“重锤式”测斜仪器的研究与应用

赵 毅

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



“重锤式”测斜仪器的研究与应用

赵 毅

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

在高喷防渗墙施工中，钻孔是整个高喷施工工序的第一步，孔斜直接关系到高喷防渗墙墙体的整体连接，因此孔斜测量是高喷成孔质量验收的关键环节之一，孔斜测量仪器的选择和使用是保证高喷防渗墙施工质量的重点之一。本文介绍了“重锤式”测斜仪的构造，测斜原理，理论依据，测斜工法与步骤及其注意事项。

桐子林水电站 高喷钻孔 重锤式 测斜仪器 构造原理 依据工法步骤

1 概述

在高喷防渗墙施工中，高喷钻孔孔斜控制是制约施工质量的重点，孔斜直接关系到高喷防渗墙墙体的整体连接，是成墙的关键所在。如孔斜控制不到位，将会导致桩体间出现开叉无法有效搭接等严重后果，故孔斜控制与测量是高喷防渗墙施工质量的重点之一。而孔斜测量仪器的选择和使用，则是成孔质量验收的关键环节。

桐子林水电站导流明渠围堰高喷防渗轴线总长1056.678m，最大孔深为52.0m，防渗工程量约52000m，防渗面积约45000m2，施工工期2.5个月，单月施工强度达21000m/月，为满足施工强度需同时投入6～8台测斜仪器，50m级深孔及单月施工强度均属国内罕见。围堰高喷防渗属关键施工控制性线路，工期短、强度高、组织与技术难度大、孔斜控制难度高、桩体开叉质量风险大，施工成败将直接影响相关节点控制目标能否实现。因此，钻孔孔斜的控制与测量是施工成败的重中之重。

2 测斜仪器研究背景

目前高喷钻孔孔斜测量主要有二种手段，抗磁干扰测斜和浮漂测斜，但都不能满足和适应桐子林高喷工程施工需要。

2.1 抗磁干扰测斜仪

其优点是成果数据准确可靠，但成本投入太高。桐子林高喷防渗墙施工规模大、区域广、工期紧，必须多个施工作业面同时进行测斜工作，如不增加测斜仪器将会直接影响施工功效和进度。但抗磁干扰测斜仪器每台购价超过15万元，需一次投入采购资金90～120万元，且对使用工况要求高，要轻拿轻放，维修率高，故抗磁干扰测斜仪不利于在桐子林围堰高喷施工中大面积使用。

2.2 浮漂测斜仪

桐子林高喷钻孔设计偏斜率为1%，其跟管护壁套管内径为φ128mm，最大孔深达50m以上。浮漂测斜仪虽测斜数据精度可靠且可大面积应用，但其只适用于浅孔深、大孔径钻孔测斜。因浮漂测斜采用“倒垂法”原理，其孔口浮漂随测斜重锤移动与孔口中心成倒三角，按最大偏斜1%套管内径φ128mm计算，其只能测定孔深为7m以内的区域，使用局限性较大。故浮漂测斜仪不能适应桐子林工程实际施工需要。

2.3 重锤式测斜仪

根据桐子林水电站高喷防渗墙的施工特点，为更好地完成施工任务提高功效并保证施工质量，按照“倒垂法”和“相似三角形”原理对测斜设备进行研究改进和发展。并自制研发出“重锤式”测斜仪，通过试验和对比，完全满足桐子林电站高喷钻孔测斜的要求。该测斜仪有如下优点：①可操作性强；②不受孔内地下水、孔径和孔深影响；③测斜过程简便快捷；④制作简单且易于大量使用；⑤成本低廉(每台制作成本0.3万元)，适用于深孔测斜，其测斜精度可高达千分之一。

3 仪器结构

“重锤式”测斜仪器的构造主要分为主体结构和辅助工具两大部分。

主体结构分为七个部份，即对中圆盘、测绳、平衡支架、调平螺母、重锤(测钟)、连接管套、手动卷扬等；辅助工具包括十字架、万能量角器、钢板尺、水平尺、钢卷尺等(见图1)。

图1 “重锤式”测斜仪器结构

(1)对中圆盘：设置于测斜仪器顶部，其直径与护壁套管及测斜仪连接管套外径一致，设有一小孔处于圆盘中心(中心孔)，测绳从中穿过连接重锤；

(2)测绳：为直径1mm的细小钢绳，其作用是连接重锤。当重锤下放至预测孔内时，测绳随重锤被牵引至孔内并随之摆动，在孔口测量测绳与孔口中心或参照物X、Y方向的偏斜距离，从而计算得出方位角和偏斜率；

(3)平衡支架：由六根长短相等的φ22mm圆钢组成，分为三组，每组分上下两部分，中间由调平螺母将上下两部分连接；

(4)调平螺母：两端由丝扣连接组成，可自由伸缩调节其长度。其作用是调节平衡支架局部高度，使测斜仪器竖直向下，对测绳及重锤进行居中调节；

图2 对中圆盘结构

图3 平衡支架及调平螺母结构

(5)重锤：其作用为牵引导向测绳，测绳系于重锤中心，牵引测绳至指定孔深位置，重锤半径略小于连接套管半径2.5mm，为对称中空式模块铸件，顶端设4个对称的透气孔以保证其顺利快速下放；

(6)连接管套：为测斜仪器底座，内设与护壁套管相匹配的螺纹丝扣，其作用为连接护壁套管，并固定测斜仪器。(见图4)；

图4 连接管套结构

(7)手动卷扬：连接和控制测绳下放，为测绳提供支点；

(8)钢板尺：以十字架或万能量角器为参照物，测读X、Y方向偏斜数据，为计算偏斜率提供数字依据；

(9)十字架：作为孔口偏斜测量的参照物，测量时确保参照物在任意孔深位置保持不变，以保证数据的精确性；

(10)万能量角器：作为孔口偏斜测量的参照物，并测量孔口偏斜角度；

(11)水平尺：测量测斜仪器垂直度；

(12)钢卷尺：测量测斜仪器架高，为孔斜率计算提供依据。

4 测斜原理

“重锤式”测斜仪采用“相似三角形”原理，其理论模型为“正三角形”。

“重锤式”测斜仪连接固定于护壁套管后对测斜重锤进行调中，重锤牵引测绳悬垂于孔口中心，使测斜仪对中圆盘中心E点与孔口中心A点连接成一条直线，确保EA垂直于地面。测斜仪与护壁套管之间采用螺纹刚性连接，护壁套管壁厚达6mm，采用双扣圆弧螺纹刚性连接，整个套管连接后基本为一条直线。

4.1 “重锤式”测斜

测斜过程及原理：

(1)当重锤牵引测绳沿护壁套管下放至孔底时，测绳绷直为一条直线(见图5)，E为对中圆盘中心点，ED为铅直孔的中心线，EC为钻孔出现偏斜时的测绳牵引线。

(2)首先假定该孔钻进方向垂直向下，即该孔方位准确不存在偏斜，则钻孔中心线为ED(理论铅直线)。如钻孔出现偏斜，当测绳被重锤牵引随护壁套管下滑时，则形成与理论铅直钻孔中心线构成一定夹角的EC(假定钻孔偏斜的测绳牵引线)，即测绳通过孔口的位置随之改变。

(3)理论铅直钻孔中心线与假定钻孔偏斜后，测绳牵引线之间形成一个正三角形△EDC。

(4)连接孔口中心与偏斜后测绳通过孔口的位置即为孔口偏差，偏斜后测绳通过孔口的位置与中心轴线之间的距离即为孔口偏距，即AB。

(5)利用相似三角形原理，计算出孔底偏差DC，孔深为已知值，从而计算钻孔偏斜率。

4.2 “重锤式”测斜理论依据

图5 重锤测斜仪测斜示意

如图5(二)所示，A、C两点分别为孔口及孔底套管中心所在位置，E为测斜仪中心孔所在位置，线段ED为垂直于地面的理论铅直钻孔中心线；B点为假定钻孔偏斜后测绳通过孔口的实际位置，因AB∥CD，形成两个正三角形△EAB及△EDC，且△EAB∽△EDC。

因为△EAB∽△EDC，所以AB/DC=EA/ED，AB/EA=DC/ED；

式中：δ——钻孔偏斜率，以百分数表示；

DC——实际钻孔偏斜的水平投影长度，即孔底偏距，也可以称为偏差(d)；

ED——理论铅直钻孔深度，ED=EA+AD=b+c，即测斜仪器架高+铅直孔深；

AB——孔口偏距(a)，通过测量孔口X、Y轴偏距计算求得；

EA——测斜仪器架高(b)，可直接测得；

5 测斜工法及步骤

(1)将“重锤式”测斜仪与护壁套管连接，确保丝扣表面干净整洁，保证连接牢固可靠不得晃动；

(2)测斜仪器固定后将重锤悬停于孔口中心，由调平螺母调节测斜仪器的垂直度(使其竖直向下垂直于地平面)，确保重锤中心与孔口中心保持一致；

(3)将万能量角器或十字架作为参照物放置于孔口，以十字架O点为原点，X、Y轴方向为理论坐标系，测量孔口测绳在X轴和Y轴方向的距离，得出以X1、Y1作为孔口中心的坐标原点A。十字架X、Y轴的放置方向必须与规定方向一致，并确保X与Y轴方向必须垂直且夹角为90°(如图6所示)；

图6 孔口偏距测量

图7 孔斜计算原理

(4)重锤牵引测绳下放至预测孔深后，如钻孔出现偏斜则测绳通过孔口中心的位置将随之改变，以万能量角器或十字架为参照物测量测绳在孔口的X与Y轴距离，即X2与Y2为钻孔出现偏斜后的空间坐标点B；

(5)将钻孔出现偏斜后的(X2，Y2)与孔口中心原点(X1，Y1)相比较，计算得出相应X与Y轴的偏距，即ΔX=X2-X1、ΔY=Y2-Y1，由此计算孔口综合偏距a，根据“重锤式”测斜原理，从而计算钻孔偏斜率及孔底偏距(如图7)。

6 计算方法

根据“重锤式”测斜仪的测斜工法，结合图6、图7，所示计算过程如下：

孔底偏差：d=δ×(b+c)。

其中，b为架高，c为孔深，均可直接量取。

各象限孔斜方位图在坐标系中表示如下(见图8)

若X1

若X1Y2 孔斜偏向第二象限，如图8②；

若X1>X2、Y1

若X1>X2、Y1>Y2 孔斜偏向第四象限，如图8④。

图8 孔斜方位偏斜坐标示意

7 孔斜测定注意事项

(1)钻孔质量验收过程必须严格受控，准确测量钻孔深度，并在终孔验收表格上填写正确，作为孔斜率的计算依据；

(2)测斜过程中必须确保测斜仪器的连接牢固可靠，不得随意晃动，以确保测斜数据的真实、准确；

(3)孔口万能量角器或十字架的架设方位必须严格控制，X、Y轴的放置方向必须与规定的方向一致。在测斜过程中，必须严格控制其方位的准确性；

(4)孔口偏斜数据的测量，必须由专人掌控和读数，确保测斜数据的准确性；

(5)测斜过程中，当测绳在重锤的牵引下达到预定孔深时，应保证测绳处于静止状态后方可读数，以确保读数的准确性；

(6)测斜应记录最大偏差及孔底偏差，在测斜记录表格上按规定的X轴与Y轴方向，描绘孔斜方位图。

8 结语

桐子林电站导流明渠围堰高喷防渗墙工程在质量控制上取得了前所未有的辉煌战绩，克服了工期紧、任务重、施工组织管理难度大、地质条件复杂、防渗技术难度高、52m超深孔孔斜控制难度大等重重难关，得到了业主、设计、监理三方对围堰防渗质量“滴水不漏”的高度评价，一举打破西南地区高喷无用论，并创下多项全国第一，塑造了围堰高喷防渗大孔深、超强度、高难度施工的典范，进一步证实深孔高喷防渗在技术质量上的可行性，为高喷施工生产组织、技术实施、质量控制积累了丰富可靠的经验，拓展了高喷技术应用范围。

“重锤式”测斜仪在桐子林电站导流明渠围堰高喷防渗墙施工中得到了充分的应用和验证，为高喷施工孔斜的测量及控制提供了可靠的保障，施工中具有可操作性强、测斜简便快捷、制作简单、成本低廉，适于大规模使用、测斜精度高的特性，在桐子林高喷施工中起到了不可替代的关键性作用，完全适用于大孔深、超强度、大规模使用的施工要求。

〔1〕马植侃，汪 滨，刘建明.钻探工程学.中国矿业大学出版社，1998，(1).

〔2〕张文渊.水利工程施工质量的主要因素与控制措施[J].水电站设计，2004，(2).

赵 毅(1977.08-)，四川绵阳人，工程师。中国水电七局成都水电建设工程有限公司从事水利水电施工管理工作。

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2095-1809(2015)05-0098-05