冲击回转钻孔技术在帷幕灌浆工程中的应用

(中国水电基础局有限公司,天津 301700)

灌浆工程中用来进行钻孔的方法或机械很多，有回转式、回转冲击式、冲击式三大类。目前使用频率最高的是回转式钻机，其次是回转冲击式钻机，纯冲击式钻机使用频率很低[1]。回转冲击式钻孔的效率要高于回转式及其他方式。在乌干达伊辛巴水电站项目灌浆工程中，为提高钻孔灌浆施工工效，利用可取芯的电动地质回转钻机配置风动冲击器钻具进行冲击回转钻孔,既不用在取芯钻孔结束后更换冲击钻孔设备，又可以使钻孔一次成孔而避免频繁起下钻。结合自下而上的灌浆方法，冲击回转钻孔既提高了裂隙冲洗质量，又减少了灌浆施工每段起下塞的次数，提高了工效。

1 工程概况

伊辛巴水电站项目位于乌干达南部，处于维多利亚湖和基奥加湖之间的丘陵区。电站枢纽建筑物主要由挡、泄水建筑物(土石坝、混凝土重力坝及溢洪道)，引水发电建筑物及开关站(河床式电站及相应建筑物)等组成。枢纽工程建筑物垂直河流呈折线段排列，沿坝轴线自左至右依次为左岸连接堤坝坝段、混凝土重力坝GD1、发电厂房、溢洪道SP1和SP2、混凝土重力坝GD2以及右岸连接土石坝段。本工程帷幕灌浆工程有混凝土重力坝、主副厂房及安装间、溢洪道、左右岸连接土石坝段防渗墙下基础帷幕灌浆等，帷幕灌浆工程量35241m,平均孔深25m。施工轴线总长1427m，单排，孔距2m，帷幕灌浆设计底线渗透率小于1Lu。帷幕灌浆计划先进行左岸土石坝连接段施工，再进行拦水坝段廊道内帷幕灌浆，最后进行右岸土石坝连接段的帷幕灌浆施工。

伊辛巴水电站项目坝址地表地形是一条宽阔的河流山谷，河流在山谷内环绕一个中心岛流过。河谷的宽度约800m。坝址区地层从上至下依次为覆盖层、全风化岩石、强风化岩石和弱风化岩石。坝址地质由花岗质片麻岩组成，大约呈东北至西南走向，有角闪岩岩脊穿过整个坝址。角闪岩更耐风化并且在河岸内侧和中心岛上突出形成岩脊，河道内部较小岛屿和急滩也是由角闪岩脊组成。根据钻孔压水试验结果，坝址区岩石的渗透率约为0～35Lu，孔内地下水水位在6.1～12.2m左右。

2 冲击回转钻孔

帷幕灌浆施工按照施工程序应分序加密进行，帷幕灌浆的先导孔及部分Ⅰ序孔要进行取芯钻孔以判断岩层的裂隙发育及破碎情况。取芯孔的钻孔采用地质回转钻机施工，钻具为金刚石的取芯钻头配岩芯管。金刚石或合金钻头回转钻孔效率较低，尤其在硬岩中钻进速度下降，钻头消耗较大，并且每一回次都要进行一次起下钻，对不需要取芯的普通灌浆孔及自下而上的灌浆方法而言不是十分必要。为了在不更换取芯孔钻孔钻机的前提下，提高灌浆孔钻孔效率，本工程采用XY-2型电动地质回转钻机配套冲击器进行冲击回转钻孔施工。它的工作原理为：给钻头(即冲击器所配钎头)以冲击力，并在两次冲击之间钻头旋转一角度，使岩石呈粉粒脱落，达到全断面钻进的目的。冲击器为风动式，由空压机供风。冲击回转钻孔对地层的适应性强，适用于除很软地层以外的所有岩石。该钻孔技术不但可用于固结灌浆钻孔，还在深孔帷幕钻孔中发挥了较高的钻孔效率，不仅钻进速度快，还避免了烦琐起下钻而一次成孔，尤其在十分坚硬的岩石中钻进速度通常要高出回转钻机4～6倍，单机平均进尺可达4～5m/h。

2.1 钻孔预埋管

为使冲击回转钻进有良好的导向，同时避免直接钻孔对灌浆盖重内钢筋的破坏，在盖重混凝土施工时，将直径80mm的管预埋在混凝土中。预埋管要符合灌浆孔位、孔向要求，并与浇筑仓内钢筋固定在一起。

2.2 机械设备选用

本工程造孔所用的冲击回转钻孔设备由地质回转钻机配套冲击器组成，即把岩芯钻具更换成冲击器，冲洗水换成高压风。机械设备除了灌浆工程中常用的XY-2型地质钻机外，还有新型CIR系列潜孔冲击器和ATLAS空压机。

2.2.1 XY-2型地质钻机

XY-2型地质钻机，外形尺寸小，搬迁灵活，机重950kg，适用于金刚石和硬质合金钻进，钻杆加卸方便并能保证成孔质量。该设备属于回转式钻机，钻孔深度100～530m，钻孔直径56～320mm,转速65～1172r/min，钻孔倾角0°～90°。

2.2.2 CIR65A冲击器

CIR65A冲击器属于新型CIR系列潜孔冲击器，是单活塞、中心排气结构，以压缩空气为动力，为防止粉尘污染，亦可在压缩空气中加入少量高压水进行湿式凿岩，效果更佳。该冲击器中心排气排渣效果好，避免了岩石的重复破碎；冲击器带有逆止阀装置，地下水丰富时不影响钻孔效率。

CIR65A冲击器所配钎头直径68mm，钻孔直径68mm;用方接头与钻杆连接(外方特42×10×1.5)。主要技术参数见表1，结构见图1。

表1 CIR65A冲击器主要技术参数

图1 CIR65A冲击器结构

2.2.3 空压机

本工程钻孔供风空压机使用ATLAS压缩机，该压缩机可以同时为6台钻机供风。其主要技术参数见表2。

表2 ATLAS COPCO压缩机主要技术参数

2.3 冲击回转钻孔施工

冲击回转钻孔时应先给风冲孔后，再给压冲击、回转，避免孔道或钻具堵塞。在正常钻进中，冲击器应每工作200h进行一次检查清洗和重新装配，钻有水孔或泥浆排渣时每100h进行一次。工作中经常检查空压机的转速及压力，注意钻机的转速，避免孔故。钻孔过程中始终保持孔内无岩渣，必要时，停止钻进，进行清孔强吹(冲击器提离孔底152mm)。更换钎头注意直径变化，钎头磨损孔未完成，不能换新钎头，以免卡钻。钻孔过程中严禁反转以防孔故。停止钻进时先进行强吹，再停止供风。钻孔进尺速度取决于钻机的轴压与转速，可根据岩层具体情况调整。

钻孔结束后，钻具提离孔底20cm进行压力风冲洗孔道，清理孔壁和裂隙内填充岩粉，为下一步的灌浆做准备。这种压力风在孔壁上形成负压，能达到比压力水更好的裂隙冲洗效果。

3 灌浆及效果

伊辛巴水电站帷幕灌浆除少数先导孔外均采用冲击回转钻孔，钻孔工效高，施工进度快。用压力风进行灌前裂隙冲洗效果好，在钻孔终孔后将冲击器钻具提离孔底一定距离，用压力风将孔内沉渣和岩粉吹出，同时会将孔壁裂隙中的松散填充物带出，更有利于后续浆液的灌注质量。因帷幕灌浆钻孔一次成孔，后续灌浆工序更适合自下而上分段卡塞灌浆的工艺，这样避免了灌浆施工每段起下塞的次数，提高了灌浆效率。本工程帷幕钻孔深度为15～35m,根据透水率确定。帷幕灌浆第一段长度为3m，二段以下长度均为5m。灌浆压力自上而下为0.3MPa、0.5MPa、1MPa，四段及以下均为1.5MPa。采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1六个比级的纯水泥浆液由稀到浓灌注。

本工程帷幕灌浆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序平均单位注入灰量分别为75.4kg/m、48.7kg/m、32.10kg/m。21个检查孔压水试验透水率均满足防渗标准，末段透水率均小于1Lu，灌浆达到了设计质量标准。

4 推广与应用

在国内，冲击钻孔或冲击回转的钻孔方法过去多被用于深度较小的固结灌浆、回填灌浆、接触灌浆等的钻孔，在较深的帷幕灌浆中很少被采用。我国的水利水电行业灌浆规范中对帷幕灌浆孔的钻孔方法也有这样的规定：“当采用自上而下灌浆法、孔口封闭灌浆法时，宜采用回转式钻机和金刚石或硬质合金钻头钻进；当采用自下而上灌浆法时，可采用回转式钻机或冲击回转式钻机钻进。”[2]“应优先选用回转式钻机，当钻孔较浅且无取芯要求时，可采用风动式钻机。”[3]为什么把“冲击回转式钻进”列为次之且不能在深孔应用呢？业内普遍认为此种方法除不能取得岩芯便于了解地质情况外，最主要的缺点是全断面钻进，产生岩粉较多，易堵塞岩缝，影响灌浆效果。但实际工程应用中并非如此。

在实际施工中仔细观察发现，采用这种风动冲击回转钻机，其产生的岩粉较粗，不易进入裂隙，而且大多可以在钻进中被扬出地面，否则无法继续钻进。其次，回转冲击钻孔用高压风进行洗孔，这种高压风或高压风与地下水的混合物自孔底以高流速向上扬出时，在孔壁上形成负压，不仅不会使岩粉在此处积存堵塞裂隙，而且有可能将裂隙内部的一部分泥土带出。或许这种钻孔方法更有利于达到钻孔冲洗效果，提高灌浆质量。本工程帷幕灌浆的先导孔由回转钻机取芯钻探，实际灌浆结果对比显示，冲击回转钻孔与回转取芯钻孔在灌浆效果上没有差别，此种钻孔方法不仅可以应用于深孔帷幕灌浆工程中，并且风动冲击器回转钻孔技术还有以下优点：ⓐ钻孔工效高，一次成孔避免了频繁的起下钻工序；ⓑ避免强风化或软质地层遇水后结构破坏造成塌孔；ⓒ避免钻孔使用冲洗液，工序简化，便于现场管理；ⓓ对帷幕灌浆而言，更适合采用自下而上分段卡塞的灌浆方式，可提高灌浆效率。

5 结 语

总体而言，回转地质钻机配置风动冲击器的冲击回转钻孔技术在帷幕灌浆施工中工效远高于回转钻孔，岩粉通过压力风冲洗后也不影响灌浆质量。但此种钻孔方法在施工过程中产生的扬尘较多，对大气环境和操作人员身体健康不利。在实际施工中，除操作人员需加强防尘保护外，使用孔口防尘器也可以起到一定的防尘效果。孔口防尘器的原理是利用雾化水在孔口降尘，其缺点是需要短时间内清理孔口岩粉从而影响工效。因此降尘的方法和器具还需要进一步优化改进。