某水電站壩址河床順河斷裂穿江深斜孔鉆探實(shí)踐

閔 文，鄧爭(zhēng)榮，吳樹良

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 長(zhǎng)江巖土工程總公司，武漢 430010）

1 工程背景

某擬建水電站位于東南亞某國(guó)北部山區(qū)一大型河流中游段，裝機(jī)容量3 400MW，屬Ⅰ等大（1）型水電站工程，擋水建筑物——大壩布置于主河床，設(shè)計(jì)為混凝土面板堆石壩，擬正常蓄水位高出河床枯水位150 m余，壩頂高出正常蓄水位10m，最大壩高200m余。

擬建水電站河流流域內(nèi)發(fā)育有區(qū)域性順河斷裂，在規(guī)劃梯級(jí)選壩河段壩址比選后初步選定壩址總寬度為85～145m，分布于河床，穿越大壩壩基，經(jīng)斷裂帶物質(zhì)測(cè)年等綜合研究，表明其不屬于活動(dòng)斷裂。從工程地質(zhì)實(shí)際意義出發(fā)，將該區(qū)域斷裂劃分為碎裂巖帶、軟弱構(gòu)造巖帶，并將后者視為斷層，走向5°～20°，總體傾向東，傾角75°～85°，主要由泥化物及其夾碎石構(gòu)成，系構(gòu)造巖在地質(zhì)作用下經(jīng)軟化及部分泥化形成的，稱為“泥化帶”，其中碎裂巖帶寬度合計(jì)36～84m，F(xiàn)41斷層泥化帶寬度13～42m，F(xiàn)42斷層泥化帶寬度3～11m，F(xiàn)43斷層泥化帶寬度小于1m，見圖1。

查明河床區(qū)域性順河斷裂空間分布、規(guī)模、物質(zhì)組成、工程性狀等特征，是工程關(guān)鍵技術(shù)地質(zhì)問(wèn)題之一，為了避免采用河底過(guò)河平洞施工帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，在兩岸岸邊布置了成對(duì)穿江深斜孔，替代過(guò)河平洞，每對(duì)斜孔要求在1個(gè)月內(nèi)完成。

圖1 某水電站壩址成對(duì)穿江深斜孔工程地質(zhì)剖面圖

W，傾角70°～80°。

2 地層地質(zhì)概況

擬建水電站所在地區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，山脈主要呈近南北向延伸，地勢(shì)總體上具有北高南低、東高西低的特點(diǎn)。主干河流自北向南流經(jīng)區(qū)內(nèi)，河谷呈較開闊“V”字形，為峽谷區(qū)；河床地面高程為226～252m，枯水面寬200～250m，兩岸山體高聳，沖溝較為發(fā)育。區(qū)內(nèi)臨江山頂高程1 000～1 500m。

布置斜孔的部位穿越地層為中上元古界（Pt2－3）結(jié)晶變質(zhì)巖、區(qū)域順河斷裂構(gòu)造巖和地表覆蓋的第四系沖積層及殘坡積層，巖性由東向西為斑狀變晶花崗片麻巖、第四系沖積層砂礫卵石、碎裂巖、F42斷層泥化帶、碎裂巖、斑狀變晶花崗片麻巖、碎裂巖、F41斷層泥化帶、花崗片麻巖、第四系殘坡積層黏土夾母巖風(fēng)化碎屑或碎石。其中斑狀變晶花崗片麻巖、花崗片麻巖總體完整程度好；碎裂巖微裂紋發(fā)育，大部分巖體較破碎；斷層泥化帶寬度大，巖體軟弱、破碎。

基巖片麻巖走向355°～15°，以區(qū)域順河斷裂為界，東側(cè)傾向近E，傾角65°～75°；西側(cè)傾向近

3 斜孔工程地質(zhì)要求及鉆探技術(shù)難點(diǎn)

3.1 工程地質(zhì)要求

（1）工程地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)

斜孔計(jì)劃孔深250～265m，設(shè)計(jì)斜度（斜孔軸線與地表水平面夾角）55°，方位角右岸鉆孔為112°、左岸鉆孔為292°，成對(duì)孔末端交叉重疊長(zhǎng)度5～10m。

（2）工程地質(zhì)基本要求

① 合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，終孔孔徑91mm，特殊情況下不小于75mm。② 采取有效措施提高巖芯采取率，嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺，一般地段鉆進(jìn)回次進(jìn)尺控制在3m以內(nèi)；軟弱、破碎等特殊地段應(yīng)控制在0.5m～1m以內(nèi)，遇堵必須提鉆。③ 巖芯采取率全強(qiáng)風(fēng)化基巖段平均不小于85%，弱風(fēng)化及以下基巖段平均不小于90%，軟弱、破碎等特殊地段平均不小于85%。④ 鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)記錄回水顏色、水量變化、鉆進(jìn)速度、掉鉆、異味氣體及鉆進(jìn)異常現(xiàn)象等，并及時(shí)向地質(zhì)工程師反映情況。⑤ 當(dāng)上一鉆次巖芯采取率達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)在下一鉆次中采取必要措施，保證巖芯采取率達(dá)到要求；當(dāng)連續(xù)二回次巖芯采取率均未達(dá)到要求時(shí)，應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行機(jī)組討論，采取有效的工藝和措施，保證巖芯采取率要求。⑥鉆孔班報(bào)原始記錄應(yīng)真實(shí)、整潔、齊全。巖芯應(yīng)按順序擺放到巖芯箱，放置巖芯隔板，及時(shí)填寫巖芯牌，并進(jìn)行巖芯編號(hào)。⑦ 鉆孔開鉆及終孔，均須經(jīng)地質(zhì)工程師批準(zhǔn)。⑧ 認(rèn)真觀測(cè)鉆孔初見水位、交接班水位及終孔穩(wěn)定水位，并詳細(xì)記錄。⑨ 采用32.5級(jí)以上水泥配制水泥砂漿，進(jìn)行全孔段封孔。

3.2 鉆探技術(shù)難點(diǎn)

本工程深斜孔鉆探技術(shù)難度主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：① 斜孔深度超過(guò)250m，設(shè)計(jì)斜度偏小，鉆探人員無(wú)類似斜孔施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔工程地質(zhì)要求高，工期緊；② 超深、大頂角、高精度斜孔國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒；③ 穿越第四系松散堆積層，易坍塌；④穿越軟弱、破碎巖體寬度大，孔內(nèi)事故概率高，易產(chǎn)生掉塊卡鉆或偏斜過(guò)大等事故；⑤ 穿越地層復(fù)雜，硬軟（碎）互層多，加之巖體發(fā)育裂隙，鉆孔極易彎曲；⑥ 操作不當(dāng)、參數(shù)使用不合適造成鉆孔彎曲，一旦彎曲度過(guò)大，易產(chǎn)生鉆孔毀滅性事故，致使中途報(bào)廢而前功盡棄。

4 斜孔鉆探工藝

4.1 鉆探設(shè)備

（1）鉆機(jī)與水泵選擇

因鉆孔傾斜度偏小、深度大，阻力大，故需選用重量較大、重心較低、功率大、鉆進(jìn)平穩(wěn)的鉆探機(jī)械。由此，本工程鉆探選用XY－4型巖芯鉆機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：可鉆深700～1 000m，鉆桿直徑φ42mm～φ50mm；37kW、1 500r／min電動(dòng)機(jī)或43.75kW、2 000r／min柴油機(jī)（考慮電源供應(yīng)困難，選用柴油機(jī)）；鉆孔角度0°～90°；正轉(zhuǎn)八速135 r／min～1 588 r／min、反轉(zhuǎn)兩速110或338 r／min；立軸最大扭矩3 200 N·m、行程600mm、最大起重力80kN、最大加壓力60 kN、內(nèi)徑93mm；卷?yè)P(yáng)機(jī)單繩最大提升力30kN、鋼絲繩直徑16mm、最大卷繩量為52m；外形尺寸2 680mm×1 100 mm×1 935 mm；鉆機(jī)質(zhì)量1 990kg（不含動(dòng)力）。

經(jīng)過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)情況調(diào)查及結(jié)合本水電站工程在已有勘探鉛直鉆孔中的使用情況，衡陽(yáng)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的新型BW250型三缸泵和BW150泥漿泵質(zhì)量好，動(dòng)力小且輕便，適合本工程深斜孔鉆進(jìn)配置使用。

（2）鉆塔改造與安裝

由于天車與鉆孔孔口不在垂直于地面的軸線上，鉆塔在提鉆時(shí)將產(chǎn)生偏心受力，為便于鉆具提升，必須將現(xiàn)有鉆塔做相應(yīng)改造。鉆塔安裝在C20混凝土基座上，在混凝土基座中預(yù)埋φ28螺桿加固。因鉆探支撐腿受力較大，故應(yīng)在四個(gè)方向設(shè)置地錨、拉繩，防止發(fā)生意外，如圖2。

圖2 斜孔鉆塔改造與安裝

4.2 鉆孔初始定向

深斜孔設(shè)計(jì)斜度55°，據(jù)已有淺斜孔經(jīng)驗(yàn)，因鉆進(jìn)過(guò)程鉆具與鉆桿重力作用，會(huì)下垂3°左右，因此，鉆機(jī)立軸安裝成52°，以減少鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆孔下垂誤差；立軸斜向延伸方向與鉆孔方位角重合。

在鉆機(jī)安裝定位后，人工挖槽，埋設(shè)長(zhǎng)度不少于1m、直徑為φ146mm的定向管，定向管孔底先磨平或在埋設(shè)導(dǎo)向管前用砂漿找平；然后，用經(jīng)緯儀測(cè)定定向管、主軸方向符合鉆孔方位角，且定向管、主軸、天車在同一直線上；最后，用高等級(jí)水泥砂漿或混凝土將定向管外圍固結(jié)固定，如圖3。

圖3 斜孔鉆機(jī)基座與開孔定向示意

4.3 鉆機(jī)安裝調(diào)試

在鉆機(jī)就位前開挖地基、澆筑鋪墊尺寸不小于100cm×100cm×80cm C20混凝土基座，預(yù)埋直徑φ22螺桿，待滿足要求后，將鉆機(jī)安裝在混凝土地腳上，并用預(yù)埋螺桿固定，鉆機(jī)安裝必須水平周正，鉆機(jī)軸線必須與鉆孔方位垂直；立軸與地表水平面夾角成52°（較設(shè)計(jì)斜度小3°），角度采用量角器或羅盤測(cè)量。

4.4 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具使用

（1）開孔及全、強(qiáng)、弱風(fēng)化層

孔徑采用φ130mm，金剛石單管鉆進(jìn)，鉆至完整基巖后，下入φ127mm套管護(hù)孔。

（2）基巖完整層

孔徑采用φ110mm、φ91mm，金剛石單管鉆進(jìn)，由于不是鉛直孔，單動(dòng)雙管鉆具沒(méi)有太大取芯優(yōu)勢(shì)，且鉆頭壁厚較大，鉆進(jìn)速度比單管慢。

（3）斷層帶

孔 徑 采 用 φ91mm 或 φ75mm（盡 量 采 用φ91mm，特殊情況下采用φ75mm），單動(dòng)雙管或單管金剛石鉆進(jìn)。

（4）其它

孔徑采用φ91mm，特殊情況下采用φ75mm；鉆桿使用φ50mm，單根長(zhǎng)度為1.0m～3.0m內(nèi)，有利于保證鉆桿整體剛度和鉆孔方向。

4.5 鉆進(jìn)及取芯技術(shù)

（1）鉆頭、鉆具及工具配備

φ130mm合 金 鉆 頭、φ130mm 金 剛 石 鉆 頭、φ110mm合金鉆頭、φ110mm金剛石鉆頭、φ91mm合金鉆頭、φ91mm金剛石單管鉆頭、φ91mm金剛石雙管鉆頭、φ75mm金剛石雙管鉆頭。金剛石鉆頭胎體硬度HRC35～38，并堅(jiān)持排隊(duì)使用，防止出現(xiàn)孔內(nèi)事故。

根據(jù)鉆頭直徑配套確定，盡可能采用長(zhǎng)鉆具，有利于防止鉆孔過(guò)度偏斜，金剛石鉆具必須配備金剛石擴(kuò)孔器，并適時(shí)測(cè)量外徑、更換，防止孔徑過(guò)小夾鉆。

配備充分、合理的鉆探工具，如常規(guī)操作工具、修理工具、事故處理工具、各種測(cè)量工具。

（2）鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

開孔對(duì)于孔斜控制十分重要，在預(yù)埋定向管內(nèi)開孔。開孔后測(cè)定孔斜，如孔斜不合格，必須用水泥砂漿封孔后重新開孔，直至開孔孔斜滿足要求。開孔采用低壓力，低轉(zhuǎn)速。

鉆進(jìn)至完整基巖后下入φ127mm套管護(hù)孔，下管前必須測(cè)量孔斜，如果孔斜、孔向偏差過(guò)大，采取在管腳焊接偏心片的方式糾斜。

管腳、管口采取止水及可靠固定措施，防止保護(hù)管在鉆進(jìn)過(guò)程中晃動(dòng)或絲扣松脫，必要時(shí)采用水泥漿或水泥砂漿將保護(hù)管固定。

采用φ110mm或φ91金剛石單管鉆進(jìn)，減阻劑一般采用皂化油（加量0.5%左右，沖洗液變?yōu)槿榘咨瑳_洗液流量不超過(guò)32L／min，泵壓不超過(guò)1MPa。由于斜孔鉆進(jìn)摩擦阻力較大，鉆壓應(yīng)比規(guī)程［1］規(guī)定大100～200kg，即800～1 200kg，地層巖石性質(zhì)變化不大時(shí)，各班組應(yīng)采用相同壓力，有利于保持鉆孔斜度；轉(zhuǎn)速宜為574r／min～819 r／min。

斷層及破碎帶鉆進(jìn)大體上與一般基巖段一致，采用φ91金剛石雙管鉆進(jìn)，但回次進(jìn)尺應(yīng)盡量減短，遇堵塞必須提鉆，以提高巖芯采取率和巖芯完整度。

4.5 孔斜測(cè)量及預(yù)防

采用上海力擎SDC－1G型儲(chǔ)存式數(shù)字鉆孔測(cè)斜儀器，每5m測(cè)斜一次，包括方位角、斜度，根據(jù)測(cè)斜數(shù)據(jù)，做好分析及預(yù)測(cè)工作，并及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。最好采用兩套儀器，進(jìn)行對(duì)比、調(diào)試，防止誤差過(guò)大。

5 斜孔鉆探班組配置及管理

5.1 班組配置

深斜孔工程地質(zhì)要求高，工期緊，必須配置合適的班組，保證鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。專設(shè)鉆探技術(shù)指導(dǎo)及跟蹤顧問(wèn)1人，由具有豐富鉆探知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)工程師擔(dān)任，對(duì)各深斜孔施工進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)及跟蹤。每臺(tái)鉆機(jī)設(shè)機(jī)長(zhǎng)1名，由具有豐富鉆探知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)技師或技師擔(dān)任，對(duì)鉆機(jī)的日常事務(wù)進(jìn)行管理；設(shè)2個(gè)班組，分白班、晚班組，其中，班長(zhǎng)2名，由具有豐富鉆探經(jīng)驗(yàn)的技師或技術(shù)工人擔(dān)任；設(shè)組員12名，每個(gè)班組6名，由長(zhǎng)期從事鉆探工作的技術(shù)工人擔(dān)任。

5.2 班組管理

為了使穿江深斜孔鉆探得以順利實(shí)施，成立了鉆探QC小組，作業(yè)控制成員主要由鉆探技術(shù)指導(dǎo)及跟蹤顧問(wèn)、機(jī)長(zhǎng)、班長(zhǎng)組成，并在鉆探班組管理中加強(qiáng)了交接班、議事討論、向技術(shù)指導(dǎo)及跟蹤顧問(wèn)匯報(bào)制度。

（1）交接班制度

每天白、晚班倒班作業(yè)中，及時(shí)做好交接班。上一班的班長(zhǎng)將本班作業(yè)中的鉆孔情況、設(shè)備狀況、安全隱患等信息準(zhǔn)確傳達(dá)給下一班的班長(zhǎng)，使下一班掌握上一班的作業(yè)信息及遺留的未來(lái)得及處理的隱患，避免出現(xiàn)上一班的隱患未處理，造成下一班作業(yè)即產(chǎn)生事故或積累越深。

交接班時(shí)兩班長(zhǎng)在交接班記錄上進(jìn)行簽名確認(rèn)，交接班記錄表格具體內(nèi)容包括鉆孔生產(chǎn)完成情況、設(shè)備運(yùn)行及故障排除情況、安全隱患及可能造成的后果、其它注意事項(xiàng)等等。

（2）議事討論制度

開展班前班組討論會(huì)，班長(zhǎng)在開班作業(yè)前，將交接班重點(diǎn)內(nèi)容通報(bào)給班組成員，大家一起事先討論當(dāng)班時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，使每個(gè)人都非常關(guān)注鉆孔質(zhì)量及安全，并互相提醒、互相監(jiān)督。

（3）向鉆探技術(shù)指導(dǎo)及跟蹤顧問(wèn)匯報(bào)制度

機(jī)長(zhǎng)將了解的鉆進(jìn)過(guò)程信息和每班班長(zhǎng)下班時(shí)將當(dāng)班鉆進(jìn)情況及時(shí)向鉆探技術(shù)指導(dǎo)及跟蹤顧問(wèn)匯報(bào)，其根據(jù)匯總的匯報(bào)情況結(jié)合工程地質(zhì)師預(yù)測(cè)的地層巖性，對(duì)深斜孔鉆探工藝后續(xù)各關(guān)鍵工序進(jìn)行把關(guān)，并對(duì)遇到的問(wèn)題及時(shí)指導(dǎo)與處理。

6 結(jié) 語(yǔ)

本水電站工程深斜孔鉆探實(shí)踐應(yīng)用多鉆探工藝、信息化施工等綜合技術(shù)，實(shí)時(shí)分析鉆探地層條件、測(cè)斜結(jié)果，調(diào)整鉆探參數(shù)、鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具使用、泥漿參數(shù)，采取預(yù)防為主的策略，精心施工，使整個(gè)鉆探過(guò)程具有可控性，大大提高了鉆探效率，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)順利完成了任務(wù)，并基本滿足了工程地質(zhì)要求。該項(xiàng)目深斜孔的鉆探成功，可為其它類似工程的深斜孔鉆探施工提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

［1］SL291－2003，水利水電工程鉆探規(guī)程［S］.