特殊地层中大口径钻孔灌注桩施工技术的研究

刘东华，闫平均

（湖北省地质局第四地质大队，湖北 咸宁 437100）

1 大口径钻孔灌注钻进技术的研究

岩层主要的特点是其具有很强的抵抗破坏能力。具体表现为敲击岩石时震手，并发出清脆的声音很难击碎。在进行压缩实验时，压缩的曲线显现为线性图形，饱和压强可达30MPa。根据上述特点，在这类岩层进行钻探施工会遇到岩渣排除困难、钻进的施工效率较低、岩层破碎比较困难等问题[1]。

1.1 大口径施工设备的选择

大口径岩层钻孔施工设备选择的依据主要是根据钻孔岩层强度，也就是所要选择的钻机，必须能够在不同的岩层地质条件下进行大口径钻孔，如XY4 转盘钻机能够钻桩直径达1m 左右。各种成孔设备都有自己的适用特点，见表1。

表1 各成孔设备使用范围

在钻具设备中，滚刀的钻头具有使用相对广泛、适应性较强，钻孔时使用砂石泵与回转循环钻机就能工作。但其工作时，钻头需要的钻压较大，需配备一定的附加装置，因此钻机的扭矩与提升都需要一定的力矩。

1.2 钻机运转过程中冲洗液的选用及循环的方式研究

在20世纪50年代，钻井所使用的泥浆主要是使用水与钻井施工中产生的泥砂自然混合形成的泥浆[2]。20世纪50年代末，钻井行业开始使用絮凝剂进行辅助钻井，并通过处理剂丹宁、烧碱的加入使得泥浆固体充分絮凝，当冲洗液返回地面后进行相应处理，随后再将清水打回井内，钻井使用清水只适用特定地层与深度。在钻井的过程中，絮凝泥浆为保证在钻进过程中能够控制其泥浆的失水量以及流动性，泥浆需配置适量的失水剂与稀释剂，所以，CMC 与硫酸盐相继使用到钻井工作中，它们使得泥浆性能有了快速提高[3]。20世纪60年代，钻井行业生产出聚丙酞胺高聚物，它对钻井过程产生的钻屑有很好的絮凝作用，它的优点为，能在保留造浆粘土的同时，去除应去掉的钻渣。由于其具有的适用特性以及固相的不分散特性，目前被广泛地应用在油田的钻井施工中，因此，泥浆也被称为油田泥浆。根据相关部门统计分析，本泥浆能够使钻进的速度提升20%左右，最高能够提升50%左右[4]。

在实际钻井施工过程中，经过研究实验得知，冲洗液的循环方式为反循环工作形式时，冲洗液能够将钻井岩渣通过钻杆内径快速提升，它的速度是正循环的数十倍，因此，其排渣特点具有排渣颗粒大、排除能力强等，钻进的效率得到大幅度提高，并能够对钻头起到冷却保护作用。

1.3 成孔工艺的研究

（1）钻孔前的准备。成孔的施工在钻孔、灌注桩工作中是最重要的部分，在复杂地质条件下进行成孔前，必须对所要施工的区域进行地质勘测报告的研究，要弄清复杂地质条件下岩层、砂石、卵石颗粒的厚度、含量、成分、大小等信息，研究分析钻孔发生斜孔、垮孔、掉块的程度及原因，要充分掌握地层水位及渗透情况，要制定相应施工解决方案，要选择最佳成孔设备，保证成孔的质量与进度[5]。

（2）下放护筒。成孔护壁灌注桩施工必须先在孔口下放护筒。复杂砂石、卵石地质钻孔必须下放护筒。在旱地：地下水水位超过1m时，护筒采用埋设方法，首先要挖比护筒大80～100cm 圆坑，在坑底铺筑50cm 厚粘土，在铺筑过程中，要分层进行夯实，随后定位对控制桩进行放样。在浅水地域：在水不深及流速小的地域，并且施工后不会影响居民生活条件下，依据经济、技术对比，采用改流向或者截流方案，从而将水中钻改成旱地钻。在深水地域：需要时可放置钢板围堰，使其形成旱地后钻孔，本方法的费用较高，并且技术含量较高。

（3）成孔。成孔前要对施工地层、地域进行分析研究，根据研究结果制定出成孔的方案，随后选择最适合该地域的钻机设备，如有必要，可联合几种设备及工艺进行成孔，从而提高成孔的效率及质量[6]。

2 目前大口径钻孔灌注桩施工存在的问题

（1）钻井施工的效率相对较低，当前我国所采用的钻孔方法都存在排渣较困难、施工的效率较低的问题。

（2）回转冲击钻具有施工效率高的优势，但是存在设备的价格较高，并且在进行施工中所遇风险，设备不能达到其要求。在钻进过程中，如遇软硬地层不均的环境时，容易发生钻空情况。

（3）在使用牙轮滚刀组合进行钻进的钻头，其施工过程需要一定的钻压，普通钻具、设备无法达到其使用的要求，进而造成钻头快速磨损，致使成本加大，施工效率随之降低[7]。

（4）采用梅花孔进行施工的方法，其缺点为移动设备与定位钻孔过于频繁，累计的钻进进尺相对较多。

（5）在松散的卵、砂、石地层进行钻进，容易发生坍塌事故，并且在钻井过程中，冲洗液容易发生渗漏，造成很难成孔以及埋钻。

3 提高大口径钻孔灌注桩施工质量措施

3.1 施工前做好准备的工作

（1）组织技术过硬的钻孔施工队伍，完善指挥施工机构，做好钻孔施工的技术标准，制定出施工过程中各项规章制度。

（2）要对现场地质情况、工程技术标准、工程实施方案进行研究，在正式施工前，要进行预试性钻孔，通过试钻孔核实技术、工艺、设备、资料是不是可靠。

（3）确定工序指标及质量标准，例如检查材料、材料计量、清孔的要求、清孔的方法、泥浆的指标、钻进的速度、施工的工序等[8]。

3.2 成孔的质量控制

（1）冲洗液循环方式改为反循环工艺钻孔，反循环工艺的优点是实用性强、钻进速度快、扩孔率较低等。

（2）操作的方式改进。

①选择比重较低的泥浆：使用泥浆为膨润土制备的含土在10%的泥浆，例如，油田专用泥浆。

②调整适当的钻压：钻具施工设备上加装电子秤与传感器，做到实时了解钻井过程中的钻压，从而及时对钻压进行调解，确保钻头能够减少磨损、钻进速度均匀，使得扩孔率较低成形好[9]。

③保持提高钻孔泥浆的高度：适量提高钻孔泥浆的高度，促使钻孔内壁形成一定压力，这是钻孔固壁的主要条件，同时能够平衡钻孔与地层压力，确保孔壁不能坍塌，因此，提高钻孔内泥浆的高度是固壁的重要手段。

④加强护筒埋设施工质量：在进行反循环冲洗钻孔的时候，因为是在静压进行钻孔，所以护筒埋设决定了钻孔质量。护筒必须具备一定的长度，护筒在埋设时要确保位置正确。

4 结论

本文通过对复杂地层大孔径钻孔、灌注桩施工进行系统的研究，找出了复杂地层大口径钻孔灌注桩施工存在的问题，通过对存在问题的分析，制定出了应对的措施，如在钻井施工前要根据地质状况选择相应的钻孔设备、制定出相应的施工方案，并利用试钻孔验证施工方案的正确性。根据地质情况选择合适的冲洗液以及冲洗液循环的方式等，从而提高钻进的效率。对于松散地层在钻进施工前要做好护筒埋设工作，做好防漏、护壁工作，完善成孔施工工艺等，通过上述措施的实施，彻底解决了复杂地层大孔径灌注桩施工的难题，为本行业在复杂地层进行大孔径灌注桩施工提供了宝贵经验。