆桿脫口、變形的預(yù)防

下鉆前要仔細(xì)檢查鉆桿的彎曲度和變形情況，彎曲量超過2 mm/3 m需矯直后再使用;鉆桿和接頭單邊磨損量超過1.2 mm，出現(xiàn)裂紋或者螺紋部分明顯變形，不再使用;用毛刷把適量的絲扣油涂抹在鉆桿立根的公螺紋上，減少擰卸過程中的磨損和增強密封性能，防止沖洗液和巖屑進(jìn)入，磨損螺紋副;鉆桿螺紋部分經(jīng)淬火處理，增強耐磨性;涂抹鉆桿脂［4］，減少鉆桿與孔壁回轉(zhuǎn)阻力。

5 解決鉆孔偏斜的措施

5.1 進(jìn)行回歸分析，預(yù)測鉆孔軌跡

利用數(shù)理統(tǒng)計的原理研究自變量(孔深L和開孔點在平面上的位置坐標(biāo)［x，y］)和因變量(鉆孔頂角θ和方位角α)之間的相互關(guān)系，建立鉆孔軌跡彎曲規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測鉆孔軌跡在空間內(nèi)的延伸情況。通過數(shù)學(xué)的方法和計算機處理技術(shù)把實測的數(shù)值經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，提高孔斜變化函數(shù)方程的準(zhǔn)確性。

在鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)、地層條件、鉆頭類型、孔身結(jié)構(gòu)等相同或大體相同的情況下，搜集前期已施工的鉆孔測斜數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計分析，用多元回歸分析法擬合關(guān)于鉆孔頂角和方位角變化趨勢的近似方程［6］。根據(jù)近似方程，算出空間各點頂角和方位角值，利用Excel繪出鉆孔空間位置曲線，曲線圖直觀地反映了鉆孔哪個部位發(fā)生偏斜，據(jù)此，我們可以根據(jù)鉆孔彎曲情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)和采取防斜措施控制孔斜度在規(guī)范范圍內(nèi)。

5.2 增加測斜頻次

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以隨時了解掌握孔內(nèi)情況，指導(dǎo)下一步工作的進(jìn)行。當(dāng)鉆孔出現(xiàn)明顯偏移時，要立即停止鉆進(jìn)并及時采取“糾防結(jié)合”措施。使用精度較高的KXP－2D型數(shù)字羅盤測斜儀，要求前20 m每5 m測斜一次;20 m～終孔孔段可每15或20 m一測。遇到破碎層、軟硬互層時加密測斜頻次。

5.3 鉆具結(jié)構(gòu)合理

繩索取心鉆桿的壁薄(一般為4.5 mm)，而軸向壓力比普通雙管鉆進(jìn)大25%左右，因此鉆桿的剛性較差，若使用級配不合理的粗徑鉆具和鉆桿，鉆進(jìn)時鉆具彎矩大，引起鉆孔彎曲。因此，合理的鉆具結(jié)構(gòu)非常必要。

6 解決取心率低的措施

6.1 繩索取心反循環(huán)鉆進(jìn)［7］

與普通繩索取心相比，該鉆具結(jié)構(gòu)只是在巖心管和鉆具單動機構(gòu)之間增加一個反循環(huán)裝置，沖洗液經(jīng)過噴嘴斷面時，卷吸作用使高速液流通過混合室后形成負(fù)壓，孔底沖洗液沿著內(nèi)管與巖心之間縫隙被吸入混合室，再經(jīng)內(nèi)外巖心管流向鉆頭底部，實現(xiàn)沖洗液部分反循環(huán)。另一部分的沖洗液通過正循環(huán)將巖屑帶出地表。

反循環(huán)鉆進(jìn)內(nèi)管短，巖心在沖洗液上沖力的作用下呈懸浮狀態(tài)，沖洗液對巖心的沖蝕作用減弱;內(nèi)管的局部反循環(huán)還能起到冷卻鉆頭、清潔孔底和保護(hù)巖心的作用，巖屑懸浮在內(nèi)管上部，不易卡住巖心，孔內(nèi)干凈，很少出現(xiàn)巖心堵塞;能有效預(yù)防鉆頭燒鉆事故。

根據(jù)現(xiàn)場取心效果來看，使用繩索取心反循環(huán)鉆進(jìn)后，巖心采取率普遍提高40%，完整度高，特別是破碎嚴(yán)重層段的巖心采取問題得到解決。同普通繩索取心鉆進(jìn)相比，繩索取心反循環(huán)鉆進(jìn)幾乎不需進(jìn)行巖心補撈工序，巖屑排出率高不致出現(xiàn)重復(fù)破碎，且孔內(nèi)事故少，大大提高了純鉆時間利用率，增加了經(jīng)濟效益。

6.2 控制回次進(jìn)尺

防止出現(xiàn)打懶鉆、盲目進(jìn)尺等不規(guī)范操作，鉆工應(yīng)隨時觀測鉆機各儀表盤顯示情況，嚴(yán)格控制進(jìn)尺進(jìn)度，防止巖心塞滿內(nèi)管后繼續(xù)鉆進(jìn)，延長巖心受破壞時間，導(dǎo)致巖心的磨損，降低巖心質(zhì)量。

6.3 加減振裝置

在繩索取心鉆具上部連接一根和外管直徑相同的巖心管作為導(dǎo)向管，保持鉆進(jìn)過程中鉆具的平穩(wěn)，減輕鉆具回轉(zhuǎn)時的振動，減弱對巖心的干擾。

7 結(jié)語

(1)繩索取心鉆進(jìn)取得了一定效果，鉆孔成孔質(zhì)量高，輔助工序少，工人勞動強度低。

(2)繩索取心+液動潛孔錘的鉆探工藝具有很多優(yōu)勢，不僅提高鉆進(jìn)效率和鉆頭使用壽命，而且解決了堅硬致密打滑地層鉆進(jìn)速度低和破碎地層巖心堵塞的問題。

(3)鉆進(jìn)過程中鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量的選取要符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，起到提高鉆進(jìn)效率、減少孔內(nèi)事故的效果。

(4)繩索取心反循環(huán)鉆具取出的巖心無顛倒、分選等現(xiàn)象，巖樣原生結(jié)構(gòu)保持較好;該鉆具短，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。

(5)水電中的大壩、二道壩、廠房帷幕灌漿工程中鉆孔的施工仍以普通小口徑金剛石鉆探技術(shù)為主，且大多數(shù)普通鉆進(jìn)工藝均能滿足工程鉆探對鉆孔頂角偏差(一般為2°/100 m)的要求，但是對于某些質(zhì)量控制嚴(yán)格的鉆孔，普通金剛石鉆進(jìn)效果并不好，存在鉆進(jìn)效率低、鉆具振動大、鉆孔傾斜嚴(yán)重和取心率不足等問題，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的使用，很好地解決了普通金剛石鉆進(jìn)存在的問題，值得推廣使用。

［1］李世忠.鉆探工藝學(xué)［M］北京:地質(zhì)出版社，1990.

［2］呂洪富，宋健.敦化大蒲柴河金礦區(qū)弱研磨性巖層的綜合鉆探技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(8):26 －28，35.

［3］王建華，蘇長壽，左新明.深孔液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2011，(6):59 －64.

［4］傅叢群.繩索取心液動錘在多類型礦區(qū)的應(yīng)用及其效果［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(9):24 －26.

［5］李建中.繩索取芯鉆進(jìn)幾個問題的探討［J］.地質(zhì)與勘探，1984，(5):67 －70.

［6］吳光琳.定向鉆進(jìn)工藝原理［M］.四川成都:成都科技大學(xué)出版社，1991.

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