立軸鉆機(jī)在貴州復(fù)雜地層施工近水平孔的設(shè)備改造應(yīng)用

田鵬輝　冉飛　宋繼偉　詹恕明

［關(guān)鍵詞］立軸鉆機(jī)；近水平孔；無泵跟管技術(shù)；卡盤改造；護(hù)壁

近水平孔鉆探技術(shù)主要應(yīng)用于礦山生態(tài)修復(fù)和巖土工程勘察領(lǐng)域，目前實(shí)施近水平孔多采用坑道鉆機(jī)和非開挖鉆機(jī)，這些鉆機(jī)整體非常輕便，動(dòng)遷方便、占地少，但缺點(diǎn)也是非常突出?？拥楞@機(jī)受工作環(huán)境限制，為追求輕便，只有犧牲動(dòng)力機(jī)重量、采用小巧的機(jī)構(gòu)，同時(shí)液壓傳動(dòng)方式本身傳動(dòng)效率就非常低，最終造成輸出扭矩非常小、提升能力不足、遇到復(fù)雜地層輕微阻卡時(shí)無法回轉(zhuǎn)、發(fā)生事故時(shí)無法強(qiáng)力提拔等問題；非開挖鉆機(jī)只適用于第四系沙土、粘土等松散土層，不適宜地下水位較高及卵石地層，而貴州省地質(zhì)條件非常復(fù)雜，第四系覆蓋層薄，多為土石交錯(cuò)。因此，這類鉆機(jī)在貴州省鉆探工作中應(yīng)用，總體效果很差。近幾年工作實(shí)踐顯示，想要保證鉆機(jī)輸出能力，又要實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)輕型化，就需要對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)進(jìn)行改良。

1 設(shè)備改造方案

采用傳統(tǒng)立軸巖心鉆機(jī)施工近水平孔，對(duì)一直承擔(dān)豎直鉆孔的鉆探隊(duì)伍來講，無疑是一次巨大的挑戰(zhàn)。為了保證鉆探質(zhì)量，設(shè)備及施工場(chǎng)地的改造修建十分重要，主要包括：施工平臺(tái)的修筑、機(jī)器設(shè)備的固定、提升裝置的設(shè)計(jì)安裝、鉆機(jī)立軸卡盤改造等[1]。

1.1 施工平臺(tái)修筑及設(shè)備固定

為了滿足鉆進(jìn)施工要求，需要對(duì)施工鉆機(jī)平臺(tái)進(jìn)行開挖，將鉆機(jī)施工平臺(tái)下沉約1.5 m。平臺(tái)長(zhǎng)7 m、寬5 m、深1.5 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，因地制宜，在平臺(tái)右前方開挖排水溝，施工場(chǎng)地四周澆筑擋土墻，保證操作平臺(tái)的施工安全。鉆機(jī)與支架的穩(wěn)固是保證鉆探質(zhì)量的重要前提，為固定好鉆機(jī)與支架，施工平臺(tái)需要澆筑混凝土，澆筑時(shí)根據(jù)鉆機(jī)鋼梁尺寸位置埋設(shè)鋼筋，鋼筋頂部焊接螺桿，使用夾板連接鉆機(jī)底座。

1.2 提升下放裝置的設(shè)計(jì)

立軸鉆機(jī)鉆進(jìn)直斜鉆孔時(shí)，依靠鉆塔受力實(shí)現(xiàn)鉆桿的提升與下放，但施工近水平孔時(shí)傳統(tǒng)鉆塔無法安裝使用。因?yàn)殂@孔設(shè)計(jì)淺，施工采用的Ф50 鉆桿較輕，為了便于起拔鉆桿等，可以在鉆機(jī)底座上設(shè)計(jì)了兩組簡(jiǎn)易三角形支撐架，依靠三角形的穩(wěn)定性來滿足提升要求。在施工近水平孔時(shí)，鉆桿或套管無法依靠自身重量下放?，F(xiàn)場(chǎng)采用反向定滑輪，既在鉆孔頂部擋土墻位置豎向插入固定鋼筋，在地面鋼筋頂部固定滑輪，依靠滑輪變換方向，鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)收緊，滑輪帶動(dòng)鉆桿向孔內(nèi)壓入[2]。

1.3 鉆機(jī)立軸卡盤改造

在狹窄的沉降平臺(tái)內(nèi)施工，活動(dòng)空間都是相對(duì)比較受限的，鉆機(jī)的立軸調(diào)整為近水平后，長(zhǎng)立柱活動(dòng)空間狹窄，無法實(shí)現(xiàn)加減鉆桿。為此，需要對(duì)鉆機(jī)的立軸卡盤做一定的改動(dòng)[3]，將原本立軸鉆機(jī)的卡盤的方形卡瓦換成圓卡瓦。結(jié)合機(jī)臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)情況，使用Ф71 mm鐓粗鉆桿替代原本立軸鉆機(jī)使用的Ф65 mm方形主動(dòng)鉆桿，當(dāng)然也要保證鐓粗鉆桿和Ф73.4 mm的鉆桿接頭均能順利通過[4]，安裝圓卡瓦后鉆桿仍能被卡緊[3]。

2 施工工藝的選擇

在近水平孔施工時(shí)，特別是針對(duì)貴州省復(fù)雜的地層條件，砂卵石層孔壁容易垮塌，同時(shí)考慮可能對(duì)鉆遇地層取樣樣品及河道目的層水質(zhì)影響問題，孔壁保護(hù)也是一大難題[4]。

目前使用最多的孔壁保護(hù)方法是泥漿護(hù)壁或跟管鉆進(jìn)[5]。但對(duì)于孔深300 m以內(nèi)的淺孔施工，如果無法采用清水鉆進(jìn)，專門配置鉆井液將會(huì)增加施工的成本，甚至部分鉆井液的使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響。同時(shí)對(duì)于近水平孔，泥漿無法在近水平孔孔內(nèi)停留，無法形成有效的液柱壓力，失去了對(duì)孔壁的保護(hù)[5]。

因此，針對(duì)貴州省的近水平孔施工目前最好的方法是跟管鉆進(jìn)。跟管鉆進(jìn)是地質(zhì)巖心鉆探中經(jīng)常使用的處理鉆進(jìn)困難問題的一種鉆進(jìn)方法，原理是一邊鉆進(jìn)一邊壓入短節(jié)特制的套管，或者將套管超前壓入，然后鉆具掏心鉆進(jìn)[6]。采用跟管鉆進(jìn)技術(shù)能夠預(yù)防在鉆進(jìn)施工過程中遇到的鉆孔孔壁垮塌嚴(yán)重或者破碎層卡住鉆具，造成無法繼續(xù)施工等，主要適用于鉆進(jìn)松散地層和破碎層。在大直徑工程鉆進(jìn)中，由于下套管需要大的扭矩和功率，因此常配備專門的稱為搓管機(jī)的機(jī)械進(jìn)行邊鉆進(jìn)邊下套管的作業(yè)。跟管鉆進(jìn)分為偏心跟管及同心跟管兩種方式，偏心跟管鉆進(jìn)宜在孔深40 m 以內(nèi)且地層中無較多較大的孤石時(shí)采用。同心跟管可以更好地解決偏心跟管鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)遇到的卡鉆和孤石鉆進(jìn)問題，對(duì)鉆進(jìn)施工更加有利，能夠充分提高鉆孔效率[7]。同心跟管鉆進(jìn)宜在孔深超過40 m且地層中有較多較大的孤石時(shí)采用。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本次施工過程中遇到地層條件復(fù)雜、孔壁垮塌嚴(yán)重時(shí)，采用無泵跟管鉆進(jìn)工藝。在向下鉆進(jìn)的同時(shí)跟進(jìn)下入特制的短接套管，下放的套管能夠及時(shí)地對(duì)鉆孔孔壁形成保護(hù)，尤其是在遇到復(fù)雜地層時(shí)，能保證鉆孔成孔率[8]。直接用套管將垮塌孔段隔離，效果十分理想，只是對(duì)套管的質(zhì)量要求很高，為此將8 mm厚的J55套管加工成長(zhǎng)1.50 m左右的短套管，每根套管之間加工絲扣來連接，這樣不僅能保證跟管套管的總體強(qiáng)度，而且施工方便。無泵跟管鉆進(jìn)工藝主要操作程序?yàn)椋?/p>

（1）普通干撈取心鉆進(jìn)，鉆至破碎垮塌嚴(yán)重區(qū)域后提鉆。

（2）換用同口徑的無內(nèi)徑金剛石鉆頭連接與之相匹配的跟管套管，進(jìn)行掃孔施工至鉆孔當(dāng)前孔深位置，在鉆孔孔口將跟管套管固定住。

（3）下入比上述跟管套管內(nèi)徑小一級(jí)的取心鉆具，保證鉆具能順利通過跟管套管，同時(shí)又不至于間隙太大，下鉆進(jìn)行取心施工，根據(jù)施工情況，結(jié)合考慮跟管套管的長(zhǎng)度和取心管的長(zhǎng)度，來確定每回次取心施工進(jìn)尺，正常起鉆提取巖心。

（4）解除孔口跟管套管的固定，加入相應(yīng)長(zhǎng)度的跟管套管，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝掃孔到上回次的取心位置，同樣孔口固定跟管套管（圖1）。

（5）重復(fù)上述流程（3）和（4），直至穿過破碎垮塌地層，將跟管套管牢固地固定在完整巖層上，防止跑管。

3 實(shí)施情況

3.1 物探定孔

物探組于2022年12月23日～12月25日開展了野外物探數(shù)據(jù)采集工作，在工作區(qū)布設(shè)了5 條物探測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度均為240 m，測(cè)線方向分別為60°、60°、52°、138°、138°，總長(zhǎng)度1200 m，測(cè)點(diǎn)距4 m，高密度測(cè)深點(diǎn)285個(gè)。

根據(jù)傍河取水的需求，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探以及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的實(shí)際情況，選擇在4 線的120號(hào)點(diǎn)附近實(shí)施水文勘察斜孔。通過RTK現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算：勘察斜孔方位角為340°左右，當(dāng)鉆孔頭在赤水河邊到達(dá)河面以下5 m時(shí)，鉆孔與水平面夾角為8°～9°，設(shè)計(jì)孔深110 m。

3.2 地質(zhì)鉆探

經(jīng)過前期對(duì)施工方案和設(shè)備充分改造，于2023年3月31日開孔。鉆孔覆蓋層主要是紅褐色粘土，現(xiàn)場(chǎng)使用合金鉆具干撈與無泵跟管鉆進(jìn)工藝相結(jié)合的方式[9]。一開采用Ф180合金鉆具干撈至24.56 m，垮塌嚴(yán)重，無法繼續(xù)施工，下入Ф180金剛石無內(nèi)徑鉆頭配合Ф177.8套管掃孔至24.56 m；二開采用Ф150合金鉆具干撈至49.11 m進(jìn)入灰褐色細(xì)砂層，換Ф150金剛石無內(nèi)徑鉆頭配合Ф146套管無泵跟管鉆進(jìn)，Ф130鉆具取心至69.10 m；三開采用Ф130 金剛石無內(nèi)徑鉆頭+ Ф127 套管掃孔，下入Ф95 鉆具鉆進(jìn)取心至108.71 m（圖2）。

施工中為了控制方位角及傾角準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)采用JTL-400X（W）光纖陀螺測(cè)斜儀，分別在30 m、60 m、90 m測(cè)量孔斜，進(jìn)行鉆孔防斜測(cè)量，及時(shí)掌握鉆孔軌跡，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時(shí)調(diào)整。為了滿足設(shè)計(jì)水質(zhì)過濾要求，在套管管體上加工篩眼用于抽水，在孔深105.60～108.60 m為篩管，即在跟管鉆頭后端連接一根篩管，其余套管均采用實(shí)管。

3.3 鉆探成果

該孔于2023年4月28日終孔，孔口朝向340°，與水平面夾角約9°，終孔深度為108.71 m。根據(jù)鉆探工程、地質(zhì)編錄成果，該鉆孔地層自上而下為第四系（Q）紅褐色粘土和耕植土夾少量碎石覆土層、灰褐色細(xì)砂、灰褐色細(xì)砂夾鵝卵石。鉆孔軌跡符合設(shè)計(jì)的方位角及傾角，終孔段在第四系灰褐色細(xì)砂夾鵝卵石地層中。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)說明立軸巖心鉆機(jī)經(jīng)過改造后采用無泵跟管鉆進(jìn)技術(shù)能有效解決施工貴州省近水平孔地層復(fù)雜的問題，其改變傳統(tǒng)的泥漿施工工藝，通過更換傳統(tǒng)立軸巖心鉆機(jī)上卡盤卡瓦，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易提升裝置實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆機(jī)施工近水平孔是可行的。