基巖大口徑垂直鉆孔施工實(shí)踐

趙國富

1 工程概況

該工程位于江南某小鎮(zhèn)的崇山峻嶺之中,是某重點(diǎn)工程的配套工程,工程施工條件艱苦,到現(xiàn)場(chǎng)的路只有一條盤山的羊腸小道,較大或較笨重的設(shè)備難以進(jìn)入。由于沒有勘察資料,該工程的地質(zhì)情況只能以現(xiàn)場(chǎng)巖石的裸露部分和巷道內(nèi)開鑿的部分巖體為依據(jù),經(jīng)查看,鉆孔部位初步確定為以細(xì)粒砂巖為主夾有少量泥巖的巖體,地表表面有少量的風(fēng)化、剝蝕,巷道內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)致密、新鮮。

2 工程技術(shù)要求

工程要求從指定的地表孔位向下鉆一鉆孔,無需采心,靶心位于隱蔽洞室中一個(gè)支巷道的頂端,孔深約 48 m,成孔后,全孔下入 ?380 mm鋼管 48.20 m,再在鋼管內(nèi)下入 ?350 mm的 PVC管 48.20 m,并且,鋼管的外側(cè)與孔壁以及鋼管內(nèi)壁與 PVC管外壁之間的環(huán)狀間隙全部用水泥漿液充填固井,鋼管和PVC管要求高出地表 150 mm,鋼管的外側(cè)與地表接觸處焊接一塊直徑 500 mm的圓環(huán)鋼板。

3 施工難點(diǎn)

該工程的技術(shù)要求看似簡(jiǎn)單,但仔細(xì)分析,卻是要在基巖中打一個(gè)高精度的垂直鉆孔的過程。經(jīng)綜合分析,有以下技術(shù)難點(diǎn)。

(1)垂直度要求高。因成孔后全孔要下入?380 mm的鋼管,鋼管壁厚 5 mm,剛性好,若鉆孔稍有彎曲,鋼管就下不到位,達(dá)不到施工目的。

(2)孔徑大。因要下入 ?380 mm的鋼管和用水泥漿液固井,因此,在鉆孔絕對(duì)垂直的情況下,孔徑最小不能小于 400 mm。

(3)全孔基巖鉆進(jìn)。因全孔在基巖中鉆進(jìn),鉆進(jìn)參數(shù)的選擇要求較高。

(4)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)難,設(shè)備能力受限。因較大型的設(shè)備進(jìn)入不了現(xiàn)場(chǎng),小型設(shè)備功率小,所以,在鉆進(jìn)工藝的選擇上,只能選擇功耗較低的鉆粒鉆進(jìn)工藝,該工藝易產(chǎn)生“順坡溜”的現(xiàn)象,對(duì)預(yù)防孔斜不利。

(5)孔數(shù)少,單價(jià)低。鉆孔數(shù)量只有一個(gè),并且單價(jià)不高,若新購置適合本鉆孔的鉆具級(jí)配已不可能。只能用現(xiàn)有的 ?50mm鎖扣鉆桿和現(xiàn)有的管材,對(duì)鉆頭和鉆具進(jìn)行加工,所以,鉆具級(jí)配欠合理。此外現(xiàn)場(chǎng)無適合大口徑施工的測(cè)斜監(jiān)測(cè)儀器,難以監(jiān)測(cè)孔斜。

(6)鋼管焊接垂直度要求高。鋼管在下放的過程中,管與管的焊接垂直度要高,否則無法正常下入。

4 應(yīng)對(duì)難點(diǎn)采取的技術(shù)措施

根據(jù)施工難點(diǎn)的分析,我們知道,該工程的關(guān)鍵是保證施工鉆孔的垂直,防止孔斜。而要保證鉆孔的垂直,就要克服以上施工難點(diǎn)中可能造成孔斜的不利因素。為此,我們采取了以下幾項(xiàng)技術(shù)措施。

(1)提高全員的防斜意識(shí),嚴(yán)格按照各工藝的操作規(guī)程進(jìn)行操作,杜絕僥幸心理。

(2)采用先鉆一個(gè)小徑導(dǎo)向孔的方法,只要小徑導(dǎo)向孔相對(duì)垂直,再根據(jù)垂直誤差值設(shè)計(jì)加工具有導(dǎo)向性能的大口徑擴(kuò)孔鉆頭,使大口徑的鉆孔始終沿著小徑導(dǎo)向孔的軌跡鉆進(jìn),從而確保所施工的大口徑鉆孔也相對(duì)垂直,達(dá)到順利下放大直徑鋼管的目的。同時(shí),由于現(xiàn)場(chǎng)沒有適合大口徑的測(cè)斜儀器,還可通過對(duì)小徑導(dǎo)向孔的監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑鉆孔的孔斜監(jiān)測(cè)。

(3)由于鉆具級(jí)配不合理,使用的是 ?50 mm鎖扣鉆桿,在正常鉆進(jìn)時(shí)鉆桿在孔內(nèi)易產(chǎn)生彎曲,為此,我們采取在鉆桿柱上加放活導(dǎo)向器的方法,使鉆桿柱在孔內(nèi)正常鉆進(jìn)時(shí)保持相對(duì)的垂直。

(4)為保證小徑導(dǎo)向孔的垂直,在施工小徑導(dǎo)向孔時(shí),采用級(jí)配合理的金剛石鉆進(jìn)工藝。

5 施工工藝

5.1 施工前的準(zhǔn)備

(1)針對(duì)該工程,我們選擇用 GXY-200型立軸式鉆機(jī)和BW-200型往復(fù)式泥漿泵,配 12 kW發(fā)電機(jī)組、電 (氧)焊設(shè)備、小口徑測(cè)斜儀和精微儀各一臺(tái)套。

(2)平整一塊 3 m×4.5 m的場(chǎng)地作為機(jī)場(chǎng),鉆機(jī)組裝就位后,用水平尺對(duì)其進(jìn)行找平,將鉆機(jī)底座的四角用錨桿固定,底座與地面的脫空區(qū)用水泥砂漿糊實(shí),并在底座上堆放一定數(shù)量的砂包,以增強(qiáng)底座的穩(wěn)定性。

(3)立塔后,用精微儀校正立軸使其與天車、孔口中心鉛直。

5.2 鉆垂直小口徑導(dǎo)向孔

因開孔即為基巖,所以,孔身結(jié)構(gòu)定為一級(jí),即?75 mm的鉆孔一徑到底。工藝采用金剛石鉆進(jìn)工藝和操作規(guī)程,鉆具級(jí)配用 ?75 mm的電鍍金剛石鉆頭和單、雙管鉆具,鉆具的長(zhǎng)度由 0.5 m逐步加長(zhǎng)至 4.5 m,長(zhǎng)鉆具對(duì)防止孔斜有一定的作用。鉆桿用 ?50 mm鎖扣鉆桿,因鉆孔孔徑是 75 mm,而鎖接手的外徑是 65 mm,孔壁與鎖接手之間的環(huán)狀間隙僅為 5 mm,減小了鉆具的擺動(dòng)和鉆桿的彎曲。循環(huán)沖洗液使用清水,添加劑為葵脂酸鈉。

鉆進(jìn)參數(shù)的選擇:轉(zhuǎn)速 550～830 r/min,泵量 40～65 L/min,鉆壓 4～5 MPa。

鉆孔的監(jiān)測(cè):為確保小口徑鉆孔的垂直,孔深在0～20 m區(qū)間每鉆進(jìn) 5 m進(jìn)行一次測(cè)斜,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)采取措施;20 m以后,每鉆進(jìn) 10 m進(jìn)行一次測(cè)斜,同時(shí),在每次上鉆時(shí),都要認(rèn)真仔細(xì)地檢查鉆頭、鉆具和鉆桿的磨損情況,并及時(shí)更換鉆頭、鉆具和鉆桿。

通過施工,小徑導(dǎo)向孔成功地鉆至靶心區(qū)域。從孔口用十字架吊入一鉛錘,經(jīng)測(cè)量,鉆孔軸線僅偏離鉛垂線 15 mm,完全能滿足下一步大口徑孔的施工導(dǎo)向之要求,達(dá)到了施工垂直導(dǎo)向孔之目的。

5.3 鉆垂直大口徑鉆孔

5.3.1 孔徑的確定

由技術(shù)要求和勘察資料得知,下入的鋼管直徑為 380 mm,小孔的中心與垂線偏差為 15 mm,同時(shí),又考慮鋼管的電焊連接時(shí)垂直度的誤差,所以,由計(jì)算得知,孔徑最小不能小于 410 mm。由于采用的是鉆粒鉆進(jìn)工藝,預(yù)計(jì)最終成孔口徑可達(dá) 410～420 mm。

5.3.2 鉆頭和活導(dǎo)向器的加工及安放

因大徑鉆孔的施工其實(shí)是沿小徑導(dǎo)向孔擴(kuò)孔的過程,所以,鉆頭加工成具有超前導(dǎo)向的錐式四翼刮刀鉆頭,鉆頭直徑為 410 mm,用直徑 380 mm的沉管樁管作鉆具,鉆具的長(zhǎng)度由 0.5 m逐步加長(zhǎng)至

4.5 m。

(1)活導(dǎo)向器的加工。材料用 ?380 mm的樁管把直徑加大到 410 mm,中間加工一軸承盒,放入6211軸承封閉,軸承盒與導(dǎo)向環(huán)之間用直徑 35 mm的鋼筋焊接,由于有軸承,而鉆桿是穿過軸承的內(nèi)孔,可實(shí)現(xiàn)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)向器外環(huán)不轉(zhuǎn)動(dòng)的單動(dòng)效果,更好地起到導(dǎo)正的作用。

(2)活導(dǎo)向器的安放,在要安放孔段,將鉆桿的鎖接手卸下,把鉆桿穿過導(dǎo)向器軸承盒的內(nèi)孔,再在軸承盒的底部鉆桿上用直徑 8 mm的鋼筋焊一個(gè)箍,來調(diào)整導(dǎo)向器的定位。

在施工中,無論是鉆頭還是鉆具及活導(dǎo)向器,每遍鉆都要進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)地檢查,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理,絕不能湊合。經(jīng)計(jì)算和綜合分析,全孔只要安放 2個(gè)活導(dǎo)向器即可,分別安放在 15 m和 25～30 m的位置。

5.3.3 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

先將小徑導(dǎo)向孔的底部用木塞楔死,再從孔口向孔內(nèi)投入黃土把小徑導(dǎo)向孔填平,以防鉆粒過多地沉入導(dǎo)向孔,造成不必要的浪費(fèi)和影響導(dǎo)向。開始鉆進(jìn)時(shí),鉆頭主要是以底出刃來刻取巖層,此時(shí),應(yīng)輕壓、慢轉(zhuǎn)、大水量,當(dāng)整個(gè)翼片鉆入地層后,向孔內(nèi)投放 20 kg鉆粒,繼續(xù)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)參數(shù)的選擇上,前 5 m主要以輕壓、慢轉(zhuǎn)、小水量為主,5 m之后主要以自重或減壓,慢轉(zhuǎn)、大水量為主。因?yàn)榻?jīng)計(jì)算,鉆具總重 (鉆頭 +鉆具 +變徑接頭 +鉆桿)從 5、10、20、30、40、48 m時(shí)分別約為 500、530、590、650、710、760 kg。所以,鉆壓在前 30 m,以自重為主,30 m以后,以減壓鉆進(jìn)為主,只要始終保持鉆頭底壓力在 650 kg左右即可。轉(zhuǎn)速控制在 150 r/min左右,水量均以大水量 65 L/min,因?yàn)榭趶奖容^大,小的泵量不利于巖粉的上返和對(duì)鉆頭的冷卻。5.3.4 孔斜的監(jiān)測(cè)

因無大口孔徑測(cè)斜的儀器和設(shè)備,所以,對(duì)大口徑孔的監(jiān)測(cè)主要是通過檢查小徑導(dǎo)向孔是否偏斜來實(shí)現(xiàn)。檢查的方法是:將大口徑鉆具提離孔口后,孔深在 10 m之內(nèi)時(shí),把孔內(nèi)的水抽干,用強(qiáng)光手電和鉛錘來觀測(cè);當(dāng)孔深時(shí),可用透孔法,即把孔內(nèi)的鉆粒撈取干凈后,用直徑 75 mm的鉆具帶舊的硬質(zhì)合金鉆頭去透孔 2～3 m,若無阻力,鉆進(jìn)速度極快,說明小徑導(dǎo)向孔沒有偏斜?？仔钡谋O(jiān)測(cè)可適時(shí)進(jìn)行,如在換鉆粒時(shí),尤其是 12.8～22.5 m孔段的監(jiān)測(cè)必不可少,因?yàn)樵摽锥斡幸还栀|(zhì)砂巖層和硅質(zhì)脈的造斜構(gòu)造。

通過以上技術(shù)措施,大口徑鉆孔始終沿著小徑導(dǎo)向孔的軌跡鉆進(jìn),成孔的鉆孔完全符合技術(shù)要求,成功地完成了基巖中大口徑鉆孔的施工。

6 下放鋼管、PVC管 (固管)

6.1 下管前的準(zhǔn)備工作

在下放 ?380 mm鋼管之前,先用 BW-200型水泵抽清水對(duì)孔壁進(jìn)行清洗,在巷道內(nèi)觀察,直到清洗水不混濁時(shí)停止,接著,在孔口兩邊,用水泥砂漿和枕木對(duì)稱地砌 2個(gè)平臺(tái),要求 2個(gè)平臺(tái)在一個(gè)水平面上,以作下放鋼管時(shí)的支撐和焊接之用,同時(shí),還要檢查升降系統(tǒng)是否安全可靠,操作性能是否靈活,以確保安全可靠。

6.2 ?380 mm鋼管下放

鋼管的長(zhǎng)度每根為 4 m,下放前,先在鋼管的一端用氧焊對(duì)稱地割 2個(gè)直徑 60 mm的圓孔,用直徑50 mm的圓鋼穿過,用鋼絲繩吊住圓鋼緩慢地向孔內(nèi)下放至孔口支撐平臺(tái)上,再吊起第二根鋼管并與座在平臺(tái)上的第一根鋼管垂直對(duì)接,用電焊焊牢。吊起兩根鋼管后,抽去穿過第一根鋼管上的圓鋼,將第一根鋼管上的對(duì)稱圓孔用電焊封死,如此反復(fù)操作,直至把鋼管全部下完。由于下放孔內(nèi)的鋼管總質(zhì)量約 2.4 t,為確保安全,鋼管的底部直接坐在巷道的地面上,同時(shí),把鋼管外壁與鉆孔壁底部的 20 mm高的環(huán)狀間隙塞死,以防固管時(shí)漿液的泄漏。

6.3 固管

固管用 P.O32.5普通硅酸鹽水泥,水灰比為 1,將水泥漿液沿鋼管外壁緩緩倒入環(huán)狀間隙內(nèi)至孔口,24 h后再補(bǔ)充一次,然后,在孔口將外徑 500 mm、內(nèi)徑 380 mm的圓環(huán)狀鋼板與鋼管焊接,此時(shí),便可卸去吊放的鋼絲繩,對(duì)在巷道內(nèi)超出的鋼管用氧焊實(shí)施切割。至此,鋼管的下放與固管便結(jié)束。

6.4 ?350 mmPVC管的下放

雖然 PVC管較輕,但從孔口下放不好固定,而巷道內(nèi)有 2.5 m的凈空高度,所以,采用從孔底的巷道內(nèi)向上提拉來安放。首先,在第一根 PVC管的管頭,用快干膠粘接一個(gè)變徑接頭,把吊放的鋼絲繩穿進(jìn)去,并鎖死,然后,用強(qiáng)力快干膠把接箍和 PVC管逐根粘接提拉上去,同樣,PVC管的底部坐在巷道的地面上,把鋼管的內(nèi)徑與 PVC管外徑之間底部 20 mm高的環(huán)狀間隙塞死,用同上相同的水泥漿液固管,待水泥漿液終凝后,割去巷道內(nèi)超出的部分,并修整孔口的鋼管和 PVC管,使其達(dá)到高出地表150mm的要求。

到此,整個(gè)工程施工全部完成。經(jīng)甲方驗(yàn)收,完全符合工程技術(shù)要求。

7 結(jié)語

該工程是在條件受限的情況下通過對(duì)施工難點(diǎn)的分析和采取先施工小徑導(dǎo)向孔、加放活導(dǎo)向器等有效的技術(shù)措施,克服了施工中可能造成孔斜的不利因素,并通過對(duì)小徑導(dǎo)向孔的監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑鉆孔的監(jiān)測(cè),保證了鉆孔的垂直,減少了施工成本,取得了較好的效益。

[1] 武漢地質(zhì)學(xué)院,中南礦冶學(xué)院,成都地質(zhì)學(xué)院,等.巖心鉆探設(shè)備及設(shè)計(jì)原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1980.

[2] 武漢地質(zhì)學(xué)院,中南礦冶學(xué)院,成都地質(zhì)學(xué)院,等.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1980.

[3] 屈龍良.基巖中高精度鉆孔施工技術(shù)[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2006,33(6):53-56.