田鵬輝　冉飛　宋繼偉　詹恕明

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

近水平孔鉆探技術(shù)主要應用于礦山生態(tài)修復和巖土工程勘察領(lǐng)域，目前實施近水平孔多采用坑道鉆機和非開挖鉆機，這些鉆機整體非常輕便，動遷方便、占地少，但缺點也是非常突出?？拥楞@機受工作環(huán)境限制，為追求輕便，只有犧牲動力機重量、采用小巧的機構(gòu)，同時液壓傳動方式本身傳動效率就非常低，最終造成輸出扭矩非常小、提升能力不足、遇到復雜地層輕微阻卡時無法回轉(zhuǎn)、發(fā)生事故時無法強力提拔等問題；非開挖鉆機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)條件非常復雜，第四系覆蓋層薄，多為土石交錯。因此，這類鉆機在貴州省鉆探工作中應用，總體效果很差。近幾年工作實踐顯示，想要保證鉆機輸出能力，又要實現(xiàn)鉆機輕型化，就需要對現(xiàn)有傳統(tǒng)立軸鉆機進行改良。

1 設備改造方案

采用傳統(tǒng)立軸巖心鉆機施工近水平孔，對一直承擔豎直鉆孔的鉆探隊伍來講，無疑是一次巨大的挑戰(zhàn)。為了保證鉆探質(zhì)量，設備及施工場地的改造修建十分重要，主要包括：施工平臺的修筑、機器設備的固定、提升裝置的設計安裝、鉆機立軸卡盤改造等[1]。

1.1 施工平臺修筑及設備固定

為了滿足鉆進施工要求，需要對施工鉆機平臺進行開挖，將鉆機施工平臺下沉約1.5 m。平臺長7 m、寬5 m、深1.5 m，根據(jù)現(xiàn)場地形，因地制宜，在平臺右前方開挖排水溝，施工場地四周澆筑擋土墻，保證操作平臺的施工安全。鉆機與支架的穩(wěn)固是保證鉆探質(zhì)量的重要前提，為固定好鉆機與支架，施工平臺需要澆筑混凝土，澆筑時根據(jù)鉆機鋼梁尺寸位置埋設鋼筋，鋼筋頂部焊接螺桿，使用夾板連接鉆機底座。

1.2 提升下放裝置的設計

立軸鉆機鉆進直斜鉆孔時，依靠鉆塔受力實現(xiàn)鉆桿的提升與下放，但施工近水平孔時傳統(tǒng)鉆塔無法安裝使用。因為鉆孔設計淺，施工采用的Ф50 鉆桿較輕，為了便于起拔鉆桿等，可以在鉆機底座上設計了兩組簡易三角形支撐架，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，鉆桿或套管無法依靠自身重量下放?，F(xiàn)場采用反向定滑輪，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，鉆機卷揚機收緊，滑輪帶動鉆桿向孔內(nèi)壓入[2]。

1.3 鉆機立軸卡盤改造

在狹窄的沉降平臺內(nèi)施工，活動空間都是相對比較受限的，鉆機的立軸調(diào)整為近水平后，長立柱活動空間狹窄，無法實現(xiàn)加減鉆桿。為此，需要對鉆機的立軸卡盤做一定的改動[3]，將原本立軸鉆機的卡盤的方形卡瓦換成圓卡瓦。結(jié)合機臺的現(xiàn)場情況，使用Ф71 mm鐓粗鉆桿替代原本立軸鉆機使用的Ф65 mm方形主動鉆桿，當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，特別是針對貴州省復雜的地層條件，砂卵石層孔壁容易垮塌，同時考慮可能對鉆遇地層取樣樣品及河道目的層水質(zhì)影響問題，孔壁保護也是一大難題[4]。

目前使用最多的孔壁保護方法是泥漿護壁或跟管鉆進[5]。但對于孔深300 m以內(nèi)的淺孔施工，如果無法采用清水鉆進，專門配置鉆井液將會增加施工的成本，甚至部分鉆井液的使用會對環(huán)境造成一定的影響。同時對于近水平孔，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，失去了對孔壁的保護[5]。

因此，針對貴州省的近水平孔施工目前最好的方法是跟管鉆進。跟管鉆進是地質(zhì)巖心鉆探中經(jīng)常使用的處理鉆進困難問題的一種鉆進方法，原理是一邊鉆進一邊壓入短節(jié)特制的套管，或者將套管超前壓入，然后鉆具掏心鉆進[6]。采用跟管鉆進技術(shù)能夠預防在鉆進施工過程中遇到的鉆孔孔壁垮塌嚴重或者破碎層卡住鉆具，造成無法繼續(xù)施工等，主要適用于鉆進松散地層和破碎層。在大直徑工程鉆進中，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的機械進行邊鉆進邊下套管的作業(yè)。跟管鉆進分為偏心跟管及同心跟管兩種方式，偏心跟管鉆進宜在孔深40 m 以內(nèi)且地層中無較多較大的孤石時采用。同心跟管可以更好地解決偏心跟管鉆進復雜地層時遇到的卡鉆和孤石鉆進問題，對鉆進施工更加有利，能夠充分提高鉆孔效率[7]。同心跟管鉆進宜在孔深超過40 m且地層中有較多較大的孤石時采用。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗總結(jié)，本次施工過程中遇到地層條件復雜、孔壁垮塌嚴重時，采用無泵跟管鉆進工藝。在向下鉆進的同時跟進下入特制的短接套管，下放的套管能夠及時地對鉆孔孔壁形成保護，尤其是在遇到復雜地層時，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，只是對套管的質(zhì)量要求很高，為此將8 mm厚的J55套管加工成長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度，而且施工方便。無泵跟管鉆進工藝主要操作程序為：

（1）普通干撈取心鉆進，鉆至破碎垮塌嚴重區(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，進行掃孔施工至鉆孔當前孔深位置，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)徑小一級的取心鉆具，保證鉆具能順利通過跟管套管，同時又不至于間隙太大，下鉆進行取心施工，根據(jù)施工情況，結(jié)合考慮跟管套管的長度和取心管的長度，來確定每回次取心施工進尺，正常起鉆提取巖心。

（4）解除孔口跟管套管的固定，加入相應長度的跟管套管，采用回轉(zhuǎn)鉆進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)布設了5 條物探測線，測線長度均為240 m，測線方向分別為60°、60°、52°、138°、138°，總長度1200 m，測點距4 m，高密度測深點285個。

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)場場地的實際情況，選擇在4 線的120號點附近實施水文勘察斜孔。通過RTK現(xiàn)場測量和計算：勘察斜孔方位角為340°左右，當鉆孔頭在赤水河邊到達河面以下5 m時，鉆孔與水平面夾角為8°～9°，設計孔深110 m。

3.2 地質(zhì)鉆探

經(jīng)過前期對施工方案和設備充分改造，于2023年3月31日開孔。鉆孔覆蓋層主要是紅褐色粘土，現(xiàn)場使用合金鉆具干撈與無泵跟管鉆進工藝相結(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進入灰褐色細砂層，換Ф150金剛石無內(nèi)徑鉆頭配合Ф146套管無泵跟管鉆進，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 鉆具鉆進取心至108.71 m（圖2）。

施工中為了控制方位角及傾角準確，現(xiàn)場采用JTL-400X（W）光纖陀螺測斜儀，分別在30 m、60 m、90 m測量孔斜，進行鉆孔防斜測量，及時掌握鉆孔軌跡，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時調(diào)整。為了滿足設計水質(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、灰褐色細砂、灰褐色細砂夾鵝卵石。鉆孔軌跡符合設計的方位角及傾角，終孔段在第四系灰褐色細砂夾鵝卵石地層中。

4 結(jié)論

該試驗說明立軸巖心鉆機經(jīng)過改造后采用無泵跟管鉆進技術(shù)能有效解決施工貴州省近水平孔地層復雜的問題，其改變傳統(tǒng)的泥漿施工工藝，通過更換傳統(tǒng)立軸巖心鉆機上卡盤卡瓦，設計簡易提升裝置實現(xiàn)傳統(tǒng)鉆機施工近水平孔是可行的。