第5章崩滑体钻进技术

第5章崩滑体钻进技术

5.1 概述

地质灾害是造成人类生命财产损失和地质环境破坏的地质事件。地质灾害的发育分布及其危害程度与地质环境背景条件(包括地形地貌、地质构造格局和新构造运动的强度与方式，岩土体工程地质类型、水文地质条件等)、气象水文及植被条件，人类经济工程活动及其强度等有着极为密切关系。在我国，地质灾害种类齐全，按致灾地质作用的性质和发生处所进行划分，常见地质灾害共有12类、48种。

在各类地质灾害中，崩塌和滑坡灾害占有很大的比重。由干它们突发性强、摧毁性大、分布范围广，经常中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿、破坏村庄和农田，造成人员伤亡和重大经济损失。据不完全统计，全国共发育有特大型崩塌51处、滑坡140处；较大型崩塌2984处以上、滑坡2212处以上。仅在三峡库区一地，规模较大的滑坡、崩塌体就有1153处，变形体299处，其中1085处滑坡体积约37.4亿3

m，沿岸299处变形体面积60.342

km。多年来，我国铁路平均每年因滑坡中断运输44次，中断行车800多小时，造成的直接经济损失数千万元。崩塌和滑坡灾害发生时如遇暴雨山洪，还往往演变成泥石流灾害。因此，我国各级地质灾害防治部门都将崩塌和滑坡灾害作为主要的防治对象。

在崩塌和滑坡地质灾害的勘查与治理工程行业中，随着社会的进步和发展，不断有大量的新技术、新方法涌现。但是，岩土钻孔工程技术目前仍然是该领域中最主要的施工手段之一。

为使大家较为全面地了解钻孔工程在地质灾害勘查与治理工程中的技术进步和发展，我们在这里试图以崩滑体钻进技术为重点，对其主要工艺技术、设备机具和施工操作要点等作一简要介绍，希望能对各参加培训单位的技术进步和提高施工质量、降低施工成本起到一定的促进作用。

5.1.1 钻孔工程在崩滑体地质灾害防治中的应用范围

在我国，目前钻孔工程在崩滑体地质灾害防治中的应用范围主要有：

1. 地质灾害勘察

将钻孔工程作为勘察的直接手段，通过钻孔过程观测（如钻遇地层特性变化、地下水位变化等）和取出样品（岩土样或水样）分析试验，揭露并查明地质灾害的类型、成

因、规模及演化趋势，为其灾害性评价和治理工程设计提供依据。

2. 地质灾害监测

滑坡与崩塌灾害实质就是斜坡岩土体位移之灾。将地质灾害体上的钻孔作为地下构筑物，在孔内安装各种监测仪器和设备，实时或定时观测其变化，为地质灾害预警、预报提供第一手数据资料。在重要的地质灾害治理工程中，也将其作为施工前基础数据测量、施工中变形监测和施工后效果评价的重要手段。

3. 地质灾害治理

将钻孔作为对地质灾害体的加筋、排水、灌浆（或灌水）等治理工程的施工通道，并将其与孔内物件一起作为地下构筑物，改善灾害地质体的结构特性，提高其稳定性或安全系数，从根本上防止灾害的发生。将钻孔用于崩滑体灾害治理的技术方法主要有：

(1)钻孔锚固。用锚杆或锚索对崩滑灾害体加筋，提高其稳定性或安全系数。近年来，预应力锚索技术因具有受力合理，施工灵活、快速，施工作业对岩土体干扰、影响小，地面作业安全、见效快等突出优点，得到广泛应用。近几年又创新性地使其与抗滑桩相结合，形成新的抗滑结构——预应力锚索抗滑桩，使桩——预应力锚索组成一个联合受力体系，用锚索拉力平衡滑坡推力，改变了悬臂桩的被动受力机制，使桩的弯矩大大减少，从而大幅度地减少桩的横截面和埋置深度，达到了结构受力合理，降低工程费用，缩短工期的目的。

(2)钻孔排水。垂直排水钻孔与深部水平排水隧洞相结合的排水方法近几年在大型滑坡治理中得到较广泛的应用。地下排水能大大降低孔隙水压力，增加有效正应力从而提高抗滑力，故稳定滑坡的效果极佳。

(3)钻孔注浆。应用钻孔注浆加固滑坡，如采用旋喷注浆加固滑动带土，通过水泥浆液与岩土体混合、速凝、早强，使滑体与滑面及滑床固结，改善滑动带土质特性，提高抗剪强度，从而达到稳定滑坡的目的。（另一种观点是：在滑动带旋喷注浆，形成了许多类似阻滑键的旋喷短桩，从而达到稳定滑坡的目的。）

对岩溶塌陷采用钻孔注浆治理，也已成为人们普遍接受的方案。

(4)小口径钻孔组合桩。两个相邻的钻孔桩的抗弯强度可超过以两孔直径之和为直径的大桩的强度，从理论上讲，任何普通抗滑桩的强度与功能，小口径钻孔组合桩都能达到。采用直径小干200 mm的钻孔桩与桩间和邻近紧密结合的岩土体共同构成的支挡措施，可以对地质体进行改造和与地质体的有利组合去适应不良工程地质环境，消除或大幅度削弱致灾地质作用。只需消耗很少的人工和材料并采用简便的施工方法即可大幅度

提高抗滑桩的防灾效果。

5.1.2 崩滑体钻孔施工特点

崩滑体钻孔施工主要有以下特点：

1、地层特点

崩滑体地层的岩性和产状复杂，是其最主要的特点之一，由于地层情况复杂，会给钻进带来许多困难。

一般，崩滑灾害地质体都位于第四系地层或其它地层的强风化露头中，这些地层中的软土、软岩、软弱夹层等为主要易滑岩石，裂隙或断层为主要易崩裂层位。

滑坡灾害地质体多位于褶皱构造带的翼部，其产状多数倾角较陡。组成滑坡体的岩石大多不是完整硬岩，多为松散的土层、堆积体、坡积体等等。岩石硬软不均，结构松散，遇水易软化，裂隙发育，钻进中孔底情况多变，工艺参数难以准确调整；成孔后孔壁易坍塌掉块，护壁困难；岩样（如滑带土样）采取极其困难。

崩塌灾害地质体本身的产状可能倾角不大，甚至近水平，但其临空面大多为陡倾斜甚至直立。组成崩塌体的岩石大多均质，比较完整，但岩石颗粒之间的连接强度低（如土层、堆积体）或者受裂隙切割（如危岩），极不稳定。在崩塌岩体上钻进，同样存在钻进和成孔困难。

2、钻孔质量技术指标特点

目前，我国的崩滑体地质灾害钻孔质量技术指标要求很高。例如，现行地质灾害勘察中，大多套用工程地质勘察方法进行，即将钻孔作为直接获取关于所研究领域内岩层的特性和物理力学性质的工程地质、水文地质资料的最重要的来源，并且在钻孔中还需采用其它方法（地球物理方法、野外试验、实验方法等）获取工程地质、水文地质资料，如要求取原状岩样，需在孔内进行抽水试验或孔内原位测试等等。

用于防治工程的钻孔，由于需要将其与孔内物件一起作为地下构筑物，来改善灾害地质体的结构特性，故对孔身质量也有很高要求。如用于大吨位预应力锚索的钻孔，为保证锚固力不因孔壁摩擦而损失，对钻孔弯曲度要求就很高。

3、施工特点

（1）施工条件恶劣。崩滑体地质灾害钻孔施工大多在地形复杂、山高坡陡、施工场地狭窄和交通运输困难的条件下进行。例如，许多高边坡工程往往需在高排架上施工；一些边坡施工中为保证坡体稳定，甚至不允许采用液体作为钻孔冲洗介质。

（2）大斜度钻孔、水平钻孔居多。在复杂地层条件下，钻孔孔壁稳定性本身就很

差，再加上大斜度或水平钻孔，施工更为困难了。这样的钻孔条件，也使许多在垂直孔钻进中成熟的技术和器具应用困难。

（3）钻孔深度浅，施工周期短。目前崩滑体地质灾害钻孔一般均在100米以内。许多锚固钻孔施工周期都在一天之内，设备搬迁频繁。

5.1.3 技术现状及发展趋势

上世纪八十年代以前，我国的岩土钻孔（探）技术主要用于各种地质勘查和矿产勘探，这个时期以岩心钻探施工为技术特征。随着国家的改革和行业调整，大量的岩土钻孔技术设备和人员向地基基础工程转移，这个时期又以各种桩基施工为技术特征。进入九十年代以后，随着全社会保护地质环境的意识日益增强，并随着国家对地质灾害防治工作越来越重视，市场需求逐渐趋旺，大量的岩土钻孔技术设备和人员又向地质灾害勘查与治理领域转移，形成了现在以各种锚固钻孔为突出特点的技术特征。

上世纪六十~七十年代，我国崩塌、滑坡地质灾害防治主要采用削方减载、地表排水、桩或墙支挡等工程技术措施，其中桩、墙这类被动受力结构是主要的工程手段。

自八十年代初，我国开始引入主动受力的预应力锚固技术，使崩塌、滑坡治理从单纯的被动抗塌、滑，进入主动或主动与被动相结合的新阶段，为崩塌、滑坡地质灾害防治带来了新的技术方法和结构。进入九十年代，钻孔预应力锚固技术得到了广泛应用，在许多崩塌、滑坡灾害治理工程中大显身手。

随着钻孔预应力锚固技术的逐渐普及，钻孔排水、钻孔注浆、钻孔监测以及钻孔勘察技术也在崩塌、滑坡地质灾害防治中迅速发展了起来。

例如，对滑坡的排水，已从单纯地表排水发展到水平钻孔地下排水、垂直钻孔地下排水与深部水平隧道排水相结合的地下排水新技术；对滑坡的治理，已从单纯的滑体支挡加固，发展到直接在滑移面钻孔注浆加固；对滑坡的监测，已从初级的地表肉眼观测和地表大地测量，发展到用钻孔安装仪器，直接进行地下测量、自动化测量以及网络监测，等等。

与其它技术方法一样，岩土钻孔工程技术也在不断进步和发展。近年来其在地质灾害勘查与治理工程中的用量快速增长、应用范围不断扩张。例如：在使用量方面，全国年锚固钻孔进尺工作量已超过了三千万米；仅在三峡水库建设工程中累计锚固钻孔进尺工作量就已超过了一千万米。在治理滑坡方面，除普遍采用钻孔桩、锚加固滑坡以外，还可通过钻孔直接改变滑移面的特性（注浆或排水）来稳定滑坡；除普遍采用钻孔勘查滑坡以外，还可通过钻孔直接监测滑体的应力、应变与位移。在施工工艺方面，跟管钻

进技术已由一种特殊方法变成为主力手段。在施工设备方面，各种轻型、大功率的专用钻机已日趋成熟。

5.2 常用设备及机具

崩滑体钻孔施工一般采用轻便设备进行。除已有的地质钻探轻型设备可供选用以外，这里主要介绍一些近年来新研制的、应用较为成功的新型设备。

5.2.1 钻机

在崩滑体钻孔施工中，钻机是最主要的设备之一。国内目前用于崩滑体钻孔施工的钻机，按照其回转器型式可分为两类：立轴式和动力头式。

5.2.1.1立轴式钻机

这类钻机一般采用柴油机或电动机驱动，通过摩擦离合器将动力传递到机械变速箱，然后再通过分动器将动力分配到立轴驱动钻具回转和卷扬机驱动钻具升降。钻具的给进压力一般是由液压系统驱动给进油缸来实现Array的。

典型钻机举例：

GX-1TD型钻机，其外貌见图5-1。

1、适用范围：地质灾害勘察、工程地质勘察

及浅层岩心地质勘探，也可用于地质灾害监测孔、

锚固孔、排水孔、注浆孔等钻孔施工。

2、结构及性能特点：

①立轴式，机械传动，液压给进。

②可实现液压移车让开孔口，起下钻具。

并根据用户需要可配手动下卡盘。图5-1 GX-1TD

③液压卡盘，实现不停车倒杆，减轻劳动强度。

④设计功能多，结构紧凑，重量轻，可拆性好，操作方便。

⑤动力机功率大，转速分布合理，扭矩大，工艺适应性强。

⑥钻机配套齐全，配备了振动器、A型塔架（带有塔架起落装置）、泥浆泵及多种

钻具提供客户选用。

3、主要技术参数(见表5-1)

表5-1

5.2.1.2动力头式钻机

这类钻机一般也采用柴油机或电动机驱动。目前动力头有两种传动方式：一类为

全液压式动力头，另一类为机械式动力头，动力头的给进都是由液压系统驱动给进油缸及链条机构来实现的。全液压式动力头钻机可实现无级变速，机械式动力头钻机通过机械变速箱变速。

典型钻机举例：

YG-50型钻机，其外貌见图5-2。

1、适用范围：

地质灾害治理工程的各类锚固孔、排

水孔、注浆孔的施工，也可用于勘察孔和

监测孔等钻孔施工。

2、结构及性能特点：

①钻进能力强，适用范围广；钻孔速

度快，处理事故能力强，钻进效率高。

②动力头输出轴设有伸缩机构，可以有效保护钻具。动力头及孔口板调转方向，可

直接钻凿仰孔，大大增加钻孔倾角范围。

图5-2 YG-50型钻机

③机架前部设有上下调节立柱及哈夫，可调节桅杆高低，施工时对孔位快捷方便。

④结构为分体式，可拆性好，搬迁、安装迅速方便；并可远距离操纵，一次搬迁完成多孔施工；操作员工工作环境好，劳动强度低。

⑤桅杆上预留固定安装孔，可以无需机架直接通过辅件（横轴及扣件）安装在脚手架，使重量大大减轻，移机快捷方便。

⑥液压件优选，使整机性能稳定、可靠、寿命长。钻机易损件的标准化、系列化程度高，互换性好。

⑦钻机全液压驱动，可实现无级调速，操纵简单，维修保养方便，易损件少。

⑧钻机可适用多种钻进工艺方法，如硬合金回转钻进、螺旋钻进、潜孔锤钻进、

3、主要技术参数

⑴钻孔深度60～40 m；

⑵钻孔直径￠100～168 mm；

⑶钻杆规格￠73×1500 mm；

￠89×1500 mm；

⑷钻孔倾角0～120°；

⑸动力头输出转速（正反）5～120

5-3 YGS-120型钻机

rpm；

⑹动力头额定输出扭矩2000 Nm；

⑺动力头行程1800 mm；

⑻桅杆滑移行程500 mm；

⑼动力头最大起拔力30 kN；

⑽动力头最大给进力15 kN；

⑾液压系统额定压力20 Mpa；

⑿电动机型号Y180M-4 功率18.5 kW；

⒀主机外形尺寸3000×1000×1500 mm；

⒁钻机重量1000 kg；

⒂最大部件重量（电机除外）200 kg。

另外，为适应地质灾害复杂地层的大口径及深孔钻进，近年来研究开发出了一种双

动力头式钻机。这种钻机传动系统采用全液压方式，双动力头分别驱动内外钻具，可实

现双层管钻进，大大提高了钻机对复杂地层的适应能力。

典型钻机举例：

YGS-120型钻机，其外貌见图5-3。

1、适用范围：

地质灾害治理工程的各类大吨位预应力锚索孔、大口径锚桩孔、注浆孔、以及小型基桩孔等，也可用于勘察孔和监测孔等钻孔施工。

2、结构及性能特点：

双动力头式钻机，可实现多种钻进方式：

⑴在较厚的（30～50米）破碎层和堆积体钻孔时，后动力头接内钻具，端部联潜孔锤，实现冲击回转钻进，前动力头驱动套管回转，进行护壁，在复杂地层（破碎层和堆积体）可实现快速成孔和快速注浆。

⑵在松散覆盖层、流沙层、淤泥层施工时，内钻具为普通回转钻具或长螺旋钻具，前动力头驱动套管回转，进行护壁。

⑶在较完整地层钻进时，可单独使用一个动力头，进行常规回转钻进、冲击回转钻

进。

钻机提升力大、扭矩大，处理事故能力强，钻进效率高。

钻机配有夹持器、卸扣器，可实现拧卸钻杆、套管机械化，大幅度减轻工人劳动强度，提高工作效率。

钻机采用积木式组合设计，双液压站系统，分解性好，拆装搬迁方便，便于在山区等交通不便的地方施工。

3、主要性能参数

钻孔直径：￠110～￠250mm

钻孔深度：120～80m

钻孔倾角：YGS-120型-10～45°

YGS-120A型（钻垂直孔）-10～90°

动力头转速：后动力头3～130r/min 前动力头3～22r/min

动力头最大扭矩：后动力头3500Nm 前动力头10000Nm

桅杆总长：3500mm

动力头行程：1300mm

桅杆滑移行程：600mm

前动力头补偿行程：400mm

推荐钻杆规格：￠89×1000；￠114×1000

推荐套管规格：￠168×1000；￠178×1000；￠194×1000

动力头给进能力：提升力100KN ；加压力52KN

套管卸扣力矩：15KNm

电机型号：Y180L-4×2，总功率：44KW

液压系统额定压力：18Mpa

钻机总重量：2500Kg

最大解体重量：400Kg

主机外形尺寸： 长×宽×高 3500×1200×1600mm

5.2.2 泥浆泵及空压机

在崩滑体钻孔施工中，冷却钻头、冲洗岩屑、稳定孔壁，仍然需要有输送流体循环介质的设备，国内目前一般采用泥浆泵和空压机两大类产品。

5.2.2.1 泥浆泵

采用泥浆泵输送液体循环介质，可用于勘

察孔、监测孔和排水孔等钻孔的施工。虽然一

般锚固钻孔不主张采用液体作循环介质，但作

为锚固灌浆的设备，泥浆泵仍然大有用武之

地。

典型泥浆泵举例：

BW-150型泥浆泵，其外貌见图5-4。

1、适用范围：

地质灾害勘察、工程地质勘察及浅层岩心地质勘探，也可用于地质灾害监测孔、锚固孔、排水孔、注浆孔等钻孔施工，还可用于锚固灌浆、旋喷注浆等施工。

2、结构及性能特点：

往复式三缸单作用活塞泵，流量均匀，压力稳定；

机械变速箱多级调速，工艺适应型强；

整机性能稳定、可靠，操纵简单，维修保养方便，易损件少；

结构紧凑，分解性好，拆装搬迁方便。

图5-4 BW-150型泥浆泵

3、主要性能参数（见表5-2）

表5-2

5.2.2.2空压机

采用压缩空气作为循环介质进

行空气钻进，可满足崩滑体钻孔尽量

不采用水作为冲洗介质的要求，并可

应用潜孔锤高效钻进工艺，充分适应

其复杂的地层条件和恶劣的施工环

境。

典型空压机举例：

VHP750型空压机，其外貌见图5-5。

1、适用范围：

地质灾害治理工程的各类锚固孔、排水孔、注浆孔的施工，也可用于地质灾害勘察、工程地质勘察及地质勘探等钻孔施工。

2、结构及性能特点：

①具有大面积冷却器和使用PROTEC 机油提高了机组效率，并且提供充足的功率储备，更低的运行成本及延长引擎寿命；

②附加燃油预滤更好地保护了引擎；

③并排式冷却器和紧凑的设计使服务维修更为方便；

④高效率及可靠性保证了户外使用时机组的排气量及压力。

3、主要性能参数（见表5-3） 图5-5 VHP750型空压机

表5-3

工周期很短，虽然地层复杂，但所需专用的附

属设备并不多，通常，除可选用普通起重机、

泥浆（水泥浆）搅拌机、注浆机等通用设备之

外，一般不再需要其它附属设备。近年来，随

着潜孔锤跟管钻进的普及，套管的起拔成了突

出的困难问题。这里介绍一种新型的液压拔管

机。

YB系列液压拔管机，其外貌见图5-6。

图5-6 YB系列液压拔管机

1、简介：

YB系列液压拔管机是岩土锚固工程跟管钻进施工的辅助设备，用于起拔钻孔护壁

套管及钻杆。该机主要由液压泵站、拔管油缸、底座、横梁及卡瓦等组成，具有重量轻、

可拆性好、搬迁方便等特点，特别适用于地质灾害治理工程的各类锚固孔的施工。

2、主要性能参数（见表5-4）

表5-4

5.3 崩滑体钻进成孔技术

5.3.1 钻孔质量要求

地质灾害防治工程，不同于一般建筑工程，也不同于一般土木工程，它是以地质体

为建筑材料，以地质体为建筑结构，以地质环境为建筑环境，进行地质体改造的一项特

殊工程。这项工程的目的是创造一个稳定的地质环境。应当说，目前不但在我国，就是

在世界上，它也不像一般土木工程和建筑工程一样有着成熟的规程、规范和成熟的施工经验，就是有一些，也因为地质体非常复杂多变，生搬硬套也会出问题。

我国目前的状况是：对地质灾害的勘查与治理工程，还没有一套完整的质量规范。一些地方或一些重大工程，近年来研究制定了部分规程规范，如重庆市在全国率先制定了第一部地方标准——《重庆市地质灾害防治工程勘查规范》；国土资源部中国水文地质工程地质勘查院主编了《长江三峡工程库区滑坡防治工程设计与施工技术规则》（试行）。

对崩滑体钻孔施工，应当说我国还没有一套专门的关于钻孔质量技术指标的规范。目前的具体做法是；

对崩滑体地质灾害的前期调查阶段、初勘阶段、重要性一般的灾害体详察与治理工程，套用现有的地质勘探钻孔质量规范——六大质量指标中的相关指标要求；

对一些重要的崩滑体地质灾害的勘探阶段，套用现有的工程地质勘察规范中有关钻孔的质量指标要求。

对一些重要的崩滑体地质灾害治理工程，根据地质体的具体情况和工程的重要性，自行制定一套有关钻孔的质量指标要求（如《长江三峡工程库区滑坡防治工程设计与施工技术规则》）；或者针对具体的工序，套用国内已有相关质量规范（如铁道部《锚固工程规范》）。

总的说来，对崩滑体钻孔质量技术指标要求，一般要远高于地质勘探六大质量指标要求。例如：对滑带土的钻孔取心，岩心采取率一般要求在75%以上，甚至要求采取100%的原状土样；对大吨位锚索孔施工，钻孔弯曲要求控制在1/100以内，相当于每100米孔深钻孔弯曲要控制在0.573°以内。

《长江三峡工程库区滑坡防治工程设计与施工技术规则》对锚索孔的要求为：

造孔精度要求：

1、孔斜误差：成孔后，用孔斜仪量测，孔斜不超过1/100。

2、钻孔位置误差：小于100mm。

3、钻孔倾角、水平角误差：与设计锚固轴线的倾角、水平角误差在±1°。

4、孔深：必须保证张拉段穿过滑带2m。

5.3.2 钻进成孔工艺方法

在崩滑体上钻进成孔，目前采用的工艺方法很多，但按钻进碎岩机理分，主要有回转钻进和冲击回转钻进（主要是潜孔锤钻进）两种；按钻进过程中对孔壁是否采用套管

随钻支护分，主要有裸孔钻进和跟管钻进两种。这里我们主要以勘察孔、监测孔和锚索孔等钻孔施工为例进行介绍，抗滑桩钻孔的施工另文专述。

5.3.2.1裸孔钻进

所谓裸孔钻进，是指全孔施工均不采用套管随钻支护技术措施的钻进。有时，部分钻孔在施工中可能由于表层钻进或者局部孔段岩石破碎、裂隙发育等原因需要下入孔口管或者技术套管。

裸孔钻进主要用于崩滑体勘察孔和监测孔施工，也用于地层较为完整条件下的锚索孔、排水孔、注浆孔等治理工程钻孔施工。

裸孔钻进的钻孔结构一般应尽量简化，最好除必须的孔口管外，一径到底。

对软地层（如粘性土层）的裸孔钻进，最好采用回转钻进方法；对硬地层（如坚硬岩层）的裸孔钻进，最好采用冲击回转（潜孔锤）钻进方法。

裸孔钻进的钻孔冲洗介质可采用液体或气体。回转钻进最好采用无固相泥浆（有机高分子聚合物钻进液）或清水，冲击回转钻进最好采用纯空气。

5.3.2.2 跟管钻进

所谓跟管钻进，是指全孔或部分孔段施工采用套管随钻跟进护壁技术措施的钻进。由于崩滑体钻孔多在复杂地层条件下进行，故跟管钻进用量越来越多，应用范围也越来越大。

目前，护壁套管随钻跟进的工艺方法有很多。按成孔的步骤，可分为钻进跟管和扩孔跟管两大类。其中，钻进跟管又可细分为单偏心钻进跟管和双偏心钻进跟管两种；扩孔跟管也可细分为偏心式扩孔跟管和同心式扩孔跟管两种；按套管跟进动力的驱动方式，可分为单钻进系统和双钻进系统两大类；按钻进碎岩机理分，可分为回转钻进跟管和冲击回转钻进（主要是潜孔锤钻进）跟管两大类。下面简要介绍这些方法的工艺原理：（1）钻进跟管

（2）单偏心钻头钻进跟管

这种工艺方法的特征是：采用单个钻头只需一级孔径的孔底破碎，就完成套管跟进所需的钻进成孔工作。它依靠偏心机构实现钻头的径向的伸出与缩回，钻进中，钻头的回转轴线偏出于钻孔轴线，钻头在自转的同时作偏心公转运动，所以可以钻出大于钻头直径的钻孔。这种方法的优点是钻具结构简单、钻进效率高；缺点是钻头负荷大，寿命不长，且钻头施加于孔底的载荷不均衡，孔斜难以控制。目前，这种方法只用于潜孔锤钻进。

（3）双偏心钻头钻进跟管

这种工艺方法的特征是：将一级成孔单偏心钻头平分成双钻头体，分别由两个平行的偏心机构控制，实现双钻头的同步径向伸出与缩回，也是只需一级孔底破碎，就完成套管跟进所需的钻进成孔工作。钻进中，双偏心钻头的回转轴线也各自偏出于钻孔轴线作偏心公转运动，所以也钻出大于钻头直径的钻孔。这种方法的优点是克服了单偏心钻头孔底负荷大且载荷不均衡的问题，缺点是钻具结构复杂性增加，可靠性降低。目前，这种方法也只用于潜孔锤钻进。

（4）扩孔跟管

（5）偏心扩孔跟管

这种工艺方法的特征是：钻进和扩孔同步，但分成两级孔径进行，主钻头（又称中心钻头）承担破碎孔底的任务，扩孔钻头承担破碎环状孔壁的任务。主钻头和扩孔钻头由同一钻进系统驱动，扩孔钻头依靠偏心机构实现径向的伸出与缩回。起下钻具时，扩孔钻头与主钻头和钻孔同心；钻进时，扩孔钻头的回转轴线相对于主钻头和钻孔轴线偏心，所以可以扩出套管所需的钻孔直径。这种方法的优点是钻进和扩孔分两级孔径，扩孔碎岩是在阶梯自由面存在的条件下进行，主钻头和扩孔钻头载荷分担均匀，钻头寿命长；钻具结构简单、工作可靠、钻进效率高。目前，这种方法也只用于潜孔锤钻进。

（6）同心扩孔跟管

这种工艺方法的特征也是钻进和扩孔分成两级孔径进行，但扩孔钻头与主钻头和钻孔轴线始终保持同心。根据套管跟进动力的驱动方式，这种工艺方法又可分为单钻进系统和双钻进系统两种；根据钻进碎岩机理分，还可分为回转钻进跟管和冲击回转钻进（主要是潜孔锤钻进）跟管两种。

①单钻进系统回转钻进同心扩孔跟管

这种工艺方法是由绳索取心不提钻换钻头钻进系统变化而来。它的特征是：钻进和扩孔分两级孔径同步进行，均由同一回转钻进系统驱动。主钻头采用取心钻进或全面钻进方式破碎孔底，付钻头（扩孔钻头）采用刮削式破碎环状孔壁。目前，这种方法的扩孔钻头采用张敛式机构，缩回时完成套管内的起下，伸出时进行钻孔和扩大孔壁。这种方法的优点是：钻进和扩孔载荷均匀、钻进平稳；用于取心钻进时效率高，岩心质量好；扩孔钻头可与主钻具一起起下，更换方便。缺点是：钻具结构复杂，大顶角或者水平钻孔升降困难，使用受限；扩孔钻头伸出距离有限，可供布置切削具的空间显小，扩孔钻头寿命难以提高。目前，这种方法适用于在松散软岩和破碎中硬岩中进行垂直孔的勘察

钻探。

②双钻进系统回转钻进同心扩孔跟管

这种工艺方法的特征也是钻进和扩孔分两级孔径进行，但钻进和扩孔分别由各自独立的回转钻进系统驱动，也就是说，承担孔底钻进的主钻头由内钻杆系统驱动，承担孔壁扩孔钻进的付钻头（扩孔钻头）由外钻杆（套管）系统驱动。这样，钻进和扩孔可同步也可不同步、套管可滞后也可超前主钻头钻进。这种方法的优点是钻进和扩孔跟管可独立进行，地层适应性强，工艺可调整变化范围大；缺点是需要专门的双钻进系统设备，如钻机需要双动力头式，钻机重量大、功率大；钻杆需要双层钻管式，重量大、磨损大。目前，这种方法是解决非常复杂地层钻进和大口径钻进的最佳手段。

③单钻进系统潜孔锤钻进同心扩孔跟管

与单钻进系统回转钻进同心扩孔跟管方法相比，这种方法需要双层钻管（钻杆和套管），外层套管带有自己的专门套管钻头，在内层钻杆和潜孔锤的驱动下钻进并跟管。这种方法的优点是对钻机要求不高，普通锚杆钻机或岩心钻机都能使用；缺点是套管钻头破碎能力有限，如用于复杂的硬岩层钻进跟管或套管钻头在工作中发生损坏，更换困难。

④双钻进系统潜孔锤钻进同心扩孔跟管

这种工艺方法与双钻进系统回转钻进同心扩孔跟管几乎一样，不同的仅是内钻进系统采用了潜孔锤钻进方法。其优缺点也基本相同，差别仅在于此回转钻进更适用于软地层，潜孔锤钻进更适用于硬地层。

5.3.3 钻进器具及其使用工艺

下面简要介绍上述工艺方法的器具结构、工作原理及规程参数等等。

5.3.3.1 回转钻进

崩滑体地质灾害的勘察孔和监测孔施工，最好选用回转钻进。因为这些钻孔一般都要求取心，钻进成孔效率并没有取心质量来得重要。

5.3.3.1.1 钻头

因为是取心钻进，回转钻进一般应当选用环状取心钻头。目前适用于崩滑体钻进地层特点的钻头，应当是出刃大、强度高、寿命长的磨锐式硬质合金切削具钻头和自磨式针状合金钻头。

磨锐式硬合金钻头结构参数：

1、钻头体

采用按照地质钻头标准制作的普通碳素钢空白钻头体。

2、切削具出刃

切削具外出刃的取值范围一般为1.5~3毫米。硬地层取小值，软地层取大值；完整地层取小值，破碎地层取大值；研磨性弱取小值，研磨性强取大值。内出刃的取值范围一般1~2毫米，取值方法同外出刃。底出刃的取值范围一般2~5毫米，取值方法也同外出刃。底出刃除了出刃量以外，还有个排列问题，可根据地层情况选用等高底出刃或阶梯底出刃。

3、切削具镶焊角

一般，钻进塑性软岩时，以切削破碎为主，镶焊角φ取正值，即正斜镶，此时切削角α即小于90o。钻进脆性硬岩时，以压裂压碎的破碎为主，镶焊角φ可取负值，即负斜镶，此时切削角α大于90。钻进中硬岩石时，镶焊角φ取0值，即直镶，此时切削角α=90o。

4、切削具排列布置

切削具排列布置可采用密集排列或均匀排列。不管采用什么排列方式，都应当遵循以下原则：

①切削具必须充满钻孔环状破碎带，不能留有空白，并且最好有一定的重叠系数。这样可保证个别崩刃或磨损后钻头不丧失钻进能力。

②最好让每颗切削具破碎岩石工作量相同，即做到等磨损。这样可使每颗切削具都充分发挥作用，避免钻头早期损坏。

③切削具或切削具组之间应当留有足够间隙，便于排出岩粉，避免重复破碎。

④前切削具为后切削具创造更多的自由面，有利于碎岩。自由面可解除岩石的多向应力状态，使岩石容易破碎。

5、切削具数量

应当说，在一个破碎环槽宽度上的切削具越多越好。机械钻速与切削具组数有下列关系式：

v=h*q*n

v—机械钻速；h—切入深度；q—切削具组数；n—钻头转速。

但是，切削具数量受钻头直径和钻头能够得到的钻压的限制，不能随意地多，但一般最少不得少于4组。

4、钻头的水口、水槽

水口是冲洗液在钻头底部的通道，它直接影响钻头的冷却和岩粉的排除。关于水口，有以下几个原则：

①水口的位置：为及时冷却钻头和排除岩粉，水口应当尽量靠近切削具。

②水口的数量：要做到第①条，显然水口的数量应当与切削具组数相等。

③水口的面积：钻头底面上的水口作为孔内冲洗液循环系统的一部分，其总面积应当等于或大于内环间隙过水面积及外环间隙过水面积，这样，才能使钻头底面的水力损失不会增大。但是，水口太大了也不好，如果水口过水流速太低，不利于将破碎下来的岩屑冲洗干净。

④水口的形状：按照水力学的观点，水口面积确定以后，水口的高度应当是越低越好。三角形、梯形水口要好于矩形水口，因为它们上小下大，可以让水口上部的流道阻力增大，从而保证下部的出水量。

水槽可布置在钻头体的外表面或内表面上，用于弥补外环或内环过流面积的不足。水槽必须与水口连接。倾斜形或螺旋形水槽要好于直线形水槽。

各类地层钻进特性及典型硬合金钻头举例

1、松软及软地层

岩层举例：腐植土，次生土，砂土，黄土，粘土，风化变质的页岩，泥灰岩，烟煤等等。一般钻孔在上部覆盖层最先钻遇的就是这类地层。

地层描述：完整或较完整，弱研磨性，可钻性1~3级。

钻进特性：硬度低，钻速快，岩粉多，遇水易膨胀，对切削具磨损小。所以，需（a） (b)

图5-7 薄片硬合金钻头图5-8 八角柱状硬合金钻头

图5-9自磨式针状硬合金钻头

要钻头底出刃大，切入深；内外出刃大，环状间隙大，好排粉；切削具数量不要多，并且锋利一些好。

典型钻头举例：图5-7a 、b 。这两种钻头均采用薄片硬合金，大出刃、大水口。不同仅在于单片切削具的布置方向不同。

2、中硬及硬地层

岩层举例：页岩，泥质板岩，石灰岩，无烟煤等等。一般沉积岩地层钻遇的差不多就是这类地层。

地层描述：完整或较完整，中等研磨性，可钻性4~7级。

钻进特性：岩石脆，硬度中等，钻速较快，岩粉不多，对切削具磨损较大。所以，需要钻头底出刃不大，切入不深；内外出刃不大，环状间隙对排粉要求不高；切削具数量要多，并且有掏槽作用好一些。

典型钻头举例：图5-8。这种钻头采用柱状小八角硬合金，能承受较大钻压；出刃和水口不大，单双间隔排列，前后掏槽。

3、研磨性强和裂隙发育的硬地层

岩层举例：硅质石灰岩，千枚岩，辉长岩，长石石英砂岩，角

砾岩，微风化花岗岩等等。一般在基岩段常常钻遇这类地层。

地层描述：破碎，强研磨性，可钻性6~8级。

钻进特性：岩石硬、脆、碎，钻速低，对切削具磨损严重。对

这类地层最好采用自磨式钻头。

典型钻头举例：图5-9。这种钻头采用针状合金，胎块抗弯强

度大，不会崩刃，切削具可自磨出刃。

5.3.3.1.2钻具 为保证取心质量，宜采用双层岩心管取心钻具。如地层较完整，可选用双动双管取心钻具；如果地层破碎，必须采用单动双管钻具。

为预防钻孔孔斜，钻具的长度宜长一些，一般不要短于5米。并且，钻具的异径接头处最好增加大直径的扶正器。

关于取心钻具的详细内容，请参见5.4.3 取心器具及其使用工艺。

5.3.3.1.3钻孔冲洗

1、钻孔冲洗介质的类型

根据地层条件和施工环境条件，钻孔冲洗介质可选用液体或气体。用于勘察孔、检测孔、排水孔、注浆孔等钻孔的施工，最好采用液体冲洗介质；用于锚固孔、微型桩孔的施工，最好采用纯空气冲洗介质。

2、钻孔冲洗方式

钻孔冲洗方式是指冲洗介质在钻孔中的循环方式，目前可用三种：全孔正循环洗孔、全孔反循环洗孔和孔底反循环洗孔（局部反循环洗孔）。对单钻进系统，宜采用全孔正循环和孔底反循环（局部反循环）方式；对双钻进系统，宜采用全孔反循环方式。

3、冲洗液

冲洗液最好采用无固相泥浆（有机高分子聚合物钻进液）或清水。无固相泥浆是将可溶性的或者液态的有机高分子聚合物与水搅拌，配制成以水为分散介质的分散体系。由于有机高分子聚合物的分子量大，并且多是长链状的，它们的活性官能团可以吸附水和固体颗粒，并且通过长链分子之间的桥联作用，能组成网状结构来包围自由水，所以在钻进中具有较好的冷却钻头，清洗、携带和悬浮岩粉，保护孔壁及岩心以及润滑钻具的功能。

目前常用的有机高分子聚合物有：聚丙烯酰胺，聚苯乙烯，生物聚合物，野生植物胶，等等。

5.3.3.1.4钻进规程

钻进规程是钻探技术的重要组成部分，正确确定了工艺、选择了设备，还必须有正确的规程参数才能取得良好的效率与质量。由于回转钻进主要采用硬合金钻进，所以其规程也应主要参照硬合金钻进规程执行。

1、钻压P

钻压是破碎岩石的必要条件，要获得好的钻速，钻压至少要达到所钻进岩石发生体积破碎所需压力。确定钻压规程参数的方法是：

①首先确定单颗切削具所需压力p。具体方法是查阅有关资料的推荐值。

②根据单颗切削具所需压力和钻头上的切削具数量计算确定钻头所需总钻压值。计算公式：P=pm，p—单颗切削具所需压力；m—钻头切削具总数。由于推荐的p一般是一个范围值，求出来的总钻压P也是一个取值区间。

③对计算出来的总钻压P的取值区间，根据钻进地层情况、设备器具条件、钻孔条件和钻孔质量要求，调整选取合理总钻压值。

例如，根据钻进地层情况调整选取总钻压值的方法是：地层软，取低值；地层硬，

取高值；地层破碎，取低值；地层完整，取高值；研磨性弱，取低值；研磨性强，取高值；易斜地层，取低值；非易斜地层，取高值；等等。

根据设备器具条件调整总钻压值的方法是：设备能力强、钻杆质量好，取高值；设备能力弱、钻杆质量差，取低值。

根据钻孔条件调整总钻压值的方法是：钻孔直径大，取低值；钻孔直径小，取高值。钻孔浅，取高值；钻孔深，取低值，等等。

2、转速n

理论计算，机械钻速V机与转速n有如下关系式：

V机=60nmh

式中：m—钻头切削具总数；h—切入深度。

但是，实际钻进经验和实验室研究表明：对于不同岩石，都有一个最优的极限转速值，随着转速逐渐增高，机械钻速也随之增高，转速超过一定极限后，机械钻速不但不再增高，反而很快下降。

硬合金钻进中，确定转速规程参数的方法是：

①首先确定切削具的线速度v。具体方法是查阅有关资料的推荐值。

②根据切削具的线速度和钻头直径计算确定钻头所需转速。

计算公式：n=60v

D

转/分；

式中：v—线速度，m/s；

D—钻头直径，毫米。

由于推荐的v值一般是一个范围值，求出来的转速n 也是一个取值区间。

③对计算出来的转速n的取值区间，根据钻进地层情况、设备器具条件、钻孔条件和钻孔质量要求等，调整选取合理转速n值。

例如，根据钻进地层情况调整选取合理转速n值的方法是：地层软，取高值；地层硬，取低值；地层破碎，取低值；地层完整，取高值；研磨性弱，取高值；研磨性强，取低值；等等。

根据设备器具条件调整转速n值的方法是：设备能力强、钻杆质量好，取高值；设备能力弱、钻杆质量差，取低值。

根据钻孔条件调整转速n值的方法是：钻孔直径大，取低值；钻孔直径小，取高值。钻孔浅，取高值；钻孔深，取低值。因为孔深以后，钻进效率取决于钻头进尺寿命，转