孟慶鵬，孫德科，潘國忠，凌振輝

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200030）

0 引言

工程勘察鉆孔垂直度是影響勘察結果的一個因素，如鉆孔偏斜嚴重，會導致對地質(zhì)情況的誤判，造成很大損失。鉆孔偏斜還會造成鉆具回轉(zhuǎn)及升降的困難，也容易引起鉆桿折斷和鉆進無用功率消耗增大[1]。在彎曲嚴重的孔段，常因鉆桿的劇烈敲擊而造成孔壁不完整層的坍塌掉塊，易塌孔和卡鉆，增加了勘探難度和施工風險[2]。此外，鉆孔偏斜會使鉆進工作量增加，加大施工成本。隨著國內(nèi)巖土工程的飛速發(fā)展，鉆孔測斜儀已經(jīng)廣泛應用于各類工程中。本文以SH-G3鉆孔軌跡檢測儀在通蘇嘉甬鐵路杭州灣跨海段大橋項目勘察鉆孔中的應用實例為依據(jù)，為提高近海勘察鉆孔垂直度的鉆探工藝提供參考。

1 鉆孔偏斜主要原因

主要有地質(zhì)因素、技術因素和工藝因素。由于地質(zhì)分布具有不均勻性和不確定性[3]，以及巖石的各向異性和軟硬互層，當鉆頭從軟巖層鉆進至硬巖層時，層面傾角不同，其力學性質(zhì)隨之變化，破壞模式也會不同[4]，造成孔向不同的偏移方向。同時，長尺寸鉆孔偏斜控制必須貫徹于鉆孔施工的每一個環(huán)節(jié)[5]，開孔時，調(diào)整鉆機平整度與豎直度，保證鉆機插鉆位置正確[6]，孔口套管垂直下放，避免鉆孔開孔時偏斜。鉆壓過大、鉆速過高，沖洗液量過大或質(zhì)量不好，會造成孔壁間隙增加，而孔壁間隙是導致鉆孔傾角變化的關鍵因素[7]。鉆桿直徑、巖芯管長度、鉆機型號、鉆頭材質(zhì)等，也會對鉆孔垂直度造成不同程度影響。

2 垂直度檢測原理

SH-G3鉆孔軌跡檢測儀可通過自帶高精度陀螺儀和傾角傳感器的探頭以及上下6個自適應孔徑支臂順著鉆孔內(nèi)壁移動，通過陀螺儀X、Y方向角度，計算測點在探頭坐標系中的X、Y方向上的位移，經(jīng)過幾何關系，計算測點在探頭坐標系中的極角與極軸，結合測點Z方向角度，將測點在探頭坐標系中的極坐標投影到以北方向為參考的地理坐標系中，分解得到測點在地理坐標系中的X、Y方向上的位移，在連續(xù)測量過程中，地理坐標系中的X、Y方向位移進行矢量累加，最終計算得到在地理坐標系中的極角與極軸，其中地理坐標系中的極角反映測點在平面投影中的方位，極軸反映測點在平面投影中的位移，實時輸出四元素、歐拉角、三維姿態(tài)監(jiān)測，結合位移S與深度H，反映測點對應垂直度L。

3 工程應用

3.1 項目概況

通蘇嘉甬鐵路是國家“八縱八橫”高速鐵路主通道之一，杭州灣跨海段大橋是項目中的控制性工程，全長約29.2 km，包括北、中、南3座航道橋，建成后將是全世界最長、建設標準最高的跨海高速鐵路橋。同時也是世界第一座強潮海灣、全埋置式承臺基礎的高速鐵路跨海特大橋、長三角城市群交流的重要城際骨干線路。本項目具有風大浪高、潮差大、流速急、淺層氣分布廣等特點，對勘探施工作業(yè)造成極大困難。同時勘探孔深較大，其中多個鉆孔深度超過150 m，最深的鉆孔達到180 m，作業(yè)深度和難度均為國內(nèi)罕見。

本項目鉆探孔口套管使用多個外徑146 mm、壁厚13 mm、長度3 m的無縫鋼管銜接，鉆孔套管平均入土深度約60 m，鉆桿使用?42 mm×3 m、?50 mm×3 m兩種規(guī)格，巖芯管使用?89 mm×2 m、?89 mm×3.5 m兩種規(guī)格，鉆孔使用硬質(zhì)合金鉆頭、135～1588 r/min正轉(zhuǎn)八速度的中邦XY-4型巖芯鉆機進行鉆進。

3.2 檢測

為了滿足海上鉆孔垂直度測量工作順利開展，特加工1只船載計算滑輪腳架，在每個鉆孔成孔后，將SH-G3鉆孔軌跡檢測儀船載腳架平穩(wěn)安置在被測孔口前方，將計算滑輪安裝在腳架的固定座上，孔口滑輪安裝在鉆探平臺腳架上并固定在孔位的正上方。將電纜線穿過滑輪與鉆孔探頭連接好后，打開羅盤，將探頭標志輪對準正北方向，靜止在孔位套管口處。

打開儀器設置好參數(shù)后，點擊“采集”按鈕，通過滑輪的轉(zhuǎn)動，開始采集信號，檢測深度達到設置的孔深時，程序會自動停止采集任務，并提示保存數(shù)據(jù)。如圖1所示，對DZ20鉆孔垂直度進行檢測，通過武漢聲赫SH-G3鉆孔軌跡分析軟件，在視圖區(qū)域內(nèi)點擊鼠標左鍵，在右側(cè)姿態(tài)視圖、數(shù)據(jù)視圖、極坐標視圖會展現(xiàn)當前點擊深度的實時數(shù)據(jù)。

圖1 武漢聲赫SH-G3鉆孔軌跡分析軟件視圖區(qū)Fig.1 View area of Wuhan Shenghe SH-G3 borehole trajectory analysis software

3.3 成果分析

通過對鉆孔DZ20輸出報告可以看出，鉆孔整樁偏移方向基本一致，主要原因為杭州灣地理位置特殊，氣候復雜，存在涌潮等特殊情況，海上水流速度較快，漲、落潮頻繁，晃動較為嚴重，未使孔口套管從鉆探平臺垂直下放至孔口，鉆機塔架與孔口不在同一軸心線上，開孔偏斜促使整樁鉆進過程中鉆孔朝向套管傾斜方向鉆入。

3.4 鉆孔垂直度保障措施

海上鉆探平臺能夠達到穩(wěn)泊定位，可保障鉆孔成孔質(zhì)量。通過采用米字形拋錨方式，并使用三航院勘察公司“動-靜”耦合式雙平臺，“靜”平臺下方設有1套扶正裝置[8]，見圖2，實現(xiàn)船載“動”平臺與海床式“靜”平臺之間耦合，形成基于船載的“動-靜”雙作業(yè)平臺模式[9-12]，在后期成孔過程中，保證開孔具有良好的垂直度。

圖2 “靜”平臺下方的扶正裝置Fig.2 Centering device under the"static"platform

3.5 鉆孔垂直度影響因素

根據(jù)已完成勘探孔可知，杭州灣區(qū)域地層較穩(wěn)定，主要以土砂層為主，地質(zhì)因素對垂直度影響較小，在不考慮地質(zhì)因素條件下，分別從鉆機轉(zhuǎn)速、鉆桿直徑和巖芯管長度3個方面分析其與成孔垂直度關系。

1）轉(zhuǎn)速

鉆具采用?89 mm×3.5 m的巖芯管、?42 mm×3 m鉆桿，選擇設計孔深超過120 m的鉆孔。DZ12、DZ13、DZ14等鉆孔使用中速檔位鉆進，DZ27、DZ8-2、DZ9-3等鉆孔使用高速檔位鉆進。在終孔后進行相同120 m深度的垂直度檢測（深度測量從套管口開始），根據(jù)輸出各鉆孔測定報告的數(shù)據(jù)進行整理分析，各鉆孔垂直度檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速鉆進各鉆孔垂直度檢測數(shù)據(jù)Table 1 Test data of verticality of boreholes at different drilling speeds

通過表1可知，鉆機在中速鉆進條件下，鉆孔垂直度區(qū)間范圍在0.52%～0.75%之間；鉆機在高速鉆進條件下，鉆孔垂直度在0.87%～1.25%之間。數(shù)據(jù)結果表明鉆機使用中等速度進行鉆進可以提高鉆孔的垂直度。這是由于高速鉆進時，鉆壓過大，造成鉆桿彎曲，鉆頭緊靠孔壁，造成偏倒角變大。轉(zhuǎn)速越高，鉆桿回轉(zhuǎn)離心力變大，增加鉆具擴壁作用，從而增加鉆孔彎曲度。

2）鉆桿直徑

鉆具采用?89 mm×3.5 m的巖芯管，鉆機使用中速檔位進行鉆探，選擇設計孔深超過120 m的鉆孔。DZ9-5、DZ68、DZ75等采用?42 mm×3 m鉆桿；DZ6-2、DZ78、DZ72等采用?50 mm×3 m的鉆桿。在終孔后進行相同120 m深度的垂直度檢測（深度測量從套管口開始），根據(jù)輸出各鉆孔測定報告的數(shù)據(jù)進行整理分析，各鉆孔垂直度檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同直徑鉆桿鉆進各鉆孔垂直度檢測數(shù)據(jù)Table 2 Test data of verticality of boreholes drilled with drilling rods of different diameters

通過表2可知，鉆機在中速鉆進條件下，使用?42 mm鉆桿的鉆孔垂直度區(qū)間在0.69%～1.05%之間；使用?50 mm鉆桿的鉆孔垂直度區(qū)間在0.52%～0.77%之間。數(shù)據(jù)結果表明鉆機在使用?50 mm鉆桿進行鉆進時，可以較明顯提高鉆孔的垂直度，保障成孔質(zhì)量。采用?50 mm鉆桿提高鉆具的剛度，可保障鉆具在軸向壓力下不會被壓彎，保障作業(yè)時減少擴壁作用，減少鉆孔彎曲度。

3）巖芯管長度

采用?50 mm×3 m鉆桿，鉆機使用中速檔位進行鉆進，選擇設計孔深超過120 m的鉆孔。DZ45-1、DZ8-4、DZ45-2等鉆孔采用?89 mm×3.5 m的巖芯管，DZ7-1、DZ69、DZ73等鉆孔采用?89 mm×2.0 m的巖芯管。在終孔后進行相同120 m深度的垂直度檢測，根據(jù)輸出各鉆孔測定報告的數(shù)據(jù)進行整理分析，各鉆孔垂直度檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同巖芯管長度各鉆孔垂直度檢測數(shù)據(jù)Table 3 Test data of verticality of boreholes with coresamplers of different length

通過表3可知，使用?89 mm×2 m巖芯管的鉆孔垂直度區(qū)間在0.89%～1.39%之間;使用?89 mm×3.5 m巖芯管的鉆孔垂直度區(qū)間在0.49%～0.77%之間。數(shù)據(jù)結果表明鉆機在使用較長3.5 m巖芯管進行鉆進時，可提高鉆孔的垂直度。孔底偏倒角主要由孔壁間距和鉆具的長度決定，鉆具長度在一定范圍內(nèi)增加，會較少偏倒角，減少鉆孔彎曲度。

以上鉆孔垂直度檢測結果都小于2%，滿足規(guī)范要求。表明采用米字形拋錨方式，并使用三航院勘察公司自主研發(fā)的“動-靜”耦合式雙平臺，可有效保障鉆探平臺達到穩(wěn)泊定位效果，保障鉆孔成孔質(zhì)量。

3.6 鉆孔垂直度檢測技術可靠性分析

采用中等檔位轉(zhuǎn)速、?89 mm×3.5 m巖芯管、?42 mm×3 m鉆桿進行鉆進，對完成的DZ38-5鉆孔進行20次垂直度檢測，根據(jù)輸出測定報告數(shù)據(jù)進行整理分析。實測深度中誤差為0.066 m，垂直度中誤差0.029%。重復檢測結果表明，SH-G3鉆孔軌跡檢測儀性能良好，精度較高，確保本次應用成果的準確性。

4 結語

1）在本次近?？辈煦@孔中，孔口套管使用總長度占孔深近1/2，套管下放垂直度嚴重影響整孔傾斜偏移，采用米字形拋錨方式，使用三航院勘察公司“動-靜”耦合式雙平臺，有效減少涌浪對勘探平臺穩(wěn)定性的影響，同時可使套管與孔口在同一軸心線上，減少開孔偏斜。

2）本項目采用SH-G3鉆孔軌跡檢測儀進行復雜條件下近海深孔垂直度檢測工藝和流程，具有實用性和可操性，為檢驗鉆孔質(zhì)量提供一種有效手段。

3）鉆孔偏斜受鉆機轉(zhuǎn)速、鉆桿直徑、巖芯管長度等鉆探工藝影響，通過對成孔垂直度檢測結果的對比分析，使用鉆機中速檔位鉆進、?50 mm鉆桿、較長巖芯管等一體化鉆探工藝，在近?？辈熘懈軠p少鉆孔偏斜，提高鉆孔垂直度，保證鉆孔質(zhì)量，為工程建設提供更精確的勘察結果。