近海勘察钻孔垂直度检测与控制技术

孟庆鹏，孙德科，潘国忠，凌振辉

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200030）

0 引言

工程勘察钻孔垂直度是影响勘察结果的一个因素，如钻孔偏斜严重，会导致对地质情况的误判，造成很大损失。钻孔偏斜还会造成钻具回转及升降的困难，也容易引起钻杆折断和钻进无用功率消耗增大[1]。在弯曲严重的孔段，常因钻杆的剧烈敲击而造成孔壁不完整层的坍塌掉块，易塌孔和卡钻，增加了勘探难度和施工风险[2]。此外，钻孔偏斜会使钻进工作量增加，加大施工成本。随着国内岩土工程的飞速发展，钻孔测斜仪已经广泛应用于各类工程中。本文以SH-G3钻孔轨迹检测仪在通苏嘉甬铁路杭州湾跨海段大桥项目勘察钻孔中的应用实例为依据，为提高近海勘察钻孔垂直度的钻探工艺提供参考。

1 钻孔偏斜主要原因

主要有地质因素、技术因素和工艺因素。由于地质分布具有不均匀性和不确定性[3]，以及岩石的各向异性和软硬互层，当钻头从软岩层钻进至硬岩层时，层面倾角不同，其力学性质随之变化，破坏模式也会不同[4]，造成孔向不同的偏移方向。同时，长尺寸钻孔偏斜控制必须贯彻于钻孔施工的每一个环节[5]，开孔时，调整钻机平整度与竖直度，保证钻机插钻位置正确[6]，孔口套管垂直下放，避免钻孔开孔时偏斜。钻压过大、钻速过高，冲洗液量过大或质量不好，会造成孔壁间隙增加，而孔壁间隙是导致钻孔倾角变化的关键因素[7]。钻杆直径、岩芯管长度、钻机型号、钻头材质等，也会对钻孔垂直度造成不同程度影响。

2 垂直度检测原理

SH-G3钻孔轨迹检测仪可通过自带高精度陀螺仪和倾角传感器的探头以及上下6个自适应孔径支臂顺着钻孔内壁移动，通过陀螺仪X、Y方向角度，计算测点在探头坐标系中的X、Y方向上的位移，经过几何关系，计算测点在探头坐标系中的极角与极轴，结合测点Z方向角度，将测点在探头坐标系中的极坐标投影到以北方向为参考的地理坐标系中，分解得到测点在地理坐标系中的X、Y方向上的位移，在连续测量过程中，地理坐标系中的X、Y方向位移进行矢量累加，最终计算得到在地理坐标系中的极角与极轴，其中地理坐标系中的极角反映测点在平面投影中的方位，极轴反映测点在平面投影中的位移，实时输出四元素、欧拉角、三维姿态监测，结合位移S与深度H，反映测点对应垂直度L。

3 工程应用

3.1 项目概况

通苏嘉甬铁路是国家“八纵八横”高速铁路主通道之一，杭州湾跨海段大桥是项目中的控制性工程，全长约29.2 km，包括北、中、南3座航道桥，建成后将是全世界最长、建设标准最高的跨海高速铁路桥。同时也是世界第一座强潮海湾、全埋置式承台基础的高速铁路跨海特大桥、长三角城市群交流的重要城际骨干线路。本项目具有风大浪高、潮差大、流速急、浅层气分布广等特点，对勘探施工作业造成极大困难。同时勘探孔深较大，其中多个钻孔深度超过150 m，最深的钻孔达到180 m，作业深度和难度均为国内罕见。

本项目钻探孔口套管使用多个外径146 mm、壁厚13 mm、长度3 m的无缝钢管衔接，钻孔套管平均入土深度约60 m，钻杆使用ϕ42 mm×3 m、ϕ50 mm×3 m两种规格，岩芯管使用ϕ89 mm×2 m、ϕ89 mm×3.5 m两种规格，钻孔使用硬质合金钻头、135～1588 r/min正转八速度的中邦XY-4型岩芯钻机进行钻进。

3.2 检测

为了满足海上钻孔垂直度测量工作顺利开展，特加工1只船载计算滑轮脚架，在每个钻孔成孔后，将SH-G3钻孔轨迹检测仪船载脚架平稳安置在被测孔口前方，将计算滑轮安装在脚架的固定座上，孔口滑轮安装在钻探平台脚架上并固定在孔位的正上方。将电缆线穿过滑轮与钻孔探头连接好后，打开罗盘，将探头标志轮对准正北方向，静止在孔位套管口处。

打开仪器设置好参数后，点击“采集”按钮，通过滑轮的转动，开始采集信号，检测深度达到设置的孔深时，程序会自动停止采集任务，并提示保存数据。如图1所示，对DZ20钻孔垂直度进行检测，通过武汉声赫SH-G3钻孔轨迹分析软件，在视图区域内点击鼠标左键，在右侧姿态视图、数据视图、极坐标视图会展现当前点击深度的实时数据。

图1 武汉声赫SH-G3钻孔轨迹分析软件视图区Fig.1 View area of Wuhan Shenghe SH-G3 borehole trajectory analysis software

3.3 成果分析

通过对钻孔DZ20输出报告可以看出，钻孔整桩偏移方向基本一致，主要原因为杭州湾地理位置特殊，气候复杂，存在涌潮等特殊情况，海上水流速度较快，涨、落潮频繁，晃动较为严重，未使孔口套管从钻探平台垂直下放至孔口，钻机塔架与孔口不在同一轴心线上，开孔偏斜促使整桩钻进过程中钻孔朝向套管倾斜方向钻入。

3.4 钻孔垂直度保障措施

海上钻探平台能够达到稳泊定位，可保障钻孔成孔质量。通过采用米字形抛锚方式，并使用三航院勘察公司“动-静”耦合式双平台，“静”平台下方设有1套扶正装置[8]，见图2，实现船载“动”平台与海床式“静”平台之间耦合，形成基于船载的“动-静”双作业平台模式[9-12]，在后期成孔过程中，保证开孔具有良好的垂直度。

图2 “静”平台下方的扶正装置Fig.2 Centering device under the"static"platform

3.5 钻孔垂直度影响因素

根据已完成勘探孔可知，杭州湾区域地层较稳定，主要以土砂层为主，地质因素对垂直度影响较小，在不考虑地质因素条件下，分别从钻机转速、钻杆直径和岩芯管长度3个方面分析其与成孔垂直度关系。

1）转速

钻具采用ϕ89 mm×3.5 m的岩芯管、ϕ42 mm×3 m钻杆，选择设计孔深超过120 m的钻孔。DZ12、DZ13、DZ14等钻孔使用中速档位钻进，DZ27、DZ8-2、DZ9-3等钻孔使用高速档位钻进。在终孔后进行相同120 m深度的垂直度检测（深度测量从套管口开始），根据输出各钻孔测定报告的数据进行整理分析，各钻孔垂直度检测数据见表1。

表1 不同转速钻进各钻孔垂直度检测数据Table 1 Test data of verticality of boreholes at different drilling speeds

通过表1可知，钻机在中速钻进条件下，钻孔垂直度区间范围在0.52%～0.75%之间；钻机在高速钻进条件下，钻孔垂直度在0.87%～1.25%之间。数据结果表明钻机使用中等速度进行钻进可以提高钻孔的垂直度。这是由于高速钻进时，钻压过大，造成钻杆弯曲，钻头紧靠孔壁，造成偏倒角变大。转速越高，钻杆回转离心力变大，增加钻具扩壁作用，从而增加钻孔弯曲度。

2）钻杆直径

钻具采用ϕ89 mm×3.5 m的岩芯管，钻机使用中速档位进行钻探，选择设计孔深超过120 m的钻孔。DZ9-5、DZ68、DZ75等采用ϕ42 mm×3 m钻杆；DZ6-2、DZ78、DZ72等采用ϕ50 mm×3 m的钻杆。在终孔后进行相同120 m深度的垂直度检测（深度测量从套管口开始），根据输出各钻孔测定报告的数据进行整理分析，各钻孔垂直度检测数据见表2。

表2 不同直径钻杆钻进各钻孔垂直度检测数据Table 2 Test data of verticality of boreholes drilled with drilling rods of different diameters

通过表2可知，钻机在中速钻进条件下，使用ϕ42 mm钻杆的钻孔垂直度区间在0.69%～1.05%之间；使用ϕ50 mm钻杆的钻孔垂直度区间在0.52%～0.77%之间。数据结果表明钻机在使用ϕ50 mm钻杆进行钻进时，可以较明显提高钻孔的垂直度，保障成孔质量。采用ϕ50 mm钻杆提高钻具的刚度，可保障钻具在轴向压力下不会被压弯，保障作业时减少扩壁作用，减少钻孔弯曲度。

3）岩芯管长度

采用ϕ50 mm×3 m钻杆，钻机使用中速档位进行钻进，选择设计孔深超过120 m的钻孔。DZ45-1、DZ8-4、DZ45-2等钻孔采用ϕ89 mm×3.5 m的岩芯管，DZ7-1、DZ69、DZ73等钻孔采用ϕ89 mm×2.0 m的岩芯管。在终孔后进行相同120 m深度的垂直度检测，根据输出各钻孔测定报告的数据进行整理分析，各钻孔垂直度检测数据见表3。

表3 不同岩芯管长度各钻孔垂直度检测数据Table 3 Test data of verticality of boreholes with coresamplers of different length

通过表3可知，使用ϕ89 mm×2 m岩芯管的钻孔垂直度区间在0.89%～1.39%之间;使用ϕ89 mm×3.5 m岩芯管的钻孔垂直度区间在0.49%～0.77%之间。数据结果表明钻机在使用较长3.5 m岩芯管进行钻进时，可提高钻孔的垂直度。孔底偏倒角主要由孔壁间距和钻具的长度决定，钻具长度在一定范围内增加，会较少偏倒角，减少钻孔弯曲度。

以上钻孔垂直度检测结果都小于2%，满足规范要求。表明采用米字形抛锚方式，并使用三航院勘察公司自主研发的“动-静”耦合式双平台，可有效保障钻探平台达到稳泊定位效果，保障钻孔成孔质量。

3.6 钻孔垂直度检测技术可靠性分析

采用中等档位转速、ϕ89 mm×3.5 m岩芯管、ϕ42 mm×3 m钻杆进行钻进，对完成的DZ38-5钻孔进行20次垂直度检测，根据输出测定报告数据进行整理分析。实测深度中误差为0.066 m，垂直度中误差0.029%。重复检测结果表明，SH-G3钻孔轨迹检测仪性能良好，精度较高，确保本次应用成果的准确性。

4 结语

1）在本次近海勘察钻孔中，孔口套管使用总长度占孔深近1/2，套管下放垂直度严重影响整孔倾斜偏移，采用米字形抛锚方式，使用三航院勘察公司“动-静”耦合式双平台，有效减少涌浪对勘探平台稳定性的影响，同时可使套管与孔口在同一轴心线上，减少开孔偏斜。

2）本项目采用SH-G3钻孔轨迹检测仪进行复杂条件下近海深孔垂直度检测工艺和流程，具有实用性和可操性，为检验钻孔质量提供一种有效手段。

3）钻孔偏斜受钻机转速、钻杆直径、岩芯管长度等钻探工艺影响，通过对成孔垂直度检测结果的对比分析，使用钻机中速档位钻进、ϕ50 mm钻杆、较长岩芯管等一体化钻探工艺，在近海勘察中更能减少钻孔偏斜，提高钻孔垂直度，保证钻孔质量，为工程建设提供更精确的勘察结果。