大口徑鉆孔孔壁穩(wěn)定性分析

陳興梗

大口徑鉆孔孔壁穩(wěn)定性分析

陳興梗

福建東辰市政工程有限公司

地質(zhì)鉆探應(yīng)用越來(lái)越廣泛，鉆孔孔徑越來(lái)大，主要應(yīng)用于鉆孔灌注樁和水平定向鉆孔鋪管施工。鉆孔孔壁的穩(wěn)定性對(duì)施工的質(zhì)量、安全和成本的影響越來(lái)越大。由于影響孔壁穩(wěn)定的因素很多，該文主要從理論上分析孔壁穩(wěn)定條件，結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，查找影響孔壁穩(wěn)定性的因素，提出相應(yīng)的預(yù)防和處理方法。

孔壁穩(wěn)定條件 影響因素 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 預(yù)防措施 處理方法

由于巖土性質(zhì)的復(fù)雜性，鉆孔施工的隱秘性以及施工時(shí)受外界許多不可預(yù)測(cè)因素的影響，如何保證大管徑鉆孔孔壁穩(wěn)定是施工的關(guān)鍵。本文從靜力學(xué)、流體力學(xué)、土力學(xué)等理論出發(fā)，總結(jié)多年來(lái)從事鉆孔施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，探討、分析孔壁穩(wěn)定的條件和影響因素，提出預(yù)防措施和處理方法，以期對(duì)鉆孔施工有所幫助。

1 孔壁穩(wěn)定條件

1.1 靜力平衡條件

孔壁穩(wěn)定的基本條件參見圖1，根據(jù)靜力平衡理論，孔壁穩(wěn)定的基本條件應(yīng)滿足下式：

式中：F—巖土內(nèi)應(yīng)力，與巖土性質(zhì)相關(guān)；P—沖洗液的水頭壓力；σ—圓環(huán)應(yīng)力，與孔徑大小和巖土性質(zhì)有關(guān)； PO—孔壁巖土的側(cè)壓力；Po'—地表受界外附加壓力；β—外界附加壓力的傳遞系數(shù)。

1.2 地層滲流條件

根據(jù)滲流理論，地下水如果存在水頭壓差，其必能沿壓差方向產(chǎn)生定向流動(dòng)，這種滲流對(duì)巖土顆粒產(chǎn)生順流向的推動(dòng)力，將造成孔壁的不穩(wěn)定。所以孔壁穩(wěn)定還必須滿足“孔內(nèi)水頭壓力大于地下水壓力”的條件，這里稱之為地層滲流條件。大量施工實(shí)踐證明，地層應(yīng)滿足的滲流條件為：

Pl－P2≥2×104(Pa) (2)

式中：Pl—孔內(nèi)某一高程的沖洗液的水頭壓力；P2—孔內(nèi)與Pl在同一高程的地下水壓力。

1.3 時(shí)間因素條件

根據(jù)土力學(xué)，有些巖土具有“蠕變”特性，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，巖土的變形量會(huì)增加，當(dāng)這種變形量達(dá)到一定程度，會(huì)產(chǎn)生孔內(nèi)局部坍塌。另外，有的巖土經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡會(huì)膨脹、軟化，也會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生較大影響，所以，孔壁穩(wěn)定還必須滿足時(shí)間因素條件。

2 影響孔壁穩(wěn)定因素的分析

通過(guò)對(duì)孔壁穩(wěn)定條件的分析可看出，影響孔壁穩(wěn)定的因素有客觀、工藝、環(huán)境因素和人為因素等4類。

2.1 客觀因素

2.1.1巖土性質(zhì)。從孔壁穩(wěn)定條件可以看出，巖土側(cè)壓力系數(shù)、粘性力、摩擦角、滲透系數(shù)和蠕變性等是影響孔壁穩(wěn)定的直接因素。對(duì)這些巖土性能指標(biāo)進(jìn)行分析可知，有利于孔壁穩(wěn)定條件的巖土從強(qiáng)到弱的排列順序是粘性土、砂土和碎石土。

2.1.2地下水。地下水對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響是由巖土的滲透性和地下水的性質(zhì)決定的，地下潛水對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響表現(xiàn)在水位和滲流。地下水位的變化產(chǎn)生滲流，從而造成孔內(nèi)的坍塌。如果工程所在區(qū)域內(nèi)存在這種定向滲流，將會(huì)對(duì)孔壁穩(wěn)定造成不良影響。例如：永春縣自來(lái)水廠桃溪大橋—德風(fēng)環(huán)島給水管定向穿越鋪管工程施工，該工地距桃溪比較近，大約50 m，施工期桃溪正值汛期，水位上升快，引起地下水定向滲流，造成該工地鉆孔發(fā)生坍塌。

地下承壓力一般埋深較大，其上覆有較好的隔水層，非開挖鉆孔施工中很少遇到。當(dāng)鉆孔穿過(guò)其上覆隔水層，且地下承壓力大于孔內(nèi)液柱的壓力時(shí)，地下承壓水就會(huì)攜帶巖土涌進(jìn)孔內(nèi)，并使孔內(nèi)泥漿返出地面，在其上覆隔水層底部形成大面積空洞，影響隔水層的穩(wěn)定性，從而影響整個(gè)孔壁穩(wěn)定。

直齒圓柱齒輪嚙合時(shí)的受力示意如圖1所示，嚙合點(diǎn)法向力在切向和徑向兩個(gè)方向存在分力，即法向力是二維力。斜齒圓柱齒輪嚙合時(shí)的受力示意如圖2所示，嚙合點(diǎn)法向力在切向、徑向和軸向3個(gè)方向存在分力，即法向力是三維力。錐齒輪(包括直齒錐齒輪和弧齒錐齒輪)嚙合時(shí)的受力示意如圖3和圖4所示，由于結(jié)構(gòu)特殊，嚙合點(diǎn)法向力也是三維力。

2.1.3孔徑大小。孔徑大小對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響，目前在實(shí)際施工中沒有給予足夠的重視，但從孔壁穩(wěn)定條件上說(shuō)，孔徑大小是孔壁穩(wěn)定的一個(gè)因素。今后隨著超大口徑鉆孔的應(yīng)用，將會(huì)成為影響孔壁穩(wěn)定的重要因素之一。

2.2 工藝因素

下面主要從流體力學(xué)理論角度分析工藝因素對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響。

2.2.1成孔工藝的影響。鉆孔成孔工藝主要有正循環(huán)和反循環(huán)，在同等條件下，正循環(huán)將由泥漿泵對(duì)孔內(nèi)泥漿產(chǎn)生正壓力，而反循環(huán)將由泥漿泵對(duì)孔內(nèi)泥漿產(chǎn)生負(fù)壓力。從孔壁靜力穩(wěn)定條件的沖洗液水頭壓力，可以得出：正循環(huán)鉆孔工藝對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響比反循環(huán)鉆孔工藝更有利，且正循環(huán)成孔工藝對(duì)孔壁穩(wěn)定因素是增強(qiáng)的，反循環(huán)成孔工藝對(duì)孔壁穩(wěn)定因素是削弱的。

2.2.2流量的影響。泥漿在孔內(nèi)流動(dòng)，將對(duì)孔壁界面產(chǎn)生一摩擦力，方向與流動(dòng)方向相同，流速越大，泥漿粘度越大，摩擦力越大。實(shí)際施工中，這種流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響是消極的。例如：氣舉反循環(huán)工藝與泵吸反循環(huán)工藝相比，由于氣舉循環(huán)工藝的流量大，其對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響更大，所以在施工中，選擇一個(gè)合理的流量，應(yīng)認(rèn)真考慮滿足排渣和孔壁穩(wěn)定兩方面的要求。

2.2.3泥漿的影響。泥漿對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響，主要表現(xiàn)在壓力、摩擦力和泥皮。壓力和摩擦力分別與泥漿的密度和粘度相關(guān)，泥漿的密度越大，其對(duì)孔壁形成的壓力越大，對(duì)孔壁穩(wěn)定越有利。實(shí)踐證明，通過(guò)提高泥漿密度來(lái)維護(hù)孔壁穩(wěn)定是一項(xiàng)很重要且常用的措施；泥漿粘度越大，泥漿流動(dòng)對(duì)孔壁產(chǎn)生的摩擦力越大。例如：永春縣永仙公路給水管改造工程施工，施工地層主要為砂礫土層。施工前進(jìn)行攪拌泥漿，在施工過(guò)程中，沒有采取保存泥漿的措施，沒有繼續(xù)攪拌，造成鉆孔孔壁坍塌。

在鉆孔施工中，泥皮對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響起著重大的作用。一般采取使用優(yōu)質(zhì)泥漿的措施來(lái)防止漏失，這種泥漿能在孔壁上形成一層致密的泥皮，能有效地減少孔內(nèi)泥漿的滲漏。

2.3 環(huán)境因素

環(huán)境因素是指施工工地周圍環(huán)境對(duì)孔壁穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。它對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響主要有2種形式：外加載荷和外界水位變化。

2.3.1外界附加荷載。外界附加荷載按其作用狀態(tài)劃分為外界附加靜荷和外界附加動(dòng)荷。①外界附加靜荷：當(dāng)施工地臨近高層建筑物、構(gòu)筑物、堆積物、道路動(dòng)荷載等時(shí)，會(huì)對(duì)巖土層產(chǎn)生附加靜壓力Po'，相當(dāng)于巖土層的壓力增大，致使Po+Po'增大，根據(jù)孔壁穩(wěn)定條件式(1)，這意味著孔壁不穩(wěn)定因素增強(qiáng)，外界靜荷大小與鉆孔距離有關(guān)。②外界附加動(dòng)荷：施工地附近有公路、鐵路和工廠(大型動(dòng)荷機(jī)械設(shè)備)等能對(duì)巖土層產(chǎn)生附加動(dòng)荷，如果施工的巖土層具有較大靈敏性，如淤泥、淤泥質(zhì)粘土和粉細(xì)砂等地層，在有外界附加動(dòng)荷情況下，這些巖土層液化而改變巖土原有性質(zhì)，使其處于流體狀或蠕變迅速加劇，造成孔內(nèi)坍塌。

2.4 人為因素

人為因素是關(guān)鍵性、決定性的。只要對(duì)巖土性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)分析，制訂合理的施工方案，進(jìn)行科學(xué)的管理，增強(qiáng)施工人員的責(zé)任心，巖土層再?gòu)?fù)雜、影響因素再多、難度再大也能保證鉆孔成孔順利完成。

2.4.1施工方案不合理的影響。鉆孔施工方案主要內(nèi)容有施工工藝、施工技術(shù)方法(如鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)等)、技術(shù)保障措施(如孔內(nèi)水頭高度和泥漿性能要求等)和施工計(jì)劃安排等。施工方案是否合理，對(duì)維護(hù)孔壁穩(wěn)定起著決定性的作用。

2.4.2施工管理不力的影響。施工管理對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響是間接的，施工方案的執(zhí)行、技術(shù)措施的貫徹、操作規(guī)范的遵守等都離不開施工管理。施工管理對(duì)孔壁穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在時(shí)效上，加強(qiáng)施工管理就是要盡可能地縮短鉆孔的施工周期。施工管理不力，會(huì)疏忽或延誤一些事故的處理，最終造成孔內(nèi)坍塌。

2.4.3施工人員素質(zhì)的影響。直接參與鉆孔施工人員的技術(shù)水平、施工經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心、積極性等都對(duì)鉆孔施工有重大的影響。

3 孔壁穩(wěn)定的維護(hù)措施

鉆孔孔壁穩(wěn)定的本質(zhì)因素是巖土的性質(zhì)，分析巖土層的穩(wěn)定性和影響其穩(wěn)定性的因素是關(guān)鍵：找出人為能控制的因素，分析哪些因素在一定條件下會(huì)發(fā)生變化，以及這種變化對(duì)孔壁穩(wěn)定的利弊；認(rèn)真不斷總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，都有利于防止孔壁坍塌。具體體現(xiàn)在：

3.1 認(rèn)真制訂鉆孔施工方案。應(yīng)對(duì)巖土性質(zhì)、工地的外部環(huán)境(包括水情)、施工條件等進(jìn)行分析，確定影響孔壁穩(wěn)定的主要因素，預(yù)測(cè)施工可能發(fā)生或出現(xiàn)的一些不利情況，有針對(duì)性地?cái)M訂預(yù)防、保證和處理措施。施工方案應(yīng)做到科學(xué)、合理、完整、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，做到對(duì)實(shí)際施工有指導(dǎo)作用。

3.2 加強(qiáng)施工技術(shù)交底工作，保證施工方案的正確執(zhí)行。通過(guò)施工技術(shù)交底使施工人員清楚施工的各項(xiàng)技術(shù)要求和措施，并在施工中認(rèn)真落實(shí)和執(zhí)行。

3.3 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、分析、解決施工中出現(xiàn)的問題。施工中不可預(yù)測(cè)的情況和問題會(huì)經(jīng)常發(fā)生，只有加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、正確分析，才能保證鉆孔鉆進(jìn)成孔的順利進(jìn)行。

3.4 提高施工人員的素質(zhì)，增強(qiáng)其責(zé)任心。人的因素是任何工作中的主要因素，鉆孔施工中，只有不斷提高施工人員的技術(shù)、操作水平，提高他們的綜合素質(zhì)，增強(qiáng)他們的責(zé)任心，充分發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性，才能確保施工方案、技術(shù)措施嚴(yán)格得到執(zhí)行。

3.5 必須正確分析判斷孔內(nèi)出現(xiàn)泥漿漏失的原因，及時(shí)采取相應(yīng)的處理方法。泥漿漏失對(duì)孔壁穩(wěn)定極為不利，容易導(dǎo)致孔壁坍塌，一旦出現(xiàn)泥漿漏失，必須認(rèn)真對(duì)待，及時(shí)分析處理。

3.6 孔壁坍塌的處理方法。主要是：提高泥漿性能和軟基處理法，利用軟土地基處理技術(shù)，如高壓旋噴、深層攪拌、粉噴等施工方法對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，改變軟土性質(zhì)，使其滿足鉆進(jìn)成孔的需要。

4 結(jié)論

4.1 鉆孔孔壁穩(wěn)定的條件是：在一定的時(shí)間內(nèi)，鉆孔應(yīng)同時(shí)滿足地層靜力平衡和地層滲流條件；

4.2 影響孔壁穩(wěn)定因素是復(fù)雜而眾多的，客觀因素包括巖土性質(zhì)、地下水和孔徑大小等；工藝因素包括成孔工藝、流量、泥漿等；環(huán)境因素包括外界附加載荷、外界水位變化等；人為因素包括施工方案、施工管理、施工人員素質(zhì)等；

4.3 要保持孔壁穩(wěn)定，分析巖土層的穩(wěn)定性和影響其穩(wěn)定性的因素是關(guān)鍵，分析哪些因素在一定條件下會(huì)發(fā)生變化，以及這種變化對(duì)孔壁穩(wěn)定的利弊，在施工中對(duì)其采取維護(hù)、加強(qiáng)、防止和避免等措施。