超长、高精度水平钻孔的施工方法

摘要

本发明公开了一种超长、高精度水平钻孔施工方法，包括选用合适的水平钻机带动钻杆上所连接的钻头转动取芯开孔，使用导向装置控制偏斜率，用泥浆泵泵出钻孔过程中产出的钻屑，以形成指定口径的超长、高精度水平钻孔。本发明采用了丝扣连接加焊接连接的综合连接方式连接钻杆，确保了钻杆的同心度和密封效果；在水平钻进的过程中采取了冻结口密封和冻结器密封措施，混凝土壁管位开孔时预留8～10cm作为安全层，并采取了严格的测斜及偏斜控制措施，确保了施工安全性。本发明的施工方法是经过多次工艺试验研究和施工改进所形成并完善的，按照本发明的施工方法所打设的水平冻结孔在施工水平长度超长的情况下仍能达到极高的精度。

主权项

1.一种超长、高精度水平钻孔施工方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选择水平钻机及钻具根据水平冻结孔的长度选择适宜的水平坑道钻机用于带动钻杆上所连接的钻头转动取芯开孔，所述钻头为内设单向阀的导向钻进专用斜板式钻头，其端部装置有定向钻进导向仪；所述钻杆接缝处的丝口形状为“V”型，钻杆内焊有单向阀和封水丝堵座；(2)连接钻杆采用丝扣连接加焊接连接的综合连接方式连接钻杆；(3)水平冻结孔施工①冻结孔口密封钻进中加强监测，采用慢转快进的方式，尽量减少地层扰动；在钻进中加孔口密封装置防止突然涌水、涌砂，所述孔口密封装置包括孔口管、孔口闸阀、球阀和密封盒；成孔后用速凝水泥将孔口封闭，减少暴露时间；②冻结器的密封水平钻孔施工中采用跟管钻进，钻杆端部敞口，钻进至设计位置后立即清洗，下放端部密封装置将冻结孔端部封闭，所述端部密封装置采用钻头后设置单向阀密封丝堵，在正旋时起紧拧封闭，反旋时钻杆退出；③水平钻孔施工a、测放冻结管位：采用经纬仪，用相对坐标测放冻结管位，开孔孔位允许偏差±50mm；b、混凝土壁管位开孔：开孔采用便携式取芯钻钻孔，预留8～10cm作为安全层；c、埋设、安装孔口装置：孔口装置包括孔口管、孔口闸阀、球阀和密封盒，孔口管埋设仰俯角度控制在1～2°左右，方位定好后用拉杆和膨胀螺栓固定在端壁墙上，防止钻进中松动移位，孔口管固定好后用螺栓连接球阀和密封盒；④二次开孔：用金刚钻将混凝土壁剩余安全层打穿，如出现涌砂、涌水现象，应进行孔口加固注浆；⑤钻头更换与入孔方位角、仰/俯角调测：二次开孔后，取下金刚钻头，将组装好的钻具与钻机动力头输出轴上的异径接头连接；水平钻孔施工中钻进纠偏水平角取0～±0.4°，钻进纠偏垂直角拱部取0.1～0.3°，底部取0～0.1°；⑥钻进：在均匀土层中保持快速钻进，在软硬不均地层中采取低压慢转、快速给进的钻进方法，并利用斜板平推导向的原理随钻定向纠偏，通过导向仪记录偏斜角度，推断偏斜方向，同时通过导向仪确定斜板角度确定加力推进时刻，必要时可作短距离回钻平推；⑦终孔注浆：注浆浆液采用混合浆，其配比为水泥∶水∶膨润土＝400～500∶1000∶25～50，冻结孔钻孔至68～70m时循环浆液即开始改为混合浆，孔深至设计深度后，停止钻进，根据孔口返浆情况逐渐关闭孔口管回水阀门，继续压浆，注浆压力高于正常钻进时泵压0.2～0.4MPa，绝对泵压不得超过2.5MPa，瞬间泵压不得超过2.8MPa；混合浆液的初凝时间约8小时，终孔后20小时可进行孔口补充注浆；⑧清孔：终孔注浆结束后，及时用清水洗管，确保管内没有水泥浆沉淀和结块，防止对密封丝堵造成影响，所述清水洗管采用内插管倒流清洗，即将高压清水管插至孔底注水，从孔口流出；⑨安装密封丝堵：清孔结束后安装密封丝堵，先在孔外将丝堵安装到钻杆上，转进孔底后反转安装同时退出钻杆；⑩水压试漏：安装孔底密封丝堵后采用注水试压对整个冻结管的密闭性进行检测，注水压力1.0MPa，前30分钟压力下降不超过0.05MPa，后15分钟稳压不降；(4)水平钻进过程中的冲洗液的循环在水平钻进过程中，必须依靠冲洗液循环来保证钻进过程中孔壁的稳定，减少钻进过程中钻杆与地层的摩阻力，确保成孔度，冲洗液为纳基膨润土和纤维素聚合物配制而成，其配比为：水∶膨润土∶纤维素＝1000∶40∶8，钻进中必须保证泥浆质量和循环系统的正常，泵压控制在0.6～1.0MPa，泵量≤30L/min ；(5)测斜及偏斜控制①采用新型仪器水平陀螺仪测斜和水准仪灯光测斜两种方法测斜水平陀螺仪工作时可直接从电子显示屏上读出相对变化的方位角和仰俯角，对应其孔深采用累计计算可得出侧点位置的相对偏移值：$\mathrm{\Delta f}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}\sin {\partial }_n\times l_n$ Δf：孔口起第n个测点偏移矢量，单位mn：第n个测点方位角或仰俯角读数，单位°ln：第n个测点行进距离，单位m将经纬仪靠近孔口立于设计孔位轴线上，读出经、纬度初值，将反光标靶置于管内一定深度，读出经纬仪看到光靶时的经、纬度终值，根据测点孔深和经、纬度变化值即可算出该点相对偏斜值：Δf＝sinΔα·LΔf：测点偏移矢量，mΔα：经纬仪测点经度(纬度)变化值，°L：测点深度，m②采用如下措施对钻孔的偏斜加以预防和控制：a、钻进开孔前首先确定好钻机的水平开孔角度，冻结孔开孔后加设孔口管、导向管、密封管等措施来控制冻结管钻进方向；水平偏斜的轨迹为Z＝kX+s，可精确确定钻进纠偏值，然后用下式确定钻进的水平开孔角度：钻孔开孔方位角(水平角)＝冻结管设计方位角±钻进纠偏角b、仰角的确定，根据钻进长度及钻具的总重量初步推算钻孔偏斜量，绘出与钻孔长度相适应的钻孔轨迹，一般垂直轨迹是抛物线，即Y＝aX2+bX+c，钻进中可通过调整a值，确定不同岩石中钻进所需仰角，并按确定的仰角适当抬高钻杆，使钻孔终止位置不致偏离轴线太大，防止冻结管向开挖断面偏斜，造成冻土进入荒径过多，开挖冻土量增大；钻孔开孔方位角(仰角)＝冻结管设计方位角±钻进纠偏角c、在钻进过程中，根据不同的围岩及不同的地下水含量等采用与之相适应的钻压、钻速，以此控制钻进偏斜；d、钻进过程中对软硬不均地层岩溶空洞和地下承压水等处理：对于软硬不均地层岩溶空洞多采取低压慢转，快速给进的钻进方法加以处理；e、对地下承压水导致偏斜的处理：采用低泵压、小水量、慢转速，并加强孔口密封装置，尽量减少地下水和砂流出，在开孔时，开孔应残留6～8cm的混凝土壁，孔口管的回水阀要尽量调小流量。