深厚覆蓋層松散巖體快速成孔施工技術研究

謝朝宗

【摘要】深厚覆蓋層松散巖體快速成孔技術是水電工程邊坡治理、河床基礎防滲以及公路、鐵路、橋梁乃至民用建筑的基礎及邊坡處理的一個難題。若按以前的傳統(tǒng)施工方式，不但難以達到設計深度，影響施工質(zhì)量，同時給工程后期運行帶來安全隱患。為此，通過深厚覆蓋層松散巖體快速成孔技術的研究，針對不同的地層情況采用了不同的造孔工藝，在確保施工質(zhì)量的前提下，提高工程施工進度，保證工程的安全穩(wěn)定，避免工程運行期內(nèi)出現(xiàn)不安全因素。該技術的應用為今后類似工程的施工開辟了新的途徑，保證工程質(zhì)量，減少工程投資，減低有效工期，保護生態(tài)環(huán)境等。

【關鍵詞】深厚覆蓋層；松散巖體；快速成孔；施工技術

【Abstract】The rapid formation of loose rock mass with deep overburden is a difficult problem for slope treatment of hydropower projects， foundation seepage prevention of hydropower projects， as well as foundation and slope treatment of roads， railways， bridges and even civil buildings. If according to the previous traditional construction methods， not only difficult to achieve the design depth， affecting the construction quality， at the same time to the late operation of the project brings security risks. Therefore， through the study of rapid formation of loose rock mass in deep overburden， different pore-forming techniques are applied to different formation conditions. Under the premise of ensuring the construction quality， the progress of construction is improved and the safety and stability of the project are avoided. In the project operation period， there are unsafe factors. The application of this technology has opened up new avenues for the construction of similar projects in the future， guaranteed the quality of projects， reduced the investment in projects， reduced the effective construction period， and protected the ecological environment.

【Key words】Deep overburden；Loose rock mass；Rapid hole formation；Construction technology

1.引言

（1）目前，我國的基礎設施建設主要集中在西部地區(qū)，其中水電、高速公路、高速鐵路等建設進入新的歷史時期。在水電、公路及鐵路等基礎設施建設時，高邊坡處理、河床防滲處理、基礎處理等不可避免地遇到深厚覆蓋層松散巖體。如何在深厚覆蓋層松散巖體施工時快速成孔將直接影響整個工程的進度甚至工程的成敗。因此在進行上述工程施工時，如何快速成孔后進行下一工序的施工至關重要。以往常用的辦法是地質(zhì)鉆機造孔、注漿保護然后2次甚至多次掃孔后成孔，部分采用偏心跟管鉆進。由于受摩擦阻力的影響較大，深厚地層難以達到設計深度，而注漿保護所需工期太長，對工程進度、效益等都不利。

（2）中國水利水電第九工程局有限公司通過黃金坪水電站導流（兼泄洪）洞出口圍堰防滲、錦屏一級水電站圍堰、枕頭壩水電站圍堰、江坪河水電站邊坡錨固、居甫渡水電站邊坡錨固、貴陽市紅星利爾廣場邊坡處理等工程的施工實施，對深厚覆蓋層松散巖體快速成孔技術進行系統(tǒng)研究，成功解決了天然堆積（沉積）、崩塌堆積、地殼抬升等形成的深厚覆蓋巖體的鉆孔成孔問題，針對不同的地層情況采用不同的造孔工藝，確保后續(xù)工程施工及整體施工進度，取得較好的施工經(jīng)驗。

2. 創(chuàng)新點與難點

2.1創(chuàng)新點。

（1）深厚覆蓋層松散巖體造孔成孔技術創(chuàng)新。鉆孔時采用孔底潛孔錘、套管跟進護壁，一次性鉆到設計孔深，成孔率達到100%?？咨钚∮?5 m 時成孔速度為15～20 m/h，孔深為25～45 m時成孔速度為10～15 m/h，孔深大于45 m時成孔速度為5～10 m/h。如果采用傳統(tǒng)鉆孔工藝，成孔速度將降低70%以上，同時難以鉆進深度25 m以上的地層，因而提高了造孔速度，降低了成本，確保了工期和成孔安全。

（2）利用跟管、多管沖擊鉆進的施工工藝代替回轉(zhuǎn)鉆進的施工土藝，有效解決了地質(zhì)鉆機回轉(zhuǎn)鉆進速度慢、易塌孔、成孔率低、頻繁重復鉆孔的難題。地質(zhì)鉆機鉆進該類地層，受設備影響，造孔速度緩慢，同時為解決塌孔問題，提高鉆孔成孔率，常采用預灌漿處理；等灌漿待凝后再進行下一深度的施工。從而導致成孔速度十分緩慢，成孔深度受到限制；同時由于預灌漿時的壓力控制問題，常常導致后期灌漿的擴散以及連接效果，形成漏灌、搭接不到位等滲透部位，給防滲效果造成直接影響。endprint

（3）由于地質(zhì)鉆機回轉(zhuǎn)鉆進需要進行護壁處理，且待凝后再進行下一工序的施工，勢必造成設備資源的閑置或頻繁移動，同時2次到位時，由于鉆孔角度的誤差，導致鉆孔的2次塌孔。而利用孔底潛孔錘、套管跟進護壁、雙層或3層套管跟進技術，也解決了深孔鉆進的實際問題。

（4）對于邊坡工程，由于鉆孔角度較大，且絕大部分孔為近水平孔，如果采用地質(zhì)鉆機造孔，在待凝期間將無法移動設備，因此造成設備使用率低下，增減施工成本。而利用“深厚覆蓋層松散巖體快速成孔技術”，有效地解決了邊坡鉆孔困難的問題。

（5）對不同地層采用不同的鉆孔施工工藝。a.無大塊石、覆蓋層埋深較淺的地層，直接使用孔底潛孔錘偏心跟管鉆進，該方法鉆進速度快、成孔率高，成本低。b.有大塊石、覆蓋層埋深較淺的地層，采用孔底潛孔錘同心跟管鉆進。該方法鉆進速度較偏心跟管快、成孔率高，但跟進的同心擴孔套不能2次利用，增加了1個同心套的成本費用。c.無大塊石、埋深很深的地層，采用偏心跟管鉆進，達到35m后，利用小一級的套管下入孔內(nèi)，換小一級的鉆頭繼續(xù)跟管鉆進至設計孔深后，拔出外層套管，從而減少地層對套管的摩擦阻力，增加造孔深度和鉆進速度。該方法確保了成孔深度，且成孔速度快，成孔率高，但下置內(nèi)層套管時需做好安全防護措施。d.地層深度大于35 m且大塊石含量很多的地層，采用偏心、同心及雙層（或3層）套管跟進護壁的施工工藝。該方法造孔速度快、成孔率高，淺孔部分采用偏心鉆進，深孔后下設內(nèi)層套管并采用同心鉆進的施工工藝。

2.2難點。

（1）有的鉆孔在不同埋深都會遇到大塊石或大孤石，則相應增加了鉆孔難度，會造成成孔功效降低，鉆具材料大量磨損消耗。

（2）覆蓋層較深且設計鉆孔深度也深，跟管鉆進時，由于護壁套管與孔壁的摩擦阻力加大，也會造成成孔功效降低，鉆具材料大量磨損消耗。同時，對護壁套管的材質(zhì)也提出更高的要求，必須使用更高強度的合金鋼套管，才能避免套管或管靴打斷，從而造成孔內(nèi)事故，鉆孔報廢。

3. 工藝原理

3.1潛孔錘跟管鉆進系統(tǒng)。

（1）潛孔錘偏心跟管鉆進系統(tǒng)主要由潛孔沖擊器、

偏心跟管鉆具、管靴、套管等構成，見圖1。

潛孔錘同心跟管鉆進系統(tǒng)主要由潛孔沖擊器、

同心跟管鉆具、管靴、套管、同心擴孔套等

構成，見圖2。

（2）在潛孔錘跟管鉆進系統(tǒng)中，無論是哪種跟管

鉆具都是通過跟管鉆具鉆進時鉆出大于套管外徑

的孔，并當鉆進至預定地層，可將跟管鉆具收斂，

使跟管鉆具的最大外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，

從而取出跟管鉆具，套管則留在地層內(nèi)保護孔壁。

3.2偏心跟管鉆進工作原理。

（1）單偏心3件套潛孔錘偏心跟管鉆具工作時，

由鉆機提供回轉(zhuǎn)扭矩及推進動力。正常鉆進時，

由空壓機提供的壓縮空氣經(jīng)鉆機、鉆桿進人潛孔

沖擊器使其工作，沖擊器的活塞沖擊跟管鉆具的

導正器，導正器將沖擊波和鉆壓傳遞給偏心鉆頭

和中心鉆頭，破碎孔底巖石。同時，鉆機帶動鉆

桿回轉(zhuǎn)，鉆桿將回轉(zhuǎn)扭矩傳遞給沖擊器，并由沖

擊器通過花鍵帶動跟管鉆具的導正器轉(zhuǎn)動，導正

器上有偏心軸，導正器轉(zhuǎn)動時偏心鉆頭張開，并

在開啟到設計位置后被限位，使中心鉆頭、偏心

鉆頭同時隨導正器旋轉(zhuǎn)。偏心鉆頭鉆出的孔徑大

于套管的最大外徑，使套管不受孔底巖石的阻礙

而跟進。套管外壁的摩擦阻力超過套管的重力時，

內(nèi)層跟管鉆具繼續(xù)向前破碎巖石，直到與導正器

上的凸肩接觸，此時，導正器將鉆壓和沖擊波部

分傳給套管靴，迫使套管靴帶動套管與鉆具同步跟進，保護已鉆孔段的孔壁。導正器表面有吹巖屑的氣孔，也有使孔底巖屑能夠排出的氣槽。大部分壓縮空氣經(jīng)沖擊器作功后通過導正器中心孔、偏心鉆頭和中心鉆頭達到孔底，沖刷已被破碎或松散的孔底巖石、冷卻鉆頭，并攜帶巖粉經(jīng)中心鉆頭、導正器的排粉槽進人套管與沖擊器、鉆桿的環(huán)狀空間，被高速上返的氣流或泡沫排出孔外。

（2）正常鉆進時，導正器表面的氣孔被套管靴內(nèi)壁封閉，使絕大部分空氣進人鉆頭工作區(qū)，對鉆頭進行冷卻和清洗孔底。

（3）提鉆吹孔時，只要導正器表面的孔露出套管靴，解除封閉狀態(tài)，大量空氣將通過此2孔進人套管，對套管內(nèi)巖屑進行強吹。當鉆進工作告一段落，需將鉆具提出時，可慢速反轉(zhuǎn)鉆具，偏心鉆頭又依靠慣性力和摩擦力收回，整套鉆頭的外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，即可將鉆具提出到配接鉆桿和套管的位置或鉆具提出孔外，套管留在孔內(nèi)護壁。

3.3同心跟管鉆進工作原理。

（1）同心跟管鉆進與偏心跟管鉆進的區(qū)別在于利用同心擴孔套代替了偏心塊，即在套管底部用同心潛孔錘掛上同心擴孔套，鉆出的孔徑大于套管的最大外徑，使套管不受孔底巖石的阻礙而跟進。當鉆進達到設計孔深，需將鉆具提出時，可慢速反轉(zhuǎn)鉆具，同心擴孔套回脫，整套鉆頭的外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，即可將鉆具提出到配接鉆桿和套管的位置或鉆具提出孔外，套管留在孔內(nèi)護壁，同心擴孔套也遺留在鉆孔中，不用回收。

（2）同心跟管鉆進由于是通過同心擴孔套進行擴孔，減少了鉆進時的偏心力，減小了對孔壁的摩擦阻力，對鉆進遇大塊石或大孤石時更容易穿過，因此，深孔造孔成孔率更高。但每個鉆孔都需要消耗1個同心擴孔套。

4. 施工工藝流程及操作要點

4.1主要施工工藝流程。

深厚覆蓋層松散巖體快速成孔技術從施工技術角度對成孔技術進行了有效的創(chuàng)新，利用跟管、多管沖擊鉆進的施工工藝代替回轉(zhuǎn)鉆進的施工工藝，有效解決了塌孔的問題；利用該技術進行造孔，其顯著特點就是成孔率高、鉆進速度快、工期可靠性高，且完成的工程產(chǎn)品質(zhì)量可靠，施工安全。雙層套管風動潛孔錘跟管鉆進工藝流程見圖3。endprint

4.2操作要點。

（1）潛孔錘跟管鉆具使用過程中要嚴格遵守操作

規(guī)程，才能取得較好效果。如每次鉆孔前，須逐一

檢查跟管鉆具、潛孔錘、套管、套管靴等連接是否

牢固、可靠，以“低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、高上返氣速”

為原則。鉆進過程中，應注意觀察套管的跟進情況

及孔內(nèi)排粉、排渣情況，并每鉆進1段距離應該強

吹排粉，以保持孔內(nèi)清潔。吹孔時，鉆具向上提動

距離要嚴加控制。

（2）鉆機操作人員必須經(jīng)過現(xiàn)場培訓合格后，才

能獨立操作鉆機。對不同的跟管鉆進工藝要注意操

作上的細節(jié)差異，如進行同心跟管鉆進時，由于必

須1次性鉆到設計孔深，中途不能起下鉆，在未達

設計孔深時，不能返轉(zhuǎn)回脫孔底擴孔套，否則，將

造成孔內(nèi)事故及鉆孔報廢。

（3）在以沖擊為主的潛孔錘跟管鉆進工藝中，鉆

壓是一個很重要的參數(shù)。對鉆具鉆壓來講，當保持

足夠鉆壓時，可防止鉆具在沖擊時反彈，使鉆具緊

密地與孔底巖石接觸，對傳遞沖擊功、提高破碎效

率是十分重要的。實踐證明，在一定范圍內(nèi)，隨著

鉆具鉆壓增大，機械鉆速隨之增高，但過大的鉆具

鉆壓不僅會使鉆頭沖擊刃齒過快磨損，而且容易產(chǎn)

生事故。據(jù)實驗和生產(chǎn)總結(jié)，用于鉆進的鉆壓以每

厘米鉆頭直徑0. 5～0. 9 KN為宜。

（4）潛孔錘跟管鉆具分低氣壓（1. 8 MPa以下）和中高氣壓（1. 8～2. 5 MPa ） 2種，主要取決于配套使用的潛孔沖擊器。可根據(jù)地層情況和鉆孔設計選用，在鉆具的鋼度和韌性能滿足要求的情況下，建議使用中高風壓跟管鉆具，其工效更高，成孔深度更大，成孔保障率更高，是跟管鉆進的發(fā)展趨勢。

（5）有的鉆孔在不同埋深都會遇到大塊石或大孤石，則相應增加了鉆孔難度，會造成成孔功效降低，鉆具材料大量磨損消耗。對不同地層采用不同的鉆孔施工工藝，則能取得較好的鉆孔成孔效果。

（6）對覆蓋層較深且設計深度也深的鉆孔，跟管鉆進時，由于護壁套管與孔壁的摩擦阻力加大，也會造成成孔功效降低，鉆具材料大量磨損消耗。同時，對護壁套管的材質(zhì)也提出更高的要求，必須使用更高強度的合金鋼套管，才能避免套管或管靴打斷，從而造成孔內(nèi)事故，鉆孔報廢。

5. 工程實例

（1）河床沉積地層處理技術研究應用。以黃金坪水電站圍堰防滲施工為例，該電站導流（兼泄洪）洞工程最高點為泄洪洞引渠底板高程1417. 00 m，最低點為閘室底板高程1390 m，其出口地層為大渡河自然沉積物，無膠結(jié)狀，含粉細砂、大孤石等，埋深達80 m以上。對圍堰防滲處理時，通過滲流計算，采用懸掛式灌漿工藝進行處理，成孔技術改為同心跟管鉆進，使成孔速度比以往偏心鉆進得到較大提高。其他如枕頭壩圍堰、錦屏一級電站圍堰采用該成孔技術也使成孔速度得到較大提高。

（2）邊坡覆蓋層處理技術研究應用。以江坪河水電站邊坡錨固為例，該工程主要是邊坡錨索，但邊坡主要為深厚松散覆蓋巖體，錨索施工時最初采用錨固鉆機進行風動造孔，經(jīng)常產(chǎn)生塌孔造成埋鉆等現(xiàn)象。后來采用偏心跟管鉆進但進尺緩慢，采用注漿成孔辦法雖能成孔，但成孔速度十分緩慢，根據(jù)當時的合同工期，不對施工工藝進行革新將無法滿足工期要求。對此，課題組通過對地層進行仔細分析后，大膽對原成孔技術進行改進，成孔技術改為同心跟管鉆進，造孔深度超過60 m，造孔功效大大提高，使工程圓滿結(jié)束。

6. 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)工程實際消耗情況，以某工程Φ146 mm孔徑鉆孔進行單價分析，深厚覆蓋層潛孔錘偏心跟管鉆進單價為255. 14元/m，潛孔錘同心跟管鉆進單價為282. 15元/m，地質(zhì)鉆機鉆進單價為429. 21元/m。從這3個單價來看，地質(zhì)鉆機造孔單價是潛孔錘偏心跟管鉆進單價的1. 68倍，是潛孔錘同心跟管鉆進單價的1. 52倍，還未考慮地質(zhì)鉆機護壁材料或進行灌漿處理的費用，因此，深厚覆蓋層潛孔跟管鉆孔費用遠低于地質(zhì)鉆機鉆孔費用。2種工藝相比，潛孔跟管鉆進比地質(zhì)鉆機鉆孔可節(jié)約工程投資20%以上。從造孔工效來看，潛孔跟管鉆進孔深小于25 m時鉆孔速度為15～20 m/h，孔深25～45 m時為10～15 m/h，孔深大于45 m時為5～10 m/h，而地質(zhì)鉆機鉆孔平均速度為2～5 m/h，因此，潛孔跟管鉆進速度是地質(zhì)鉆機鉆進速度的2. 5倍以上。

7. 結(jié)束語

（1）通過深厚覆蓋層松散巖體快速成孔技術的研究和應用，產(chǎn)生較大的直接效益與間接效益。如黃金坪水電站導流（兼泄洪）洞出口圍堰、錦屏一級水電站圍堰、枕頭壩水電站圍堰、江坪河水電站邊坡錨固工程等，通過此技術的研究使用，加快了施工進度，保證了工程質(zhì)量，降低了施工成本，取得了一定的經(jīng)濟效益和社會效益，如期完成合同目標，得到業(yè)主、監(jiān)理等的好評。

（2）對深厚覆蓋層松散巖體快速成孔施工形成了一整套完整的施工工藝參數(shù)，對比了不同鉆孔工藝及相適應的地層條件，達到了預期目標，為以后類似工程推廣應用提供了依據(jù)。

（3）潛孔錘跟管鉆進技術可以解決我國目前地質(zhì)災害、水電建設、城市高層建筑地基處理、高邊坡永久支護、公路、鐵路建設工程等領域以前不能解決的大部分復雜地層鉆進難題。

（4）隨著我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，對潛孔錘跟隨管鉆進技術提出了更高的要求，特別是在防災減災、搶險工程中。雖然該技術在鉆孔精度、成孔率、效率、配套、規(guī)格等方面，還存在一些急待解決的問題，但是隨著科學的發(fā)展，加工、施工技術的提高，在不久的將來，潛孔錘跟管鉆進技術從設備、機具到施工技術等方面會更加完善，并全面滿足建設工程的需要。endprint