CN102704909B - 一种深孔钻孔孔斜控制施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔钻孔孔斜控制施工方法。包括开孔前的钻具准备与孔斜控制、开孔过程与孔斜控制、钻进过程与孔斜控制及各孔斜控制规定范围和方法。本发明根据不同的孔深和孔排数，设置与之相适应的孔斜控制方案，通过采用加大刚度的优质护壁套管，针对不同的孔深及地质条件的综合运用不同地层匹配性的钻孔工艺，采用重锤式测斜仪器，实现钻孔测斜快速、准确、方便的进行。

Description

一种深孔钻孔孔斜控制施工方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，尤其属于深孔钻孔技术领域，特别涉及一种深孔钻孔孔斜控制施工方法。

背景技术

钻孔施工中孔斜控制是钻孔技术的重要技术难点。在高喷防渗墙施工中，孔斜直接关系到高喷防渗墙墙体的整体连接，是成墙的关键所在，如孔斜控制不到位将会导致桩体间出现开叉无法有效搭接等严重后果，故孔斜控制是制约高喷防渗墙施工质量的重点之一。

在钻孔施工孔斜控制中，测斜装置是重要的施工设备，目前测斜装置有抗磁干扰测斜装置、漂浮测斜装置等，中国专利申请201110078883.4公开了一种重锤式测斜装置，采用该重锤式测斜装置可以方便、经济地对深孔进行测斜校正。

高喷防渗孔深一般在30m以内，当孔深超过30m以上时技术难度极大，质量风险极高，根据《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范-DL/T5200-2004》规定，孔深小于30m时，钻孔偏斜率按1％控制。按设计桩径1.2m孔斜率1％控制，考虑极端偏斜状况，即两孔反向最大偏斜，钻孔在20m以下将出现开叉，难以满足设计防渗要求，对孔深超过30m时，没有成熟的控制标准和施工方法。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种深孔钻孔孔斜控制施工方法。本发明要解决的问题是提供一种钻孔及控制施工方法，采用本发明方法在高喷防渗孔施工中能满足防渗设计要求，实现高喷防渗墙墙体的整体连接，使钻孔施工经济、高效、施工稳定、成孔合格率高。

本发明提供以下技术方案实现：

深孔钻孔孔斜控制施工方法，其特征是包括：

（1）开孔前的钻具准备与孔斜控制

开孔前对钻具进行校正，使其动力头中心轴、扶正器及卡瓦油缸成一条直线，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

（2）开孔过程与孔斜控制

开孔在松散回填层采用直接冲击钻进，钻进至20cm时开始慢速回转钻进，控制进给压力5～30KN和动力头旋转速度50～200rpm；

开孔后每钻进0.5m～1m对套管进行一次校正，直至上部浅表层10m～15m深孔钻进完毕，对套管不定时进行测量校正，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

（3）钻进过程与孔斜控制

钻进过程采用回转钻进，钻进过程中不定时进行测量校正，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

（4）上述（1）、（2）或/和（3）所述孔斜规定范围是：

多徘孔钻进时，孔深≤50m，排距0.6m，孔距1.0m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.8%；

单徘孔钻进时，孔深≤20m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.8%；

单徘孔钻进时，20m＜孔深≤30m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.7%；

单徘孔钻进时，孔深＞30m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.6%。

所述钻进过程分别是：在松散的砂卵石层中正常钻进，进给压力30～65KN和动力头旋转转速200～450rpm；在大粒径卵石层减压低速钻进，控制液压系统压力5～90bar和动力头旋转转速50～200rpm；采取起钻、钻进、再起钻、再钻进的循环方式，将卵石充分击碎后在进行钻进；在粉沙质粘土层中采用泡沫泵或外加的洗车泵加水钻进，在此地层中加大压力匀速正常钻进，控制泵压力10～25bar、进给压力65～90KN和动力头旋转速度200～450rpm，不得来回反复钻进；在下部为密实的砂卵石层中加大压力正常钻进，进给压力65～90KN及动力头旋转速度450～600rpm，不得来回反复钻进。

所述测斜装置校正偏斜率是采用重锤式测斜仪进行测斜校正偏斜率。

钻孔出现偏斜采用如下技术措施纠偏：a、通过液压装置对钻机大梁进行角度调整，对套管进行纠偏；b、通过钻机动力头的侧向移动装置对套管进行横向调整，可对套管进行横向纠偏；c、通过钻机大梁下部的上下双油缸卡瓦将套管夹紧，以调整套管的角度对套管进行纠偏；d、如钻孔偏斜较大单一的纠偏手段难于实现控制目的时，可采用上述a、b、c的综合手段对套管的偏斜度进行纠偏。

钻进采用材质为36Mn2V护壁套管，套管之间采用丝扣连接，丝扣长度大于≥95mm。

针对不同的孔深及地层特性，采取不同的综合钻孔工艺，在孤漂石含量50%以上地层钻进采用卡式扩孔同心跟管综合钻孔工艺，在孤漂石含量10～20%地层钻进采用偏心跟管钻孔工艺，在孤漂石含量20～30%地层钻进采用同心跟管钻孔工艺。

孔斜控制根据不同的孔深，以确保孔底有效搭接为原则，有针对性的制定不同孔深条件下的孔斜控制标准。孔斜计算采用“相似三角形”的原理，同时建立孔斜控制标准的立体理论计算模型，将不同孔深的钻孔偏斜率控制在相应的标准范围内，以确保墙体的整体性、连续性，实现施工质量要求。

本发明有益性是：本发明根据不同的孔深和孔排数，设置与之相适应的孔斜控制方案，通过采用加大刚度的优质护壁套管，针对不同的孔深及地质条件的综合运用不同地层匹配性的钻孔工艺，采用重锤式测斜仪器，实现钻孔测斜快速、准确、方便的进行。

附图说明

图1是多徘孔中双排孔孔斜示意图；

图2是单排孔孔深20m孔斜示意图；

图3是单排孔孔深30m孔斜示意图；

图4是单排孔孔深50m孔斜示意图。

图中，A是孔底搭接部，B是钻孔偏斜轨迹，C是钻孔理论铅直轨迹，D是孔底偏距，X是孔底钻孔间偏斜最大孔距，h是孔深，k是孔距，p是排距。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整属于本发明保护的范围。

深孔钻孔孔斜控制施工方法，包括：

（1）开孔前的钻具准备与孔斜控制

开孔前对钻具进行校正，使其动力头中心轴、扶正器及油缸卡瓦成一条直线，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

（2）开孔过程与孔斜控制

开孔在松散回填层采用直接冲击钻进，钻进至20cm时开始慢速回转钻进，慢速回转钻进控制进给压力5～30KN和动力头旋转速度50～200rpm；

开孔后每钻进0.5m～1m对套管进行一次校正，直至上部浅表层10m～15m深孔钻进完毕，对套管不定时进行测量校正，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

（3）钻进过程与孔斜控制

钻进采用回转钻进，钻进过程中不定时进行测量校正，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

在松散的砂卵石层中正常钻进，控制进给压力30～65KN和旋转转速200～450rpm，在大粒径卵石层减压低速钻进，控制液压系统压力5～90bar和动力头旋转转速50～200rpm，采取起钻、钻进、再起钻、再钻进的循环方式，将卵石充分击碎后在进行钻进；

在粉沙质粘土层中采用泡沫泵或外加的洗车泵加水钻进，在此地层中加大压力匀速正常钻进，控制液动湿式泡沫泵压力10～25bar、进给压力65～90KN及动力头旋转速度200～450rpm，不得来回反复钻进；

在下部较为密实的砂卵石层中加大压力及旋转速度钻进，控制进给压力65～90KN及动力头旋转速度450～600rpm，不得来回反复钻进；

（4）上述（1）、（2）或/和（3）所述孔斜规定范围是：

多排孔钻进时，孔深≤50m，排距0.6m，孔距1.0m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.8%；

单排孔钻进时，孔深≤20m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.8%；

单排孔钻进时，20m＜孔深≤30m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.7%；

单排孔钻进时，孔深＞30m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.6%。

测斜装置校正偏斜率是采用重锤式测斜仪进行测斜校正偏斜率。

钻孔出现偏斜可采用如下技术措施纠偏：a、通过液压装置对钻机大梁进行角度调整，对套管进行纠偏；b、通过钻机动力头的侧向移动装置对套管进行横向调整，可对套管进行横向纠偏；c、通过钻机大梁下部的上下双油缸卡瓦将套管夹紧，以调整套管的角度对套管进行纠偏；d、如钻孔偏斜较大单一的纠偏手段难于实现控制目的时，可采用上述a、b、c的综合手段对套管的偏斜度进行纠偏。

钻进采用N80石油地质套管其材质为36Mn2V的护壁套管，套管之间采用双头滚珠螺纹，其螺距为公制14mm道程连接，丝扣长度L≥95mm，该丝扣形状呈月牙圆弧形，具备经久耐用、不易发丝、连接牢固等优点。

针对不同的孔深及地层特性，采取不同的综合钻孔工艺，在孤漂石含量50%以上地层钻进采用卡式扩孔同心跟管综合钻孔工艺，在孤漂石含量10～20%地层钻进采用偏心跟管钻孔工艺，在孤漂石含量20～30%地层钻进采用同心跟管钻孔工艺。

工程实例

中国某电站导流明渠围堰高喷防渗轴线总长1056.678m，最大孔深为52.0m，防渗工程量52000m，防渗面积45000m2，施工工期2.5个月，单月施工强度达21000m/月，在砂卵石及孤漂石地层中50m级深孔与单月施工强度均创纪录。该围堰高喷防渗轴线长、钻孔孔深深，孔斜控制直接关系高喷防渗墙体的整体连接，是整个高喷防渗墙施工质量控制重点，需要根据钻孔的不同深度，采用本发明深孔钻孔孔斜控制施工方法分别制定出标准高，同时合理的钻孔偏斜率，以适应工程需要，最大限度的保证高喷防渗的质量。

一、孔斜控制的方法

（1）、为实现对孔斜的有效控制，所有高喷钻孔设备均采用大功率、全液压多功能的阿特拉斯A66CBT及克莱姆钻机，该钻机具备行走方便、钻孔扭矩大、精度高、钻孔效率高等有点。

（2）、基于高喷钻孔“跟管护壁”的成孔原理，采用采用N80石油地质套管其材质为36Mn2V的护壁套管，套管之间采用双头滚珠螺纹，其螺距为公制14mm道程连接，丝扣长度L≥95mm，该丝扣形状呈月牙圆弧形，具备经久耐用、不易发丝、连接牢固等优点，以减少护壁套管在钻进过程中的挠度，确保其垂直度。

（3）、针对不同的孔深及地层特性，采取相对合理的综合钻孔工艺及工法，针对漂卵石密集部位研究采用卡式扩孔同心跟管综合钻孔工艺，其他部位采用偏心跟管和常规同心跟管的钻孔施工工艺，提高钻孔质量，保证施工进度。如表1所示：

表1    综合钻孔工艺的最优技术性能控制指标

（4）、开孔前在钻机大梁安装一套扶正器，确保钻机动力头、扶正器及卡瓦油缸将护壁套管固定成一条直线，保证钻孔的垂直度。

（5）、采用中国专利申请201110078883.4公开的重锤式测斜装置，保证钻孔孔斜能准确、快捷、方便的测量，实现对钻孔偏斜率的可靠验收。

二、孔斜控制的步骤

针对不同的孔深进行孔斜率分段控制，根据不同的地质条件采取针对性的孔斜控制与纠偏措施是确保钻孔质量的关键环节。

其孔斜控制过程分为三阶段控制，各阶段孔斜控制技术与方法如下：

（1）、开孔前的钻具准备与孔斜校正

开孔前对钻具进行校正，使其动力头中心轴、扶正器及卡瓦油缸成一条直线；同时对动力头中心轴与扶正器进行检查，如磨损严重、间隙过大，及时修复或更换；并采用测斜装置反复校正偏斜率确保其在规定范围内。

（2）、开孔过程孔斜的控制

开孔时在相对松散的回填层，块石较多，停止回转直接冲击给进，给进至20cm时开始慢速回转钻进，慢速回转钻进控制进给压力5～30KN和动力头旋转速度50～200rpm。

开孔后每钻进0.5m～1m对套管进行校正一次，直至上部浅表层10m～15m钻进完毕，必要时对套管不定时进行测量校正，保证偏斜率在规定范围内。

在容易发生偏斜的软弱地层中降低给进速度、控制进尺，动力头旋转转速50～200rpm。

（3）、钻进过程的孔斜控制及不同地层的孔斜纠偏措施

钻进过程中采用调整钻速及钻压、平衡钻进等方法，充分利用钻机大梁、上下油缸卡瓦及钻机动力头等装置，严格控制钻机大梁的铅直，确保钻孔垂直度。钻孔出现偏斜可采用相应前述技术措施纠偏。

在松散的砂卵石层中正常钻进，进给压力30～65KN和动力头旋转转速200～450rpm；在大粒径卵石层减压低速钻进，控制液压系统压力5～90bar和动力头旋转转速50～200rpm；采取起钻、钻进、再起钻、再钻进的循环方式，将卵石充分击碎后在进行钻进；

在粉沙质粘土层中采用泡沫泵或外加的洗车泵加水钻进，在此地层中加大压力匀速正常钻进，控制泵压力10～25bar、进给压力65～90KN和动力头旋转速度200～450rpm，不得来回反复钻进；

在下部为密实的砂卵石层中加大压力正常钻进，进给压力65～90KN及动力头旋转速度450～600rpm，不得来回反复钻进。

三、孔斜控制原理及标准

孔斜控制根据不同的孔深，以确保孔底有效搭接为原则，有针对性的制定不同孔深条件下的孔斜控制标准。孔斜计算采用“相似三角形”的原理，同时建立孔斜控制标准的立体理论计算模型，将不同孔深的钻孔偏斜率控制在相应的标准范围内，以确保墙体的整体性、连续性，为后期明渠基坑的顺利开挖及抽排水提供强有力的保障。

采用单排孔与多排孔的条件如下：

①单排孔：运用于地层分布均匀（均质性达60%以上），特殊地层分布较少（孤漂石含量＜40%、地下动水承压水分布＜20%），孔斜易于保证，喷灌搭接质量易于保证，基坑开挖深度相对较浅的区域。

②双排孔：运用于地层分布均一性较差（均质性低于60%），特殊地层分布广泛（孤漂石含量≥40%、地下动水承压水分布≥20%），孔斜难于控制，喷灌搭接质量难度较大，基坑开挖深度相对较深的区域。

根据所选钻孔设备、钻孔工艺、试验孔数据及设计桩径1.2m，同时充分考虑施工质量、进度及废孔率等成本消耗的关系，其不同孔深和孔排数的孔斜控制按以下表2参数执行：

表2，孔斜控制参数

（1）按本发明钻孔双排孔控制结果：

结合图1，结果如下表3

如图1、表3所示，图1是多徘孔中孔斜示意图，图中只示意了双排孔，图中圆圈表示钻孔，每个圆圈中心向外的箭头指示钻孔极端偏斜方向，A是孔底搭接部，要求整体确保孔底有效搭接，B是钻孔偏斜轨迹，C是钻孔理论铅直轨迹，D是孔底偏距=0.4m，X是孔底钻孔间偏斜最大孔距=1.16m，h是孔深=50m，k是孔距=1.0m，p是排距=0.6m，y是垂直偏距或水平偏距=0.28m， $\sqrt{y^2+y^2}=D.$

（2）按本发明钻孔孔深≤20m单排孔控制结果：

结合图2，结果如下表4

序号	项目名称	控制参数、结果
			1	设计施工参数	孔距0.8m，桩径1.2m
2	孔深（h）	h≤20m（最大孔深20m）
			3	钻孔偏斜率	0.8%
4	孔底偏距	孔深×钻孔偏斜率=20m×0.8%=0.16m
			5	控制结果	孔距+2*孔底偏距=0.8+2*0.16=1.12
6	对比结果	1.12＜1.2m（桩径）
			7	评价结果	孔底搭接有效，能够保证墙体连续

如图2、表4所示，图2是单徘孔孔深20m孔斜示意图，图中圆圈表示钻孔，钻孔极端偏斜方向是相反方向，A是孔底搭接部，要求整体确保孔底有效搭接，B是钻孔偏斜轨迹，C是钻孔理论铅直轨迹，D是孔底偏距=0.16m，X是孔底钻孔间偏斜最大孔距=1.12m，h是孔深=20m，k是孔距=0.8m。

（3）按本发明钻孔孔深20m＜孔深≤30m单排孔控制结果：

结合图3，结果如下表5

序号	项目名称	控制参数、结果
			1	设计施工参数	孔距0.8m，桩径1.2m
2	孔深（h）	20m＜h≤30m（最大孔深30m）
			3	钻孔偏斜率	0.7%
4	孔底偏距	孔深×钻孔偏斜率=30m×0.7%≈0.20m
			5	控制结果	孔距+2*孔底偏距=0.8+2*0.20=1.20
6	对比结果	1.20＝1.20m（桩径）
			7	评价结果	孔底搭接有效，能够保证墙体连续

如图3、表5所示，图3是单徘孔孔深20m＜孔深≤30m孔斜示意图，图中圆圈表示钻孔，钻孔极端偏斜方向是相反方向，A是孔底搭接部，要求整体确保孔底有效搭接，B是钻孔偏斜轨迹，C是钻孔理论铅直轨迹，D是孔底偏距=0.20m，X是孔底钻孔间偏斜最大孔距=1.20m，h是孔深=30m，k是孔距=0.8m。

（4）按本发明钻孔孔深＞30m单排孔控制结果：

结合图4，结果如下表6

序号	项目名称	控制参数、结果
			1	设计施工参数	孔距0.8m，桩径1.2m
2	孔深（h）	h＞30m（最大孔深按50m计算）
			3	钻孔偏斜率	0.6%
4	孔底偏距	孔深×钻孔偏斜率=50m×0.6%＝0.30m
			5	控制结果	孔距+1*孔底偏距=0.8+1*0.30=1.10
6	对比结果	1.10＜1.20m（桩径）
			7	评价结果	孔底搭接有效，能够保证墙体连续

如图4、表6所示，图4是单徘孔孔深＞30m孔斜示意图，图中圆圈表示钻孔，钻孔极端偏斜方向是相反方向，A是孔底搭接部，要求整体确保孔底有效搭接，B是钻孔偏斜轨迹，C是钻孔理论铅直轨迹，D是孔底偏距=0.30m，X是孔底钻孔间偏斜最大孔距=1.10m，h是孔深=50m，k是孔距=0.8m。

当单排孔深＞30m时按最大孔深50m控制，同时按单孔出现极端偏斜状况的情况考虑，在施工中如出现两孔偏斜方向相反并达到最大偏斜的极端状况，即孔距+孔底偏距＞孔径时，应当及时进行纠偏或采取侧位补孔的补强措施，以确保墙体搭接质量。

如各表评价结果，采用本发明深孔钻孔孔斜控制施工方法，在中国某电站导流明渠围堰高喷防渗墙的孔斜控制中收获了丰富的成果，并且研发了一套成熟的高喷孔斜控制施工方法，在深孔孔斜控制领域取得了重大突破，为高喷墙体的可靠搭接提供了量化的技术参数。

Claims (6)

1.一种深孔钻孔孔斜控制施工方法，其特征包括：

(1)开孔前的钻具准备与孔斜控制

开孔前对钻具进行校正，使动力头中心轴、扶正器及卡瓦油缸成一条直线，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

(2)开孔过程与孔斜控制

开孔在松散回填层采用直接冲击钻进，钻进至20cm时开始慢速回转钻进，控制进给压力5～30KN、动力头旋转速度50～200rpm；

开孔后每钻进0.5m～1m对套管进行一次校正，直至上部浅表层10m～15m深孔钻进完毕，对套管不定时进行测量校正，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

(3)钻进过程与孔斜控制

钻进过程采用回转钻进，钻进过程中不定时进行测量校正，采用测斜装置校正偏斜率使其在孔斜规定范围内；

(4)上述(1)、(2)或/和(3)所述孔斜规定范围是：

多徘孔钻进时，孔深≤50m，排距0.6m，孔距1.0m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.8％；

单徘孔钻进时，孔深≤20m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.8％；

单徘孔钻进时，20m＜孔深≤30m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.7％；

单徘孔钻进时，孔深＞30m，孔距0.8m，桩径1.2m，钻孔偏斜率0.6％；

所述钻进过程分别是：

在松散的砂卵石层中钻进，进给压力30～65KN、动力头旋转转速200～450rpm；在大粒径卵石层减压低速钻进，控制液压系统压力5～90bar和动力头旋转转速50～200rpm；采取起钻、钻进、再起钻、再钻进的循环方式，将卵石充分击碎后在进行钻进；

在粉沙质粘土层中采用泡沫泵或外加的洗车泵加水钻进，在此地层中加大压力匀速钻进，控制泵压力10～25bar、进给压力65～90KN、动力头旋转速度200～450rpm；

在下部为密实的砂卵石层中加大压力钻进，进给压力65～90KN、动力头旋转速度450～600rpm。

2.根据权利要求1所述的深孔钻孔孔斜控制施工方法，其特征是：所述测斜装置校正偏斜率是采用重锤式测斜仪进行测斜校正偏斜率。

3.根据权利要求1所述的深孔钻孔孔斜控制施工方法，其特征是：钻进采用材质为36Mn2V护壁套管，套管之间采用丝扣连接，丝扣长度大于≥95mm。

4.根据权利要求1所述的深孔钻孔孔斜控制施工方法，其特征是：在孤漂石含量50％以上地层钻进采用卡式扩孔同心跟管综合钻孔工艺。

5.根据权利要求1所述的深孔钻孔孔斜控制施工方法，其特征是：在孤漂石含量10～20％地层钻进采用偏心跟管钻孔工艺。

6.根据权利要求1所述的深孔钻孔孔斜控制施工方法，其特征是：在孤漂石含量20～30％地层钻进采用同心跟管钻孔工艺。