液动冲击钻进在钻灌一体化施工工艺中的应用试验

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450000）

1 研究背景

作为工程基础处理中常用和重要的工程技术措施，灌浆技术在水工建筑基础的防渗和加固处理中得到广泛应用。传统的灌浆方法中，钻孔和灌浆是两个互相交替的施工工序，需要频繁替换钻具和射浆管，工作效率较低。为此，结合重庆小南海水库帷幕灌浆工程、黄河小浪底水库枢纽灌浆工程，自主研发了一套“钻灌一体化”工法[1]。该工法在钻孔不取芯的前提下，优化整合钻进与灌浆工序，连续循环进行钻灌，实现钻灌一体化。该工法应用到生产项目中，有效减少了辅助生产时间，大幅提高了工作效率，取得了显著的经济效益，于2014年被评为河南省省级工法[2]。但是，该工法采用传统的旋转钻进技术进行钻孔施工，在硬岩地层（可钻性等级在Ⅶ级以上的岩石，单轴抗压强度通常大于50 MPa[3]）中钻进速度较慢。

液动冲击回转钻进技术采用泥浆泵给液动潜孔锤供给液压能，直接驱动液动潜孔锤内部的冲锤上下往复运动，并连续不断地对钻头施加冲击载荷，在岩石表面引起破碎坑，在回转运动的配合下完成剪切碎岩，具有效率高、成孔质量好等优点，在硬岩地层钻进中，液动冲击回转钻进技术较普通金刚石回转技术钻进效率可提高3～5倍[4]，是目前解决中硬及以上岩层钻进困难的有效方法[5-6]。然而，国内还未见将液动冲击回转钻进应用于“钻灌一体化”施工工艺中的相关研究。本文针对液动冲击回转钻进技术在“钻灌一体化”施工工艺中的适用性展开探索。

2 试验材料与方案

2.1 模拟地层

为保证试验的连续开展，在室内采用人造混凝土柱来模拟硬岩地层。首先采用洛阳铲冲击法开挖直径为0.8 m，深度为20 m的圆井，并采用C60混凝土回填。这种混凝土施工产品的标养试块28 d立方强度的平度均值和最低值满足GB 50107-2010《混凝问土强度评定标准》中60 MPa级混凝土要求。每回填1 m，进行机械振捣处理，直到逐渐回填至井口。试验共计制作20个混凝土井柱，平面示意见图1。将混凝土柱养护3个月，之后开展试验。

图1 模拟地层竖井分布示意

2.2 试验设备

选用的主要试验设备包括XY-2钻机、BW-320/10灌浆泵、FE3000+灌浆记录仪、YJ300低速储浆筒、ZJ-400型高速制浆机和YZX54型液动潜孔锤。ZX54型液动潜孔锤见图2，技术参数见表1。

表1 YZX54型潜孔锤技术参数

2.3 试验方案

试验分为以下2个部分。

（1）回次钻速对比试验。分别采用传统的回转全断面钻进技术（钻具组合为：60 mm金刚石全断面复合片钻头+56 mm导正钻杆）和液动冲击回转全断面钻进技术（钻具组合为：60 mm金刚石全断面复合片钻头+54 mm液动冲击器+54 mm导正钻杆），钻取口径为60 mm、深为20 m左右的钻孔。通过对比不同钻进方法钻孔时的平均回次钻速，检验液动冲击回转钻进技术在模拟硬岩地层中的施工效率。其中，回次钻速=钻孔进尺/从往孔内下放钻具、钻进、从孔内提起钻具，生产循环中1个回次所需的时间。

（2）冲击回转钻进“钻灌一体化”灌浆试验。主要目的是检测采用不同水灰比的纯水泥浆液灌浆作业后，液动潜孔锤的起振性能是否受到浆液的影响，从而初步判断“带锤灌浆”工艺的可行性。试验过程如下：①采用YZX54型液动潜孔锤开展液动冲击钻孔（清水作为动力循环介质），在一个灌浆试段钻进完成后停钻；②采用大泵量开展孔底岩粉清洗，直至回水清澈后停泵，将钻具提离孔底50 cm，把钻孔中的潜孔锤和钻杆作为射浆管；③安装灌浆管路，封闭孔口，结合裂隙冲洗开展简易压水试验，压水试验结束后进行灌浆作业，灌浆结束后解除孔口封闭，开泵通清水不提钻直接进行下一灌浆试段钻孔。试验过程中采用的最大灌浆压力为3 MPa，选用的灌注浆液类型为纯水泥浆液，其水灰比为3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1和0.5∶1，采用孔口封闭灌浆法进行地层灌浆。灌浆结束标准参照SL 62-2014《水工建筑物水泥灌浆技术规范》规定的孔口封闭法灌浆结束标准。冲击回转钻进“钻灌一体化”灌浆试验示意见图3。

图3 冲击回转钻进“钻灌一体化”灌浆试验示意

3 试验结果与分析

3.1 回次钻速对比

表2为冲击回转钻进过程中采集的试验数据，钻孔深度为回次进尺的总和19.7m，耗时3.154 h，其中，钻进时间1.7 h，辅助钻进时间1.454 h，平均回次钻速6.36 m/h。表3为普通回转钻进试验数据，钻孔深度为19.9 m，耗时3.81 h，其中钻进时间2.12 h，辅助钻进时间1.69 h，平均回次钻速4.51 m/h。试验结果显示：在人造中硬以上岩层中，钻一个20 m左右的孔，液动冲击回转钻进比普通回转钻进平均节约时间0.656 h，平均回次钻速高41.02%。

表2 冲击回转钻进试验数据

表3 普通回转钻进试验数据

3.2 浆液浓度对液动冲击器工作性能的影响

表4为冲击回转钻进“钻灌一体化”灌浆试验数据。试验结果显示，不同水泥浆液“带锤灌浆”作业后，钻孔中液动潜孔锤均可正常工作。

表4 冲击回转钻进“钻灌一体化”灌浆试验

4 结论

将液动冲击回转钻进技术应用于“钻灌一体化”中是一项新的灌浆工艺，通过试验研究，可得出以下结论。

（1）普通回转钻进与冲击回转钻进在人造硬岩地层中的回次转速显示，采用冲击回钻进方法获取的回次钻速要比采用普通回转钻进方法获得的回次钻速高41.02%，可大幅提高速率。

（2）冲击回转钻进“钻灌一体化”灌浆试验结果表明，工程施工中常用的几种配比（水灰比3∶1；2∶1；1∶1；0.8∶1；0.6∶1；0.5∶1）的纯水泥浆液不影响YZX54型液动潜孔锤在孔底的工作状态，说明该型号的液动潜孔锤在应用于“钻灌一体化”施工工艺中展示出良好前景。

本文试验属于探索性研究，下一步还需进一步开展相关试验，验证评估水泥浆液对液动潜孔锤寿命的影响，方可将该技术推广应用于实际生产中。