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钻孔坍陷的原因及预防措施

2017-01-18 20:42:46 291

钻孔坍陷旋挖钻机操作人员在施工过程中经常遇到的问题,所谓坍塌地层是指地层被旋挖钻斗钻进后,地层侧压力与钻孔内泥浆柱压力不能平衡,致使孔壁地层失去稳定而向钻孔内塌落的地层。塌落较轻者叫掉块,严重者叫塌孔(垮孔)。

1、产生钻孔坍塌的原因

产生钻孔坍塌的原因有力学不稳定地层的坍塌和遇水不稳定地层的坍塌。前者为人工回填碎石土、工业垃圾、流砂层、冲积层(卵砾石层)等;后者为泥岩、页岩水敏地层,这是地层因素。还有旋挖钻机施工工艺方面,泥浆配比满足不了地层要求,操作上钻斗升降速度过快而产生激动压力和负压,泥浆大量漏失都会导致垮孔。

产生钻孔坍塌的原因有地层因素和人为因素

2、预防钻孔坍塌的措施

钻孔漏失和坍塌往往同时发生。旋挖钻进覆盖层(70m深度内)常遇胶结性差(无钙质、铁质胶结)透水性强的冲积层、流砂层特别是河床常被水饱和的流砂层,无塑性的不联结的粉土质岩土和淤泥质细砂。它们在钻进过程中孔内钻渣多,一般钻斗也捞不上来,这类钻孔极易坍塌。

常用预防钻孔坍塌的措施有:

(1)配制优质泥浆

对防坍塌泥浆的要求,一般要具有低失水、高矿化度、高滤液黏度、适当的密度和黏度(即“一低、二高、三适当”)的泥浆。一般来说,低失水、高矿化度是主要的,有了这两项可以减少水敏性地层的水化膨胀压力。在对付水敏性地层水化,仅仅控制泥浆失水量还不能阻止泥浆中的自由水向孔壁岩土层内移,要实现不水化,还必须提高泥浆的含盐量(矿化度)这样才能使渗透水化压力的作用方向从钻孔内向孔壁地层改为孔壁地层向钻孔运移,或彼此互不渗透。应付遇水不稳定地层的坍塌主要是护壁;应付力学不稳定地层的坍塌(如地层破碎倾角大、地层压力大的钻孔)主要是加大泥浆柱的压力,平衡较大的地层侧压力,方法是提高泥浆密度,目的同样是护壁。但不同情况下调节泥浆性能指标是不同的。预防流砂层塌孔情况就不同了,根据塌孔原因分析则要采取一些综合性措施才能有效预防塌孔。

(2)保持静水压力

钻进过程中始终保持钻孔孔内水位比地下水位高出2m以上水柱(即20kPa)特别在钻斗提离钻孔泥浆面之前就开始补浆,维持压力平衡(若地下水位距地面小于2m,我们设法将护筒升高,但这会受设备限制并提高了灌注砼的难度)。

(3)限制钻斗回转速度

实践证明,在流砂层中钻进钻斗外缘线速度控制在0.7m/s以内。如直径1.5m钻斗要求控制外缘线速度为06m/s,则转数n=7.6r/min。这是因为钻斗与孔壁间隙较小(为2~3m)。若线速度太高,钻斗带动浆液速度大,会冲刷孔壁导致垮孔。

钻孔坍陷造成严重的经济损失,应提高警惕预防

(4)掌握旋挖钻机操作技巧——限制钻斗升、降速度不宜过快

实践证明,钻斗提升速度过快会造成上部泥浆通过钻斗与孔壁环状间隙时,下流补充来不及,从而形成负压。提升速度越快,所形成的负压越大,则孔壁不稳定地层垮塌。钻斗下降速度也不宜过快,否则泥浆流被钻斗排挤产生很大上返流速,除冲刷孔壁外还产生激动压力,破坏孔壁。随桩孔直径的不同,易坍塌地层,直径1.5m孔径以提升速度不大于0。58m/s,下降速度不大于0.83m/s为宜。

(5)解决坍孔简单而适用的办法—配制加重泥浆。加重泥浆的配制方法小编会在其他中文章进行讲解。

(6)采用防坍剂处理泥浆以应付力学不稳定地层和遇水不稳定地层的坍塌。

①PAM(聚丙烯酰胺)和PHP(部分水解聚丙烯酰胺)。其主要性能见下表:

PAM和PHP主要性能参数

②腐植酸钾(KHM):实践反复验证,防止泥页岩水敏坍塌是腐植酸钾的最大特点。因为KHM中钾离子能像楔子一般封闭黏土矿物的晶格空间,阻止泥浆中自由水的进入,与此同时,这一楔力作用导致粘土矿物更加紧密,从而维持了该地层孔壁的稳定,起到了预防钻孔坍塌的效果。

KHM防塌作用还表现在当加量达到1%时产生明显降失水效果,既使泥浆钙侵其降失水效果也不受影响,但对抗盐侵能力较差。

③SM植物胶:这类胶碱液作为防塌无黏土(固相)泥浆效果更好,其配比如下:水:SM胶:碱=100:2:0.5


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