基于在砂卵砾石地层中跟管造孔工法的应用

赵善国，李景山，郑　佳

推广应用

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



基于在砂卵砾石地层中跟管造孔工法的应用

赵善国，李景山，郑佳

推广应用

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：在地质造孔施工中，对于穿透卵石层进行岩体灌浆施工的常规方法是采用跟管钻机造孔下设预埋钢管，再进行岩体钻灌施工。文章讲述穿透近30m深度卵石层的跟管造孔工法的成功应用，既解决了砂卵砾石层采用常规工法不成孔的难题，又缩短了工期，节省了投资，为今后解决类似地质情况的施工提供了范例。

关键词：砂卵砾石层；跟管造孔；工法应用；坝基；施工

1工程简介

某水库是一个防洪、灌溉为主，兼顾供水、发电的综合利用工程，总库容13.0 亿m3，工程等别属Ⅰ等大(1)型水库。水库枢纽由拦河坝、溢洪道、溢洪洞、电站及渠首工程等组成。由于工程需要，主坝右岸需要进行基础防渗处理，按设计要求，加固方案为采用水泥粘土泥浆对坝基进行灌浆防渗。

2跟管造孔工法实施背景

主坝右岸基础防渗工程主要分为施工平台(包括平行段和垂直段)填筑及拆除的临时工程、平行段的帷幕灌浆工程和垂直段的帷幕灌浆工程。

垂直段的帷幕灌浆位置处在水中，灌浆端点处水深达15 m。由于实际提供料场卵石含量(高达70%以上)远超设计指标，卵石粒径较大，最大粒径达50 cm以上，且垂直段平台填筑为水中抛填，故垂直段施工平台实际填筑后基本为松散的砂卵砾石堆积体。

要求对填筑平台的碾压密实度及含水率进行试验，尽管增加了碾压变数，但其密实度仍然很低，工程需要穿透该填筑平台对水底以下地层进行帷幕灌浆防渗。

帷幕灌浆孔段分为空钻段和灌浆段，在空钻段采用镶铸预埋钢管的方法保护孔壁。垂直段帷幕灌浆孔空钻段卵石层深度达25 m以上，采用常规地质回转钻机施工极易塌孔、卡钻且不成孔。填筑土料的质量给帷幕灌浆空钻段造孔镶管造成了极大困难。为此，采用了重锤跟管法造孔与回转钻进跟管法造孔两种工法进行施工。

3跟管造孔工法概念

3.1重锤法跟管造孔

本工程重锤跟管造孔施工是一种结合本工程卵石含量高且不密实、易塌孔的地层采用250kg重锤及几种不同管径的高硬度地质管在地质钻机钻掏的配合下成孔的一种跟管方法。

3.2回转钻进跟管造孔

本工程回转钻进跟管法施工是采用回转钻进跟管造孔由专用薄壁地质管材料的Φ127钻具与Φ108钻具作为上部和下部护壁套管，同时采用Φ127与Φ108薄唇钻头钻孔并下设Φ89预埋钢管的造孔施工[1]。

4管造孔工法实现与应用的技术方案

4.1重锤法跟管造孔

4.1.1重锤法跟管造孔工艺流程

重锤法跟管造孔工艺流程详见图1

图1重锤法跟管造孔工艺流程图

4.1.2重锤法跟管造孔施工全过程

主坝右岸基础防渗工程中，在垂直段施工平台上的帷幕灌浆孔开孔施工时，先用Φ127金刚石钻头导孔1～2 m，或者直接用配备好管靴的Φ168地质管进行吊打及垂直度校正开孔1～2 m，可根据地层需要进行开孔工艺选择，开孔后，采用250 kg重锤对配备好管靴的Φ168地质管进行冲击，Φ168地质管长度为1.3～2.8 m，根据需要进行地质管的选择，Φ168地质管之间采用专用Φ187地质管箍相连，在重锤的锤击下进入到12 m左右的深度时，将孔内浮石用Φ110～127金刚石钻头扫除，再在Φ168地质管内下设Φ127地质管，第1根Φ127地质管底部同样连接配套的管靴，Φ127地质管之间采用Φ146专用地质管箍进行连接，采用同样的锤击方法将Φ127地质管镶入24～28 m深度的地层中，之后采用Φ91的金刚石钻头将Φ127地质管内的浮石扫除后，继续造孔到设计镶管深度，下设并镶筑Φ89钢管。镶筑Φ89钢管后，采用250 kg重锤及配套打杆与三角架进行吊打，先将Φ127地质管完全取出，然后再采用同样方法将Φ168地质管全部取出。通过现场试验，确定该种方法在本工程中的工效为18 h完成1个35 m深度的空钻孔造孔及其预埋管镶筑，其中卵石深度为27 m，粘土深度约为8 m。详见图2与图3。

图2　重锤法成孔施工原理示意图

图3　同转钻进跟管法成孔施工原理示意图

4.1.3重锤跟管法施工质量控制

1)主要控制指标：孔位，孔深，垂直度应满足设计要求。

2)质量控制难点：造孔垂直度。垂直度控制方法：(导孔)开孔1～2 m进行垂直度校正(采用水平尺)，并在孔口进行加固处理，在重锤跟进施工中随时进行垂直度校正，采用钢管或钻杆进行垂直度校正钻进，最终镶管时，孔口外预留至少1 m钢管进行垂直度校正并在孔口及时将钢管固定，然后注入水泥浆待凝，孔口妥善防护，严防杂物落入孔中。

4.1.4重锤跟管法施工注意事项

1)开孔1～2 m进行垂直度校正，对孔口进行加固处理，同时在造孔过程中随时进行垂直度的测量并及时校正。

2)在Φ127地质管内钻孔扫孔时严防孔口返流出的浆液及杂物回流到Φ127地质管和Φ168地质管之间，在Φ127地质管孔口外采取密封导流措施。

3)根据本工程地层情况，Φ168地质管下设不易过深或过浅，应在10～14 m范围内为佳，Φ127地质管应下设到卵石层或反滤层以下约1 m，但不易过深。

4)下设Φ89钢管后，应先吊打提出Φ127地质管，后吊打提出Φ168地质管，最后对Φ89钢管进行垂直度校正和孔口固定，再注入水泥浆待凝。

5)每次提出地质管后，应及时检查管箍、管帽、管靴及地质管体及连接丝扣的损坏情况，如有损坏，应及时更换，以防孔故的发生。

6)对地质管的连接丝扣应及时清理并涂抹润滑油进行维护，以防锈蚀和脱扣。

7)对专用的地质管三脚架上应进行脚底加固处理，对三脚架上的滑车应正确加戴保护绳，且要经常观察滑车及三脚架的损坏情况。

8)采用重锤进行正打和吊打时，提锤幅度不易过大，控制在30～50 cm为宜，能有效确保造孔进度且减小对相关设备及配件的损坏。

9)采用重锤进行锤进和吊打施工应间歇进行，同时根据天气及施工情况(采用废油或清水)对卷扬、钢丝绳、卷筒及刹车系统及时降温处理。

10)钻扫地质管内的浮石时，切忌中途提钻，尽量做到一次到位[2]。

4.2回转钻进法跟管造孔

4.2.1回转钻进跟管造孔工艺流程

回转钻进跟管造孔工艺流程图见图4。

图4回转钻进跟管造孔工艺流程图

4.2.2回转钻进跟管法造孔全过程

本工艺是在Φ127钻具钻进约10～12 m深度时，将其盖头卸下，将Φ127钻具作为临时套管护壁并减小Φ108跟管钻具造孔时的扭矩阻力，然后采用Φ108钻具在Φ127内继续跟管造孔直至镶管深度(约35 m)，将Φ108钻具盖头卸下，直接在Φ108钻具内下设Φ89钢管，然后将Φ108钻具提到孔外，最后将Φ127钻具提出，然后将预埋钢管进行孔口垂直度校验并固定，注入水泥浆液待凝。此工艺采用的特种薄壁地质管作为Φ108与Φ127钻具，同时采用Φ127及Φ108的薄唇钻头进行造孔，以便Φ108钻具起下及Φ89钢管的下设。但由于Φ108套管和预埋钢管最小平均间隙仅有3 mm，且间隙内有泥浆等杂物，在Φ89钢管焊接时，焊瘤稍大或钢管对接稍偏就会造成Φ89钢管下设及Φ108钻具上提困难，同时由于Φ108钻具在25 m的跟管钻进中有较大摩擦扭矩，钻进速度较慢，此种工艺在钻进中由于钻头磨损严重不进尺时，更换钻头后，可能由于孔内坍塌造成重复造孔，因此造成钻头及钻具(或套管)等材料损耗很大及功效降低。此种工艺的功效大约为26 h完成一个35 m深度的空钻孔造孔及其预埋管镶筑。详见图2。

4.2.3回转钻进跟管造孔质量控制指标

造孔主要控制指标：孔位，孔深，垂直度应满足设计要求。

4.2.4回转钻进跟管造孔注意事项

1)稳固钻机，检验立轴垂直后开孔，钻孔过程中随时进行垂直度校验，尤其在Φ127口径钻进施工时应多次进行垂直度校正。

2)Φ89预埋钢管下设焊接时，应采用经纬仪严格调整直钢管后立即点焊固定，然后进行整缝焊接，单侧最大焊瘤≤1 mm。

3)下设预埋钢管前应先采用清水冲洗Φ108管内壁，尽量将杂物冲洗掉。

4)上提Φ108管时，视情况采用适当措施缓慢提管，以防因局部摩擦将内管(即Φ89预埋钢管)拖带上来。

5)上提Φ127管时，应采用边震动边回转的方法，避免直接向上吊打。

6)提出Φ127管后，及时校正Φ89预埋钢管并进行孔口固定，注入水泥浆液待凝后，注意管口采用物件封堵防护，以免污物进入孔内，造成孔故。

5卵石层跟管造孔新工法使用效果

重锤法跟管造孔和回转钻进法跟管造孔工法在砂卵砾石层中的应用具有十分重要的意义：

1)工程中原先用于进行造孔的XY-Ⅱ型地质回转钻机可以直接使用，明显降低设备投入成本。

2)采用以上两种跟管造孔工法，原操作员均可直接上岗，节省了操作培训的费用。

3)需要配备的材料价格较低且可及时运至现场，满足工期要求。

4)重锤法跟管造孔工艺可节省大量的浆液与造孔用水，减少了排污量和用电量。

5)解决了不成孔的难题，缩短了工期。

参考文献：

[1]袁芳.砂砾石层的分类及砂砾石取芯钻具的研究[D].长沙：中南大学，2005年.

[2]张莉，张弭，虞兴福.卵石层不稳定地层的钻探技术浅析[J].城市勘测，2000(03)：5-9.

Application of Piping Making Hole Construction Method in Sandy Gravel Stratum

ZHAO Shan-guo; LI Jing-shan and ZHENG Jia

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute，Harbin 150080，China)

Abstract：In the construction of geological making hole，for grouting construction of rock mass through the pebble stratum，the conventional method is to use a pipe to make holes next to lay pre-buried steel pipe，and then drill and grout in the rock mass. The paper describes the successful application of piping making holes method in pebble stratum through 30 meters depth，which not only solves the problem，not easy to form holes constructed in sandy pebble and gravel stratum，but also shorten the construction period，save the cost，and supply the example to solve similar geological construction in the future.

Key words：sandy gravel stratum; pipe making hole; application of construction method; dam foundation; construction

文章编号：1007-7596(2016)02-0092-04

[收稿日期]2015-11-18

[作者简介]赵善国(1973-)，男，黑龙江林甸人，高级工程师；李景山(1972-)，男，黑龙江集贤人，高级工程师；郑佳(1978-)，男，黑龙江抚远人，高级工程师。

中图分类号：TV52

文献标识码：A