new 同心跟管钻进在小湾堆积体锚索钻孔.doc

同心跟管成孔工艺的应用与研究邓文明 张会员 江月彬（水电八局基础工程分局，湖南，长沙，410118）【摘要】云南小湾水电站左岸堆积体地质结构复杂，稳定性差，施工工期紧，钻孔深度大。常规偏心跟管钻进孔内事故频繁、成孔速度慢、材料消耗大，难以保证施工工期要求，为解决偏心跟管钻进存在的问题，我们进行了大量的试验与研究，开发研制了适用堆积体地层结构的同心跟管钻进技术，很好地解决了成孔慢的问题。【关键词】堆积体 预应力锚索 偏心跟管 同心跟管 1， 工程概况云南小湾水电站饮水沟堆积体主要分布在左岸饮水沟至2#山脊之间的山坡上，其平面形态似舌形呈上大下小。堆积体平均铅直厚度3336米，横河向长度700米，平均顺河向长度190米，总体积约400104m3。它的稳定与否，对于整个工程施工及运行期的安全均至关重要。在左岸坝肩的开挖施工过程中，即2003年12月17日，在饮水沟及2#山脊、高程12452600之间发现裂缝，之后，裂缝范围迅速扩大，观测资料显示，整个堆积体有整体下滑的趋势，情况相当紧急，通过现场勘查，决定对崩塌堆积体进行全面加固，加固主要采用预应力锚索和抗滑桩相结合的形式。2，地质条件堆积体地质结构复杂，根据勘探资料显示，堆积体主要由块石、特大孤石夹碎石质粉土或碎石层组成，碎石土不成层，主要填充在块石缝隙之间，堆积体与下伏基岩面之间有一层厚0.158.05m的坡积层，成分以砾石、粉砾为主，堆积体下伏基岩面不规则、起伏较大，基岩岩性主要为黑云花岗片麻岩夹薄层透镜状片岩。堆积体中地下水发育且埋深浅，地下水活动频繁。3，预应力锚索的设计要求根据观测所测得的各个部位不同的变形速度，将整个堆积体分成五个区域，在这五个区域内共布置两千余根1800KN及2000KN的网板预应力锚索，要求预应力锚索必须穿过堆积体，进入弱风化岩层，这样，最大钻孔深度达到75M，钻孔倾角均为下倾5度，预应力锚索结构均采用全长无粘结型，锚固段长度根据施工部位岩层的不同分别为8m或10m。4，施工中的难题该堆积体是由山体崩塌堆积而成的，分选差且无胶结，常规钻进无法成孔，必须采用冲击跟管钻进工艺，这样就决定了预应力锚索的施工难度主要体现在：孔太深（实际最大深度达到104米）、孔径太大（为了保证终孔孔径，实际最大孔径达220mm）、倾角太小（几乎为水平孔），场地狭窄且坡陡高差大，大型设备无法到达工作面，又因时间紧迫（所有工作均必须在雨季之前完成），导致施工强度太大（月强度达到400束/月），这样，如何快速成孔是摆在我们面前的一道难题。5，解决方案目前常用的解决方案是采用ODEX偏心钻具，进行旋转冲击跟管钻进，偏心钻具主要由三部分组成，稳杆器、偏心轮和中心钻头，其工作原理为：正常钻进时（如图1所示），通过冲击器的震动冲击作用，带动偏心钻具进行钻孔，钻进时由于离心力及摩擦力的作用，偏心轮朝外偏出从而达到扩大孔径的目的，再通过稳杆器的冲击带动套管跟进，钻孔产生的岩粉通过稳杆器上的键槽吹出孔内。钻孔结束时，通过反转，使偏心轮收拢提出套管，套管留在孔内护壁而成孔。偏心跟管虽然是一种比较成熟的跟管钻进方法，但由于小湾堆积体地质结构的复杂性，严重制约了其成孔的速度，主要体现在：由于地层岩性的不均一性，尤其是架空层的存在，在钻具中偏心轮的作用下，导致钻孔呈罗旋线形而非直线，钻进时极易卡钻，造成孔内事故，一旦发生事故，由于受套管强度及钻机扭矩的限制，很难解决，往往造成钻孔报废，不得不重新开孔。在钻进中，遇到大孤石的情况频繁发生，一旦遇到孤石，由于围岩阻力的增大，极大地限制了偏心轮的扩孔效果，使钻孔断面形状呈椭圆形而非圆形，且有效孔径有随孔深增加而减小的趋势，这样一来，钻孔越深、阻力越大，一旦阻力超过套管及管脚的强度，就导致套管或管脚被拉断，从而无法继续钻进，在实际施工过程中，一般在30m左右套管就会被拉断，而一旦被拉断就只有将钻具连套管一起拉出，更换新套管后再扫孔钻进，要成一个孔，往往要反复十次左右，这样不仅大大增加了施工成本，还因为劳动强度的加大、成孔效率的降低而极大地打击了工人的积极性，以致成孔速度极慢，在施工初期，整个工地共投入80台（套）钻机，一周仅完成造孔35个孔，无法满足施工进度的要求。根据小湾堆积体地层的特性，上述两个主要问题是在偏心跟管钻进时无法解决的，因此如何有效解决钻孔过程中的卡钻问题及孤石跟管钻进难的问题是小湾堆积体锚索成孔过程中最关键的因素。通过分析，我们认为如果用同心钻具跟管钻进，卡钻事故发生的可能性会远小于偏心跟管钻进，同时由于是同心全断面钻进，有效冲击频率的大大提高，能有效保证在孤石中的跟管速度，且由于有效钻孔孔径得到了充份的保证，阻力也会大大减小，大大地增加了跟管钻进的深度，同时也使材料的使用寿命大大增加，使套管一次跟进的深度加大，从而不仅提高了钻孔速度，还保证了成孔的效率，同心跟管钻具主要由中心钻头、稳杆器及同心套组成（见图二），其工作原理是：通过中心钻头及套在中心钻头外的同心环冲击破碎岩石造孔，同时利用同心套的扩孔作用将套管顺利的带入孔内，到基岩后，中心钻头通过同心套中退出，同心套弃于孔内，然后用常规钻头钻至设计孔深。这样不仅很好地解决了在孤石中跟管钻进困难的问题，还确保了跟管的深度，在实际的施工过程中，最大的跟进深度达到了60m，大大增加了成孔的效率，提高了成孔速度，6，同心跟管钻进工艺的工效及成本分析从钻孔工效分析，以40m跟管钻进为例，偏心跟管时，正常跟进平均3天可完成，换用同心跟管钻进平均2天可完成；偏心跟管发生孔内事故的概率为80，同心跟管时发生事故的概率可降低到30左右。由于孔内事故发生概率的降低，使得一次成孔的概率也大为提高，据统计，投入此项工程施工的设备平均约85台套，平均一个星期约完成造孔35个，而我们仅投入6台套，一周造孔达到15个，为我们在小湾工地赢得了良好的信誉。从成本来看，因为同心跟管钻具的加工耗材比偏心跟管钻具高，故加工成本增加了约500元/套；又由于一孔终孔后，同心套无法取出，不得不留在孔内，由此，增加成本约300元/孔。但是由于提高了材料的使用寿命及提高了成孔速度，总的造孔成本还是降低了很多。7，结束语国产钻机配同心跟管钻具进行跟管钻进工艺，在国内还是首次采用，它的应用，成功地解决了在崩塌堆积体中成孔难的问题，在小湾工地的抢险预应力锚索施工中发挥了巨大的作用，从而确保了施工工期，有效地维持了堆积体的稳定。但是，由于时间紧迫，很多细节问题来不及认真地研究，要使同心跟管成为一项比较成熟的工艺，还有以下问题需要解决：1，同心套与管脚的连接方式，目前采用的连接方式导致每钻一孔均要消耗一个同心套，不仅增加了造孔成本，还增加了处理孔内事故的难度，我们设想能否通过轴承连接的形式使同心套与管靴连接起来，钻孔结束、拔管时连同同心套一起拔出。2，套管之间及套管与管脚之间的连接方式还有待改进，目前所采用的连接强度还难以满足深孔跟管的需要。3，能否使孔顶冲击及孔底冲击结合起来，目前，由于受钻具自身排渣能力的限制，不能及时排出岩粉，使岩粉经常由套管外排出，造成套管跟进时阻力过大，在套管的应力集