潜孔冲击钻在水库大坝帷幕灌浆中的应用

于付川

(中国水利水电第六工程局有限公司,辽宁丹东 118000)

潜孔冲击钻在水库大坝帷幕灌浆中的应用

于付川

(中国水利水电第六工程局有限公司,辽宁丹东 118000)

本文结合某水库大坝帷幕灌浆施工,介绍了潜孔冲击钻在帷幕灌浆钻孔施工的应用情况,以及施工中的应注意的事项。

大坝 帷幕灌浆 潜孔冲击钻 施工方法

1 引言

某水库主坝为粘土心墙砂砾石坝,坝长735.63m,坝顶高程96.29m,最大坝高42.79m。主坝防渗体采用粘土心墙,在粘土心墙底部设有2m厚混凝土灌浆盖板。灌浆盖板底部设帷幕灌浆孔,孔距2m,0+050以左岸坡部位为双排帷幕孔,其他部位均为单排帷幕孔,孔距2m,排距1.5m。孔深16～38m。

由于地质钻机钻孔效率低,无法满足工期要求,后经灌浆试验,采用潜孔冲击钻与地质钻机相结合的方法进行钻孔,在满足工程施工质量的前提下,保证了工期。为了验证冲击回转钻在基础灌浆工程中的适用性,在施工前进行了冲击回转钻与回转钻机造孔生产性对比试验。试验选用钻机机型为XY-150型回转钻机配φ60金刚石钻头,ECM580型潜孔钻,配φ76合金钻头。

2 灌浆试验

本工程为水利工程,施工时执行水利行业规范。因此刚开始时,由于监理、设计及施工各方对规范规定的理解存在分歧,导致对钻孔方式存在争议,监理及设计单位认为按照水利规范的规定,只能采用回转钻机钻进。而施工方认为,水利规范中只是推荐采用回转钻机施工,并未规定禁止采用冲击式及回转冲击式钻机钻进,而电力规范中明确列出“也可采用冲击式或回转冲击式钻机钻进”,可见只要能保证钻孔及灌浆质量,采用回转钻机、冲击钻机及回转冲击钻机均可。

考虑到工期影响,后经各方协商,进行帷幕灌浆试验,以最终检查的灌浆质量满足设计要求为准,来确定钻孔方式。经各方联合确定灌浆试验部位,两种钻孔方式各进行5个孔的灌浆,除钻孔孔径不同之外,其他灌浆参数均相同。冲击钻钻孔存在孔壁存在不平整的问题,如采用灌浆塞灌浆,则会存在封堵不严等问题,因此在提出使用冲击钻钻孔方案时,已将此因素考虑在内,灌浆时采用孔口封闭孔内循环灌浆法。

从最终结果来看,采用两种钻孔方式施工的灌浆段,进行钻孔取芯及压水试验,结果表明均满足设计要求,且洗孔时间及效果、灌前压水试验、灌浆水泥注入率等均相差不明显。经过试验比较,最终各方均同意先导孔、检查孔及岸坡部位采用回转钻机钻孔,其他灌浆孔采用潜孔冲击钻钻孔。

3 两种钻孔方式对比

3.1 潜孔冲击钻钻孔及地质钻机配金刚石钻头钻孔原理

冲击钻钻孔原理是,钻机工作时,推进机构使钻具连续推进,并使钻头始终与孔底岩石接触。回转机构使钻具连续回转。同时,装在钻杆前端的冲击器,在压气的作用下,其活塞不断冲击钻头。钻头被冲击后获得能量,潜入孔底,产生使岩石受挤压的冲击力。钻具回转避免了钻头重复打击在相同的凿痕上,并产生了对孔底岩石起刮削作用的剪切力。在冲击器活塞冲击力和回转机构的剪切力作用下,岩石不断地被压碎和剪碎。压气由回转供气机构进入,经由中空钻杆直达孔底,把剪碎后的岩渣,从钻杆与孔壁之间的环形空间吹到孔外,从而形成钻孔。

地质钻机配金刚石钻孔原理是,由钻机及钻具自重提供一定的压力,使钻头金刚石颗粒嵌入岩石,然后由钻机带动钻杆产生回转力,对岩石产生剪切破坏。冷却水由中空钻杆进入孔底,对钻头进行冷却,并将钻渣由钻杆与孔壁之间的空隙带出孔外。施工时需根据岩石情况确定钻头类型、钻压及转速等。

3.2 钻孔操作对比

ECM580型潜孔钻机：为自行式钻机,钻身自重大,因此稳定性好;钻臂可多方位调整角度,因此施工时角度、位置调整均较方便;钻机本身可操控性优于地质钻机。

地质钻机：挪动、调整则较慢,地势不平时,则需人工垫平或搭作业平台。另外地质钻机配套三角架挪动也较麻烦,尤其是对于帷幕灌浆分序分段施工来说,需要频繁的移动。

3.3 钻孔速度对比

本工程帷幕灌浆施工中,普通强风化、弱风化混合花岗岩采用地质钻机钻孔,平均效率约为10～30m/天,而采用潜孔钻机钻孔平均效率可达到120～200m/天,岩层越硬,两种钻机的对比效果越明显。

3.4 钻孔质量对比

(1)通过原理对比可见,冲击钻钻孔主要靠强力冲击,使岩石产生碎块状及粉末状破坏,因此孔壁是凹凸不平的,由此可见这种钻孔方式不适用自下而上灌浆塞法灌浆;而使用回转钻机配金刚石钻头钻孔,孔壁光滑,可适用于各种灌浆方法。

(2)冲击钻钻孔,由于其设备本身性能所限,不适于角度要求较严的倾斜帷幕灌浆孔钻孔施工,在铅直孔钻孔过程中,我们通过采取安装孔口管的方式来控制孔斜,另采取加强施工过程中的测斜工作,每段均进行测斜,发现有发生超过允许偏差可能时,则进行钻孔纠偏,通过施工过程中采取的一系列手段,将孔向偏差基本控制在允许偏差范围内。而使用地质钻机钻孔,对斜孔及铅直孔施工均适用,虽然角度调整操作较困难,但通过相同的孔向控制措施,相对来说更容易保证。

(3)潜孔冲击钻钻孔是全断面破碎,产生的钻渣较多,钻渣靠压缩风吹出孔外,会有大量的钻渣会粘附在孔壁上,堵塞孔壁裂隙,因此对灌浆来说不利。在施工中,我们通过加强孔壁及裂隙冲洗作业,确保尽可能将钻渣冲洗干洗,将不利影响降到最低。实际进行钻孔冲洗时,通入大流量高压清水,返渣量相对多一些,但是在裂隙冲洗时,和地质钻机钻孔的灌浆孔情况差不多,没有明显的区别,说明钻渣没有进入裂隙。

而使用地质钻机钻孔,钻渣相对来说较少且较细较均匀(由于岩层破碎产生的掉块现象除外),并能够及时通过冷却水冲洗出来,因此其对钻孔裂隙产生的不利于灌浆影响较小。

4 结语

通过灌浆试验及后期灌浆施工效果验证,潜孔冲击钻用于孔口封闭帷幕灌浆铅直孔钻孔施工,其速度优势明显,只要在施工中采取适当的措施,控制钻孔孔斜,并加强灌浆孔冲洗,其施工质量可满足规范要求。因此在工程量大、施工工期紧的情况下,可以考虑采用。另一点需要注意的是由于潜孔冲击钻在钻铅直孔时,使用压缩空气进行排渣,当孔深达到一定深度时,排渣困难,因此其钻孔深度受到限制。实际施工时,可根据钻机性能及灌浆孔深合理选择。

于付川,(1970年08月18日—),男,汉族,辽宁省丹东市人,本科,高级工程师,从事水利水电施工、市政基础设施、房屋建筑行业,身份证号码：210624197008187813,毕业院校：北京水电学院。