覆盖堆积层中超100m深孔.doc

覆盖堆积层中超100m深孔预应力锚索套管跟进钻孔施工技术李长华 刘常新 江根来 1 工程概述官地水电站竹子坝场地加固工程位于右坝肩与竹子坝料场之间，引水发电系统进水口附近，该场地建设有高线砼拌和系统和竹子坝人工骨料加工系统。由于建设两大系统相继建成投入使用，该场地上荷载发生重大变化，进而产生了滑动和变形，尤其是前缘侧边坡以及前缘的平台边坡稳定性很差，相继出现溜滑和变形。为了应对此变化，保证两个系统安全运行，在施工区边坡主溜滑和变形方向设计了挡土墙加预应力锚索支护方案，对边坡进行加固处理。正边坡设置750kN和1000kN锚索共272根，其中13601380高程正边坡交错布置105m、110m的750kN锚索42根，锚索与坡面成俯角35夹角；13801395高程正边坡交错布置105m、110m的1000KN锚索62根，锚索与坡面成俯角15夹角（见图1）。图1 预应力锚索夹角示意图施工地质勘探报告显示，该施工区场地出露的地层为第四系崩坡积堆积(p1+d1Q4)块碎石土、冲洪积堆积(p1+a1Q3)含碎石粉质粘土和湖积堆积的(PL+a1Q3)的含碎卵石土、粉质粘土(1Q3)及孤块石夹少量砂卵砾石层（co1+p1Q3）等，下伏基岩为二叠系上统上段和中段的玄武岩。场地大部分覆盖层主要是冲洪坡积堆积块碎石土、含碎石粉质粘土和湖相沉积的含碎卵石及粘土，厚度普遍大于100m，存在不均匀（变形）沉降。地下水埋藏较浅，直接受地表水影响。粉质粘土（IQ3）粉质粘土下存在大量承压水。审稿：赵新民 2 施工情况2.1 预应力锚索施工程序完成施工准备工作后，根据测量放线现场确定的孔位将钻机就位，按照设计要求的角度和钻孔深度完成钻孔。锚索孔验收合格后下入提前编制好的锚索体，然后封闭锚索孔孔口，分别对锚索体锚固段和张拉段进行注浆。锚索编制过程中按照设计要求将锚索体分为锚固段和张拉段，锚固段设置承压板、隔离支架和止浆包，张拉段设置隔离支架并外包土工布，分别采用铅丝绑扎，锚固段和张拉段分别设置1组进回浆管路。完成一片区域的锚索注浆后，进行锚墩和框格梁浇筑，为保证张拉效果，锚墩和框格梁同步浇筑。锚墩和框格梁达到7d强度后即可进行锚索张拉作业。张拉力达到设计要求后锁定，持续进行37d应力损失监测，如应力损失超过设计要求必须进行锚索补偿张拉。锚索张拉力达到设计要求后截断锚头外多余长度钢绞线封锚。2.2 钻进工艺选定2.2.1 覆盖堆积层边坡常规钻孔工艺在厚度较浅覆盖堆积层内锚索钻孔施工，主要采用常规工艺 “直锤钻孔结合固壁灌浆”和“单级套管跟进钻孔”。“直锤钻孔结合固壁灌浆”主要缺点是：单孔锚索钻孔周期长，覆盖堆积层内钻孔过程中反复多次出现塌孔，且富含的地下水延长了纯水泥浆或水泥砂浆凝固周期，固壁灌浆后待凝35d方能进行扫孔作业，塌孔后浅孔钻具较易处理出孔，但深孔钻具处理困难，经常出现孔内抱死现象，钻具损失较大；“单级套管跟进钻孔”工艺主要缺点：由于覆盖堆积层厚度超过100m，受套管、管靴材质限制，在跟管至55m孔深左右时，出现管靴与套管连接处断裂或第一节套管与第二节套管连接处断裂事故，经过处理往往只能取出偏心钻具，20m以内浅孔时尚能将断裂的管靴和套管处理出孔，20m以上的深孔无法将断裂的管靴和套管处理出孔，造成锚索孔报废和管靴、套管的非正常损耗，并且事故孔处理周期较长。考虑到竹子坝施工场地加固工程工期紧张，前期施工中直接采用“单级套管跟进钻孔”常规锚索钻孔工艺，但是效果很不理想，自2009年4月27日投入23台YXZ-90A型锚索钻机采用常规套管跟进钻孔工艺开始钻孔施工，截至5月31日仅完成23孔锚索钻孔，单孔锚索成孔周期在35d左右，单孔废孔进尺90m左右，废孔率达到300%，单个锚索孔需要反复开孔3次左右才能成孔，孔内事故频发，单孔损耗达到钻头3个、钻杆21m、管靴5个、套管15m。2.2.2 覆盖堆积层边坡“2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”的运用通过对前期钻孔施工的研究和数据分析发现，采用“单级套管跟进钻孔”锚索钻孔工艺时，由于覆盖堆积层厚度超过100m，受套管、管靴材质限制，在跟管至55m孔深左右时，出现管靴与套管连接处断裂或第一节套管与第二节套管连接处断裂事故，经过处理往往只能取出偏心钻具，20m以内浅孔时尚能将断裂的管靴和套管处理出孔，20m以上的深孔无法将断裂的管靴和套管处理出孔，造成锚索孔报废和管靴、套管的非正常损耗，并且事故孔处理周期较长。确定了问题的症结，我部提出了新的钻孔工艺“2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”，解决了“单级套管跟进钻孔”工艺中单孔预应力锚索钻孔周期长、成孔率低、孔内事故频发、钻具非正常损耗大等问题。自2009年6月1日采取“2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”钻孔工艺完成后续81根105m、110m预应力锚索，单孔锚索成孔周期缩短至57d，单孔废孔进尺20m左右，单孔损耗降至钻头1个、钻杆3m、管靴23个、套管3m，极大地提高了覆盖堆积层内锚索钻孔效率。3 “2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”钻孔工艺的特点（1）单孔锚索成孔周期短，57d可完成孔深110m钻孔任务；（2）成孔率高，达到100%；（3）孔内事故率低；（4）钻具损耗少；（5）覆盖堆积层内钻孔深度长，已超过100m；（6）使用常规预应力锚索钻孔设备，无需配备特种机械；（7）较常规钻孔工艺节约成本，节约投资。4 工艺原理4.1 2级套管跟进选用YXZ-90A型锚杆钻机，配备外径148mm扩孔直径达到178mm以上的偏心钻头，使用89mm钻杆，跟进管靴外径178mm、内径150mm，跟进套管外径178mm、内径158mm，钻进至50m左右时（受材质限制，管靴和第一节套管覆盖层堆积体内跟进极限深度）取出全部钻具更换，从178mm套管内钻进至100m达到基岩面。换装钻具为外径115mm扩孔直径达到146mm以上的偏心钻头，使用89mm钻杆，跟进管靴外径146mm、内径120mm，跟进套管外径146mm、内径126mm。钻进至100m到达基岩面后取出全部偏心钻具，换装外径110mm直锤钻具钻进至设计孔深105或110m后取出孔内钻头和全部钻杆。将锚索体从外径146mm套管中下入孔底。然后使用YD-50型液压拔管器进行拔管作业，先将146mm套管全部拔出，再将178mm套管全部拔出。完成拔管作业后，将锚索孔孔口进行封闭，依次按照设计要求对锚索体锚固段、张拉段进行注浆作业。完成注浆作业后进行锚墩、框格梁混凝土同步浇筑。在孔内注浆水泥、锚墩和框格梁混凝土强度达到设计要求后开始锚索张拉作业。锚索张拉力满足设计值后锁定锚索体并进行封锚作业。4.2 单级套管反复多次跟进选用YXZ-90A型锚杆钻机，配备外径115mm扩孔直径达到146mm以上的偏心钻头，使用89mm钻杆，跟进管靴外径146mm、内径120mm，跟进套管外径146mm、内径126mm，钻进至50m左右时（受材质限制，管靴和第一节套管覆盖层堆积体内跟进极限深度）取出全部钻具，拔出全部孔内套管和管靴，更换管靴和第一节套管后从原孔重新钻进，钻进至75m左右时再次更换管靴和第一节套管，继续钻进至100m达到基岩面。到达基岩面后取出全部偏心钻具，换装外径110mm直锤钻具钻进至设计孔深105或110m后取出孔内钻头和全部钻杆。将锚索体从外径146mm套管中下入孔底。然后使用YD-50型液压拔管器进行拔管作业，拔出孔内全部146mm套管。完成拔管作业后，将锚索孔孔口进行封闭，依次按照设计要求对锚索体锚固段、张拉段进行注浆作业。完成注浆作业后进行锚墩、框格梁混凝土同步浇筑。待孔内注浆水泥、锚墩和框格梁混凝土强度达到设计要求后开始锚索张拉作业。锚索张拉力满足设计值后锁定锚索体并进行封锚作业。5 施工工艺流程及操作要点5.1 “2级套管跟进”钻孔施工工艺流程见图2施工准备测量放线钻机就位第一级套管跟进钻孔停钻换装钻具第二级套管跟进钻孔停钻换装直锤钻具钻进至设计孔深停钻取出孔内钻具（跟进套管待锚索下至设计深度后全部拔出）图2 “2级套管跟进”钻孔施工工艺流程5.2 “单级套管反复多次跟进”钻孔施工工艺流程见图3施工准备测量放线钻机就位套管跟进钻孔至50m停钻更换管靴及第一节套管套管跟进钻孔至75m停钻更换管靴及第一节套管套管跟进钻孔至100m停钻取出孔内钻具（跟进套管待锚索下至设计深度后全部拔出）图3 “单级套管反复多次跟进”钻孔施工工艺流程5.3 操作要点5.3.1 钻机固定：开钻前必须将钻机与脚手架牢牢固定，确保钻孔过程中不产生位移；5.3.2 钻孔角度效验：钻进过程中时时效验钻孔角度，保证满足设计锚索角度要求；5.3.3 孔内清碴：适时提拉钻杆，利用高压风将孔内钻碴及时排除孔外；5.3.4 及时更换管靴和第一节套管根据现场施工情况判断，采用“单级套管反复多次跟进”钻孔工艺施工时，在套管跟进至50m、75m时必须更换管靴和第一节套管，可有效避免孔内事故的发生。5.3.5 液压拔管器的选择拔管器由2个千斤顶、1个底座和1个卡盘组成，根据覆盖层厚度及钻孔角度，拔管器选择50t或以上型号。5.3.6 锚索注浆 锚固段注浆压力以回浆压力为标准，控制在0.30.4MPa；张拉段注浆，回浆管回浆后即可结束，注浆压力以浆液在管路内流动顺畅为标准，可有效降低浆液在覆盖堆积层内的损耗。6 材料与设备6.1 采用的机械设备见表1。表1 采用的机械设备表序号设备名称设备型号单位数量备注1吊车8t台12装载机ZL50台13液压锚杆钻YXZ-90A台234液压拔管器YD-50个45地质罗盘个563管钳把507链钳把506.2 劳动力组织见表2。表2 劳动力组织表序号工种人员数量（个）序号工种人员数量（个）1吊车司机12装载机司机13钻工604拔管工205技术员66质检员67现场指挥47 质量控制7.1 锚索孔位由测量队根据设计单位提供的控制坐标点放点，且必须经过质检人员和现场监理验收；7.2 开钻前由现场技术人员将钻机调整至设计角度，并由质检人员、现场监理检查验收后方可开钻；7.3 每钻进36m效验一次钻孔角度，确保符合设计要求；7.4 单孔钻孔终孔并取出全部钻具后，使用自制探孔器由质检人员和现场监理进行验收，确保孔深符合设计要求，孔内通道顺畅，为后续工序的施工做好准备。8 安全措施8.1 所有进入现场工作的人员，必须按规定配带安全防护用品，遵章守纪，听从指挥。8.2 在增加埋设监控量测点的边坡地段，施工安全员必须注意观测边坡的变化情况。安全员和施工技术人员应根据地质超前预报资料和一些预兆的主要表现及时采取措施，确保安全生产。8.3 参加高空作业的工作人员，工作前必须进行身体健康状况检查，凡患有精神病、癫病、高血压、心脏病和其他不宜从事高空作业人员，均不允许从事登高作业。8.4 从事高空作业的人员必须使用检验合格的安全带，施工用的爬梯和脚手架应牢固、可靠，以免发生人身安全事故。8.5 工作面尽量避免上下同时作业，必须同时作业时，上部作业区内满铺马道板，其底挂细密安全网，周边围安全网，并且马道板面作业区周边要侧架一块高竹跳板，以防马道上物体下滑。下部作业面头顶必须用竹跳板或马道板架防护顶，以防上部坠物，工作面翻马道板时必须其下面无人作业。8.6 严禁在脚手架护栏杆上休息或在施工排架上睡觉。8.7 高空作业时，不准向上抛材料、工具、石块等物体。8.8 电气设备的检查、维修和调整工作，安排专职的电气维修工进行。8.9 由于作业区边坡高度大，坡度陡，排架搭设的稳定性差（锚索施工在搭设的排架上施工），为保证排架和施工人员及设备的安全，搭设排架时一定要严格做到以下几点：8.9.1 搭设排架尽可能横管扣竖管，不许横管扣横管，横管垂直于坡面。排架坡面投影网格为1.8m1.8m，垂直于坡面方向间距为2.0m，内侧排架离坡面0.3m。8.9.2 整个排架必须每5.0m5.0m方型打插筋孔，孔深1m，插筋直径不小于25mm，孔布于坡面横竖管交点之上方0.3m。孔内灌砂浆，插筋2天后用直径为12mm的钢筋将排架与插筋焊接。在设计布置有锚索孔的位置，每孔左右两边各加密1根插筋和拉筋。8.9.3 各作业平台、通道等必须满铺马道板，外挂安全网，要求外观整齐。8.9.4 钻机托架管采用双根，以保钻进过程中钻机不晃动。8.9.5 架管、管卡质量必须有保证，满足规范要求，架管壁厚不小于3.5mm。8.9.6 采用斜支撑、拉锚筋、剪刀架和承载部位增加立柱密度相结合的措施，保证管架刚度，满足承载要求。8.9.7 管架上应设置明显安全标志。9 环保措施9.1 成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，随时接受相关单位的监督检查。9.2 将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到施工标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.3 对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损