大口径钻孔孔壁稳定性分析

陈兴梗

大口径钻孔孔壁稳定性分析

陈兴梗

福建东辰市政工程有限公司

地质钻探应用越来越广泛，钻孔孔径越来大，主要应用于钻孔灌注桩和水平定向钻孔铺管施工。钻孔孔壁的稳定性对施工的质量、安全和成本的影响越来越大。由于影响孔壁稳定的因素很多，该文主要从理论上分析孔壁稳定条件，结合多年的实践经验，查找影响孔壁稳定性的因素，提出相应的预防和处理方法。

孔壁稳定条件 影响因素 实践经验 预防措施 处理方法

由于岩土性质的复杂性，钻孔施工的隐秘性以及施工时受外界许多不可预测因素的影响，如何保证大管径钻孔孔壁稳定是施工的关键。本文从静力学、流体力学、土力学等理论出发，总结多年来从事钻孔施工实际经验，探讨、分析孔壁稳定的条件和影响因素，提出预防措施和处理方法，以期对钻孔施工有所帮助。

1 孔壁稳定条件

1.1 静力平衡条件

孔壁稳定的基本条件参见图1，根据静力平衡理论，孔壁稳定的基本条件应满足下式：

式中：F—岩土内应力，与岩土性质相关；P—冲洗液的水头压力；σ—圆环应力，与孔径大小和岩土性质有关； PO—孔壁岩土的侧压力；Po'—地表受界外附加压力；β—外界附加压力的传递系数。

1.2 地层渗流条件

根据渗流理论，地下水如果存在水头压差，其必能沿压差方向产生定向流动，这种渗流对岩土颗粒产生顺流向的推动力，将造成孔壁的不稳定。所以孔壁稳定还必须满足“孔内水头压力大于地下水压力”的条件，这里称之为地层渗流条件。大量施工实践证明，地层应满足的渗流条件为：

Pl－P2≥2×104(Pa) (2)

式中：Pl—孔内某一高程的冲洗液的水头压力；P2—孔内与Pl在同一高程的地下水压力。

1.3 时间因素条件

根据土力学，有些岩土具有“蠕变”特性，随时间的延长，岩土的变形量会增加，当这种变形量达到一定程度，会产生孔内局部坍塌。另外，有的岩土经长时间在水中浸泡会膨胀、软化，也会对孔壁产生较大影响，所以，孔壁稳定还必须满足时间因素条件。

2 影响孔壁稳定因素的分析

通过对孔壁稳定条件的分析可看出，影响孔壁稳定的因素有客观、工艺、环境因素和人为因素等4类。

2.1 客观因素

2.1.1岩土性质。从孔壁稳定条件可以看出，岩土侧压力系数、粘性力、摩擦角、渗透系数和蠕变性等是影响孔壁稳定的直接因素。对这些岩土性能指标进行分析可知，有利于孔壁稳定条件的岩土从强到弱的排列顺序是粘性土、砂土和碎石土。

2.1.2地下水。地下水对孔壁稳定的影响是由岩土的渗透性和地下水的性质决定的，地下潜水对孔壁稳定的影响表现在水位和渗流。地下水位的变化产生渗流，从而造成孔内的坍塌。如果工程所在区域内存在这种定向渗流，将会对孔壁稳定造成不良影响。例如：永春县自来水厂桃溪大桥—德风环岛给水管定向穿越铺管工程施工，该工地距桃溪比较近，大约50 m，施工期桃溪正值汛期，水位上升快，引起地下水定向渗流，造成该工地钻孔发生坍塌。

地下承压力一般埋深较大，其上覆有较好的隔水层，非开挖钻孔施工中很少遇到。当钻孔穿过其上覆隔水层，且地下承压力大于孔内液柱的压力时，地下承压水就会携带岩土涌进孔内，并使孔内泥浆返出地面，在其上覆隔水层底部形成大面积空洞，影响隔水层的稳定性，从而影响整个孔壁稳定。

直齿圆柱齿轮啮合时的受力示意如图1所示，啮合点法向力在切向和径向两个方向存在分力，即法向力是二维力。斜齿圆柱齿轮啮合时的受力示意如图2所示，啮合点法向力在切向、径向和轴向3个方向存在分力，即法向力是三维力。锥齿轮(包括直齿锥齿轮和弧齿锥齿轮)啮合时的受力示意如图3和图4所示，由于结构特殊，啮合点法向力也是三维力。

2.1.3孔径大小。孔径大小对孔壁稳定的影响，目前在实际施工中没有给予足够的重视，但从孔壁稳定条件上说，孔径大小是孔壁稳定的一个因素。今后随着超大口径钻孔的应用，将会成为影响孔壁稳定的重要因素之一。

2.2 工艺因素

下面主要从流体力学理论角度分析工艺因素对孔壁稳定的影响。

2.2.1成孔工艺的影响。钻孔成孔工艺主要有正循环和反循环，在同等条件下，正循环将由泥浆泵对孔内泥浆产生正压力，而反循环将由泥浆泵对孔内泥浆产生负压力。从孔壁静力稳定条件的冲洗液水头压力，可以得出：正循环钻孔工艺对孔壁稳定的影响比反循环钻孔工艺更有利，且正循环成孔工艺对孔壁稳定因素是增强的，反循环成孔工艺对孔壁稳定因素是削弱的。

2.2.2流量的影响。泥浆在孔内流动，将对孔壁界面产生一摩擦力，方向与流动方向相同，流速越大，泥浆粘度越大，摩擦力越大。实际施工中，这种流动产生的摩擦力对孔壁稳定的影响是消极的。例如：气举反循环工艺与泵吸反循环工艺相比，由于气举循环工艺的流量大，其对孔壁稳定的影响更大，所以在施工中，选择一个合理的流量，应认真考虑满足排渣和孔壁稳定两方面的要求。

2.2.3泥浆的影响。泥浆对孔壁稳定的影响，主要表现在压力、摩擦力和泥皮。压力和摩擦力分别与泥浆的密度和粘度相关，泥浆的密度越大，其对孔壁形成的压力越大，对孔壁稳定越有利。实践证明，通过提高泥浆密度来维护孔壁稳定是一项很重要且常用的措施；泥浆粘度越大，泥浆流动对孔壁产生的摩擦力越大。例如：永春县永仙公路给水管改造工程施工，施工地层主要为砂砾土层。施工前进行搅拌泥浆，在施工过程中，没有采取保存泥浆的措施，没有继续搅拌，造成钻孔孔壁坍塌。

在钻孔施工中，泥皮对孔壁稳定的影响起着重大的作用。一般采取使用优质泥浆的措施来防止漏失，这种泥浆能在孔壁上形成一层致密的泥皮，能有效地减少孔内泥浆的渗漏。

2.3 环境因素

环境因素是指施工工地周围环境对孔壁稳定产生的影响。它对孔壁稳定的影响主要有2种形式：外加载荷和外界水位变化。

2.3.1外界附加荷载。外界附加荷载按其作用状态划分为外界附加静荷和外界附加动荷。①外界附加静荷：当施工地临近高层建筑物、构筑物、堆积物、道路动荷载等时，会对岩土层产生附加静压力Po'，相当于岩土层的压力增大，致使Po+Po'增大，根据孔壁稳定条件式(1)，这意味着孔壁不稳定因素增强，外界静荷大小与钻孔距离有关。②外界附加动荷：施工地附近有公路、铁路和工厂(大型动荷机械设备)等能对岩土层产生附加动荷，如果施工的岩土层具有较大灵敏性，如淤泥、淤泥质粘土和粉细砂等地层，在有外界附加动荷情况下，这些岩土层液化而改变岩土原有性质，使其处于流体状或蠕变迅速加剧，造成孔内坍塌。

2.4 人为因素

人为因素是关键性、决定性的。只要对岩土性质进行科学分析，制订合理的施工方案，进行科学的管理，增强施工人员的责任心，岩土层再复杂、影响因素再多、难度再大也能保证钻孔成孔顺利完成。

2.4.1施工方案不合理的影响。钻孔施工方案主要内容有施工工艺、施工技术方法(如钻进技术参数等)、技术保障措施(如孔内水头高度和泥浆性能要求等)和施工计划安排等。施工方案是否合理，对维护孔壁稳定起着决定性的作用。

2.4.2施工管理不力的影响。施工管理对孔壁稳定的影响是间接的，施工方案的执行、技术措施的贯彻、操作规范的遵守等都离不开施工管理。施工管理对孔壁稳定的影响主要表现在时效上，加强施工管理就是要尽可能地缩短钻孔的施工周期。施工管理不力，会疏忽或延误一些事故的处理，最终造成孔内坍塌。

2.4.3施工人员素质的影响。直接参与钻孔施工人员的技术水平、施工经验、责任心、积极性等都对钻孔施工有重大的影响。

3 孔壁稳定的维护措施

钻孔孔壁稳定的本质因素是岩土的性质，分析岩土层的稳定性和影响其稳定性的因素是关键：找出人为能控制的因素，分析哪些因素在一定条件下会发生变化，以及这种变化对孔壁稳定的利弊；认真不断总结施工经验，都有利于防止孔壁坍塌。具体体现在：

3.1 认真制订钻孔施工方案。应对岩土性质、工地的外部环境(包括水情)、施工条件等进行分析，确定影响孔壁稳定的主要因素，预测施工可能发生或出现的一些不利情况，有针对性地拟订预防、保证和处理措施。施工方案应做到科学、合理、完整、实用、经济，做到对实际施工有指导作用。

3.2 加强施工技术交底工作，保证施工方案的正确执行。通过施工技术交底使施工人员清楚施工的各项技术要求和措施，并在施工中认真落实和执行。

3.3 加强现场施工管理，及时发现、分析、解决施工中出现的问题。施工中不可预测的情况和问题会经常发生，只有加强现场施工管理，及时发现问题、正确分析，才能保证钻孔钻进成孔的顺利进行。

3.4 提高施工人员的素质，增强其责任心。人的因素是任何工作中的主要因素，钻孔施工中，只有不断提高施工人员的技术、操作水平，提高他们的综合素质，增强他们的责任心，充分发挥他们的主观能动性，才能确保施工方案、技术措施严格得到执行。

3.5 必须正确分析判断孔内出现泥浆漏失的原因，及时采取相应的处理方法。泥浆漏失对孔壁稳定极为不利，容易导致孔壁坍塌，一旦出现泥浆漏失，必须认真对待，及时分析处理。

3.6 孔壁坍塌的处理方法。主要是：提高泥浆性能和软基处理法，利用软土地基处理技术，如高压旋喷、深层搅拌、粉喷等施工方法对软土地基进行加固处理，改变软土性质，使其满足钻进成孔的需要。

4 结论

4.1 钻孔孔壁稳定的条件是：在一定的时间内，钻孔应同时满足地层静力平衡和地层渗流条件；

4.2 影响孔壁稳定因素是复杂而众多的，客观因素包括岩土性质、地下水和孔径大小等；工艺因素包括成孔工艺、流量、泥浆等；环境因素包括外界附加载荷、外界水位变化等；人为因素包括施工方案、施工管理、施工人员素质等；

4.3 要保持孔壁稳定，分析岩土层的稳定性和影响其稳定性的因素是关键，分析哪些因素在一定条件下会发生变化，以及这种变化对孔壁稳定的利弊，在施工中对其采取维护、加强、防止和避免等措施。