摘要：思安江水库工程在建过程中，对趾板、坝肩等部位的深孔帷幕灌浆钻孔施工，遇到孔斜现象，本文着重探讨孔斜成因及其不良影响，介绍了孔斜的预防和处理措施。
关键词：钻孔方向 孔斜成因 孔内事故 钻孔质量 连续帷幕
1、引言
桂林•思安江水库工程位于广西•桂林市•灵川县境内，该水库工程施工过程中发现地质条件较为复杂，处在 桂林特有的“卡斯特”地貌范围内，大坝左右岸坝肩及趾板趾板“X”线处泥质粉砂岩夹含泥细砂岩f=3~4，属III—IV类围岩，断层较多，裂隙较发育，地下水极为丰富，帷幕灌浆钻孔非常困难 。深孔帷幕灌浆质量直接决定大坝地基的安全。事实上，因为各方面的原因，钻孔与设计方向往往会产生不一致的偏斜变化。如果钻孔产生的偏斜度很小，其影响是不大的；假如偏斜度严重发展，不仅对钻进质量、事故发生率、钻进效率等方面产生不良的影响，而且会严重影响具有一定防渗标准的“连续帷幕”的形成。
2、造成孔斜的主要成因分析
思安江水库趾板0+275～0+348、大坝坝肩 0+3930～0+472段因地质条件差，成孔过程中，孔斜现象时有发生，孔斜作为钻孔事故产生的原因较多，可归纳为地质条件差，技术细节不适宜，操作方法不当等方面。
2.1 地质条件差
（1）如坝肩帷幕灌浆钻进松散覆盖层时，覆盖层越厚，越容易改变钻孔的方向。其主要原因是覆盖层具有较强的活动性，钻出的钻孔孔径较大时，势必对粗径钻具不能形成强有力的控制，因而不能保证钻进方向的一致性；
（2）如趾板在断层及岩性变化区，在有一定倾角的、软硬交替的岩石中钻进，由于钻头在同一接触面上有软硬不同的岩层，因此，可钻性不同的岩层会产生不同的钻进速度，从而改变钻头的钻进方向；
（3）在厚度大、破碎较严重的岩层中钻进，其钻孔孔径也较大，粗径钻具在钻进方向上不容易被控制。此外，破碎岩层往往是软硬岩层共存，因此，钻头容易改变方向。
2.2 技术细节不适宜
（1）在开孔钻进或浅孔阶段的钻进中，钻机立轴与钻孔不在同一条中心线上，这会直接影响钻孔偏斜；使用过高的立轴钻杆与磨损较严重的立轴钻杆定向套管，容易使立轴产生较大的摆动，直接影响到钻头在孔底钻进时的不稳定性；帷幕深孔一般都要安装孔口管，如果孔口管不正，也会直接影响到开孔钻进时的方向；
（2）使用了弯曲的钻具或过短的岩心管。岩心管、钻杆等的弯曲，都会使钻具连接后不正，从而影响钻进的方向。使用过短的岩心管，在孔内歪斜时，比长岩心管的歪斜度更大，产生的孔斜度也更为严重；（3）在由大孔径换小孔径或扩孔钻进过程中，因为孔壁各部硬度不一，孔径大小也不一致
2.3 操作方法不当
（1）钻进时过大的加压，使钻杆产生多段处的严重弯曲，特别是在不利的地质条件下，对产生钻孔偏斜的影响会更大；
（2）使用磨损过钝的金刚石或硬质合金钻头钻进，会因在金刚石颗粒或合金粒向岩石内切入不稳定的情况下，容易改变钻头的钻进方向；
（3）在松散易坍塌的岩层中钻进，冲洗液的排量过大，压力过高，特别是使用粘度很小的泥浆或清水作冲洗液时，会较严重地破坏孔壁，造成孔内某一局部的坍塌，使孔径扩大。
由此不易控制钻杆过大的弯曲，致使粗径钻具容易产生偏斜。
3、孔斜对产生孔内事故的影响
钻孔一旦发生较严重的孔斜，将会给钻孔施工过程带来很多难题。严重的孔斜，不仅会加剧孔内事故的发生，而且会增加已发事故处理的复杂性。
3.1 孔斜会加剧孔壁坍塌、掉块、岩层错动等地质因素所易造成的孔内埋钻、卡钻挤夹等事故在松软、破碎的岩层中钻孔，不采取有效的护壁措施，就有可能产生孔壁坍塌，造成钻具的埋挤、陷埋事故；在地质构造复杂的地层中钻进，当遭遇到局部地层结构不坚固、不完整时，会因岩层自身牢固性不够，钻杆在孔内回转碰打，冲洗液冲刷破坏，使其部分岩石破裂而掉入孔内，造成钻具的挤夹，给钻具的提升或下降带来困难；在节理多、倾角大、破碎多等容易活动的岩层内钻孔，往往会发生成批的岩石块（孔壁岩石）向孔内滑动，使钻孔变形，产生因岩层部分错动的卡钻挤夹事故。如果钻孔在上述部位发生了较为严重的偏斜，会很容易产生孔壁坍塌、掉块、岩层错动，使原有地层的活动性增加，稳定性减弱，影响范围也相应扩大，使孔内埋钻、卡钻、挤夹事故发生的频率增加。
3.2 钻具折断事故的机率增加
钻孔的严重偏斜，使高速回转的钻具在孔壁岩石的磨擦作用下，磨损相当严重。钻具在孔内回转时，会因钻孔较大偏斜产生很大阻力，而此阻力又集中表现在孔内的弯曲接触上。因此，也就使钻具折断的机率增加。
3.3 在偏斜度较大的钻孔内，发生钻具折断事故后会影响事故的正常处理，增加其处理的复杂性
钻杆折断以后，其下部的断头会因孔斜而深藏在大孔径段内，使打捞矢锥不易对上断头；如果钻孔方位的偏斜变化较为复杂，尽管孔壁是完整的，打捞矢锥也不易碰上断头；假如钻孔方位的偏斜无多大变化，也会因孔斜度较大，打捞矢锥与钻杆断头不容易端正的接触。在上述情况下，往往不得不改变打捞方法，也就相应地增加了打捞时的复杂性。
4、孔斜对灌浆质量的影响
孔斜所造成的灌浆孔孔距的变化使相邻孔的有效充填范围彼此衔接不起来，从而使灌浆帷幕不能达到规定的防渗标准，灌浆质量受到影响。
浆液在岩石缝隙中的扩散范围受灌浆压力、浆液性质、岩缝发育特征及施工工艺等因素的影响。同一性质的浆液在不同压力、不同地质条件下，扩散充填的范围差异性很大。灌浆孔距的确定，过去应用最多的是凭经验判断，现在一般是在现场作灌浆试验。经过试验后确定的孔距相对于某一坝址地质状况来说是较为合理的，它的最主要的特点是，使相邻灌浆孔浆液的充填范围能彼此衔接，而且到最后既不会遗留下能导致透水性超过标准的大裂缝，又不使搭接重叠的部分太少，以能形成一个具有一定防渗标准的“连续帷幕”，又使钻孔量最少。但钻孔产生偏斜后，无疑会破坏相邻钻孔间浆液充填时的这种“衔接”关系，灌浆不能达到预期目的。
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5、孔斜的预防与处理措施
控制钻孔钻进方向，使之不发生严重偏斜是一项很复杂的技术工作。采取何种技术措施防止钻孔偏斜或钻孔产生严重偏斜后如何处理，都必须将影响钻孔偏斜的3方面因素结合起来全面加以考虑。
5.1 预防孔斜的措施
（1）钻机的安装要水平牢固，立轴中心与钻孔中心应在同一条垂直线上，并按要求的孔向对准孔位开孔，以使钻进中不摆不晃；
（2）孔口管必须牢固并满足要求，在开孔钻进与浅孔阶段钻进中，立轴钻杆不能太长，否则钻进时摆动性大，致使立轴转动不稳，造成钻具摆动性增大；
（3）使用符合规格的各种钻孔器具，并随时检查，如发现有弯曲的钻具或有磨损较严重的立轴导管时，应及时更换。在浅孔钻进阶段，一般情况下，使用的岩心管长度较大一些为宜；
（4）孔较深以后，即开始需要从地面减压钻进时，特别要注意钻压的调整，同时要注意提升吊环必须与立轴及钻孔中心线在一条直线上；
（5）钻进中，当岩石换层时，不论是由软变硬还是由硬变软，或者是由完整变破碎，破碎变完整等情况，均应减压减速钻进，对其进尺的速度和冲洗液的流量及压力也应加以适当的控制；
（6）钻进中，应勤检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题应及时纠正；
（7）为防止孔斜发生，必须熟悉所使用机械性能和钻孔方法的特点，经常研究，总结经验。在深孔帷幕的钻孔中，应对孔斜及时测量，及时准确地掌握钻孔的偏斜情况，以利于及时处理。
5.2 孔斜的处理措施
5.2.1扩孔纠偏法
此种方法适合于浅孔阶段中（一般不超过10 m）钻孔已偏斜严重的情况。
采取加长粗径钻具，并使用比原钻具直径至少大一级的钻具，从孔口或从孔口管底部位置扩下去。可以扩大处理符合要求的钻孔，矫正钻孔的方向，防止在继续钻进中该孔偏斜严重发展的情况出现，这种方法在施工过程中经常被采用。
5.2.2短钻具法
在松软岩层或厚度大的覆盖层中钻进时，当钻孔产生一定偏斜后，可利用较短的粗径钻具进行矫正。因为在上述地质条件下钻孔，孔径一般比较大，而短钻具在较大孔径内较易改变方向。主要通过用轻压力慢转速的操作方法，钻具会因自重垂向钻进。使用的岩心管长度一般可为1~1.5 m，钻进3~5 m后进行钻孔测斜。如果孔斜度已减少，则可使用正常钻具钻进；如果没有矫正过来，则可加长粗径钻具，从开始矫正位置扫孔后，即或按原孔斜度钻进。
5.2.3换径法
换径法主要是用比原正常钻进用的粗径钻具小一级或二级直径且长度短于1.5 m的粗径钻具钻进。因为短细的粗径钻具可在较大的孔径内成接近于垂直状态。
在进行矫正前，先把孔内岩心取净。钻进时要轻压慢速控制给进。钻进3~5 m后进行测斜。如果孔斜没有减少，可用原正常钻具扩下去，待条件成熟后再进行矫正。如果新孔孔斜度有所减少，可换用带有导向装置的钻具进行扩孔，扩完后换用正常钻具钻进。在容许的情况下，也可用换径的钻具加长后钻进，直至终孔。
5.2.4控制法
要是在考虑进行其它矫正方法时有很大困难，或还有不多的距离就抵达终孔的情况下应用。这一方法的主要措施是加长粗径钻具。一般情况下，加长后的粗径钻具不小于原钻具的2倍。加长粗径钻具后，无疑会增大孔壁对整个粗径钻具按原方向继续钻进的控制力，使原有的孔斜度不再继续扩大，但在操作方法上要严格注意。
5.2.5扫孔法
扫孔法是在某一灌浆段钻孔结束时进行孔斜测量，发现偏斜值超过允许值时，先不进行纠偏处理，按正常程序继续进行灌浆，当接近灌浆结束标准时，用比例为0.5（或0.6）∶1的浓浆（可加适量的速凝剂）置换出孔内稀浆，并待凝24~48 h后再扫孔，扫孔时注意控制钻压并随时检测孔斜，可使已偏斜的钻孔段得到有效的纠正。但此种办法耗时较长，一般在上述几种方法处理无效的情况下采用。
5.2.6补孔法
补孔法有两种情况：
（1）在灌浆施工中，当发现钻孔偏斜严重时，为防止严重的孔斜对灌浆质量产生影响，可在该孔附近补钻新的灌浆孔，一般与原灌浆孔的距离应不大于50 cm，但补钻灌浆孔前应封填好原偏斜灌浆孔。此种情况适用于浅孔阶段中就严重偏斜且在采取多种矫正方法均无效的灌浆孔。补钻新的灌浆孔后在与原偏斜孔相对应的孔深位置以上的各灌浆段一般可不再灌浆；
（2）在灌浆施工结束对施工质量进行检查验收时，通常的方法是采用打质量（效果）检查孔。检查孔位置的选定，既要考虑到有代表性和普遍性，又要照顾到薄弱环节。这时，可结合对灌浆施工资料的综合分析，在因孔斜可能使灌浆不足的地方布置检查孔，使其得到一次补强的机会，因为检查孔也要灌浆。同时，通过检查孔的压水试验，也能获知因孔斜对灌浆质量的影响程度。
6、结束语
在水库施工过程中，有大工作量的帷幕灌浆，要保证很深的帷幕灌浆孔不发生偏斜，绝非易事，只能最大限度地加以控制。虽然结合地质条件采取多种技术措施和操作方法，往往也很难控制钻孔不发生偏斜。如果用加强测斜等方法来加强控制，但在如此多的灌浆孔内，势必要增加浩繁的工作量，使施工单位难以承受。另外，一旦发现偏斜，要采取纠偏，不但费时，而且不易成功。因此，对于解决偏斜问题，笔者认为，不仅要从施工方面入手，而且要从设计方面着手。
（1）合理降低深层的要求标准，放宽容许偏差值。规范规定了垂直或顶角不小于5°的帷幕灌浆孔其孔底的容许偏差值。但当孔深大于60 m时，孔底最大容许偏差值除了应根据工程实际情况并考虑帷幕排数等具体情况确定外，还应结合当地地质条件下浆液扩散半径和该孔下部岩层的透水性能来分析比较后确定。在特殊情况下，容许偏差值可大于孔距；
（2）增加帷幕的排数。在地质条件不良、钻孔偏斜的情况下，可考虑在局部地方增加帷幕的排数，以防止孔斜对灌浆质量产生不良影响；
（3）适当提高灌浆压力。在深孔阶段钻孔发生了稍大一些的偏斜（但未超过规定标准），采用高一些的压力灌浆，可在一定程度上使浆液的扩散范围增大并弥补因钻孔偏斜造成灌浆范围的不足。
论文作者:曹凌云
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/25
标签：钻孔论文; 钻具论文; 岩层论文; 帷幕论文; 立轴论文; 钻杆论文; 孔径论文; 《基层建设》2018年第7期论文;