巖石工程長尺寸鉆孔偏斜控制技術(shù)的研究及應用

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(1.武警水電第三總隊，成都 611135；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

黃島國家石油儲備地下洞庫是我國首個地下水封油庫工程。其中位于油庫上方25 m的水幕巷道有5條，斷面尺寸(寬×高)為5 m×4.5 m的直墻圓拱形。垂直水幕巷道軸線方向每隔10 m共布設水幕孔529個，其孔深分別為5，44.4，90.25，105.4 m，水幕孔總延米數(shù)共計49 505 m。為了滿足建成后的水封油庫在水幕設施啟動后，能使儲油洞庫上方和周邊圍巖處于穩(wěn)定的水壓中，該工程要求水幕孔的方位角偏差不大于2°，孔斜向下偏差小于孔深的5%，以保證水封油庫的儲油質(zhì)量和效率，因此，水幕孔的成孔精度是直接影響水封油庫使用效果的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

此外，眾所周知，在我國土木、水利和建筑工程中，巖土錨固已發(fā)展成為一個影響力大、應用面廣的重大巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。長尺寸的預應力錨桿在各類巖土工程中的應用尤為普遍，在巖土錨固工程中，如何有效控制鉆孔偏斜，提高成孔精度，避免相鄰鉆桿的交叉碰撞帶來鉆桿損傷或由于群錨效應而造成鉆桿有效承載力的缺失，一直是困擾巖土工程界的突出難題[2-3]。

基于以上情況，無論從滿足黃島水封油庫建設工程的需要，還是從促進巖土錨固工程技術(shù)進步的角度來說，開展長尺寸鉆孔偏斜控制方法的研究都是十分必要的。為此，在黃島石油儲備地下洞庫工程指揮部組織領(lǐng)導下，中國安能建設總公司、長江水利委員會長江科學院等單位組成課題組，以黃島水封油庫水幕系統(tǒng)工程為試驗現(xiàn)場，對鉆孔深度為45～105 m的造孔偏斜控制技術(shù)進行了較系統(tǒng)深入的研究，獲得了良好效果，滿足了黃島水封油庫工程的使用要求，鉆孔精度達到了國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

2 國內(nèi)外巖土工程鉆孔偏斜控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

鑒于巖土預應力錨桿偏斜精度對于巖土錨固工程的整體力學效應和使用效果有重大影響，國內(nèi)外相關(guān)工程技術(shù)規(guī)范對鉆孔偏斜的允許值均提出了明確要求：

美國后張預應力混凝土協(xié)會(PTI)主編的《巖土預應力錨桿指南》[4]規(guī)定，錨桿孔入口端與預定方位的偏差不應大于±2°。英國BSI制訂的《巖土錨桿的實踐規(guī)范》[5]規(guī)定，錨桿鉆孔在任意方向最大偏差角應不大于2.5°，或偏斜量不大于鉆孔長度的1/30。日本建筑學會制訂的《巖土錨桿設計施工規(guī)程(指南)》[6]規(guī)定，錨桿鉆孔方向的允許偏差為±2°。國際預應力混凝土協(xié)會(FIP)編制的巖土錨桿規(guī)范[7]規(guī)定：鉆孔入口點與錨桿軸線的傾角的允許偏差應不大于±2.5°；鉆孔在任何長度上偏離軸線的允許偏差應不大于鉆孔長度的1/30。我國國標《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》(GB50086—2001)[8]規(guī)定：預應力錨桿的鉆孔方位與錨桿設計預定方位的偏差不應大于3°。

國內(nèi)近20 a來，長尺寸的預應力錨桿在邊坡、大型地下洞室中的應用日益普遍，工程建設對深鉆孔的偏斜控制技術(shù)要求日益突出，在這方面，尤以水利水電系統(tǒng)取得的技術(shù)進步較為顯著。如三峽永久船閘高邊坡錨固工程，長35～45 m對穿錨的鉆孔在任意方位的偏斜精度達到鉆孔長度的1%(優(yōu)良)和2%(合格)，長度為40～60 m的端頭錨的鉆孔偏斜精度為鉆孔長度的2%[9]；中國水電1478聯(lián)營體在廣西龍灘電站地下廠房長17.50～42.75 m的對穿錨鉆孔施工中，取得了鉆孔偏斜精度0.8%的好成績[10]。

3 長尺寸鉆孔偏斜控制方法及其分析

如何才能有效控制巖石工程長尺寸鉆孔鉆進過程中的偏斜？課題組在認真分析影響鉆孔偏斜主要因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合水幕工程實踐，通過工程開工前以及施工中的反復試驗、分析和改進，建立了一套較完整的能有效控制鉆孔偏斜的綜合方法，其技術(shù)要點有如下幾點。

3.1 選擇穩(wěn)定性好、有利于導向的鉆孔機械

鉆孔機械的穩(wěn)定性與成孔精度密切相關(guān)，采取以下措施增加鉆孔機械穩(wěn)定性：采用履帶式行走加大鉆機自重，鉆進前采用油缸支撐的方式將鉆機與洞壁圍巖固定，在鉆機上增設調(diào)平裝置。

3.2 合理配置鉆具

針對巖層條件、鉆孔直徑和深度，能否合理配置鉆具(包括鉆具扶正器、鉆桿、沖擊器和鉆頭、定心器)，對控制造孔過程中的偏斜率有重要影響。

3.2.1 鉆具扶正器

針對直徑120 mm的鉆孔，采用直徑110 mm、耐磨性高的扶正器，其中在鉆孔至距孔口1.0 m左右，將一個扶正器置于緊鄰沖擊器的后端，當鉆孔深度大于20 m時，將另一個扶正器置于離前一扶正器6～7 m的鉆桿上，利用支點糾偏原理，導正鉆具鉆進，并抑制鉆桿的彎曲變形。

3.2.2 鉆 桿

采用長度1.5 m、壁厚8.0 mm、直徑89 mm的鉆桿，這種鉆桿剛度大，可減小長鉆桿的彎曲變形，并能承受較大的扭矩。

3.2.3 沖擊器

選用?98 mm中風壓氣動沖擊器和?115 mm中風壓凹心潛孔錘鉆頭，沖擊器外徑98 mm，長120 cm，長徑比12∶1；凹心潛孔錘鉆頭具有頂錐導向作用。

3.2.4 定心器

利用最初鉆進的5～6 m段鉆孔的穩(wěn)定精度，形成導向孔，放入定心器，利用氣壓將定心器頂緊，使之與孔壁緊密結(jié)合，鉆桿通過定心器中心滑移鉆進；定心器自身長度2 m，當鉆桿通過定心器向前推進超過2 m后，定心器泄壓，并自動向前滑移至鉆頭附近，然后再次通過氣壓降定心器與孔壁頂緊，以達到使鉆桿定心的目的，繼續(xù)鉆進；如此循環(huán)往復。

圖1 定心器原理圖

3.3 做好鉆機固定及鉆孔傾角、方位角的定向

(1) 嚴格控制測量放樣，精度應達到mm級。

(2) 采用巖石錨固、油缸支撐等措施，將鉆機牢固固定在巖石上，鉆機在工作振動時，不得發(fā)生位移。

(3) 鉆機就位固定后，將孔位點和后視點人工連線，通過微調(diào)液壓桿，使該線與鉆桿軸線重合，并采用全站儀檢查校核，按設計要求調(diào)整好傾角與方位角。

3.4 根據(jù)巖層條件變化，適時調(diào)整鉆進工藝參數(shù)

鉆孔采用水平導向鉆進，使用潛孔反循環(huán)施工工藝，分段精確測量，通過施工過程控制，保證鉆孔精度。

本工程巖層條件為較堅硬的花崗巖，為了兼顧既有利于控制鉆孔傾斜，又有利于提高鉆進效率，鉆孔一般宜采用鉆壓6～10 kN、鉆具鉆速為30 r/min、風壓為0.9～1.1 MPa、風量為15 m3/min鉆進；但當巖層條件變化，特別是由硬巖向軟巖變化時，應減壓、減速，并采用小推進力鉆進；當遇裂隙發(fā)育的富水帶巖層，以低壓、低鉆速和高推進力鉆進；當遇有斷層破碎帶，以低壓、高鉆速和高推進力鉆進。

3.5 測斜緊跟鉆進，及時掌握鉆孔偏斜狀況

在鉆孔鉆進過程中，當鉆至5，10，20，30，40，50，60，80，100 m及孔底時，采用測斜儀進行鉆孔偏斜測定。若在終孔前的過程中，測得的成孔精度已接近于設計要求的偏斜率時，則要調(diào)整相關(guān)鉆進參數(shù)；若測得的鉆孔精度不滿足設計要求，則立即封孔、重新開孔。

3.6 采用高清鉆孔成像技術(shù)，掌握孔內(nèi)巖石結(jié)構(gòu)及巖性狀況

終孔后，采用鉆孔電視成像，清晰掌握鉆孔長度范圍內(nèi)不同區(qū)段的巖石結(jié)構(gòu)及巖性狀況。據(jù)此，與鉆孔內(nèi)各區(qū)段鉆進時所采用的鉆壓、鉆速、推進力等工藝參數(shù)對照，以進一步優(yōu)化鉆進工藝參數(shù)。

4 長尺寸鉆孔偏斜控制水平的新突破

在水幕孔施工前和施工中，通過對長尺寸鉆孔偏斜控制技術(shù)的試驗研究，遵循“試驗→分析→改進、再試驗→再分析→再改進”的技術(shù)路線，使鉆孔精度逐步提高，最終實現(xiàn)了長尺寸鉆孔偏斜控制水平的新突破。

4.1 垂直偏斜

依據(jù)測斜結(jié)果，對每一個鉆孔都繪制了如圖2所示的水幕孔垂直偏斜量隨孔深的變化關(guān)系曲線，每一個孔的曲線都是在孔深約20 m段上翹，然后隨著孔深增加，鉆頭在自重作用下下垂，鉆孔的垂直偏斜量由向上偏斜逐漸變?yōu)橄蛳缕保蚁蛳缕狈戎饾u加大。

圖2 C108水幕孔垂直偏斜量隨孔深變化曲線

偏斜量除以對應位置的孔深，然后取絕對值，即為偏斜率。依據(jù)測斜結(jié)果，計算出了每個孔在孔深20，40，60，80 m和孔底處的偏斜量和偏斜率。

分區(qū)間對水幕孔在不同深度的偏斜量和偏斜率進行統(tǒng)計。劃分為6個區(qū)間，分別為：1#，2#，3#，4#，5#廊道水幕孔及增補水幕孔。對于每個區(qū)間的水幕孔，分別進行統(tǒng)計并得到孔深20，40，60，80 m、以及到孔底時，偏斜量的統(tǒng)計直方圖和偏斜率的累計概率分布曲線。圖3為1#水幕廊道中的水幕孔在孔底時的垂直偏斜量和偏斜率的統(tǒng)計結(jié)果。

圖3 1#水幕廊道中的水幕孔在孔底時的垂直偏斜量和偏斜率統(tǒng)計結(jié)果

依據(jù)偏斜率的累計概率分布曲線，可以得到不同累計概率對應的界限值。表1給出了各個區(qū)間的水幕孔在鉆至不同孔深時，累計概率50%和75%所對應的偏斜率界限值。依據(jù)表1中的統(tǒng)計結(jié)果可以評價水幕孔的垂直偏斜精度。

表1的統(tǒng)計結(jié)果表明，青島油庫水幕孔的垂直偏斜可以達到如下精度：

(1) 長20 m鉆孔的偏斜率可控制在0.45%的范圍內(nèi)。當鉆孔深度到達20 m，絕大部分鉆孔的偏斜率均小于0.45%。本工程超過75%的水幕孔在鉆進至20 m深度時，其傾斜率都能保持這一精度。與國內(nèi)外同等長度水平鉆孔的偏斜控制精度相比，該鉆孔偏斜精度達到了國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

表1 不同累計概率對應的垂直偏斜率

(2) 長40 m鉆孔的偏斜率可總體控制在0.9%的范圍內(nèi)。在1#，2#，3#廊道鉆孔時，75%以上的鉆孔在孔深40 m時的垂直偏斜率都控制在1.2%以內(nèi)；經(jīng)過鉆孔工藝的進一步改進，鉆孔精度可進一步提高；4#，5#廊道水幕孔及增補鉆孔，有75%以上的鉆孔在孔深40 m時的偏斜率都能控制在0.9%以內(nèi)。該鉆孔偏斜精度同樣達到國內(nèi)外相同長度鉆孔偏斜控制的領(lǐng)先水平。

(3) 長60 m鉆孔的偏斜率總體控制在2%以內(nèi)。在1#，2#，3#廊道鉆孔時，75%以上的鉆孔在孔深60 m時的垂直偏斜率都控制在2.4%以內(nèi)；4#，5#廊道中的鉆孔及增補鉆孔，有75%以上在孔深60 m時的偏斜率都能控制在2%以內(nèi)。該偏斜率超過了三峽永久船閘高邊坡錨固工程對端頭錨鉆孔偏斜率的要求，也不遜于國際上同等長度鉆孔偏斜控制的先進水平。

表2 部分水幕孔在不同孔深處方位角實測結(jié)果

(4) 長80 m鉆孔的偏斜率總體控制在3%以內(nèi)。在1#，2#，3#廊道鉆孔時，75%以上的鉆孔在孔深80 m時的垂直偏斜率都控制在3.5%以內(nèi)；4#，5#廊道中的鉆孔及增補鉆孔，有75%以上在孔深80 m時的偏斜率都能控制在3%以內(nèi)。該鉆孔偏斜率滿足黃島水封油庫工程對水幕孔偏斜的控制精度要求。由于未見國內(nèi)外相近長度的水平鉆孔偏斜的報道，因而暫時無法對本課題長度為80 m左右的水平孔鉆孔偏斜率的先進水平做出確切評價。

(5) 長95.5～105.5 m鉆孔的偏斜率總體控制在4%以內(nèi)。鉆孔長度對鉆孔偏斜率有重要影響，當鉆孔長度大于60 m，則鉆孔偏斜率有明顯上升的趨勢；當鉆孔長度達95.5～105.5 m時，多數(shù)鉆孔偏斜率在3.5%左右，有75%以上的鉆孔的偏斜率能控制在4%以內(nèi)。該鉆孔偏斜率也滿足黃島水封油庫工程對水幕孔偏斜的控制精度要求。同樣由于未見國內(nèi)外相近長度的水平鉆孔偏斜的報道，因而暫時無法對本課題長度為100 m左右的水平孔鉆孔偏斜率的先進水平做出確切評估。

4.2 水平偏斜

水平偏斜由于不受鉆頭和鉆桿自重影響，帶有更大的隨機性，而不是像垂直偏斜那樣具有明顯的趨勢性和規(guī)律性。表2中給出了部分水幕孔在不同孔深處方位角的實測結(jié)果，從表中可以看出，隨孔深增加，方位角總體是在最初設定的初始方位角的基礎(chǔ)上左右波動，而且波動幅度普遍小于2°。

圖4 部分水幕孔在水平面上的實際投影圖

依據(jù)方位角的實測結(jié)果，可以繪制各水幕孔在平面投影圖上的實際延伸情況，圖4給出了1#水幕廊道內(nèi)部分水幕孔在水平面上的實際投影圖，如圖中的粗黑線所示，可以看出，水幕孔的水平偏斜量很小，能夠達到黃島水封油庫工程對水幕孔水平偏斜的控制精度要求。

5 結(jié) 論

長尺寸鉆孔偏斜控制技術(shù)是從設備(包括輔助設備)、放樣到方案優(yōu)化、監(jiān)控量測(高清成像)到糾偏(垂直和水平2個方向)全過程的控制。長尺寸鉆孔偏斜控制對巖土錨固、地下水封油庫水幕系統(tǒng)工程等都具有非常顯著的意義。通過研究，取得了以下認識：

(1) 根據(jù)黃島水封油庫儲油功能的要求，所開展的油庫工程水幕系統(tǒng)長尺寸水幕孔偏斜控制技術(shù)試驗研究工作取得了豐碩成果，建立了一套較完整且能有效控制鉆孔偏斜的綜合方法，提高了長尺寸鉆孔的造孔精度，圓滿地解決了黃島水封油庫工程建設中的一大關(guān)鍵技術(shù)難題。長20，40 m的鉆孔偏斜率總體分別可控制在0.45%，0.9%以內(nèi)，達到了國際領(lǐng)先水平；長60 m鉆孔的偏斜率可總體控制在2%以內(nèi)，達到國際先進水平；長80，100 m鉆孔的偏斜率總體分別控制在3%，4%以內(nèi)。研究成果對顯著提高我國工程建設中廣為采用的巖土錨固工程質(zhì)量、充分發(fā)揮預應力錨桿群的力學作用、進一步保障我國各類巖土錨固工程的安全性也具有重大作用。

(2) 黃島水封油庫工程控制鉆孔偏斜的試驗研究和工程實踐表明：長尺寸鉆孔偏斜控制必須貫徹于鉆孔施工的每一個環(huán)節(jié)。采用導向性好的鉆機；選用剛度大的鉆桿；合理配置鉆桿扶正器；牢固固定鉆機；精心測量放樣，做好鉆孔傾角與方位角的定向；根據(jù)巖層條件變化，適時地調(diào)整鉆進工藝參數(shù)；測斜緊跟鉆進，及時掌握鉆孔偏斜信息和實施鉆孔電視成像等一整套綜合方法是有效控制長尺寸鉆孔偏斜、顯著提高鉆孔精度的基本保證。

(3) 鑒于長度60 m以上鉆孔的偏斜率仍然較大，對超過長60 m鉆孔的偏斜控制需要繼續(xù)深入研究；后階段工作中，建議通過采用本項目研究中提出的定心器等技術(shù)、設備，以及其它綜合糾偏方法，進一步提高60 m以上長尺寸鉆孔的偏斜精度，使其達到國際領(lǐng)先水平。

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