跟管钻进技术在卵石地层边坡加固工程中的应用
2015-06-01
1 工程概况
兰州市南山路西固煤场高架设计起点位于南山路道路主线 K32+680处，终点在K34+308处与西柳沟立交相连,高架长度为1628m。该合同段内部分路段穿越山体，按设计需进行边坡开挖与加固。为保证施工过程中及高架桥路运营期间的安全，对该坡体采用预应力锚索格构梁加固措施。但由于边坡地层开挖后主要为砂卵石层，普通钻孔设备无法成孔，这给预应力锚索施工造成了极大的困难。为解决该问题，采用了跟管钻进技术进行预应力锚索施工。
1.1 工程地质条件
兰州市地区的地形以黄土丘陵为主，次为黄土梁峁，阶地与干沟发育。在地貌单元上属黄河南岸Ⅳ级阶地，地形起伏较大。道路沿线地层结构主要为粉土、砂卵石层、泥质砂岩等。地层岩性分述如下：
（1）粉土：褐黄色～黄色，粉粒为主，土质较纯，具孔隙，含白色盐质斑点及钙质条纹，局部夹薄层砂，含个别角砾，厚度11.00～33.50m，稍密～中密，稍湿～湿。
（2）卵石层：杂色，主要成分花岗岩、砂岩等。夹块石，含粉土、细砂薄夹层。初见时碎石粒径较小，随深度增加，粒径变大，密实度提高，骨架颗粒约占60％以上，砂、土填充，冲积～洪积形成，厚度5.8～17.5m，稍密～中密～密实，稍湿～湿。
（3）泥质砂岩（N）：新近系，砖红色。细粒结构，厚层状构造，泥质胶结，岩体较完整，岩芯呈短柱状或长柱状，岩质软弱，易分化，手搬易断。干燥时锤击易碎，呈碎块，碎屑状；遇水易软化崩解呈散沙状。顶部2—3m为强分化层，结构构造基本破坏，岩体破碎，岩芯多呈碎块、短柱状。该层分布连续稳定，厚度较大。层面埋深9.9～17.3m。
1.2 工程设计概况
采用预应力锚索格构梁加固,锚索长度18m,间距3.0m，孔径130 mm，倾角15o。锚索采用3根15.24 mm高强度低松弛钢绞线，锚固段长度12 m，设计荷载400kN，锁定荷载200kN。格构梁截面为400×400mm。
2 成孔工艺及施工难点
2.1成孔工艺
钻孔穿过地层主要为松散砂卵石层，为减小施工外因对坡体稳定性的影响，成孔采用以高压空气为介质的干法成孔。对于该类地层采用风动潜孔锤接偏心扩孔钻头跟管钻进。
2.2施工难点
锚索成孔环节在整个工程中有着非常重要的作用，要使得锚索锚固力达到设计要求，关键是保证锚索的成孔质量；同时，成孔速度的快慢,又制约着后续工作的进度，因此，成孔工作为本工程的难点之一。
本工程边坡面锚索穿过的主要区段为砂卵石层，这种地层岩质松散，胶结力差或者无胶结力，钻进过程中漏风严重，钻渣难以排出孔外,钻进过程中极易发生卡钻和埋钻事故，易出现孔内坍塌现象。砂卵石层内鹅卵石含量较多且分布不均，钻进过程中因地层软硬不均匀容易造成钻孔偏离原来的方向，增大了钻杆与孔壁的摩阻力,所以在砂卵石及软硬不均地层中成孔又是本边坡加固工程的重要难题。
3配套设备与钻具
3.1 钻机
采用成都产M70型动力头式跟管钻机,该钻机最大扭矩3570N，最大起拔力40kN，行程2500 mm，功率18kW，具有扭矩大、行程大、体积小、安装就位方便等优点。工程中为了提高效率，采用的潜孔钻车安装跟管钻机动力头进行成孔施工，提高了钻机移动效率，操控性强。
3.2 空压机
该工程选用中风压钻进，结合场地的实际地层情况和孔深、孔径等因素,选用移动螺杆式空压机，该空压机风压可达10MPa，风量12m3/min，满足1台钻机成孔需要。
3.3钻具和钻杆
选用成都产SMW110型冲击器配同心扩孔钻头钻进，跟进127mm套管，套管采用左螺旋连接，每根长1.5m。成孔所用钻杆均为89mm外平厚壁钻杆,每根长1.5m，长度与钻机行程相匹配。所选套管与钻杆等长，做到加接套管与加接钻杆同时进行，可减小钻进过程中因套管与钻杆不等长而分别加接所产生的辅助时间。采用外平厚壁钻杆，可减少钻杆断裂事故的发生。
3.4钻进参数
钻进参数的选择主要取决于地层条件和所采用的钻进工艺。采用风动潜孔锤接同心扩孔钻头在砂卵石层内跟管冲击成孔时，风量控制在10~12m3/min之间，风压为017~018MPa，转速为20~30r/min。
4技术措施
（1）施工前检查设备状态是否良好。对组合好的钻具套管应检查丝扣连接是否紧密，偏心钻头是否收张自如。
（2）钻孔时，先定位，后下入套管准备跟管钻进。开钻前，在孔口位置搭设限位支架，以限制跟管钻进过程中套管和钻杆晃动太大；同时,在保证套管与钻杆同轴的前提下，在套管与孔壁之间填入粘土并挤实，防止套管转动，偏离轴线位置。
（3）钻进过程中遇到较大卵石时，应减小钻压，降低转速，防止钻孔因地层不均匀而偏移。
（4）钻进超过10m以后，孔内排渣极为困难，每进尺1m左右，应将钻头提离孔底并收入套管内，开强风排渣，待孔内钻杆与套管内壁间的环状间隙间碎渣吹干净后，再继续下钻钻进,严禁长时间不提钻排渣盲目钻进，以防止偏心钻头的回转部分被钻渣卡住，导致冲击器及偏心钻头工作不正常现象出现。
（5）加接套管时，应保证套管的丝扣连接牢靠，并尽量在丝扣上少涂黄油。钻进过程中,应密切注意套管的异常情况，若发现套管连接丝扣松动或套管随钻杆一起转动，应及时停钻采取措施。
（6）为保证锚索的注浆效果，在安装锚索时，将注浆管固定于4根钢绞线中间随锚索一同下入孔内，采用由孔底向外压注的办法，保证锚索孔内浆液连续。
5 结束语
偏心跟管钻进技术的在本工程中的应用，成功解决了本工程砂卵石层内成孔困难及钻进效率低的问题，既保证了工程质量，又缩短了工期,值得在边坡加固、地质灾害治理等工程的复杂层钻进中大力推广。针对施工中遇到的不同复杂地层，采取以上不同的技术措施，基本保障了工程的正常开展。但是施工控制过程中仍存在若干工序需要优化解决。如在起拔套管时，拔管机的移动效率较低，造成套管不能即时周转使用，从而备用套管需求量较大，造成了一定的经济损失，这类问题有待进一步加以解决。
