CN109252856A - 通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法 - Google Patents

通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法 Download PDF

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杨瑜泽
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徐勇
孙起孟
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Abstract

本发明提供一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法。该止水方法依次包括钻探成孔至试验段顶；小孔径钻探成孔至试验段底；下橡皮塞止水件至试验段顶；通过钻杆自带液压系统进行垂向施压截水和侧向膨胀堵水；压水试验；停水、泄压；完成压水试验。本发明止水效果好、能精确定位试验段位置，且试验装置结构简单、操作方便，故障率低；该压水试验止水方法尤其适用试验场地复杂多变的山区和地层岩性复杂、岩芯较破碎地段，在岩芯较破碎地层中止水成功率100％，测试精度较常规孔径压水试验高2倍。

Description

通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水 方法
技术领域
本发明涉及一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，属于工程勘察和工程施工检测技术领域。
背景技术
钻孔压水试验是工程勘察和水坝、隧道等地下工程施工检测常用的方法，是在做好试验段封堵的前提下，采用高压方式把水压入钻孔试验段，根据试验段岩体吸水量计算了解试验段岩体裂隙发育情况和透水性的一种原位试验。
目前国内压水试验采用的止水方法是通过止水栓塞或胶囊在水压、气压等外部供压的条件下，使止水栓塞或胶囊产生侧向膨胀被动堵水，该方法试验设备繁多笨重，不易搬运，且结构复杂，故障率高，被动堵水效果一般。
压水试验要求各试段互相衔接，不允许漏试，因此准确定位试验段位置至关重要，目前国内多通过采用预定置栓塞或气囊来确定试段位置，精确度不高，且实验过程中在外压的作用下栓塞或气囊可能整体下滑，使得试段位置变化。
发明内容
为解决上述技术不足，本发明提供一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，该止水方法水效果好、能精确确定试验段位置，且试验装置结构简单、操作方便，故障率低。
本发明通过以下技术方案得以实现：所述一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)结合试验区域地层岩性特征和场地条件，在所设计的压水试验钻孔点钻设止水孔，其成孔深度至所设计的目标试验段的顶面；
(2)采用直径小于步骤(1)中止水孔孔径的的金刚石钻头从已完成的止水孔底部继续向下钻探，钻探深度至目标试验段底，形成孔径小于止水孔的目标试验孔；
(3)采用带止水件的止水钻杆完成止水件的安装，其止水件包括套设在止水钻杆上的多个橡胶塞和置于相邻两个橡胶塞之间的铁垫圈，在最上层橡胶塞的顶面也设有铁垫圈；所述橡胶塞和铁垫圈的直径大于步骤(2)中施工的目标试验孔孔径，小于或等于步骤(1)中施工的止水孔的孔径；
(4)将止水钻杆安装到钻机上，其下端对准目标试验孔，并利用钻机自带液压系统对钻杆进行垂向施压，将止水钻杆下压至目标试验孔，在下压过程中，最下层的橡皮塞下压至止水孔底面时，由于孔径的变化，其橡皮塞不继续下降，直接坐落在目标试验段顶面，精确定位试验段位置，钻机自带液压系统继续工作，在压力作用下最下层橡皮塞受压产生变形，紧贴目标试验段顶面，实现垂向截水；顶部橡皮塞和中间橡皮塞受压产生侧向膨胀，紧贴止水孔的孔壁，实现侧向堵水；
(5)在步骤(4)中止水完成后通过止水钻杆向目标试验孔压水，进行压水试验，在压水试验中其钻机液压系统持续工作，直至试验完成；
(6)压水试验完成后，停止压水、控制钻机自带液压系统对钻杆进行泄压，然后提拔出试验装置，在同一个孔中重复步骤(1)至(6)完成下一个目标试验段的压水试验，直到完成整个钻孔的压水试验。
本发明较优的技术方案：所述步骤(2)的止水件包括一个底层橡胶塞、一个顶层橡胶塞、1～3个中间橡胶塞、一个置于顶层橡胶塞上部的铁垫圈和分散设置在两相邻橡胶塞之间的多个铁垫圈，所述多个橡胶塞和铁垫圈的直径均与止水孔的孔径相等，中央位置均开设有与止水钻杆的直径相等的钻杆套孔，并通过钻杆套孔套设在止水钻杆上。
本发明较优的技术方案：所述目标试验段的试验孔孔径为75-80mm，所述止水孔的孔径为105-110mm。
本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中的橡胶塞采用弹性和膨胀好、耐高压且变形恢复能力强的天然橡胶。
本发明的有益效果：
(1)本发明的试验段成孔采用变孔径施工，可准确定位目标试验段顶面和底面深度，一次止水成功率和试验精度较常规孔径试验均有所提高；
(2)本发明的止水件采用橡皮塞和铁垫圈间隔的方式，橡皮塞材质为弹性和膨胀性良好、耐高压且变形恢复能力强的天然橡胶，其最上层橡皮塞顶部设有铁垫圈，最下层橡皮塞底部不设铁垫圈，该止水结构物受压变形后，可截堵来自试验段顶部和侧向的渗水，并通过生产测试表明该止水结构物止水效果良好；
(3)本发明利用钻机自带液压系统，通过钻杆垂向传导试验止水压力，其试验装置结构简单、操作方便，故障率低；
本发明施工简单、止水效果好、能精确确定试验段位置，且试验装置结构简单、操作方便，故障率低；该压水试验止水方法尤其适用试验场地复杂多变的山区和地层岩性复杂、岩芯较破碎地段，生产测试表明：该止水方法在岩芯较破碎地层中止水成功率100％，测试精度较常规孔径压水试验高2倍。
附图说明
图1是本发明的流程示意图
图2是本发明中的钻孔结构示意图；
图3是本发明止水结构示意图。
图中：1-目标试验段顶；2-目标试验段底；3-顶部橡皮塞；4-中间橡皮塞；5-铁垫圈；6-底部橡皮塞；7-钻机自带液压系统。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明提供的一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，其施工流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)结合试验区域地层岩性特征和场地条件，在所设计的压水试验钻孔点钻设止水孔，其成孔深度至所设计的目标试验段的顶面；
(2)采用直径小于步骤(1)中止水孔孔径的的金刚石钻头从已完成的止水孔底部继续向下钻探，钻探深度至目标试验段底，形成孔径小于止水孔的目标试验孔；
(3)采用带止水件的止水钻杆完成止水件的安装，其止水件包括套设在止水钻杆上的多个橡胶塞和置于相邻两个橡胶塞之间的铁垫圈，在最上层橡胶塞的顶面也设有铁垫圈；所述橡胶塞和铁垫圈的直径大于步骤(2)中施工的目标试验孔孔径，小于或等于步骤(1)中施工的止水孔的孔径；
(4)将止水钻杆安装到钻机上，其下端对准目标试验孔，并利用钻机自带液压系统对钻杆进行垂向施压，将止水钻杆下压至目标试验孔，在下压过程中，最下层的橡皮塞下压至止水孔底面时，由于孔径的变化，其橡皮塞不继续下降，直接坐落在目标试验段顶面，精确定位试验段位置，钻机自带液压系统继续工作，在压力作用下最下层橡皮塞受压产生变形，紧贴目标试验段顶面，实现垂向截水；顶部橡皮塞和中间橡皮塞受压产生侧向膨胀，紧贴止水孔的孔壁，实现侧向堵水；
(5)在步骤(4)中止水完成后通过止水钻杆向目标试验孔压水，进行压水试验，在压水试验中其钻机液压系统持续工作，直至试验完成；
(6)压水试验完成后，停止压水、控制钻机自带液压系统对钻杆进行泄压，然后提拔出试验装置，在同一个孔中重复步骤(1)至(6)完成下一个目标试验段的压水试验，直到完成整个钻孔的压水试验。
在同一个钻孔的压水试验完成后，再将钻机移至下一个钻孔点按照同样的步骤进行下一个钻孔点的压水试验。
下面结合实施例对本发明进一步说明，实施例中针对位于偏远山区，场地地形起伏较大、坡度较陡(45°～60°)的某拟建隧道，该隧道所在区域地层岩性复杂，且附近发育数条断裂构造，构造岩为强烈硅化构造角砾岩带、碎裂岩带、糜棱岩带，因此通过钻孔压水试验准确查清拟建隧道各岩层的透水率，尤其是断裂构造带发育处，评价其节理裂隙发育程度和岩体完整性，对拟建隧道的精准设计和安全施工至关重要。
拟建场地山高林密、勘探设备搬运极其困难且危险，地层岩性复杂，呈互层状，且各层岩体工程特性差异明显，断裂构造带及附近岩体呈破碎～极破碎状，目前常规的压水试验止水方法难以适应该工程要求。因此使用本发明中所述的一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法进行压水试验止水，该止水方法中使用的止水结构如图3所示，包括套设在止水钻杆上的顶部橡皮塞3、底部橡皮塞6、两个中间橡皮塞4，在相邻两橡皮塞之间和顶部橡皮塞3顶部均设有铁垫圈5，底部橡皮塞6的底面不设铁垫圈5，橡皮塞材质为弹性和膨胀性良好、耐高压且变形恢复能力强的天然橡胶，该止水结构物受压变形后，可截堵来自试验段顶部和侧向的渗水，生产测试表明该止水结构物止水效果良好；在进行止水时，其底部橡皮塞6直接坐落在目标试验段顶1，精确定位试验段位置；其具体施工过程如下：
(1)结合试验场地条件，分析已有钻探资料揭露的场地地层特征，在合适的位置选择直径为108mm的金刚石钻头进行钻探，钻探深度至目标试验段顶1，形成孔径108mm的止水孔；
(2)然后再选择直径为76mm的金刚石钻头自已完成目标试验段顶进行钻探，钻探深度至目标试验段底2，试验段孔径76mm；
(3)然后下带止水件的止水钻杆至目标试验段顶1，使得最下层的橡皮塞6下直接坐落在目标试验段顶1；然后保持钻机自带液压系统7继续工作，在压力作用下底部橡皮塞6受压产生变形，紧贴目标试验段顶面，实现垂向截水；顶部橡皮塞3和中间橡皮塞4受压产生侧向膨胀，紧贴止水孔的孔壁，实现侧向堵水；最后在完成试验段准确定位、且止水成功的前提下，进行压水试验。
(4)待压水试验完成后，停止压水、控制钻机自带液压系统7对钻杆进行泄压，提拔出试验装置；并在原位重复(1)至(4)，直到完成整个钻孔的压水试验。
本生产项目共进行5个钻孔23个段次试验，其中采用常规止水方法进行1个钻孔3个段次试验，采用通过钻孔孔径变化的止水方法进行了4个钻孔20个段次试验：针对该项目，常规止水方法一次止水成功率较低，其中断裂构造带处止水均失败，且随着试验压力增大，止水装置多次整体下滑，影响试验精度且有一定安全隐患，仅获得了1个钻孔3个段次的试验数据，数据在一定程度上反映了试验段地层特征；通过钻孔孔径变化的止水方法在一般地层一次止水成功率100％，在断裂构造带处一次止水成功率稍低，但最终均能止水成功，且试验压力越大，止水效果越好，共获得了4个钻孔20个段次的试验数据，数据很好的反映了试验段地层特征。

Claims (4)

1.一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)结合试验区域地层岩性特征和场地条件，在所设计的压水试验钻孔点钻设止水孔，其成孔深度至所设计的目标试验段的顶面；
(2)采用直径小于步骤(1)中止水孔孔径的的金刚石钻头从已完成的止水孔底部继续向下钻探，钻探深度至目标试验段底，形成孔径小于止水孔的目标试验孔；
(3)采用带止水件的止水钻杆完成止水件的安装，其止水件包括套设在止水钻杆上的多个橡胶塞和置于相邻两个橡胶塞之间的铁垫圈，在最上层橡胶塞的顶面也设有铁垫圈；所述橡胶塞和铁垫圈的直径大于步骤(2)中施工的目标试验孔孔径，小于或等于步骤(1)中施工的止水孔的孔径；
(4)将止水钻杆安装到钻机上，其下端对准目标试验孔，并利用钻机自带液压系统对钻杆进行垂向施压，将止水钻杆下压至目标试验孔，在下压过程中，最下层的橡皮塞下压至止水孔底面时，由于孔径的变化，其橡皮塞不继续下降，直接坐落在目标试验段顶面，精确定位试验段位置，钻机自带液压系统继续工作，在压力作用下最下层橡皮塞受压产生变形，紧贴目标试验段顶面，实现垂向截水；顶部橡皮塞和中间橡皮塞受压产生侧向膨胀，紧贴止水孔的孔壁，实现侧向堵水；
(5)在步骤(4)中止水完成后通过止水钻杆向目标试验孔压水，进行压水试验，在压水试验中其钻机液压系统持续工作，直至试验完成；
(6)压水试验完成后，停止压水、控制钻机自带液压系统对钻杆进行泄压，然后提拔出试验装置，在同一个孔中重复步骤(1)至(6)完成下一个目标试验段的压水试验，直到完成整个钻孔的压水试验。
2.根据权利要求1所述的一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，其特征在于：所述步骤(2)的止水件包括一个底层橡胶塞、一个顶层橡胶塞、1～3个中间橡胶塞、一个置于顶层橡胶塞上部的铁垫圈和分散设置在两相邻橡胶塞之间的多个铁垫圈，所述多个橡胶塞和铁垫圈的直径均与止水孔的孔径相等，中央位置均开设有与止水钻杆的直径相等的钻杆套孔，并通过钻杆套孔套设在止水钻杆上。
3.根据权利要求1所述的一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，其特征在于：所述目标试验段的试验孔孔径为75-80mm，所述止水孔的孔径为105-110mm。
4.根据权利要求1所述的一种通过钻孔孔径变化进行垂向截水和侧向堵水的压水试验止水方法，其特征在于：所述步骤(2)中的橡胶塞采用弹性和膨胀好、耐高压且变形恢复能力强的天然橡胶。
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