某工程下穿京广铁路段大角度斜孔施工技术王昶宇,肖冬顺,曾立新,黄炎普,闵文 (长江岩土工程总公司，武汉 430000) 摘 要：介绍了武汉某工程下穿京广铁路段大角度斜孔钻探施工情况，针对大顶角斜孔钻进防斜保直钻进技术进行实践探索，阐述了钻具组合合理配置、钻进参数合理选择、钻头合理选用等方面技术措施。 关键词：大顶角斜孔；钻孔防斜；护壁堵漏 1 工程概述1.1 工程概况 武汉轨道交通21号线，黄埔新城站-朱家河站区间，于里程左DK16+085.00 m～左DK16+150.00 m段下穿京广铁路，武汉地铁集团要求对下穿京广铁路段补充相应的勘探工作。京广铁路是中国的铁道大动脉之一，为确保京广铁道的运营安全及地铁穿越京广铁路段勘探工程施工的顺利进行，采用补充斜孔的方式进行勘察，本次工程为武汉地区首次对穿铁路段进行勘察。 1.2 地质概况 勘察的京广铁路段位于剥蚀堆积垄岗区(Ⅲ级阶地)与朱家河右岸Ⅰ级阶地分界部位。场地内上部为京广铁路路基填筑碎石土，其下主要为第四系地层，下伏三叠系大冶组白云岩，地层分为人工填土层(Qml)、全新统冲积层 2 勘探技术难点(1) 斜孔下方穿越京广铁路线，为保护铁路路基，减小扰动，要求钻孔必须一次成功。 (2) 本次钻探目的是为了配合物探进行电磁波CT，探查岩溶地层中溶洞发育情况，对成孔质量要求高，钻孔孔壁保护要好。  图1 武汉市轨道交通21号线京广铁路附近钻孔布置示意图 (3) 穿越地层情况复杂，软、硬、碎交互层多，孔内溶洞、裂隙发育，钻孔偏斜可能性大，保直难度高。 (4) 钻孔距离断裂带近，岩体多层碎裂岩化，溶洞多，孔内已发生掉块、卡钻、埋钻等事故。 (5) 钻探场地条件差，无法采用大功率钻机钻进，工期紧，钻孔失误容错率低。 3 技术措施(1) 工程开工前做好现场踏勘调查，与铁路部门充分沟通施工方案，保证施工过程中铁路运行安全。 (2) 采用合理的护壁技术，减少因孔内垮塌造成的卡钻、埋钻事故。 (3) 采用合理的机械、钻具、套管等设备选型配合，同时在钻探过程中使用测斜仪随时校核调整，保证孔直。 (4) 合理安排套管配合，做好成孔隔离保护，减小溶洞不利影响。 (5) 加强施工组织管理，提高工作效率，缩短项目工期。选用有丰富钻探经验的机长参与本项目，工人上岗前必须经过技术培训，尽量消除人为造成的孔内事故因素，保证钻孔质量和成孔率。 4 钻探施工工艺4.1 钻探设备 本次钻探工作，选用XY-2型液压岩芯钻机3台；BW-160 型泥浆泵3台，用于泵送泥浆循环；上海力擎SDC-1GW型储存式数字测斜仪1台，用于孔内测斜纠偏；套管起拔设备1套，用于起拔套管；Ø50 mm钻杆300 m，Ø127 mm、Ø108 mm套管若干，Ø130 mm、Ø110 mm合金单管钻具若干，Ø110 mm、Ø91 mm金刚石单动双管钻具若干。 4.2 钻孔布置和结构 4.2.1 钻孔布置 本次勘探采用顶角40°(倾斜度50°)斜孔方案，均向铁路倾斜。斜孔方位角铁路西侧按91°控制，东侧按271°控制，同侧钻孔方位角一致，两侧钻孔方位相差180°。孔位布置见图1。 4.2.2 钻孔结构 钻孔开孔孔径130 mm(钻进深度约20 m)，下入Ø127 mm套管后变径为110 mm(钻进至完整基岩后下入Ø108 mm套管)，打穿土层进入基岩后，变径91 mm钻进至终孔(80 m)。钻孔方案如图2，钻孔结构主要参数见表1。 表1 钻孔结构主要参数表  孔 号钻孔与垂线夹角方位角开孔直径130mm合金钻进Ø110mm合金(或金刚石)钻进Ø91mm金刚石钻进TZK02，TZK03(左线)钻孔与垂线夹角40°TZK02方位角91°TZK03方位角271°钻进至20m、下入Ø127mm套管钻进至完整基岩下入Ø108mm套管钻进至终孔TZK06，TZK07(中线)钻孔与垂线夹角40°TZK06方位角91°TZK07方位角271钻进至20m、下入Ø127mm套管钻进至完整基岩下入Ø108mm套管钻进至终孔TZK10，TZK11(右线)钻孔与垂线夹角40°TZK10方位角91°TZK11方位角271钻进至20m、下入Ø127mm套管钻进至完整基岩下入Ø108mm套管钻进至终孔 4.3 钻场布置 4.3.1 钻场平整与泥浆系统的建设 在不破环铁路现有建筑设施的情况下，钻场采用挖掘机结合人工平整，基础挖至坚实土层。每个钻场设置泥浆池2个，泥浆循环沟长度15 m，中间设置沉淀池2个。 4.3.2 钻机基座的浇筑 因钻孔倾斜度较大、孔深较深，钻进阻力大，钻进时间长，选用的XY-2型钻机重量大、扭矩大，钻机基座采用C30钢筋混凝土浇筑，预埋螺杆与钻机连接，确保基座整体受力良好。 混凝土浇筑前，采用全站仪确定斜孔方位，确保以下工作无误： (1) 钻孔开孔位置无误； (2) 钻机安装方向正确无误(钻机机体轴线与钻孔方位呈垂直状态)。  图2 钻孔方案示意图 基座基础挖深至坚实土层，清基后铺设钢筋网片，混凝土浇筑一次完成，预埋螺栓前采用整体木质框架(参照钻机基座螺栓孔位置制作，框架两边为垫木，预埋螺栓穿在上面)标出预埋螺栓位置。钻机垫木(厚度5 cm、宽度30 cm、长度150 cm)在浇筑混凝土的同时安装在混凝土基础上，以便于基座更好的贴合。 4.3.3 孔口导向装置的浇筑 (1) 混凝土浇筑24 h后进行钻机安装。 (2) 钻机安装完成后调整回转器的角度，使立轴与地面夹角成设计值。 (3) 预埋开孔导向钻具。主动钻杆上安装开孔短钻具(Ø130 mm)，短钻具外用牛皮纸(或编织袋)包封，包封厚度不宜太大，1 mm左右即可(间隙越小有助于导向)，钻头底部用编织袋包封。再一次测量确认已经安装在主动钻杆上的短钻具的倾斜度是否符合设计要求。 (4) 事先在钻孔孔位人工挖坑，宽度60 cm见方，深度60 cm左右，具体要视地层而定，地层松散坑适当加大，反之可适当减小。 (5) 孔口导向装置浇筑：启动钻机，将包封好的开孔钻具下放到挖好的坑内，编制钢筋网片，浇筑C20混凝土。混凝土浇筑过程中防止对开孔钻具造成过大扰动。混凝土中加入适当速凝剂，24 h后即可正常钻进。 钻机基座浇筑与开孔导向装置预埋见图3、4。 4.3.4 钻架的改造与安装 钻孔倾斜后，正常的钻塔不能使用(孔口与天车的连线和钻孔轴线不在一条线上)，为保证孔口、立轴、天车的三点一线，必须对钻探进行相应改造，钻塔安装示意图见图5。 最简单的办法就是将三角塔的后腿缩短。 钻塔安装时两条前支撑腿坐落在混凝土基座上，其倾角不能大于钻孔倾角，否则提钻时容易拉翻钻塔造成事故。钻塔后腿受力较小，但必须可靠固定。钻探的各个方向用绷绳拉紧并设置地锚，施钻过程中对绷绳加强检查，防止发生意外。  图3 钻机基座浇筑与开孔导向装置预埋图  图4 钻机现场示意图 4.4 钻进方法、工艺参数与控制 4.4.1 覆盖层钻进 由于钻孔倾斜度较大，覆盖层钻进确保钻机基座稳定、钻孔直线度(避免钻孔发生较大弯曲)是关键，钻机安装、钻探方法、工艺参数均围绕以上两个关键因素展开。  图5 钻塔安装示意图 覆盖层主要采用合金干烧+回灌泥浆护壁钻进工艺，遇有块石采用合金(或金刚石)+泥浆循环钻进工艺，钻机低转速、小至中等压力、小泵量。 泥浆材料主要有优质膨润土泥浆粉、植物胶、CMC、纯碱等，泥浆采用人工拌制，预水化时间24 h。土层钻进时漏斗黏度控制在30 s左右[1]。 在覆盖层钻进中，提钻、停班时往孔内回灌泥浆，至少高于水面2 m以上，防止塌孔。 另外，如何快速穿过覆盖层对于斜孔钻进也十分重要，首先做好施工组织设计工作，必须充分考虑困难条件，加强预判，做好设备、器材的选用，选用对覆盖层钻进工艺十分熟练的技术工人，加强技术交流培训工作，做好不利情况下钻探预案。 4.4.2 基岩破碎地层钻进 基岩破碎地层钻进主要困难在于保证钻孔稳定，防止大量掉块，甚至塌孔，还要保证钻孔取芯率。 基岩破碎地层采取的钻进方法为Ø110 mm金刚石单管钻进工艺，泥浆护壁。 钻机转速200～300 r/min，压力0.8 MPa，泥浆流量30 L/min左右，遇有风化较软弱地层采取干烧。破碎岩石段回次进尺一般控制在1.5～2 m，取芯较差时，采用单动双管钻具取芯工艺[2]。 为防止和减轻钻孔漏失，采用优质泥浆加入CMC泥浆处理剂，提钻和停班时采取泥浆回灌以平衡地下水水压，保证钻孔稳定。 遇有探头石或少量掉块时，采取活动钻具、扫孔等措施，遇有严重漏失、严重掉块等采用水泥封孔处理。 4.4.3 溶洞段钻进 在钻进过程中如果遭遇地下溶洞，若不加以控制将无法继续进行斜孔钻进，需要采用水泥砂浆封填溶洞，待其适当凝固后，保证溶洞段后续钻进能按设计钻孔结构形成稳定钻孔，方可继续实施钻探工作。 封填孔下溶洞的水泥砂浆方量依溶洞空间大小而定。 4.4.4 完整基岩段钻进 完整基岩段采用Ø91 mm金刚石单管、清水钻进，钻机转速300～400 r/min，钻压0.8～1 MPa，水量45 L/min左右。 回次进尺控制在3 m以内。 4.4.5 钻孔测斜与钻探参数控制 钻孔弯曲度对钻探效率有很大影响，钻孔越直，钻孔事故越少(如折断钻杆等)，钻机故障少，钻探效率越高[3]。在斜孔钻探中勘察项目部高度重视钻孔弯曲度的控制，制定了多项技术措施力求钻孔方位角、倾角(测量顶角，倾角+顶角=90°)保持在较小变化范围内[4]。 主要通过加长钻具和严格控制钻探参数，加强钻孔测斜来控制钻孔弯曲度。 钻孔测斜采用上海力擎SDC-1GW型储存式数字(高精度)测斜仪，一般情况下每班测斜1次，每3 m测1个点，一旦发现倾角或方位角变化偏大，主要通过调整钻探参数寻找控制规律，并加大测斜频率。本地区的规律为：当钻孔下垂时适当增加钻机压力，相反则减小钻机压力，变化幅度控制在0.2 MPa以内，钻机转速基本保持不变。方位角的控制主要通过使用长、中等钻具且较为恒定的钻机转速控制。 4.5 护壁堵漏技术 4.5.1 水泥浆堵漏 在漏失地层进行固井作业时,使用纤维水泥浆不影响水泥浆常规性能,具有防漏治漏双重功效,同时能大幅度地提高水泥石增韧性能,提高两界面的胶结质量,保证水泥石的完整性[5]。本工程在钻进过程中，出现泥浆漏失严重，孔内垮塌掉块的孔段，采用灌注聚丙烯纤维水泥浆的方法进行护壁堵漏。 4.5.2 套管护壁保值 在此次穿京广铁路大角度斜孔钻探的施工工程中，为了防止钻进时钻孔内出现漏水、掉块垮孔等问题，保持钻孔孔径直线，每个钻孔下入套管必须达到孔内基岩面上。本项目套管安放的情况，对钻探的钻进效率和钻探成本有着极大的影响，具体套管安放与起拔程序如下： (1) 由于在大角度斜孔钻进的过程中，套管会紧贴在孔壁底侧，同时钻具机械扰动会使套管外孔壁破碎岩石下落，容易抱死或卡住套管，应该尽量选取直连的或者接箍与套管外径相同的套管，防止出现抱死或卡死套管情况发生。 (2) 在每次下入套管以前，最好使用新配好的泥浆循环带出孔内沉淀岩粉，在保证孔内干净通畅的情况下，再下入套管。 (3) 为了便于套管安放和起拔，在套管外侧和接口处，一定要涂抹黄油等润滑剂。套管丝扣连接处，务必要丝扣完好，做到紧密连接。 (4) 套管下入孔内后，孔口管应当采取适当的密封工作，防止泥浆和岩粉从套管外部缝隙中流入孔内，造成不好后果。 (5) 套管起拔过程中，切不可操之过急，若出现钻机自身提不动需使用起重机的情况，必须用主动钻杆与套管连接后再来起拔套管。防止出现起重机倾覆伤人的情况。 5 钻探技术和经济效果武汉轨道交通21号线工程下穿京广铁路段大角度斜孔钻探项目投入钻机3台套，通过钻探工艺的优化组合和不断改进，初步解决了该区域地层复杂、钻孔倾角大、钻进技术指标要求严格所造成的施工技术难题。在工期1个月内共完成钻孔6个，累计完成工作量400 m。全部符合地质设计和物探要求。 6 结 语在武汉轨道交通21号线工程下穿京广铁路段大角度斜孔钻探项目中，6个钻孔均一次成孔，未发生孔内事故，取芯、保直、护壁等指标，满足物探CT测试和地质设计方面的相关要求。此次项目施工，我们收获了许多宝贵的大角度斜孔施工经验，但仍需要进一步优化钻孔结构，加强钻具、管材等机械设备设计配合，提高工程组织效率，不断完善、改进工程质量，为以后类似项目打下坚实基础。 参考文献: [1] 梁小强.复杂条件下非开挖定(导)向钻进技术应用研究[D].长沙：中南大学,2006. [2] 林军,张勇,张洪弛.水平井双管注汽工艺技术[J].石油地质与工程,2008(06):66-68. [3] 李江雷,郑肖亮.钻孔弯曲的预防与纠正浅析[J/OL].基层建设,2016(33)：( 2017-03-06)[2017-07-31]. http://www./yc/2017/782354.html. [4] 胡燕群.钻孔弯曲的预防及其纠正方法研究[J].技术与市场,2011(07):84. [5] 谷穗,乌效鸣,蔡记华.纤维水泥浆堵漏实验研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009(04):4-6. Construction Technology of Inclined Hole with Large Anglein Project Underpassing Beijing-Guangzhou Railway WANG Changyu, XIAO Dongshun, ZENG Lixin, HUANG Yanpu, MIN Wen (Changjiang Geotechnical Engineering Corporation, Wuhan 430000,China) Abstract:Construction of inclined hole with large angle in project underpassing Beijing-Guangzhou railway is introduced in this paper. Aiming at the practice of the technology on preventing from inclination in boring with large angle, the technical measures such as the reasonable arrangement of boring facilities combination, reasonable selection of the boring parameters and reasonable selection of bottom bit, etc are described. Key words:inclined hole with large angle; inclination prevention while boring; wall protection and seepage blocking 文章编号：1006-2610(2017)04-0110-05 收稿日期：2017-07-15 作者简介：王昶宇(1991- )，男，湖北省武汉市人，助理工程师，从事地质钻探工作. 中图分类号：U212.2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.04.029 |
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上更新统冲积层
中更新统冲洪积层
残坡积层(Q
