综合钻孔工艺在高喷防渗墙施工中的研究与应用*
赵毅，江道远
（中国水电七局或都水电建设工程有限公司，四川成都611130）
[摘要]选用合理的钻孔设备、机具及可靠的材质性能，结合使用孔斜的分段控制技术，根据各种钻孔工艺的优点 及缺点，充分考虑各种钻孔工艺与地层的匹配性，采取相对合理的综合钻孔工艺及工法，是确保结孔质量及进度的关键所在.结合某水电站导流明集围堰高喷防渗境工程实例，介绍了不同孔深及地质条件下综合钻孔工艺在高喷防渗墙施工中的应用.
[关键词]水电站：围理：高喷防渗墙：施工技术
[文章编号】1002-8498（2013）13-0048-04
[中图分类号]TV543 [文献标识码]A
Research and Application of Comprehensive Drilling Technology in High Pressure Jetting Diaphragm Wall Construction
Zhao Yi Jiang Daoyuan
( Chngda Hlydrapower Conatrsction Company of Sinohydre Burees No. 7 Co. Lad. Chengds Sichuan 611130 China)
Abstract;The key points to ensure dilling quality and progress have been showed such as reasonable drilling equipment and materials hole deviation control and drilling technology based on geologicalconditions. Acording to engineering practiee of high pressure jetting diaphragm wall of diversion channelcofferdam in a hydropower station this paper introduces application of prehensive drilin technologyin high pressure jetting diaphragm wall construction under different depth and geological conditions
Key words;bydroelectric power stations; coferdam; high pressure jetting diaphragm wall; construction
63.8m，明渠中心线混凝土底板长609.773m.明渠桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境进口底板高程为982.000m，明渠出口高程在桩号内，距上游二滩水电站约18km，距雅蓉江与金沙江0180处由982.000m以1：10反坡至986.000m.汇合口约15km，系雅套江下游最末一个梯级电站，明渠桩号0000-0060段为水久闸室段，桩号 是以发电为主的综合利用水利枢纽.桐子林水电0060-0340.498段为闸室下游护坦区，桩号
1工程概况
站由河床式发电厂房、泄洪闸及挡水坝等建筑组0340.498下游段为明渠出口及右岸边坡防护区.成，电站总装机为600MW，水库正常蓄水位为一期枯期围堰布置于右岸河漫滩外侧，采用土按二级建筑物设计，次要建筑物按三级设计.枢纽 建筑物由重力式挡水坝段、河床式电站厂房坝段、泄洪闸（7孔）坝段等建筑物组成，坝顶总长440.43m，最大坝高71.3m.
1015.00m，总库容0.912亿m”，水库具有日调节性石围堰，堰顶宽度为12.0m，堰顶高程为993.400m， 能.工程属二等大（2）型工程，永久性主要建筑物枯期围堰堰顶轴线总长1056.68m，最大堰高约16m.堰体分两区堆筑，即砂砾石区和石磕堆筑区，砂砾石区顶宽8.0m，迎水面、背水面坡比为1：1.75；石磕堆筑区布置在迎水面，增加堰面的抗冲击能力，该区顶宽4.0m，迎水面坡比为1：2.0.枯期围堰堰面采用钢筋石笼、铅丝石笼、抛石等进行适 当保护.导流明渠及围堰防渗轴线布置如图1所示.
桐子林电站导流明渠布置在右岸滩地上，结合水工右岸三孔泄洪闸的布置，导流明渠渠身段底宽
2图堰施工地质条件
场地质资料及地质复动孔揭示，该围堰施工地质复 桐子林导流明梁围堰基础置于覆盖层，通过现
段，（围）0-60子围堰长118.4m，（围）0185子围 堰长79.3m.
4成孔原理及与地层匹配性分析
由于地质情况恶劣，为保障钻孔施工精度、钻孔施工质量和整体施工进度，本工程主要采用了偏及同心跟管钻孔工艺（配置高频顶驱冲击器）3种钻 心跟管钻孔工艺、卡式扩孔钻头同心跟管钻孔工艺孔工艺.
Fig 1 Layout of diversion channel and 图1导流明渠及围堰防渗轴线布置leakproof cofferdnm axis
1）偏心跟管钻孔工艺
偏心跟管钻具由稳杆器、中心钻头、偏心钻头三件套组成，如图2所示.偏心式跟管钻孔工艺依围的岩石进行破碎扩孔，稳杆器带动外壁套管跟进护壁成孔，偏心式跟管钻具能重复使用.
杂、地层结构多变，孤石、漂石含量高，覆盖层最大其地层结构及具体分布如下：①（围）0-441.104-（围）0-074.0段地层结构以砂卵石及人工填筑层 为主，孤石、漂石含量达50%，最大粒径达3.0m；②（围）0-074.0-（围）0190.0段地层结构以砂卵石及粉砂质黏土层为主，孤石、漂石含量10%～20%；③（围）0190-（围）0615.574段地层结构源石含量达20%-30%；④承压水、地下动水富集 以砂卵石、粉砂质黏土层及人工填筑层为主，孤石、区集中于（围）0-249.0-（围）0-121.0及（围）0205.0-（围）0324.0段.
图2偏心眼管钻具工作示意Fig 2 Eccentric follow-pipe drilling
地质分层构造及分布范围如下：
该工艺优点为适用地层范围广，工效高.不足影响，钻进速度较慢、孔斜不宜控制.
厚8-35m，分3层，主要为③砂卵砾石层8~32m，之处在于遇孤石、飘石等地层，扩孔过程受偏心头 1）（围）0-441.104-（围）0-176.0段覆盖层底部分布有①砂卵砾石层厚约3m，②局部含桐子林组粉砂质黏土层呈透镜状局部分布，厚约4~6m.
2）卡式扩孔钻头同心跟管钻进工艺
卡式扩孔钻头同心跟管钻具由同心式中心钻头、扩孔钻头组成（见图3）.卡式扩孔钻头同心跟管钻进，扩孔钻头采用大于套管直径的环形均匀镶嵌的合击器高频冲击及回转钻进实现跟管护壁成孔.
2）（围）0-176.0-（围）0365.0段覆盖层厚30及人工填筑层，②层桐子林组粉砂质黏土层.①层砂进成孔原理由中心钻头和扩孔钻头同步扩孔同心钻 ~51m，亦为3层结构，主要为①，③层的砂卵砾石层卵砾石层厚约12~30m；③层的砂卵砾石层厚约8~15m，局部地段尖灭；②层桐子林组粉砂质黏土层厚金柱齿钻头，扩孔钻头与同心钻头同步旋转，配合冲约8-18m，分布连续，具相对隔水；（围）0233.0-（图）0254.0为F1断层及其影响带.
层，较偏心跟管钻进精度高，对密实、坚硬地层扩孔 该工艺优点为适用于大孤石、漂石等复杂地迅速，进尺快，不易卡钻，避免了因卡钻、跳钻对机械设备损伤，提高了钻孔工效，节约了施工成本.不足之处在于当地层较柔软或出现架空现象时，扩孔套、中心钻头易脱落，增加钻孔事故频率和施工 成本，影响施工进度.
厚10~33m，上部为厚10~32m砂卵砾石层（①层） 3）（围）0365.0-（围）0615.574段覆盖层及人工填筑层，下部（②层）为厚2~8m相对隔水的粉砂质黏土层.
3围堰防渗概况
深51.0m，高喷防渗工程量约52000m，防渗面积约 本围堰防渗轴线长1056.678m，覆盖层最大埋45000m，施工工期2.5个月，最大施工孔深为52.0m，在砂卵砾石、孤石及漂石地层中52m高喷灌设计纵向围堰1条（围）0-441.104-0615.574， 另增设横向子围堰2条将明渠基坑划分为3个区
3）同心跟管钻孔工艺
同心跟管钻具由中心钻头、外管扩孔钻头两件套组成，该工艺的特点是在动力头安装高频顶驱冲
同心跟管钻进成孔原理由中心钻头和外管扩孔钻头进行扩孔同心钻进，扩孔钻头采用大于套管
图3卡式扩孔同心眼管钻具示意Fig. 3Clip reaming concentric follow-pipe drilling
直径的环形均匀镶嵌的合金柱齿钻头，扩孔钻头与套管连接为整体，套管及扩孔钻头在顶驱冲击器作用下与中心钻头、钻杆同步回转，配合冲击器、顶驱高频冲击及钻进回转实现跟管护壁成孔；该工艺特点是在动力头安装新型高频顶驱冲击器，遇较硬地 层钻进缓慢时，打开顶驱冲击器，通过套管、钻杆将顶驱冲击传至外管扩孔钻头、中心钻头，可提高钻进速度.
该工艺优点是适用范围为黏土层、细砂层等柔软密实的地质条件，钻孔精度易控制，进尺速度快、 功效高.缺点是在原始河床、大孤石、漂石较多的复杂地层，进尺因难，使用局限性较大.
5成孔质量及工效的量化参数分析
5.1综合钻孔工艺的量化参数试验与分析
化标准的动态研究方法，依托工程按不同的地质情 研究过程中针对工艺的使用及改进采用了量况进行针对性处理，选用合理的钻孔设备、机具及材质，使用综合钻孔工艺并配合采用孔斜率分段控制技术，能将孔斜控制在标准范围内，并能最大限8h/班计算），为成本、进度及质量控制的最优结合 度满足对钻孔工效的要求，单班进尺达30~35m（按点.综合钻孔工艺在不同孔深及地层下的技术性能对比如表1所示.
通过对各种工艺的研究、分析与对比，综合钻孔工艺使用范围如下：
1）偏心跟管钻孔工艺，钻进中、下游（围）0-074.0-（围）0190.0孤石、漂石含量少、孔深0~35m左右的地层.
2）卡式扩孔钻头同心跟管钻孔工艺，钻进上游（围）0-441.104-（围）0-074.0孤石、漂石含量 多、孔深0~35m左右的地层.
3）同心跟管钻孔工艺，钻进中、下游（围）0190-（围）0615.574孤石、漂石含量少、孔深0~52m左右的地层.
5.2孔斜控制技术的试验与分析
实践表明，针对不同的孔深进行孔斜率分段控制，根据不同的地质条件采取针对性的孔斜控制与纠偏措施是确保钻孔质量的关键环节.孔斜控制过程分为3个阶段，各阶段孔斜控制技术与方法
1）开孔前的钻具准备与孔斜校正
对钻孔设备的大梁进行优化改进，在大梁上安装自制扶正器，使其动力头中心轴线与上下扶正器成一条直线；开孔前对动力头中心轴线与扶正器进行检查，如磨损严重、间原过大，及时修复或更换；并反复校正偏斜率确保其在规定范围内.
2）开孔过程孔斜的控制
开孔时在相对松散的回填层，块石较多，停止回转直接冲击给进，给进至20cm时开始慢速回转
表1综合钻孔工艺在不同孔深及地层下的技术性能对比
Table 1Technlcal performance parison of driling in different depth layer
序号 工艺名称 适用地层 孔深范围/m 最优孔斜控制/% 功效指标/m 实施效果偏心跟管 孤漂石含量10%~20% 0-35 0-35 90≥ <1.0 32~34 24-26 良好孤票石含量20%-30% 孤漂石含量50%以上 0-52 ≤0.8 28-30 较差 一般2 卡式同心 孤漂石含量10%-20% 孤源石含量50%以上 SE-0 0-35 ≤0.6 ≤0.6 31~33 28~29 一般 良好孤源石含量20%-30% 0-35 0-52 <0.6 ≤0.6 o-6 一般3 同心跟管 孤漂石含量10%-20% 孤源石含量50%以上 SE-0 <0.9 SE-Z5 23-26 良好 一般孤漂石含量20%-30% 0~52 ≤0.6 32-35 良好 钻进，控制压力低速旋转.开孔后每钻进0.5-1m11000m，在截流推迟了1.5个月的情况下.仍然提对套管进行1次校正，直至上部浅表层（10~15m）前9d完成高喷防渗灌浆施工，保证了工期，有益于钻进完毕，必要时对套管进行不定时测量校正，保孔斜控制，效果显著.证偏斜率在规定范围内.在容易发生偏斜的软弱地层中降低给进速度、控制进尺、低速钻进. 研究实践表明：根据各种钻孔工艺的优点及缺点，在保证钻孔质量与进度的前提下，充分考虑各种钻孔工艺与地层的匹配性，针对不同的孔深及地 质条件，采取相对合理的综合钻孔工艺及工法，并配合使用相应的孔斜控制技术，是确保钻孔质量及进度的关键所在，对钻孔孔斜控制及工效将产生重大影响.综合钻孔工艺最优技术性能控制指标如表2所示，各工艺实施效果良好. 3）钻进过程孔斜控制及不同地层孔斜纠偏措施 钻进过程中采用调整钻速及钻压、平衡钻进等方法，充分利用钻机大梁、上下油缸卡瓦及钻机动力头等装置，严格控制钻机大梁的铅直，确保钻孔 垂直度. 在上部较松散的砂卵石层中如未遇大粒径卵石可正常钻进，如遇较大粒径卵石则减压低速钻进，采取循环起钻→钻进一再起钻一再钻进的方式，将卵石充分击碎后再进行钻进，确保套管的垂直度. Table 2 Optimal technical performance control 表2综合钻孔工艺最优技术性能控制指标indexes of the drilling technology 工艺名称还用姓层 范围/m控制/%（m8b-) 孔操孔斜工效指标/编心跟管孤源石含量10~20%0-35≤0.632~34卡式间心孤源石含量50%以上0-35<0.631-33网心跟管孤源石含量20~300-52≤0.632~35 在粉砂质黏土层中钻进，采用泡沫泵或外加的洗车泵加水钻进，在此地层中可适当加大压力匀速正常钻进，不得来回反复钻进，以免扩大高压切割孔径造成偏斜. 注：钻孔设备选用Alas及克菜姆全液压岩磁钻机，护壁套管选用大南度的优质材料 定的情况下加大压力正常钻进，如遇孤石应控制钻 在下部较为密实的砂卵石层中，在保证钻机稳速，匀速钻进不得反复给进.钻孔孔斜分段控制技术如下：①开孔前在动力头上下安装自制扶正器2套，确保动力头中心轴与上下扶正器成一条直线；②开孔开孔时直接给进，给进20cm后慢速回转 给进，每钻进0.5-1m校正1次孔斜：③钻进过程 7结语 通过课题研究成果“不同孔深及地质条件下综成功运用，使得桐子林围堰高喷防渗、亭子口电站 合钻孔工艺在高喷防渗墙施工中的研究与应用”的二期围堰施工质量优良，基坑基本处于干地施工状态，得到业主、设计及监理各方对围堰防渗效果高度评价，为明渠基坑安全、快速的施工奠定了坚实基础.项目研发技术先进、成果适用，创造了大孔 深、高强度、深厚砂卵（漂）石复杂地质条件下高喷施工质量控制的样板，对现有高喷技术及质量控制体系进行了完善和发展，对类似大规模的高喷防渗具有示范和推动作用，具有较高的借鉴和推广价值. 上部松散砂卵石层正常钻进，如遇大粒径卵石则低压、低速钻进粉砂质黏土层，采用泡沫泵或洗车泵加水钻进，可加大压力匀速直接给进下部密实砂得反复给进. 卵石，加大压力正常钻进，如遇孤石则匀速钻进，不 6工程应用 参考文献： 综合钻孔工艺结合孔斜控制技术在桐子林电站导流明渠围堰高喷防渗墙灌浆工程中的应用，使报废孔频率由30%~40%降低至10%以内，节约了 施工成本；同心式水钻检查孔施工工艺较常规地质钻机节约施工成本约50元/m. [1]马植佩，汪滨，刘建明.钻探工程学[M].北京：申国矿业大学出版社 1998.[2]中国水利水电总公司.工程机械使用手册[M].北京：中国水 利水电出版社，1998.[3]中国水利水电基础工程局.DL/T5200-2004水电水利工程[4]《水利水电工程施工手册》编委会.水利水电工程施工手册 高压喷射灌蒙技术规范[S].北京：[M].北京：，2002.[5]史洪亮，论述加何提高水利工程的施工质量[J].四川建材， 2006(4) :27-29.[6]张文测.影响水利工程施工质量的主要因素与控制措施[]水电站设计，2004（2）：111-112 在亭子口电站二期图堰施工过程中，遇到漂孤石地层，钻孔极为固难，采用了桐子林电站导流明渠围堰高喷防渗墙浆工程的科技成果-卡式 同心跟管及同心跟管钻进工艺，解决了此项技术难题，与偏心跟管钻进工艺相比，工效提高了2-3倍，二期围堰高喷防渗灌浆工程共计完成钻孔
