深厚覆盖层松散岩体快速成孔施工技术研究

谢朝宗

【摘要】深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术是水电工程边坡治理、河床基础防渗以及公路、铁路、桥梁乃至民用建筑的基础及边坡处理的一个难题。若按以前的传统施工方式，不但难以达到设计深度，影响施工质量，同时给工程后期运行带来安全隐患。为此，通过深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术的研究，针对不同的地层情况采用了不同的造孔工艺，在确保施工质量的前提下，提高工程施工进度，保证工程的安全稳定，避免工程运行期内出现不安全因素。该技术的应用为今后类似工程的施工开辟了新的途径，保证工程质量，减少工程投资，减低有效工期，保护生态环境等。

【关键词】深厚覆盖层；松散岩体；快速成孔；施工技术

【Abstract】The rapid formation of loose rock mass with deep overburden is a difficult problem for slope treatment of hydropower projects， foundation seepage prevention of hydropower projects， as well as foundation and slope treatment of roads， railways， bridges and even civil buildings. If according to the previous traditional construction methods， not only difficult to achieve the design depth， affecting the construction quality， at the same time to the late operation of the project brings security risks. Therefore， through the study of rapid formation of loose rock mass in deep overburden， different pore-forming techniques are applied to different formation conditions. Under the premise of ensuring the construction quality， the progress of construction is improved and the safety and stability of the project are avoided. In the project operation period， there are unsafe factors. The application of this technology has opened up new avenues for the construction of similar projects in the future， guaranteed the quality of projects， reduced the investment in projects， reduced the effective construction period， and protected the ecological environment.

【Key words】Deep overburden；Loose rock mass；Rapid hole formation；Construction technology

1.引言

（1）目前，我国的基础设施建设主要集中在西部地区，其中水电、高速公路、高速铁路等建设进入新的历史时期。在水电、公路及铁路等基础设施建设时，高边坡处理、河床防渗处理、基础处理等不可避免地遇到深厚覆盖层松散岩体。如何在深厚覆盖层松散岩体施工时快速成孔将直接影响整个工程的进度甚至工程的成败。因此在进行上述工程施工时，如何快速成孔后进行下一工序的施工至关重要。以往常用的办法是地质钻机造孔、注浆保护然后2次甚至多次扫孔后成孔，部分采用偏心跟管钻进。由于受摩擦阻力的影响较大，深厚地层难以达到设计深度，而注浆保护所需工期太长，对工程进度、效益等都不利。

（2）中国水利水电第九工程局有限公司通过黄金坪水电站导流（兼泄洪）洞出口围堰防渗、锦屏一级水电站围堰、枕头坝水电站围堰、江坪河水电站边坡锚固、居甫渡水电站边坡锚固、贵阳市红星利尔广场边坡处理等工程的施工实施，对深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术进行系统研究，成功解决了天然堆积（沉积）、崩塌堆积、地壳抬升等形成的深厚覆盖岩体的钻孔成孔问题，针对不同的地层情况采用不同的造孔工艺，确保后续工程施工及整体施工进度，取得较好的施工经验。

2. 创新点与难点

2.1创新点。

（1）深厚覆盖层松散岩体造孔成孔技术创新。钻孔时采用孔底潜孔锤、套管跟进护壁，一次性钻到设计孔深，成孔率达到100%。孔深小于25 m 时成孔速度为15～20 m/h，孔深为25～45 m時成孔速度为10～15 m/h，孔深大于45 m时成孔速度为5～10 m/h。如果采用传统钻孔工艺，成孔速度将降低70%以上，同时难以钻进深度25 m以上的地层，因而提高了造孔速度，降低了成本，确保了工期和成孔安全。

（2）利用跟管、多管冲击钻进的施工工艺代替回转钻进的施工土艺，有效解决了地质钻机回转钻进速度慢、易塌孔、成孔率低、频繁重复钻孔的难题。地质钻机钻进该类地层，受设备影响，造孔速度缓慢，同时为解决塌孔问题，提高钻孔成孔率，常采用预灌浆处理；等灌浆待凝后再进行下一深度的施工。从而导致成孔速度十分缓慢，成孔深度受到限制；同时由于预灌浆时的压力控制问题，常常导致后期灌浆的扩散以及连接效果，形成漏灌、搭接不到位等渗透部位，给防渗效果造成直接影响。endprint

（3）由于地质钻机回转钻进需要进行护壁处理，且待凝后再进行下一工序的施工，势必造成设备资源的闲置或频繁移动，同时2次到位时，由于钻孔角度的误差，导致钻孔的2次塌孔。而利用孔底潜孔锤、套管跟进护壁、双层或3层套管跟进技术，也解决了深孔钻进的实际问题。

（4）对于边坡工程，由于钻孔角度较大，且绝大部分孔为近水平孔，如果采用地质钻机造孔，在待凝期间将无法移动设备，因此造成设备使用率低下，增减施工成本。而利用“深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术”，有效地解决了边坡钻孔困难的问题。

（5）对不同地层采用不同的钻孔施工工艺。a.无大块石、覆盖层埋深较浅的地层，直接使用孔底潜孔锤偏心跟管钻进，该方法钻进速度快、成孔率高，成本低。b.有大块石、覆盖层埋深较浅的地层，采用孔底潜孔锤同心跟管钻进。该方法钻进速度较偏心跟管快、成孔率高，但跟进的同心扩孔套不能2次利用，增加了1个同心套的成本费用。c.无大块石、埋深很深的地层，采用偏心跟管钻进，达到35m后，利用小一级的套管下入孔内，换小一级的钻头继续跟管钻进至设计孔深后，拔出外层套管，从而减少地层对套管的摩擦阻力，增加造孔深度和钻进速度。该方法确保了成孔深度，且成孔速度快，成孔率高，但下置内层套管时需做好安全防护措施。d.地层深度大于35 m且大块石含量很多的地层，采用偏心、同心及双层（或3层）套管跟进护壁的施工工艺。该方法造孔速度快、成孔率高，浅孔部分采用偏心钻进，深孔后下设内层套管并采用同心钻进的施工工艺。

2.2难点。

（1）有的钻孔在不同埋深都会遇到大块石或大孤石，则相应增加了钻孔难度，会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。

（2）覆盖层较深且设计钻孔深度也深，跟管钻进时，由于护壁套管与孔壁的摩擦阻力加大，也会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。同时，对护壁套管的材质也提出更高的要求，必须使用更高强度的合金钢套管，才能避免套管或管靴打断，从而造成孔内事故，钻孔报废。

3. 工艺原理

3.1潜孔锤跟管钻进系统。

（1）潜孔锤偏心跟管钻进系统主要由潜孔冲击器、

偏心跟管钻具、管靴、套管等构成，见图1。

潜孔锤同心跟管钻进系统主要由潜孔冲击器、

同心跟管钻具、管靴、套管、同心扩孔套等

构成，见图2。

（2）在潜孔锤跟管钻进系统中，无论是哪种跟管

钻具都是通过跟管钻具钻进时钻出大于套管外径

的孔，并当钻进至预定地层，可将跟管钻具收敛，

使跟管钻具的最大外径小于管靴、套管的内径，

从而取出跟管钻具，套管则留在地层内保护孔壁。

3.2偏心跟管钻进工作原理。

（1）单偏心3件套潜孔锤偏心跟管钻具工作时，

由钻机提供回转扭矩及推进动力。正常钻进时，

由空压机提供的压缩空气经钻机、钻杆进人潜孔

冲击器使其工作，冲击器的活塞冲击跟管钻具的

导正器，导正器将冲击波和钻压传递给偏心钻头

和中心钻头，破碎孔底岩石。同时，钻机带动钻

杆回转，钻杆将回转扭矩传递给冲击器，并由冲

击器通过花键带动跟管钻具的导正器转动，导正

器上有偏心轴，导正器转动时偏心钻头张开，并

在开启到设计位置后被限位，使中心钻头、偏心

钻头同时随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大

于套管的最大外径，使套管不受孔底岩石的阻碍

而跟进。套管外壁的摩擦阻力超过套管的重力时，

内层跟管钻具继续向前破碎岩石，直到与导正器

上的凸肩接触，此时，导正器将钻压和冲击波部

分传给套管靴，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进，保护已钻孔段的孔壁。导正器表面有吹岩屑的气孔，也有使孔底岩屑能够排出的气槽。大部分压缩空气经冲击器作功后通过导正器中心孔、偏心钻头和中心钻头达到孔底，冲刷已被破碎或松散的孔底岩石、冷却钻头，并携带岩粉经中心钻头、导正器的排粉槽进人套管与冲击器、钻杆的环状空间，被高速上返的气流或泡沫排出孔外。

（2）正常钻进时，导正器表面的气孔被套管靴内壁封闭，使绝大部分空气进人钻头工作区，对钻头进行冷却和清洗孔底。

（3）提钻吹孔时，只要导正器表面的孔露出套管靴，解除封闭状态，大量空气将通过此2孔进人套管，对套管内岩屑进行强吹。当钻进工作告一段落，需将钻具提出时，可慢速反转钻具，偏心钻头又依靠惯性力和摩擦力收回，整套钻头的外径小于管靴、套管的内径，即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或钻具提出孔外，套管留在孔内护壁。

3.3同心跟管钻进工作原理。

（1）同心跟管钻进与偏心跟管钻进的区别在于利用同心扩孔套代替了偏心块，即在套管底部用同心潜孔锤挂上同心扩孔套，钻出的孔径大于套管的最大外径，使套管不受孔底岩石的阻碍而跟进。当钻进达到设计孔深，需将钻具提出时，可慢速反转钻具，同心扩孔套回脱，整套钻头的外径小于管靴、套管的内径，即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或鉆具提出孔外，套管留在孔内护壁，同心扩孔套也遗留在钻孔中，不用回收。

（2）同心跟管钻进由于是通过同心扩孔套进行扩孔，减少了钻进时的偏心力，减小了对孔壁的摩擦阻力，对钻进遇大块石或大孤石时更容易穿过，因此，深孔造孔成孔率更高。但每个钻孔都需要消耗1个同心扩孔套。

4. 施工工艺流程及操作要点

4.1主要施工工艺流程。

深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术从施工技术角度对成孔技术进行了有效的创新，利用跟管、多管冲击钻进的施工工艺代替回转钻进的施工工艺，有效解决了塌孔的问题；利用该技术进行造孔，其显著特点就是成孔率高、钻进速度快、工期可靠性高，且完成的工程产品质量可靠，施工安全。双层套管风动潜孔锤跟管钻进工艺流程见图3。endprint

4.2操作要点。

（1）潜孔锤跟管钻具使用过程中要严格遵守操作

规程，才能取得较好效果。如每次钻孔前，须逐一

檢查跟管钻具、潜孔锤、套管、套管靴等连接是否

牢固、可靠，以“低转速、低钻压、高上返气速”

为原则。钻进过程中，应注意观察套管的跟进情况

及孔内排粉、排渣情况，并每钻进1段距离应该强

吹排粉，以保持孔内清洁。吹孔时，钻具向上提动

距离要严加控制。

（2）钻机操作人员必须经过现场培训合格后，才

能独立操作钻机。对不同的跟管钻进工艺要注意操

作上的细节差异，如进行同心跟管钻进时，由于必

须1次性钻到设计孔深，中途不能起下钻，在未达

设计孔深时，不能返转回脱孔底扩孔套，否则，将

造成孔内事故及钻孔报废。

（3）在以冲击为主的潜孔锤跟管钻进工艺中，钻

压是一个很重要的参数。对钻具钻压来讲，当保持

足够钻压时，可防止钻具在冲击时反弹，使钻具紧

密地与孔底岩石接触，对传递冲击功、提高破碎效

率是十分重要的。实践证明，在一定范围内，随着

钻具钻压增大，机械钻速随之增高，但过大的钻具

钻压不仅会使钻头冲击刃齿过快磨损，而且容易产

生事故。据实验和生产总结，用于钻进的钻压以每

厘米钻头直径0. 5～0. 9 KN为宜。

（4）潜孔锤跟管钻具分低气压（1. 8 MPa以下）和中高气压（1. 8～2. 5 MPa ） 2种，主要取决于配套使用的潜孔冲击器。可根据地层情况和钻孔设计选用，在钻具的钢度和韧性能满足要求的情况下，建议使用中高风压跟管钻具，其工效更高，成孔深度更大，成孔保障率更高，是跟管钻进的发展趋势。

（5）有的钻孔在不同埋深都会遇到大块石或大孤石，则相应增加了钻孔难度，会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。对不同地层采用不同的钻孔施工工艺，则能取得较好的钻孔成孔效果。

（6）对覆盖层较深且设计深度也深的钻孔，跟管钻进时，由于护壁套管与孔壁的摩擦阻力加大，也会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。同时，对护壁套管的材质也提出更高的要求，必须使用更高强度的合金钢套管，才能避免套管或管靴打断，从而造成孔内事故，钻孔报废。

5. 工程实例

（1）河床沉积地层处理技术研究应用。以黄金坪水电站围堰防渗施工为例，该电站导流（兼泄洪）洞工程最高点为泄洪洞引渠底板高程1417. 00 m，最低点为闸室底板高程1390 m，其出口地层为大渡河自然沉积物，无胶结状，含粉细砂、大孤石等，埋深达80 m以上。对围堰防渗处理时，通过渗流计算，采用悬挂式灌浆工艺进行处理，成孔技术改为同心跟管钻进，使成孔速度比以往偏心钻进得到较大提高。其他如枕头坝围堰、锦屏一级电站围堰采用该成孔技术也使成孔速度得到较大提高。

（2）边坡覆盖层处理技术研究应用。以江坪河水电站边坡锚固为例，该工程主要是边坡锚索，但边坡主要为深厚松散覆盖岩体，锚索施工时最初采用锚固钻机进行风动造孔，经常产生塌孔造成埋钻等现象。后来采用偏心跟管钻进但进尺缓慢，采用注浆成孔办法虽能成孔，但成孔速度十分缓慢，根据当时的合同工期，不对施工工艺进行革新将无法满足工期要求。对此，课题组通过对地层进行仔细分析后，大胆对原成孔技术进行改进，成孔技术改为同心跟管钻进，造孔深度超过60 m，造孔功效大大提高，使工程圆满结束。

6. 经济效益分析

根据工程实际消耗情况，以某工程Φ146 mm孔径钻孔进行单价分析，深厚覆盖层潜孔锤偏心跟管钻进单价为255. 14元/m，潜孔锤同心跟管钻进单价为282. 15元/m，地质钻机钻进单价为429. 21元/m。从这3个单价来看，地质钻机造孔单价是潜孔锤偏心跟管钻进单价的1. 68倍，是潜孔锤同心跟管钻进单价的1. 52倍，还未考虑地质钻机护壁材料或进行灌浆处理的费用，因此，深厚覆盖层潜孔跟管钻孔费用远低于地质钻机钻孔费用。2种工艺相比，潜孔跟管钻进比地质钻机钻孔可节约工程投资20%以上。从造孔工效来看，潜孔跟管钻进孔深小于25 m时钻孔速度为15～20 m/h，孔深25～45 m时为10～15 m/h，孔深大于45 m时为5～10 m/h，而地质钻机钻孔平均速度为2～5 m/h，因此，潜孔跟管钻进速度是地质钻机钻进速度的2. 5倍以上。

7. 结束语

（1）通过深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术的研究和应用，产生较大的直接效益与间接效益。如黄金坪水电站导流（兼泄洪）洞出口围堰、锦屏一级水电站围堰、枕头坝水电站围堰、江坪河水电站边坡锚固工程等，通过此技术的研究使用，加快了施工进度，保证了工程质量，降低了施工成本，取得了一定的经济效益和社会效益，如期完成合同目标，得到业主、监理等的好评。

（2）对深厚覆盖层松散岩体快速成孔施工形成了一整套完整的施工工艺参数，对比了不同钻孔工艺及相适应的地层条件，达到了预期目标，为以后类似工程推广应用提供了依据。

（3）潜孔锤跟管钻进技术可以解决我国目前地质灾害、水电建设、城市高层建筑地基处理、高边坡永久支护、公路、铁路建设工程等领域以前不能解决的大部分复杂地层钻进难题。

（4）随着我国经济建设的飞速发展，对潜孔锤跟随管钻进技术提出了更高的要求，特别是在防灾减灾、抢险工程中。虽然该技术在钻孔精度、成孔率、效率、配套、规格等方面，还存在一些急待解决的问题，但是随着科学的发展，加工、施工技术的提高，在不久的将来，潜孔锤跟管钻进技术从设备、机具到施工技术等方面会更加完善，并全面满足建设工程的需要。endprint