同心跟管成孔工艺的应用与研究[J].docVIP

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33~36米，横河向长度700米，平均顺河向长度190米，总体积约400×104m3。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1245~2600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0.15~8.05m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：①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。②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3~5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