双层套管同心跟管成孔工艺在复杂地层的应用杨 柳,来新伟 (成都万力建筑工程有限公司,成都 610072) 摘 要：猴子岩水电站格宗移民场平工程子格里料场开挖时，其后边坡地质结构复杂，基岩为强风化强卸荷带，预应力锚索施工成孔难度大，常规单层套管偏心跟管、同心跟管和固壁灌浆成孔方式不能满足成孔要求，进度慢、成本高。采取双层套管同心跟管工艺有效地解决了在复杂地层预应力锚索成孔难题。 关键词：复杂地基；双层套管；同心跟管；成孔工艺；预应力锚索 1 工程概况猴子岩水电站格宗移民安置点位于四川省甘孜藏族自治州丹巴县格宗乡境内，场地位于大渡河右岸，上距丹巴县城10 km，下距猴子岩水电站坝址37.5 km，格宗安置点是将大渡河改道后垫高造地进行移民安置，垫高防护后造地面积约9.93 hm2(149亩)。垫高场地采用砂卵石或堆石填筑，子格里料场是填筑料的主要料源。 子格里料场位于大渡河左岸，桩号0+000.00 m～0+240.00 m段高程1 920.00 m以上边坡为覆盖层边坡，是料场开挖的首级边坡，开口高程1 944.26 m，在开挖过程中对原有覆盖层边坡切脚，开挖形成了30 m以上的覆盖层边坡，扰动了原有边坡的稳定，安全隐患较大。为此设计采用框格梁+锚索支护形式，边坡布置4排锚索，间排距5 m，设计锚索型号为无粘结压力分散型预应力锚索，1 000～2 000 kN级，L=45～50 m，间隔布置，终孔孔径120 mm，锚索锚固段位于弱风化强卸荷岩体内。 2 地质条件子格里料场覆盖层边坡地质结构复杂，根据钻孔资料显示，主要有第四系全新统崩坡积堆积：灰色块碎石土，块石含量约30%～40%，块径20～30 cm，最大可达到80 cm，次棱角～棱角状，岩性主要为片岩、大理岩；碎石含量约50%～60%，其中粒径2～4 cm含量约20%～30%，粒径5～8 cm含量约20%～30%，充填物为粉质黏土，结构致密，颗粒呈骨架接触，颗粒间有弱胶结。孤石直径1～3 m，最大有5 m，岩性主要为片岩、大理岩，部分为花岗岩，分布在不同深度。覆盖层从上游往下游划分，桩号0+000.00 m～0+110.00 m段覆盖层深度在20 m内，0+110.00 m～0+240.00 m段，覆盖层在10 m内;越往下游覆盖层越浅，0+240.00 m基岩出露。基岩岩性为奥陶系大河边组片岩，钻孔揭示风化卸荷强烈，强风化层裂隙发育，裂隙面多锈染，为强风化强卸荷松动岩带，岩体为Ⅳ类围岩。覆盖层钻孔遇孤石较多，基岩钻孔掉块、卡钻、漏风、塌孔，破碎带裂隙较大，成孔特别困难。 3 施工条件由于是料场边坡，施工场地狭窄，与料场开挖施工交叉作业，施工临建布置较困难，主要是制浆站不能布置在施工工作面，只能布置在大渡河边，距离工作面斜距有800 m，高差近80 m，浆液输送难度较大。随着料场边坡下挖，施工设备和材料转运困难。 4 成孔工艺选择该边坡施工过程中采用了砂浆固壁[1]、偏心跟管[2]、同心跟管[3]施工工艺。通过钻孔和孔内全景图像资料揭示该覆盖层边坡地质结构复杂，孤石较多，硬度大，且分布在不同深度，基岩岩体破碎，裂隙发育且多为宽大张性裂隙，掉块、塌孔严重。常规单级偏心跟管、同心跟管成孔工艺套管和钻具消耗大，跟管深度达不到要求，不能成孔；砂浆固壁水泥灌注量大，每个灌浆段灌注10次至20次不等，平均单耗大于15 t/m，灌浆时间久、成孔周期长，反复扫孔复灌，无法满足进度要求，成本不可控制。 5 双层套管同心跟管工艺5.1 套管和钻具的选用 双层套管选用针对该地层研制的Ø178 mm和Ø146mm波纹扣套管。Ø178 mm套管外径178 mm、内径159 mm、壁厚9.5 mm；Ø146 mm套管外径146 mm、内径130 mm、壁厚8 mm。套管两端锻造加厚至20 mm，直接在加厚段加工成公母丝扣套管。连接丝扣加工成弧形，并加上一定的锥度，进一步提高套管强度，使整根套管最薄弱位置得到有效的保护。管靴选用将套管底部直接锻造成的底管，长度1.5～3 m，通过锻造增加其密度，经过淬火、精加工，具有高韧性、高强度、耐磨等优点，改善了冲击功集中在底部丝扣上造成断裂的情况。底管端部锻造加工成比配套套管外径大，并设置多个圆弧排碴槽。钻进过程中，由于底管大，可轻松挤压过突出的岩石，减小岩石对套管挤压变形，增加套管使用寿命。Ø178 mm底管内径155 mm，可通过Ø146 mm套管；Ø146 mm底管内径122 mm，可通过Ø115 mm常规直钎，满足设计终孔孔径要求[4-6]。 钻具选用高风压同心扩孔跟管钻具，该钻具是一种新型同心跟管钻具(已获得国家专利认证)。Ø178 mm套管配Ø178 mm钻具，钻具直径147 mm，钻孔最大外径195 mm，配置DHD-350型高风压冲击器；Ø146 mm套管配Ø146 mm钻具，钻具直径119 mm，钻孔孔径163 mm，配置DHD-340型高风压冲击器。同心扩孔跟管钻具由导正器、中心钻头、扩孔钻片3部分组成[7]。其特点是以中心钻头为中心将3块扩孔钻片120°均分，当钻进时扩孔片和中心钻头的合力重合在同一中心线上，扩孔片和中心钻头同时破碎岩石，相当于用一个大直径的钻头钻孔。这样设计使扩孔无偏心，钻机无摆动、扭矩力小、成孔规则，钻进进尺快，破碎岩石时稳定性好，进尺均匀，无需反转即可收拢等特点。其工作原理是钻具在进入套管时扩孔片呈收拢状态，直径与导正器下端和中心钻头相同。钻具工作时，中心钻头接触岩面，中心钻头在压力的作用下向后移动，并带动扩孔片向外展开，直到中心钻头与扩孔片均达到工作位置，达到工作状态。同时导正器的中部台阶与管靴接触，将部分冲击力传递给套管靴，达到钻具与套管同时跟进的目的。提钻时，中心钻头受自身重力和扩孔片挤压力的作用向前移动，扩孔片变为收拢状态，可轻易取出钻具。排碴通道与常规直钎排碴形式一致，排碴能力得到较大改善。 5.2 施工工艺 (1) 钻机就位后，按设计钻孔角度校正好钻机倾角，并加固好钻孔平台，防止钻孔过程中钻机发生偏移。 (2) 开孔时按照设计角度，先用CIR150型冲击器配Ø185 mm常规钻头钻进30～50 cm，用于跟管导向；再跟进Ø178 mm套管，跟进50 cm后，再次校正套管和钻杆角度，使钻杆与套管对中，保证开孔角度准确，减小钻孔偏斜。 (3) 钻进加套管时，在套管丝扣上涂上钙基脂，并用自由钳将套管拧紧，加力杆加力。 (4) 钻进过程中控制好钻压和钻进速度，以套管均匀跟进为宜。钻进时及时提钻排碴，高压风冲洗干净孔底和套管内残碴。跟进至一定深度后起钻检查扩孔片完好性，对合金磨损的扩孔片及时进行更换。 (5) Ø178 mm套管跟进至20 m左右，换Ø146 mm套管继续跟进至终孔。 (6) 终孔下索后，拔出套管可重复利用。 6 施工成果通过试验选取Ø178 mm和Ø146 mm双层套管同心跟管工艺，成孔效率明显提高，Ø178 mm套管平均每班能跟进至15 m左右，Ø146 mm套管平均每班能跟进20 m左右。平均1 d就能成孔。子格里料场首级边坡完成锚索135束，其中采用双层套管同心跟管工艺130束，历时2个月，设计单位根据地层情况加深了设计孔深，最深孔达55 m，跟管深度48 m，Ø178 mm套管跟管32 m，Ø146 mm套管跟管深度16 m。钻孔过程中无套管和底管断裂现象，材料利用率得到很大提高，节约了施工成本；跟管工程量能准确计算，总体投资与固壁灌浆对比成本可控。同时，在子格里料场Ⅰ区花岗岩边坡全岩石破碎段采用2 000 kN级锚索，设计终孔孔径140 mm施工中，采用Ø178 mm套管同心跟管工艺，最大跟管深度也达到32 m，进一步验证了此钻具的适用性和优越性，得到业主和监理的一致认可。 7 结 语(1) 常规偏心跟管和单层同心扩孔套跟管工艺在孤石较多、结构松散的覆盖层和岩石破碎的基岩段复杂地层跟管深度有限；固壁灌浆成孔是一种比较成熟的工艺[8]，但对于岩体破碎，裂隙发育、裂隙张开度宽、空腔大的孔段，灌浆量大，施工周期长，无法满足进度要求，投资和施工成本不可控制，且受施工场地和施工道路影响，材料转运困难；双层套管跟管工艺能有效地解决上述问题，成孔率达到100%，能够取得较好的施工工效和经济性。 (2) 通过调整套管材质、热处理工艺，提高套管强度；通过锻造加厚套管两端，直接在锻造段加工丝扣，套管用公母扣直接连接方式，增加套管连接丝扣的厚度，在最薄弱环节增强套管强度；改进套管之间连接丝扣(由常规的梯形扣或锥度扣改为波纹弧形带锥度扣)，消除套管丝扣连接的机械应力，能有效防止套管跟进中丝扣断裂现象，增加套管使用寿命和跟管深度。 (3) 通过调节管靴结构有效地避免了冲击功直接作用于管靴与套管连接丝扣，造成丝扣断裂现象。通过锻造将底管端部外径加大，比套管外径大，能有效地避免孔内突出岩石对套管的损伤，减小套管受岩石挤压变形，保证套管使用寿命。 (4) 采用扩孔片扩孔同心跟管钻具，Ø178 mm同心跟管钻具钻孔孔径可达195 mm，孔径比套管外径大17 mm；Ø146 mm同心跟管钻具钻孔孔径163 mm，比套管外径大17 mm，加大了套管与孔壁间的间隙，减小孔壁与套管的摩阻力，更利于套管跟进，减小深孔跟管时拔管施工难度；钻进时扩孔片和中心钻头的合力重合在同一条中心线上，作用力一致，扩孔片和中心钻头形成整体同时破碎岩石，保证钻孔有较好的直线度，钻孔偏斜小，钻进工效高，在坚硬破碎地层、覆盖层孤石段成孔规则，较大地增加了跟管深度，适用于难以成孔的复杂地层跟管施工。施工过程中遇坚硬岩石或跟管深度近100 m后易发生扩孔片断裂现象，可选用强度和韧性与岩石硬度相适宜的材料[9]，再经过锻造和热处理等加工工艺，调整钻头合金形状、高度、分布和出刃，使钻具达到最佳钻进效果，最大限度延长钻具使用寿命。怎样改善扩孔片和中心钻头工作时的配合方式，优化结构形式，既能有效地扩大钻孔孔径又能减小冲击力对扩孔片的作用力，减少造成扩孔片断裂现象，最大限度地增加扩孔片使用寿命是今后研究的主要课题。 参考文献: [1] 邱顺兵,韦猛,刘俊,等. 某水电站1号堆积体锚索砂浆固壁成孔试验与研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2012(08):75-78. [2] 李立刚.小湾水电站松散堆积体钻孔施工工艺[J].水利水电科技进展, 2007,27(01):68-70. [3] 邵东辉.同心跟管钻孔技术在拱座基坑预应力锚索施工中的应用[J].四川建材,2012,38(04):157-158. [4] 陈晓东,钟久安,刘栋全,等.枕头坝一级水电站堆积体深孔锚索成孔工艺试验与研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2013(06):81-84. [5] 曾勇生,蔡圣昕,王菲菲. 双套管跟管钻进在基坑支护锚索成孔中的应用[J/OL].城市建设理论研究,2014(35):[2017-08-01].http://d.wanfang data .com .cn/periodical/csjsllyj2014351968. [7] 张维民.对心扩孔跟管钻进钻具的设计与制造[EB/OL]// (2015-12-08)[2017-07-27]. http://www.doc88.com/p-7098941732864.html. [6] 刘万锁,李国保.风动潜孔钻跟管钻具在松散堆积体中的膏浆快速成幕技术的应用[J].西北水电,2011(05):33-36. [8] 陈礼仪, 胥建华.岩土工程施工技术[M].成都： 四川大学出版社,2008. [9] 庄生明,王茂森,博坤,等.复杂地层跟管钻进套管强度的有限元分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38(03)：9-12. [10] 袁学武,陈礼仪,李中伦.深厚覆盖层堆积体破碎带锚固成孔偏心跟管钻进工艺技术研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，(S1)：288-291. Application of Technology for Hole Making by Concentric Casing with Double-wall Tube YANG Liu, LAI Xinwei (Chengdu Wanli Construction Engineering Co., Ltd., Chengdu 610072,China) Abstract:When the Zigeli quarry for Gezong population resettlement leveling, Houziyan Hydropower Project, is excavated, it is difficult to make the holes for the prestressed anchor cables as the geological structure of its real slope is complicated and the bedrock is of the strongly weathered unloading zone. The conventional hole making methods such as the eccentric casing with single-wall tube, concentric casing with single-wall tube and wall protected through grouting cannot have holes be made, and the construction speed is slow and the construction cost is high. Application of technology of the concentric casing with the double-wall tube effectively handles the difficulty in hole making for the prestressed anchor cables in the complicated stratum.Key words:complicated foundation; double-wall tube; concentric casing; hole-making technology; prestressed anchor cable 文章编号：1006-2610(2017)04-0080-03 收稿日期：2017-07-15 作者简介：杨柳(1987- )，男，四川省南充市人，工程师，从事岩土施工工作. 中图分类号：P634.5 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.04.020 |
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