本文结合大量的工程实践，自主创新了一些大口径无循环钻进工艺措施，并就有关的理论性问题进行了研究： 一、分析研究了特殊条件下大口径无循环钻进工艺的特点及存在的问题旋挖钻机整机现代化程度高、操作简便，行走移位方便，钻头定位、复位准确、方便，设备功率强大、成孔速度快、钻进效率高，而无循环钻进孔底渣沉成少、孔壁完整，成孔质量高，泥浆用量小、泥浆功能简单(护壁、后期清孔)，造浆成本低，废浆量小，钻渣比较完整、含水量小，排污量小、排污排废简易方便，环境污染小。该种设备产生的扭矩是常规工程钻机的5-10倍，纯钻进速度是传统的循环式工程钻机的8-12倍，因此旋挖钻机及工艺具有巨大的优势，尤其适合大口径条件下的钻进成孔和成桩。 二、分析了大口径、低转速条件下岩石破碎的有关问题以及截齿钻头破碎硬岩的机理，提出了岩石破碎的约束不完整假设，设计和验证了多钻头组合克服硬岩层的新工艺方法。 分析了大口径、低转速条件下岩石破碎的有关问题，指出：低转速不是大口径钻进破碎岩石的主要影响因素，岩石是否承受了足够的单位荷载，能不能达到体积破碎的状态才是问题的关键。传统正反循环钻机是用牙轮钻头和钻具配重的方法提高岩石破碎能力的，尤其是解决坚硬岩石的快速破碎。但是由于设计的复杂性，旋挖钻机一般不宜采用牙轮钻头的方式。所以目前技术条件下解决旋挖钻机(大口径、低转速)克服硬岩层的主要途径是： ①使用机锁式钻杆，在确保钻杆安全的前提下，增加钻压； ②适当增加钻头重量； ③设计可以有效集中钻压于轴向的钻头，采取抗研磨的钻齿形式，并使用高强度抗研磨的钻齿材料； ④钻头应具有一定的收集、携带钻屑的功能。 论文分析了截齿钻头破碎硬岩的机理，研究表明：截齿齿体与岩石接触部分呈高抛物线状，具有很好的抗研磨性；截齿齿体在齿座内可以自由转动，在钻头旋转过程中，可快速调整到使钻压集中到轴向上的状态；截齿破碎岩石时属于典型的球式压入，符合硬岩压入阻力最小化的原则，同时可以在齿周围较大的岩石范围内压出较长、较多的裂隙；截齿镶嵌保留了一定的倾角，在钻头回转时又可将前端的一部分岩石崩离岩体。 研究分析了约束不完整条件下岩石破碎的有关问题。本文将与半无限体有关的约束定义为轴向约束，将孔底平整(钻齿下岩石平整)即半无限体的状态定义为轴向极限约束；将与孔壁有关的约束定义为切向约束，将孔底岩石与孔壁岩石连接完整的状态定义为切向极限约束；将轴向约束、切向约束同时处于极限状态的情形定义为约束完整；将轴向约束、切向约束都不处于极限状态或某一种约束不处于极限状态的情形定义为约束不完整。研究发现在约束不完整情况下岩石的破碎比较容易，单位岩石所需要的破碎功小。因此在钻头及工艺设计上，人为地制造约束不完整的情况是正确和有效的思路。尤其对于硬岩，减少约束的完整程度，将减少单元岩石破碎所需要的弹性变形过程，大大提高破碎效率。对于大口径钻进来说，由于孔底面积巨大，比之小口径钻进，更容易设计出造成被破碎岩石受约束不完整的情形。 论文在上述研究的基础上，设计了螺旋钻头和筒式钻头组合的无循环钻进新工艺方法，并应用于工程实践，获得很大成功。该组合工艺包括：螺旋钻头破碎孔底中间部分岩石、筒式旋挖钻头切修孔壁的方法和筒式环状钻头切割周边岩石、螺旋钻头破碎中间部分岩石的方法。两种方法均造成了孔底岩石的约束不完整状态，极大地提高了对硬岩地层的钻进效率。 内蒙古蒙华海电三期2×300MW机组主厂房桩基工程，很好地验证了所提出的岩石破碎的约束不完整假设和设计的多钻头组合工艺新方法。通过使用上述多钻头组合工艺，生产单位顺利实现了在共计1100m弱风化硬岩层中的高效钻进，取得了巨大的经济效益。 三、分析了易坍塌、涌砂地层不稳定性及孔壁失稳的有关问题，推导了孔内压力平衡的计算公式，估算和评价了工程实际所需要的泥浆比重，对易坍塌、涌砂地层工艺方法的选择和埋钻事故处理方法进行了论述，设计和验证了一种新式埋钻事故处理工具。 易坍塌、涌砂地层从钻进工艺的角度看既有力学不稳定性也有遇水不稳定性，其孔壁失稳可能发生在钻头移动的瞬间，也可能发生在后续的钻进及其他工序过程中。由于钻头在切开地层和钻头壁通过该段地层的过程中已将孔壁上各单元内的应力做了调整，且地层掉块向地层一侧的边缘线是一条最弱粘接力线，故孔壁在钻头移动瞬间的坍塌与其力学不稳定性有关，孔壁在后续的钻进及其他工序过程中的坍塌主要与其遇水不稳定性有关。另外，涌砂和涌水量取决于承压水的压力与泥浆在涌砂、涌水处液柱产生压力的比值。 以“当沿孔壁向岩层内部任一单元其所受应力之和为零”为孔内压力平衡。研究表明：孔内压力有达到平衡的趋向，且必然要达到平衡。在大口径钻进易坍塌、涌砂地层的情况下，孔内压力是通过孔壁坍塌、涌砂来达到平衡的，其过程主要涉及承压水移动、钻头移动、钻具提放、泥浆成分作用于岩层及泥浆物理化学性能发生变化等。 论文就孔内压力平衡的计算公式进行了推导，估算与评价了工程实际所需要的泥浆比重，确认所计算出的“在易坍塌、涌砂地层中钻进时，孔内泥浆的比重应1.25g/cm3”的结果符合工程实践情况。同时也指出：很多易坍塌、涌砂地层，潜水水位较高，甚至含有破坏泥浆的物质，泥浆一旦因不循环而静滞在这些地层孔内的时间超过一定限度，则或稀释、或发生解析，因此，即使初始泥浆的比重达到了要求，在整个成孔过程中孔壁坍塌的风险始终存在。 按照所分析的易坍塌、涌砂地层对泥浆的要求，结合工程经验，本文从钻头、护筒、泥浆、钻压、回转速度、进尺等方面就该类地层工艺方法的选择进行了论述，给出了一套可行方案的技术参数。这些工艺的选择在大量工程中得到验证，其中最为典型的是呼和浩特金山电厂2×300MW机组厂房桩基础工程，通过采用所述工艺方法，生产单位实现了在共计26996m涌砂、易坍塌地层中的平稳钻进，取得了良好的经济效益。 论文就易坍塌、涌砂地层常见的埋钻事故的处理原则、处理方法和预防措施进行了论述，并设计了一种新式的埋钻事故处理工具，即用钢筋密排焊接而成的筒状冲击器。实践证明该工具设计合理有效。该工具在哈磴高速公路23标段复兴立交桥第0-4号孔埋钻事故处理中，成功地疏通了被塌落泥砂封闭的孔底与钻头上部泥浆通道，将钻头打捞了上来，避免了更大的经济损失。 四、论述了0℃以下按常规无循环工艺施工出现的问题，分析了季节性冻土的工程力学性质，提出了克服季节性冻土的改进性工艺措施，分析了温度下降对粘土-水分散体系吸附平衡和聚结稳定性的影响、膨润土泥浆在±0℃时的性能及其低温工作条件，提出了在低温时保持泥浆性能的改进性工艺措施，分析了铠式钻杆在0℃以下时的机械故障及防范措施。 通过对3个国家6种型号旋挖钻机在0℃以下施工情况的分析，发现了普通旋挖钻机工艺普遍存在的问题。 论述了季节性冻土较原土表现为硬度、强度的大幅提高的基本工程力学性质。冻土硬度、强度的提高与土层在低温条件下的重新“胶结”有关。对于旋挖钻进工艺而言，这种胶结提高了岩石的致密程度，增加了钻齿切入岩石的难度。同时，由于沉积地层中硅质砂的含量较高，胶结程度提高后，其研磨性也大幅提高。提出了将冻土视为坚硬岩层，采取相应措施的思路，和增加有效钻压(如加大绝对钻压、增大钻齿的镶焊倾角等)、提高钻齿的耐磨性(如改性钻齿材料、钝化钻齿形状)等克服季节性冻土的改进性工艺措施。实践证明截齿短螺旋钻头在破碎季节性冻土方面有较高的纯钻进效率。 研究发现：当温度自常温开始下降时，泥浆的粘度、比重也开始下降；当温度接近0℃并继续下降时，泥浆体系内离子交换运动的平衡向脱附方向移动，其粘度急剧下降，同时泥浆内颗粒快速聚沉比重急剧下降；当其温度接近0℃时，普通膨润土泥浆粘度小于16s、比重小于1.03g/cm3，处于非正常工作状态。因此，泥浆不可以在自身温度低于0℃的情况下工作，在不能保证粘度大于18s、比重大于1.05g/cm3时也不可以在接近0℃的低温情况下工作。在上述研究的基础上，论文结合大量实践提出了“适当提高泥浆的比重、粘度，添加适量纯碱(Na2CO3)和食盐(NaCL)，对泥浆池中泥浆升温和对孔内泥浆保温的维持膨润土泥浆低温条件下性能”改进性工艺措施。 对铠式钻杆在0℃以下的锁手冻结、档键不能正常工作和钻杆无法伸缩的问题进行了分析，结合实践提出了“减小回次进尺，适当加快提钻、下钻速度，加快甩土速度，在提钻和下钻时，对泥浆面以上的钻杆，喷淋高温水汽(t＞100℃)”防范性工艺措施。 以内蒙古地质工程总公司在包头东河热电厂2×300KW机组桩基础工程中连续100天0℃以下成功钻进的经验，例证了所提出的各种改进性工艺措施的有效性。该项工程的顺利施工不仅带来一定经济效益，产生了很大的社会影响，同时也具有较高的学术意义。