沖擊回轉鉆孔技術在帷幕灌漿工程中的應用

(中國水電基礎局有限公司,天津 301700)

灌漿工程中用來進行鉆孔的方法或機械很多，有回轉式、回轉沖擊式、沖擊式三大類。目前使用頻率最高的是回轉式鉆機，其次是回轉沖擊式鉆機，純沖擊式鉆機使用頻率很低[1]。回轉沖擊式鉆孔的效率要高于回轉式及其他方式。在烏干達伊辛巴水電站項目灌漿工程中，為提高鉆孔灌漿施工工效，利用可取芯的電動地質(zhì)回轉鉆機配置風動沖擊器鉆具進行沖擊回轉鉆孔,既不用在取芯鉆孔結束后更換沖擊鉆孔設備，又可以使鉆孔一次成孔而避免頻繁起下鉆。結合自下而上的灌漿方法，沖擊回轉鉆孔既提高了裂隙沖洗質(zhì)量，又減少了灌漿施工每段起下塞的次數(shù)，提高了工效。

1 工程概況

伊辛巴水電站項目位于烏干達南部，處于維多利亞湖和基奧加湖之間的丘陵區(qū)。電站樞紐建筑物主要由擋、泄水建筑物(土石壩、混凝土重力壩及溢洪道)，引水發(fā)電建筑物及開關站(河床式電站及相應建筑物)等組成。樞紐工程建筑物垂直河流呈折線段排列，沿壩軸線自左至右依次為左岸連接堤壩壩段、混凝土重力壩GD1、發(fā)電廠房、溢洪道SP1和SP2、混凝土重力壩GD2以及右岸連接土石壩段。本工程帷幕灌漿工程有混凝土重力壩、主副廠房及安裝間、溢洪道、左右岸連接土石壩段防滲墻下基礎帷幕灌漿等，帷幕灌漿工程量35241m,平均孔深25m。施工軸線總長1427m，單排，孔距2m，帷幕灌漿設計底線滲透率小于1Lu。帷幕灌漿計劃先進行左岸土石壩連接段施工，再進行攔水壩段廊道內(nèi)帷幕灌漿，最后進行右岸土石壩連接段的帷幕灌漿施工。

伊辛巴水電站項目壩址地表地形是一條寬闊的河流山谷，河流在山谷內(nèi)環(huán)繞一個中心島流過。河谷的寬度約800m。壩址區(qū)地層從上至下依次為覆蓋層、全風化巖石、強風化巖石和弱風化巖石。壩址地質(zhì)由花崗質(zhì)片麻巖組成，大約呈東北至西南走向，有角閃巖巖脊穿過整個壩址。角閃巖更耐風化并且在河岸內(nèi)側和中心島上突出形成巖脊，河道內(nèi)部較小島嶼和急灘也是由角閃巖脊組成。根據(jù)鉆孔壓水試驗結果，壩址區(qū)巖石的滲透率約為0～35Lu，孔內(nèi)地下水水位在6.1～12.2m左右。

2 沖擊回轉鉆孔

帷幕灌漿施工按照施工程序應分序加密進行，帷幕灌漿的先導孔及部分Ⅰ序孔要進行取芯鉆孔以判斷巖層的裂隙發(fā)育及破碎情況。取芯孔的鉆孔采用地質(zhì)回轉鉆機施工，鉆具為金剛石的取芯鉆頭配巖芯管。金剛石或合金鉆頭回轉鉆孔效率較低，尤其在硬巖中鉆進速度下降，鉆頭消耗較大，并且每一回次都要進行一次起下鉆，對不需要取芯的普通灌漿孔及自下而上的灌漿方法而言不是十分必要。為了在不更換取芯孔鉆孔鉆機的前提下，提高灌漿孔鉆孔效率，本工程采用XY-2型電動地質(zhì)回轉鉆機配套沖擊器進行沖擊回轉鉆孔施工。它的工作原理為：給鉆頭(即沖擊器所配釬頭)以沖擊力，并在兩次沖擊之間鉆頭旋轉一角度，使巖石呈粉粒脫落，達到全斷面鉆進的目的。沖擊器為風動式，由空壓機供風。沖擊回轉鉆孔對地層的適應性強，適用于除很軟地層以外的所有巖石。該鉆孔技術不但可用于固結灌漿鉆孔，還在深孔帷幕鉆孔中發(fā)揮了較高的鉆孔效率，不僅鉆進速度快，還避免了煩瑣起下鉆而一次成孔，尤其在十分堅硬的巖石中鉆進速度通常要高出回轉鉆機4～6倍，單機平均進尺可達4～5m/h。

2.1 鉆孔預埋管

為使沖擊回轉鉆進有良好的導向，同時避免直接鉆孔對灌漿蓋重內(nèi)鋼筋的破壞，在蓋重混凝土施工時，將直徑80mm的管預埋在混凝土中。預埋管要符合灌漿孔位、孔向要求，并與澆筑倉內(nèi)鋼筋固定在一起。

2.2 機械設備選用

本工程造孔所用的沖擊回轉鉆孔設備由地質(zhì)回轉鉆機配套沖擊器組成，即把巖芯鉆具更換成沖擊器，沖洗水換成高壓風。機械設備除了灌漿工程中常用的XY-2型地質(zhì)鉆機外，還有新型CIR系列潛孔沖擊器和ATLAS空壓機。

2.2.1 XY-2型地質(zhì)鉆機

XY-2型地質(zhì)鉆機，外形尺寸小，搬遷靈活，機重950kg，適用于金剛石和硬質(zhì)合金鉆進，鉆桿加卸方便并能保證成孔質(zhì)量。該設備屬于回轉式鉆機，鉆孔深度100～530m，鉆孔直徑56～320mm,轉速65～1172r/min，鉆孔傾角0°～90°。

2.2.2 CIR65A沖擊器

CIR65A沖擊器屬于新型CIR系列潛孔沖擊器，是單活塞、中心排氣結構，以壓縮空氣為動力，為防止粉塵污染，亦可在壓縮空氣中加入少量高壓水進行濕式鑿巖，效果更佳。該沖擊器中心排氣排渣效果好，避免了巖石的重復破碎；沖擊器帶有逆止閥裝置，地下水豐富時不影響鉆孔效率。

CIR65A沖擊器所配釬頭直徑68mm，鉆孔直徑68mm;用方接頭與鉆桿連接(外方特42×10×1.5)。主要技術參數(shù)見表1，結構見圖1。

表1 CIR65A沖擊器主要技術參數(shù)

圖1 CIR65A沖擊器結構

2.2.3 空壓機

本工程鉆孔供風空壓機使用ATLAS壓縮機，該壓縮機可以同時為6臺鉆機供風。其主要技術參數(shù)見表2。

表2 ATLAS COPCO壓縮機主要技術參數(shù)

2.3 沖擊回轉鉆孔施工

沖擊回轉鉆孔時應先給風沖孔后，再給壓沖擊、回轉，避免孔道或鉆具堵塞。在正常鉆進中，沖擊器應每工作200h進行一次檢查清洗和重新裝配，鉆有水孔或泥漿排渣時每100h進行一次。工作中經(jīng)常檢查空壓機的轉速及壓力，注意鉆機的轉速，避免孔故。鉆孔過程中始終保持孔內(nèi)無巖渣，必要時，停止鉆進，進行清孔強吹(沖擊器提離孔底152mm)。更換釬頭注意直徑變化，釬頭磨損孔未完成，不能換新釬頭，以免卡鉆。鉆孔過程中嚴禁反轉以防孔故。停止鉆進時先進行強吹，再停止供風。鉆孔進尺速度取決于鉆機的軸壓與轉速，可根據(jù)巖層具體情況調(diào)整。

鉆孔結束后，鉆具提離孔底20cm進行壓力風沖洗孔道，清理孔壁和裂隙內(nèi)填充巖粉，為下一步的灌漿做準備。這種壓力風在孔壁上形成負壓，能達到比壓力水更好的裂隙沖洗效果。

3 灌漿及效果

伊辛巴水電站帷幕灌漿除少數(shù)先導孔外均采用沖擊回轉鉆孔，鉆孔工效高，施工進度快。用壓力風進行灌前裂隙沖洗效果好，在鉆孔終孔后將沖擊器鉆具提離孔底一定距離，用壓力風將孔內(nèi)沉渣和巖粉吹出，同時會將孔壁裂隙中的松散填充物帶出，更有利于后續(xù)漿液的灌注質(zhì)量。因帷幕灌漿鉆孔一次成孔，后續(xù)灌漿工序更適合自下而上分段卡塞灌漿的工藝，這樣避免了灌漿施工每段起下塞的次數(shù)，提高了灌漿效率。本工程帷幕鉆孔深度為15～35m,根據(jù)透水率確定。帷幕灌漿第一段長度為3m，二段以下長度均為5m。灌漿壓力自上而下為0.3MPa、0.5MPa、1MPa，四段及以下均為1.5MPa。采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1六個比級的純水泥漿液由稀到濃灌注。

本工程帷幕灌漿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序平均單位注入灰量分別為75.4kg/m、48.7kg/m、32.10kg/m。21個檢查孔壓水試驗透水率均滿足防滲標準，末段透水率均小于1Lu，灌漿達到了設計質(zhì)量標準。

4 推廣與應用

在國內(nèi)，沖擊鉆孔或沖擊回轉的鉆孔方法過去多被用于深度較小的固結灌漿、回填灌漿、接觸灌漿等的鉆孔，在較深的帷幕灌漿中很少被采用。我國的水利水電行業(yè)灌漿規(guī)范中對帷幕灌漿孔的鉆孔方法也有這樣的規(guī)定：“當采用自上而下灌漿法、孔口封閉灌漿法時，宜采用回轉式鉆機和金剛石或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進；當采用自下而上灌漿法時，可采用回轉式鉆機或沖擊回轉式鉆機鉆進?！盵2]“應優(yōu)先選用回轉式鉆機，當鉆孔較淺且無取芯要求時，可采用風動式鉆機?！盵3]為什么把“沖擊回轉式鉆進”列為次之且不能在深孔應用呢？業(yè)內(nèi)普遍認為此種方法除不能取得巖芯便于了解地質(zhì)情況外，最主要的缺點是全斷面鉆進，產(chǎn)生巖粉較多，易堵塞巖縫，影響灌漿效果。但實際工程應用中并非如此。

在實際施工中仔細觀察發(fā)現(xiàn)，采用這種風動沖擊回轉鉆機，其產(chǎn)生的巖粉較粗，不易進入裂隙，而且大多可以在鉆進中被揚出地面，否則無法繼續(xù)鉆進。其次，回轉沖擊鉆孔用高壓風進行洗孔，這種高壓風或高壓風與地下水的混合物自孔底以高流速向上揚出時，在孔壁上形成負壓，不僅不會使巖粉在此處積存堵塞裂隙，而且有可能將裂隙內(nèi)部的一部分泥土帶出。或許這種鉆孔方法更有利于達到鉆孔沖洗效果，提高灌漿質(zhì)量。本工程帷幕灌漿的先導孔由回轉鉆機取芯鉆探，實際灌漿結果對比顯示，沖擊回轉鉆孔與回轉取芯鉆孔在灌漿效果上沒有差別，此種鉆孔方法不僅可以應用于深孔帷幕灌漿工程中，并且風動沖擊器回轉鉆孔技術還有以下優(yōu)點：?鉆孔工效高，一次成孔避免了頻繁的起下鉆工序；?避免強風化或軟質(zhì)地層遇水后結構破壞造成塌孔；?避免鉆孔使用沖洗液，工序簡化，便于現(xiàn)場管理；?對帷幕灌漿而言，更適合采用自下而上分段卡塞的灌漿方式，可提高灌漿效率。

5 結 語

總體而言，回轉地質(zhì)鉆機配置風動沖擊器的沖擊回轉鉆孔技術在帷幕灌漿施工中工效遠高于回轉鉆孔，巖粉通過壓力風沖洗后也不影響灌漿質(zhì)量。但此種鉆孔方法在施工過程中產(chǎn)生的揚塵較多，對大氣環(huán)境和操作人員身體健康不利。在實際施工中，除操作人員需加強防塵保護外，使用孔口防塵器也可以起到一定的防塵效果?？卓诜缐m器的原理是利用霧化水在孔口降塵，其缺點是需要短時間內(nèi)清理孔口巖粉從而影響工效。因此降塵的方法和器具還需要進一步優(yōu)化改進。