摘要：专用的长距水平钻机体积比较大。在巴基斯坦的水电工程中，因为受到施工场地的限制，所以无法使用这种专用的长距水平钻机。经过分析和试验，确定采用轻型普通钻机来进行水平定向钻探。为优化开挖断面、涵洞支护设计参数和施工方案提供了依据。

巴基斯坦的水电工程（简称 NJ 水电工程）处在巴基斯坦 Azad ＆(AJ＆K)州地区。该工程由一座大坝以及总长 28.5 千米的引水隧洞和地下厂房构成。厂房里布置了 4 台发电机组，总装机容量为 。因为发电厂房的垂直勘探孔布置数量较少，无法满足设计要求，所以需要补充水平勘探。专用的长距水平钻机体积较大，因受施工场地限制无法使用。在对水平勘探孔的可行性和经济性进行分析后，提出了对普通钻机加以改进的施工方案。该方案于 2009 年 11 月底开始实施，实施时间为 20 天。此工程区由砂岩、页岩、泥岩组成。项目要求把厂房布置在强度较高的砂岩内，为了查明工程地质和水文地质情况，同时优化厂房和隧洞的布置，在参照成熟的水平定向钻孔技术的基础上，进行了相关工作。

普通钻机的结构被进行了改进，钻具也被进行了改进，钻孔控制参数被进行了改进，钻探工艺被进行了改进，从而使水平孔深达到了 280 m。通过钻孔内的各项试验数据，基本查清了地下厂房和引水隧洞的地质情况，这为设计提供了可靠依据。依据取得的地质资料，将原设计的电站厂房位置向东平移了 150m，并且平面布置的角度也依据所勘探到的岩层分布情况，整体向西偏转 10°，这样就确保了厂房处于地质条件相对较好的位置，为电站安全运行和持续发挥效益奠定了基础。

以往类似的水利水电工程中，勘探孔大多是垂直钻孔。在石油、煤炭、交通等领域，水平钻孔技术得到了广泛应用。然而，在水利水电工程中，水平钻孔技术使用较少。NJ 水电工程的水平钻探实践，让轻型普通钻机能够进行水平定向钻探。为了实现水平钻探的目标，在以下两方面作出了改进和优化：一是给钻机加装了稳定装置，并对钻具进行了相关改进；二是确定了在不同岩层中的钻进参数。水平定向钻孔具有特定施工特点。分析了在岩层施工时，水平定向钻孔面临的复杂地质条件，以及钻孔轨迹难以控制、钻孔事故复杂等技术难点。总结了现场施工经验后，形成了适合水平定向钻孔施工的常用钻具组合。该组合成功完成了 NJ 水电工程项目的钻探施工，为优化开挖断面、涵洞支护设计参数和施工方案提供了依据。

1 钻机及钻具的改进

水平钻探施工在引水隧洞的电缆洞内展开。因为洞底部的浮渣厚度较大，若采用清理以及浇筑混凝土置换的方式，就会存在时间长和成本高这些缺点。常规的水平钻探是在隧洞内安放专用的长距离水平钻机，这种钻机体积较大并用于钻探。然而，NJ 水电工程因施工场地狭窄而无法安装钻机。为解决这一难题，经过对实施方案的比选分析，采用了 XY－2 轻型普通地质钻机进行施工。但在此之前，需要首先解决以下 3 个方面的问题：一是如何解决普通轻型地质钻机的稳定性；二是如何控制水平造孔的钻进参数，以确保造孔质量、岩芯采取率以及偏离公差都在设计允许的范围内；三是如何取得较准确的孔内各项试验数据［4］。为了解决上述问题，对普通钻机在6 个方面进行了改进。

1． 1 钻机稳定性的处理

钻机作业时需做到钻机稳固、周正且水平。各部的连接栓要加上垫子并紧固。钻孔中心与钻机立轴以及天车提引器的前沿必须处于同一条直线上。为此，加工了一种稳定装置，它适合普通钻机进行水平钻孔。这种稳定装置采用桁架结构，还加设了水平方向的专用龙门架。同时，结合钻机自身结构设置了卷扬机支撑架。将钻杆支撑架的前端固定在孔口部位的地锚上，后端与钻机相连接，从而形成整体稳定的结构。这样一来，不但能让钻机能水平钻孔，还可以满足 45°仰孔的钻孔作业。

1． 2 提引器的改进

普通钻机自配的提引器包含一个吊耳和一个锁定装置。其原理是借助提引器锁扣结构，通过接套来锁定钻杆和钻具的专用接头。利用钻杆和钻具自身的重量使其下入孔内［6］。因为水平钻进不能依靠自重原理，必须进行双向加力，所以设计出了专门的钻杆提引器和滑轮组，并且对钻杆装卸以及锁（卡）紧装置进行了改进，这样就有效解决了这个难题。这种专用提引器由两个吊耳、一个卡扣以及一个锁定杆构成。特制卡口选用的是锁定钻杆的垫叉卡口，它能够直接卡入钻杆接头的专用卡槽。在卡扣上设置了锁定杆，当卡口卡进接头的卡槽后，将锁定杆锁住，这样就能防止钻杆和钻具从卡扣中脱出。同时，还挂上了吊耳，借助滑轮组和钻机卷扬机来实施推进和拉入的双向加力控制。

1． 3 提引器取芯卡簧的改进

垂直孔钻探通常采用钻头设置卡簧的方式来取芯。然而，在水平钻孔中，却无法利用钻具自重实现单向自锁。基于此，设计了特殊的取芯卡簧。这种卡簧与普通卡簧在结构方面没有发生变化，只是在岩芯管的底部增添了限位装置。通过这样的设计，保证了岩芯采取率能够达到规定的标准。

1． 4 孔口装卸架的改进

垂直钻进时，通常在孔口埋设安装短小的钢管作为孔口管来进行孔口保护。这样做既可以保护孔口，防止杂物掉入孔内，又能作为钻杆和钻具的装卸支撑。水平钻进孔口的保护装置与垂直钻进的装置不一样。水平钻孔的钻杆、钻具装卸支架埋设了较长的钢制孔口管，同时结合埋设地锚的方式，以此来保证双向锁定垫叉能在规定范围内活动，进而能够保证水平钻杆和钻具的装卸工作顺利完成。

1． 5 扩孔装置的改进

增设扩孔装置，同时加长钻具，以此来保证钻孔质量和取芯质量。将普通的 2m 钻具延长到 4m，并且在连接处加装扩孔器，也就是从原来的 1 个扩孔器增加到 2 个或 3 个，这样可以稳定孔壁，降低在钻孔过程中出现堵塞或塌孔的概率。

1． 6 阻塞器的改进

为保证在孔内的任何指定试验段能够顺利开展压水试验以及孔内原位试验，从而获取准确的数据，需要利用阻塞器对试验段进行封闭。二是采用顶压式阻塞器，并在钻杆上安装膨胀胶球，利用钻机下钻的方式，将阻塞器下放到孔内指定的试验段。然后，利用钻机顶压钻杆，从底部反向对膨胀胶球加压，使胶球挤压膨胀，阻塞在孔壁之间，从而完成对试验段的封闭。

2 钻进参数的确定及控制

2． 1 钻进转速的确定

为保证水平钻孔能正常钻进，在钻孔操作时需根据岩性选择不同钻进转速。若遇较硬砂岩，应采用 114 r/min、180 r/min、248 r/min 等低速，且钻进立轴压力控制在 10 ～ 20 kN，冲洗液水量达到 100 L/min。若为较软砂岩，可适当提高转速至 248 r/min、310 r/min，钻进立轴压力在 15 ～ 20 kN 之间，冲洗液水量为 75 ～ 100 L/min。对于页岩和粉砂岩等软岩，采用 310 r/min、538 r/min 的转速，压力适当提高到 20 ～ 25 kN，冲洗液水量控制在 50 ～ 75 L/min［5］。

2． 2 孔斜度控制

水平定向钻孔对孔斜公差有较高要求。为保证水平钻孔的倾角在允许范围内，首先采取了埋设孔口导向管以及控制开孔孔向等措施。当钻进到大约 30 米时，将岩芯管加长，从之前的 2 米加长至 4 米，同时控制钻进转速和钻进立轴压力，以确保钻机能够水平稳定运转，从而控制钻孔公差。

2． 3 取芯控制

为保证取芯工作正常进行，自制专用取芯卡簧采集岩芯，此卡簧是在传统卡簧基础上制作的。在钻进过程中，依据经验始终保持钻机稳定，控制好钻进立轴压力，采用合理的冲洗液压入流量，最终使岩芯采取率达到了 92%。

3 钻探试验

3． 1 压水试验

进行试验段的原位压水试验时采用阻塞方式。试验使用了 3SNS 灌浆泵、ZSQ 系列气囊阻塞器以及 GJY-Ⅵ型自记仪等设备。压水试验采用五点法，其中压力有 0.、0.、1.0MPa、0. 和 0. 这些不同的数值。在每个压力条件下，需要在 5 分钟内每隔 1 分钟记录 1 次压入流量。并且每段试验至少要持续 5 分钟，同时试验时间不能超过规定的时长。在整个试验期间，每个压力段所需压力的精度需保持在 5%。总共完成了 28 段压水试验。

3. 在每个连续测试长度的钻孔完成之后进行压水测试。

段长划分情况如下：从孔深 50 米开始，每次划分的段次为 6 米；当孔深达到 200 米之后，从 200 米开始的 80 米，其划分的段次为 10 米。

冲孔：在钻孔之后且试验开始之前，要用干净且不含沉淀物的水，通过未推进的栓塞来冲洗钻屑，冲洗时间至少为 5 分钟，要一直冲洗到回流水变为清水为止。

最大透水率为 6.91 Lu，分布在 104 至 110 m 段。

3． 2 原位检测试验

进行孔内分段阻塞，接着检测孔内涌水量和涌水压力。一共检测出 9 处涌水点，其中在孔深 29.5 ～ 31.0m 处的涌水量最大，为 210L/min，最大涌水压力是 1.7MPa，高程为 612.3m。经计算得知地下水位高程在 782.3m，其在原位状态下渗透通道的渗透量为 210L/min。通过原位检测，准确地找到了涌水点的位置；通过原位试验，准确地预测了地下水文情况。

4 钻探结果检测

为检验水平钻孔误差能否满足设计要求，采用 DTC 小直径动力调谐陀螺钻孔测斜仪对钻孔进行测量。依据钻孔轨迹的精度要求所确定的测点间距，测量出这些特定点的轨迹参数。接着计算出钻孔实际的三维轨迹曲线，从而确定出钻孔的顶角和方位角。同时结合常规测量技术，测得钻孔的相应数据，如表 1 所示。从表 1 能够看出，各项指标的误差范围都被控制在了规定的范围之内，而且也达到了验收标准。

5 结语

水平定向钻孔技术在 NJ 水电工程中得到应用。此技术为修改设计方案提供了技术支撑，也为指导施工提供了帮助。并且在地下发电厂房、水工隧洞等工程中有着广阔的应用前景。该技术的优点包括功效高、成本低、安全性好、能收集多数据以及信息准确。该技术基于垂直勘探孔得以发展。它具备水平人工钻爆法的优点，既直观又快速，同时还具有勘探距离较长的优势，这使得普通轻型地质钻机能够进行较长距离的水平勘探。通过对轻型普通钻机的取芯、阻塞器、压水试验设备和自动记录仪等进行改进，就可以获取原位地质岩性数据、原位渗透系数以及芯样测试数据。施工过程中，钻机存在稳固问题，需改进支撑桁架。钻孔作业时，孔深增加，支撑受力增大，曾数次出现脱焊和松脱现象，所以还需进一步改进。