許啟云，牛美峰，方意平，陳 斌

(浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州310030)

1 概述

隨著鉆探技術(shù)的進(jìn)步以及勘察要求不斷提高，在水利水電工程地質(zhì)鉆探中經(jīng)常會(huì)遇到水平鉆孔。為獲取詳細(xì)地質(zhì)以及試驗(yàn)資料，此類鉆孔往往要求取心，深度在30～50 m之間，常見于地應(yīng)力或彈模試驗(yàn)鉆孔中。當(dāng)鉆孔超過50 m時(shí)，通常采用不取心潛孔錘鉆進(jìn)成孔，而超過100 m要求取心的，實(shí)際上是非常少見。

按常規(guī)水電勘察鉆孔，開孔直徑范圍為75～150 mm，而常用的鉆桿規(guī)格有42 mm配57 mm鎖接頭螺紋、43 mm配44 mm特梯形方牙螺紋、50 mm配65 mm鎖接頭螺紋等規(guī)格，因此無論選擇哪種鉆孔直徑，孔壁與鉆桿之間均存在一定間隙，如水平鉆孔選擇75 mm，匹配65 mm鎖接頭的50 mm鉆桿，當(dāng)鉆進(jìn)遇到破碎巖層，鉆具鉆穿并超過鉆具長度后，由于鉆具外徑大鉆桿外徑尺寸小，在連接處形成臺(tái)階，破碎巖石受自重作用，就會(huì)使破碎巖石掉出孔壁外，當(dāng)碎塊巖石粒徑＞10 mm時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致鉆具卡在孔內(nèi)成為事故，并且由于處理方法受限，往往處理起來既耗時(shí)又費(fèi)事。例如，在錦屏輔助洞內(nèi)超埋深巖體應(yīng)力研究鉆孔中，在水平孔中采用常規(guī)的鉆進(jìn)方法，導(dǎo)致孔內(nèi)卡鉆頻繁，事故處理之后，還存在孔徑偏大的問題。為此，我們對(duì)水平孔繩索取心鉆進(jìn)工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2011年，西部某電站在公路內(nèi)側(cè)陡壁山體，原計(jì)劃布置深100 m探洞，由于地處陡坡以及急轉(zhuǎn)彎地段，給探洞施工帶來困難。為獲取區(qū)域地質(zhì)資料，要求布置深110 m水平鉆孔來代替探洞施工。我公司于1993年從蘇州探礦工具廠引進(jìn)繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，使用至今已有20余年，在垂直鉆孔中其鉆進(jìn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但針對(duì)水平鉆孔，如何撈取巖心是問題。為滿足取心要求以及防止掉塊，經(jīng)過技術(shù)人員會(huì)同鉆探工人一起對(duì)繩索取心打撈器結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行研究，將打撈器中的鋼絲繩改為硬管，實(shí)踐證明其方法可行。原計(jì)劃工期1個(gè)月，實(shí)際施工工期為19天，且孔內(nèi)未發(fā)生一起事故。

2012年，浙江某抽水蓄能電站在工程地質(zhì)鉆探期間，在截面3.0 m×3.0 m、深780 m處的地下廠房主洞某支洞內(nèi)遇到斷層，為進(jìn)一步了解支洞斷層地質(zhì)構(gòu)造情況，也要求通過主洞與斷層垂直交叉布置深100 m取心水平鉆孔來獲取地質(zhì)資料。采用上述方法，同樣也沒有發(fā)生孔內(nèi)事故，而且所取巖心質(zhì)量非常好，達(dá)到了地質(zhì)勘探目的，得到了現(xiàn)場地質(zhì)工程師的好評(píng)。

上述2個(gè)工程實(shí)例證明，在某些特殊條件進(jìn)行水平孔鉆進(jìn)，常規(guī)鉆進(jìn)方法困難的情況下，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。筆者結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)在水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)。

2 主要設(shè)備選擇

水平孔施工一怕孔斜，二怕孔內(nèi)掉塊事故，為防止萬一需要處理孔內(nèi)事故，在設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)選擇扭矩較大的鉆機(jī)，并從鉆機(jī)平穩(wěn)性好、安裝方便、動(dòng)力較大、適用強(qiáng)等進(jìn)行綜合考慮，為此，通常選擇XY－2型鉆機(jī)，配套BW－150型泥漿泵，75 mm繩索取心鉆具和鉆桿。

3 鉆進(jìn)技術(shù)及要點(diǎn)措施

眾所周知，水平鉆孔施工難點(diǎn)是預(yù)防鉆孔傾斜及掉塊，因此無論是機(jī)具選型、還是設(shè)備安裝、成孔方法，都要緊緊圍繞預(yù)防措施而開展，為使水平鉆孔施工順利進(jìn)行，前期準(zhǔn)備工作要充分，并著重把握好如下鉆進(jìn)技術(shù)及要點(diǎn)措施。

(1)安裝鉆機(jī)要穩(wěn)固扎實(shí)。由于水平孔鉆機(jī)受力變成水平方向，為防止鉆機(jī)前后以及左右晃動(dòng)，應(yīng)按鉆機(jī)地腳螺孔預(yù)埋地腳螺栓，使地面、機(jī)臺(tái)木以及鉆機(jī)之間形成整體，并用水平尺使鉆機(jī)前后均在同一水平面上。鉆孔方向控制:結(jié)合水平孔在自重作用下容易向下傾斜的特點(diǎn)，立軸角度應(yīng)向上漂1°，其方法用地質(zhì)羅盤與萬能角度尺結(jié)合，使鉆機(jī)立軸方向與鉆孔方向取得一致。同時(shí)，為了鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中水平加壓以及起鉆需要，鉆機(jī)和山體巖石之間用鋼絲繩松緊扣固定拉緊，以及用短方木做好必要的橫向支撐，同時(shí)，在鉆機(jī)操作的一側(cè)附近地面也設(shè)置預(yù)埋鋼釬做錨固點(diǎn)，用鋼絲繩松緊扣與鉆機(jī)固定拉緊，另在鉆孔反向延長上固定一個(gè)滑輪，以滿足起鉆時(shí)使用。

(2)水平鉆孔鉆桿選擇。水平鉆孔施工導(dǎo)致傾斜的原因很多。當(dāng)所用鉆桿與孔徑尺寸相差較大時(shí)，鉆進(jìn)加壓會(huì)使局部鉆桿彎曲，是導(dǎo)致鉆孔向下或向上偏移常見的原因之一，為此，選用75 mm繩索取心鉆具及所配71 mm鉆桿，使孔壁間隙較小，使粒徑＞3 mm的碎塊巖石無法掉入孔外而引起卡鉆，此外，在鉆進(jìn)加壓過程中也不容易使鉆桿彎曲。

(3)水平鉆孔開孔。水平孔鉆進(jìn)，由于鉆具的自重作用，立軸角度以上漂1°為宜，為了確保鉆孔基本水平，開孔前，通過地質(zhì)羅盤和萬能角度尺組合，使鉆機(jī)立軸與鉆孔方向取得一致，開孔時(shí)，應(yīng)把開孔短鉆具直接與鉆機(jī)立軸螺紋連接，在低速、輕壓狀態(tài)下進(jìn)行開孔，隨著鉆進(jìn)深度增加，再不斷加長開孔鉆具的長度，該開孔深度不應(yīng)小于3 m，一般按標(biāo)準(zhǔn)長的繩索取心鉆具長度來進(jìn)行控制。

(4)鉆進(jìn)參數(shù)控制。水平孔鉆進(jìn)鉆壓，鉆頭所需壓力全部靠鉆機(jī)油壓給進(jìn)，其中一部分用于克服鉆具與孔壁的摩擦力，因此，水平孔鉆進(jìn)要求壓力比垂直孔要大一些，實(shí)際鉆壓選擇范圍為14～15 kN。轉(zhuǎn)速:為防止鉆進(jìn)中鉆機(jī)振動(dòng)過大，一般選擇中低速進(jìn)行鉆進(jìn)，即在200～600 r/min范圍內(nèi)選擇即可。泵量:水平孔沖洗液容易返出，排粉條件較好，泵量可以適當(dāng)大一些，一般控制在50～70 L/min。

(5)打撈器改進(jìn)及使用。水平孔采取繩索取心鉆進(jìn)施工，無法依靠打撈器自重用鋼絲繩把打撈器送到取心鉆具頂部，為此需要對(duì)打撈器進(jìn)行改進(jìn)，其具體辦法是:打撈器保留打撈鉤部分零部件，即拆卸其余零部件，然后在打撈鉤的上端加裝一個(gè)3/4 in(19.05 mm)自來水鐵管螺紋接頭，需要撈取巖心時(shí)，打撈器打撈鉤接頭與同螺紋的3/4 in(19.05 mm)自來水鐵管連接，并依次按孔深連接自來水鐵管，直至打撈器打撈鉤到達(dá)鉆具內(nèi)管總成掛住撈矛頭即可拖動(dòng)巖心內(nèi)管。然后再依次拆除3/4 in(19.05 mm)自來水鐵管，把巖心取出孔外。安裝內(nèi)管時(shí)，其方法相同，把內(nèi)管安裝到位即可。

(6)起下鉆及系統(tǒng)設(shè)置。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到20～30 m之后，依靠人工推拉鉆桿進(jìn)行起鉆或下鉆就會(huì)比較困難，鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)又不能像垂直孔那樣直接使用，而需要按起鉆或下鉆的不同進(jìn)行滑輪組合來完成。

起鉆滑輪組合如圖1所示，鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)上鋼絲繩先通過卷揚(yáng)機(jī)上方的固定滑輪1，再經(jīng)過與水平孔反向延長線上適當(dāng)部位固定的滑輪2(按孔內(nèi)鉆桿長度來定)，最后鋼絲繩與孔口鉆桿上的提引器進(jìn)行組合。起鉆時(shí)，鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)收緊鋼絲繩，鋼絲繩先通過卷揚(yáng)機(jī)上方滑輪1改變受力方向，鋼絲繩再通過水平孔反向延長線上的滑輪2，拖動(dòng)孔口鉆桿向后不斷延伸，達(dá)到起出孔內(nèi)鉆桿的目的。

圖1 起鉆滑輪組合操作示意圖

下鉆滑輪組合如圖2所示，鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)上鋼絲繩先通過鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)上方滑輪1，再與孔口上方附近巖體中固定的滑輪3進(jìn)行組合，先在孔口接長鉆桿并與提引器鋼絲繩連接，下鉆時(shí)，鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)收緊鋼絲繩，鋼絲繩先通過卷揚(yáng)機(jī)上方滑輪1改變受力方向，鋼絲繩再通過固定在孔口上方的滑輪3，拖動(dòng)連接在孔口鉆桿上提引器，使孔外鉆桿滑行到鉆孔內(nèi)。

圖2 下鉆滑輪組合操作示意

4 繩索取心鉆進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

(1)與普通鉆進(jìn)方法相比，繩索取心鉆進(jìn)具有防孔內(nèi)掉塊的優(yōu)點(diǎn)。在水電工程地質(zhì)鉆探成孔過程中，經(jīng)常會(huì)遇到不良地質(zhì)巖層，如斷層、軟弱夾層、破碎帶、節(jié)理發(fā)育等，當(dāng)鉆具鉆穿破碎地層后，如果采用43或50 mm鉆桿，由于與孔徑間隙過大，孔壁就會(huì)出現(xiàn)掉塊，為此，經(jīng)常因孔壁掉塊使鉆具卡在孔內(nèi);而改用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)之后，由于鉆具外徑75 mm，而鉆桿外徑為71 mm，其外徑尺寸相差很小，直徑＞3 mm的破碎巖石就無法掉入孔內(nèi)，也就不會(huì)因不良地層而發(fā)生孔內(nèi)卡鉆事故。

(2)采用繩索取心鉆桿，鉆桿和孔壁之間間隙較小，改善了鉆桿的受力狀態(tài)，鉆桿不容易被折斷，避免斷鉆桿等孔內(nèi)事故的發(fā)生。同時(shí)，鉆機(jī)在加壓傳遞鉆壓過程中，鉆桿受力不容易彎曲，從而提高了鉆進(jìn)穩(wěn)定性和保證了鉆孔孔徑。

(3)只要金剛石鉆頭沒有達(dá)到使用壽命就可以連續(xù)鉆進(jìn)，起鉆次數(shù)減少，可以大大增加純鉆進(jìn)時(shí)間，提高鉆進(jìn)工效，同時(shí)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度和減少了鉆探成本。

(4)水平鉆進(jìn)其巖心進(jìn)入內(nèi)管相對(duì)較容易，因此巖心采取率較高。

(5)起下鉆升降系統(tǒng)由垂直高空作業(yè)改變成水平地面作業(yè)，設(shè)備簡化，操作較安全。

5 結(jié)語

繩索取心技術(shù)在水平孔中的成功應(yīng)用，是技術(shù)人員與鉆探工人共同努力的結(jié)果，同時(shí)也使繩索取心鉆進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓展。該鉆進(jìn)技術(shù)具有提鉆次數(shù)少、鉆進(jìn)工效高、鉆孔質(zhì)量好、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，具有很好地推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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