富水砂层水平冻结孔钻孔工艺研究

陈 红 蕾

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

富水砂层水平冻结孔钻孔工艺研究

陈 红 蕾

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

通过不排渣保压钻进与混合造孔工艺钻进试验，分析了阻碍钻孔施工的关键因素，提出了保压钻进泥浆循环工艺，实现了保压系统的有效排渣，为水平钻孔施工提供了保障。

冻结法，钻孔施工，保压钻进，泥浆循环系统

1 背景

随着社会经济的发展以及人口数量的急剧增长，城市化的进程不断加快，大规模的房屋和道路建设使得地面的可利用空间越来越小，开发地下空间成为扩展人们生活空间的重要手段和发展趋势。目前全国48个百万人口以上的特大城市中25个城市正在进行轨道交通的前期工作，总规划里程超过5 000 km，总预算超过8 000亿元。在今后的20年内，轨道交通将始终处于高速发展时期[1]。

由于轨道交通穿过的部分地层水文地质条件和施工环境复杂，特别是含承压水地层，矿山法降水困难，冻结法以其良好的封水和加固效果，环境适应性强等优势，给疑难软土地层地下结构施工提供了安全有效手段[2]。冻结法在京津翼地区以及全国所有建设轨道交通的城市均有广阔的应用前景。

造孔施工是冻结法施工关键工序[3]。操作不当不仅影响施工质量、造孔施工困难等，而且在富水砂层有可能引发较大水土流失，影响周围结构物的安全。

利用冻结法施工的水平冻结工程一般处于富水土层中，土体不能够自稳，钻孔完成拔出钻杆后，水平孔立即缩颈或完全闭合，故水平冻结孔施工目前主要有两种方法[4]：1)夯管法。北京中煤矿山工程有限公司自2005 年以来，采用夯管法施工冻结管，取得突破。2)跟管钻进法。即钻杆兼作冻结管,钻进至设计深度时钻杆即留置孔内作冻结管,钻头则留在土中。

夯管法虽然有许多优点，但对于标贯值大于35的土层，夯进速度慢，施工困难，同时随夯入长度的增加，钻孔精度相对较差。可见，广泛应用的夯管法施工冻结孔在砂层这种低压缩性地层受到较大限制。

2 钻孔保压试验

郑州08标机场线6号联络通道主要开挖土层为⑥层细砂层、⑥1粉土层。6号联络通道埋深约19.6 m(该埋深为隧道顶部至地面的高度)，联络通道正上方为机场捷运通道相对净距约为8.7 m(该埋深为隧道顶部至捷运通道结构底部的高度)，地下水稳定水位埋深约8.2 m。地面上方为机场二期正在修建的机场跑道。

根据地质资料，钻孔施工主要穿过⑥层细砂层，该地层标贯42，夯管施工困难，工程优先选用跟管钻进法施工。工程选用MD-80型水平钻机1台，电机功率37 kW，选用BW-250/50型泥浆泵1台，电机功率14.5 kW。施工中对部分孔进行了钻进试验。

2.1 不排渣保压钻进

在造孔过程中，对个别冻结钻孔施工采用不排渣保压钻孔工艺，并进行了参数记录。D3-1孔在粉砂层中造孔施工，泥浆中加入少许膨润土，自始至终压入泥浆。

从D3-1钻孔记录数据中可以看出，随着钻孔深度的增加，钻孔与冻结管摩擦力增加、冻结管自重增加，转动冻结管的扭矩与冻结管前进的推力必然增加，反映在施工参数上，体现为提供钻机扭矩和推力的液压系统总压力迅速增大；因将孔口管泄压阀关闭，采用不排渣压浆钻进，掺入膨润土的泥浆虽然对冻结管起到一定的润滑作用，但是膨润土也具有很好的封水效果，形成浆液压入地层越来越差的封闭系统，必然造成泥浆压力逐渐增大，而随钻进过程增加，钻头切削的土屑在孔内堆积越来越多，增加钻孔施工的扭矩和推力，造成钻机成孔越来越难，效率逐渐减低(见图1，图2)。

2.2 混合钻孔工艺钻进

混合钻孔施工工艺：钻孔施工过程中首先在富水砂层中开孔采用纯无循环液钻进(干钻)，边回转边给进，并来回给进起拔钻具以松动土层减小摩擦阻力，由于地层本身为含水地层，而并不是真正意义上的干钻，钻机的回转和给进主要克服土层抱紧钻杆时对钻杆的挤压张力和相互之间的摩擦阻力。一般当钻机在干钻钻到一定深度后，继续钻进施工困难，不能继续大量的进尺，当转不动也顶不动时，将钻机回转手把置于正转档位并打开泥浆泵，调小排量至20 L/min，泵压1 MPa左右，持续数秒当钻杆能转动后停泵，边回转边给进继续钻进，钻进速度明显加快。当间歇泵入泥浆作用不明显时，可在泵压作用下，慢慢开启孔口管卸压孔对孔内砂渣进行清理，但避免过量泥砂涌出。然后关闭卸压孔继续钻进。

采用混合钻孔施工工艺，当D3-2孔开始钻进时，钻机液压系统总压力不大，在16 MPa左右，而钻进效率非常高，达到1 m/min，而钻进到深度6 m左右时，钻进困难、液压系统总压力偏大时，钻孔转动阻力增大，钻进效率低，此时调整钻进工艺，开启泥浆泵给压持续数秒，关闭泥浆泵，再继续钻进，此时钻进阻力迅速减小，钻机液压系统总压力仅为16 MPa左右，钻进效率也增加。当钻进到13 m时，再次遇阻，开启泥浆泵给压持续数秒效果不明显，开启卸压孔排渣后，钻进略有改善，钻孔再次钻进(见图3，图4)。

在整个钻进工艺措施转换后，钻进阻力略有改善，但随深度增加，钻进效率逐渐减小，钻进阻力逐渐增大的总趋势没有变化。

3 钻孔施工改进的保压钻进泥浆循环工艺

钻孔施工中排渣是重点，从工业性钻孔试验得到了充分的体现。如何在保压系统中能有效排渣成为钻孔施工的关键。

在砂卵石地层钻孔施工中，传统的非闭式保压泥浆循环系统常常造成砂卵石地层塌孔而砂石置换不出形成钻杆旋转阻力，或钻进过程中喷砂造成地层水土流失过大，地面沉降过大，对周围结构及成品冻结孔造成安全威胁。

保压泥浆循环工艺是一种既不造成水土流失又不影响钻孔在泥浆保护的情况下正常推进的泥浆循环系统。该循环系统是利用在闭式循环系统的保压作用下改变流体流速和流动方向实现固(砂石)液(泥浆)分离的泥浆保压循环系统(见图5)。

保压钻进要选取合适的压力，该压力不能太小，既能支撑钻孔孔壳内形成完整的泥皮，也不能过大，使地层劈裂，破坏泥皮，保压压力宜选用范围：

γ1H

式中：P——保压压力；γ1——水的比重；γ2——水土的比重；H——钻孔区域埋深。

4 结语

由钻孔工业性试验可知，无论传统的不排渣保压钻进，还是混合造孔工艺钻进，虽然在整个钻进工艺措施实施后，钻进阻力略有改善，但随深度增加，钻进效率逐渐减小，钻进阻力逐渐增大的总趋势没有变化。主要原因是无法在保压系统中有效排渣，成为阻碍钻孔施工的关键。为保证在保压系统下有效排渣，首次提出了保压泥浆循环系统，为水平钻孔施工提供保障。

[1] 曹 冲.城市地铁建设发展战略探索[J].科技展望,2016(14):47.

[2] 岳 敏,蒋国盛.大连路越江隧道连接通道水平冻结孔的钻进[J].西部探矿工程,2004(2):103-113.

[3] 李庆禹,张 建,岳 鹏.圆砾地层中地铁联络通道水平冻结孔施工技术[J].现代隧道技术,2013(6):189-194.

[4] 朱 径,马 进.长距离水平冻结孔施工技术在广州地铁的应用[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2006(5):12-15.

Research on the drilling process of water rich sand horizontal freezing

Chen Honglei

(BeijingChinaCoalMineEngineeringLimitedCompany,Beijing100013,China)

Through the drilling experiment of un-slag pressure maintain drilling and mixed drilling technology, this paper analyzed the key factors hindering the drilling construction, put forward the pressure maintain drilling mud circulation process, realized the effective slag of pressure maintain system, provided guarantee for horizontal drilling construction.

freezing method, drilling construction, pressure maintain drilling, mud circulation system

1009-6825(2017)01-0111-03

2016-10-25

陈红蕾(1981- )，男，助理研究员

TD265.34

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