施澤龍，孫 健，楊成功

（1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春130021；2.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春130021；3.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春130021）

1 概 況

松山水庫(kù)位于吉林省撫松縣松江河境內(nèi)，設(shè)計(jì)發(fā)電引水隧洞長(zhǎng)度12 km。通風(fēng)孔工程是為解決松江河電站引水隧洞開挖、掘進(jìn)之需的通風(fēng)、輸料、通訊、送電問題而進(jìn)行的。施工工區(qū)地質(zhì)條件為：0~6 m為碎石壤土層，6~27.5 m為玄武巖，27.5~32 m為砂卵石層，32~85 m以下是安山巖。通風(fēng)孔設(shè)計(jì)孔深85 m（按引水隧洞頂控制），終孔直徑不小于640 mm，垂直孔偏斜率小于2%。

這是一個(gè)難度較大的鉆鑿工程，其難度在于地層復(fù)雜，鉆孔直徑大。在收集了小浪底倒垂孔等工程施工的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究制定了一整套行之有效的施工方案，并在施工過程中優(yōu)化。完成了一個(gè)深85 m、終孔直徑φ640 mm，鉆孔垂直偏差0.7%的優(yōu)質(zhì)大口徑通風(fēng)孔。

2 設(shè)備機(jī)具的選擇

根據(jù)工程的具體情況和技術(shù)要求選擇：1）XY-5G型工程鉆機(jī)，立軸最大扭矩10 kN·m，轉(zhuǎn)盤最大扭矩25 kN·m；2）Bw600/30—1泥漿泵 ，最大排量730 L/min，最大壓力25 MPa；3）主動(dòng)鉆桿，φ89 mm×79 mm；4）鉆桿 ，φ89 mm 外絲；5）扶正器，φ790 mm×1 000 mm，φ700 mm×1 000 mm，φ640 mm×1 000 mm，φ275 mm×500 mm；6）粗徑鉆具，φ700 mm鉆具、φ640 mm擴(kuò)孔鉆具、φ275 mm鉆具。

3 施工工藝

由于鉆孔鉆進(jìn)地層復(fù)雜，且要求精度高，鉆孔直徑大，為了滿足工程要求，在設(shè)備、機(jī)具的選擇和施工工藝方面采取了有針對(duì)性的措施和對(duì)策。

3.1 鉆進(jìn)、護(hù)壁、堵漏工藝

由于鉆進(jìn)地層復(fù)雜，技術(shù)要求比較高。隨著鉆孔加深，全斷面鉆進(jìn)，鉆機(jī)扭矩難以實(shí)現(xiàn)，且大口徑鉆孔存在巖粉排出困難的問題，為了提高效率，鉆孔32 m以上采用牙輪全斷面鉆進(jìn)，為保證鉆孔垂直度32 m以下采用兩次成孔法。

3.1.1 碎石壤土層

碎石壤土層采用φ700 mm牙輪全斷面鉆進(jìn)、普通泥漿護(hù)壁，鉆頭總壓力50~60 kN，轉(zhuǎn)速0.5~1.0 m/s，泵量400~730 L/min，根據(jù)施鉆情況嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)。由于牙輪鉆頭鉆進(jìn)效率高，6 m深碎石壤土層在2 h就完成了。又由于碎石粒徑很不均一，地層不穩(wěn)定，使牙輪鉆頭施鉆過程中跳動(dòng)，孔壁受到較大的側(cè)向力，鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)，不斷橫向位移，造成鉆孔擴(kuò)孔。利用這一現(xiàn)象，當(dāng)碎石層鉆完后，及時(shí)的下入內(nèi)徑φ720 mm的護(hù)管，并用浮子測(cè)斜儀（頂角精度0.1%）校正護(hù)管垂直度。護(hù)管底腳用稻殼和黃土做泥球漿封死，護(hù)管與孔壁間隙用沉砂的方法填實(shí)，上部距孔口1 m的護(hù)管與孔壁用水泥砂漿灌注，保證了護(hù)管的穩(wěn)定性，并起到導(dǎo)向鉆具作用。

3.1.2 玄武巖

玄武巖地層結(jié)構(gòu)相對(duì)均一、穩(wěn)定，采用牙輪鉆頭與扶正器組成的簡(jiǎn)易剛性鉆具鉆進(jìn)。鉆頭總壓力40~50 kN，轉(zhuǎn)速0.4~1.0 m/s，泵量400~700 L/min；根據(jù)巖粉的排出情況，改變循環(huán)液—泥漿的粘度，提高巖粉的排出量，并根據(jù)孔內(nèi)情況適時(shí)打撈孔內(nèi)巖粉。

3.1.3 深層砂卵石層

深層砂卵石層的鉆進(jìn)，護(hù)壁是工程的一個(gè)重點(diǎn)，施工前經(jīng)過反復(fù)研究，制定了多種鉆進(jìn)護(hù)壁方法，綜合運(yùn)用并在施工中優(yōu)化。針對(duì)這一地層采取了“探試、分析、綜合”的處理思路。

首先，采用普通泥漿護(hù)壁φ127 mm粗徑鉆具取芯鉆進(jìn)，摸清砂卵石層的厚度、密實(shí)性、含水性、成分組成。由此，采用牙輪鉆頭與扶正器組成的簡(jiǎn)易剛性鉆具鉆進(jìn)，研磨卵石，用專用取粉器和沖抓器撈取巖粉和部分小顆粒砂卵石，直至到穿過砂卵層。這時(shí)砂卵石層鉆孔也形成了一定的擴(kuò)徑，然后，把稻殼和黃土攪拌成的粘土球送入孔底，用牙輪鉆頭擠壓、旋轉(zhuǎn)泯抹，反復(fù)進(jìn)行。并灌注水泥粘土漿，用牙輪鉆頭攪拌擠壓，護(hù)壁起到很好的護(hù)壁效果。

3.1.4 安山巖地層

32 m以下是安山巖地層，埋藏較深，巖石結(jié)構(gòu)完整，加之鉆孔加深、扭矩增大，鉆進(jìn)方向控制難度較大，巖粉排出困難等不良因素，采用φ275 mm金剛石粗徑鉆具與扶正器組成的簡(jiǎn)易滿眼鉆具取芯鉆進(jìn)（鉆頭總壓力10~20 kN，轉(zhuǎn)速 1.5~2.5 m/s，泵量 500~730 L/min）和 φ640 mm 擴(kuò)孔鉆具鉆進(jìn)（鉆頭總壓力20~30 kN，轉(zhuǎn)速0.5~1.0 m/s，泵量600~730 L/min）。兩次成孔，降低了不利因素對(duì)鉆進(jìn)、孔軸線跑偏的影響，并在施鉆過程中，調(diào)節(jié)泥漿粘度，增加泥漿的攜帶巖粉能力，根據(jù)孔內(nèi)巖粉情況及時(shí)打撈巖粉。

3.2 鉆具的選擇與防斜措施

為了防止施鉆過程中，由于軸向壓力易大，造成增大鉆孔軸線頂角，把鉆機(jī)安裝在方向和引水隧洞走向成平行狀態(tài)的水泥澆筑平臺(tái)上；并用水準(zhǔn)儀、水平尺校正立軸，使其達(dá)到鉛直狀態(tài)；開孔前人為埋設(shè)孔口管φ800 mm（內(nèi)徑）2 mm深，校正其垂直狀態(tài)；根據(jù)不同孔深孔內(nèi)鉆桿彎曲情況，在鉆桿彎曲的半波波峰處安裝扶正器，增加鉆具的剛性，組成簡(jiǎn)易剛性鉆具、簡(jiǎn)易滿眼鉆具，是其保持穩(wěn)定狀態(tài)，限制了鉆孔軸線頂角、方位角的增大。因此，終孔測(cè)得全孔偏差僅為0.7%，優(yōu)于設(shè)計(jì)2%的要求。

3.2.1 扶正器與牙輪鉆頭組成簡(jiǎn)易剛鉆具

牙輪鉆頭由于軸向距離短，導(dǎo)向性差。為了抗衡鉆頭施鉆過程中鉆頭上受到的較大側(cè)向力，限制牙輪鉆頭的橫向位移，在距牙輪鉆頭上部每隔1 m安裝了兩個(gè)接近牙輪鉆頭外徑的扶正器，提高了粗徑鉆具的剛性和導(dǎo)正居中性，減小了粗徑鉆具與孔壁的歪倒角，解決了牙輪鉆頭施鉆過程中需要的高鉆壓，又保證了其導(dǎo)向性。并在粗徑鉆具的上部鉆桿彎曲的半波波峰處安裝了扶正器。

3.2.2 φ275 mm粗徑鉆具與扶正器組成簡(jiǎn)易滿眼鉆具

隨著鉆孔加深，作用于鉆桿的軸向力，離心力以及施加在鉆頭上的力，使鉆柱下部鉆具發(fā)生彎曲。為此，加長(zhǎng)了φ275 mm粗徑鉆具長(zhǎng)6~8 m，形成柱狀鉆具，增加其下部剛性，并在粗徑鉆具上部至到孔口的鉆桿間，根據(jù)扶正器安裝位置，安裝了相應(yīng)外徑扶正器，組成簡(jiǎn)易滿眼鉆具。

3.2.3 φ275 mm粗徑鉆具改制的擴(kuò)孔鉆具

在φ275 mm粗徑鉆具距鉆頭安裝部位1.5 m處外側(cè)，焊接了4個(gè)牙輪牙掌，其外徑φ640 mm，底部安裝φ275 mm金剛石鉆頭，牙掌以下的φ275 mm粗徑鉆具起導(dǎo)向作用。同時(shí)在焊接牙輪上部1 m處焊接外徑φ640 mm的扶正圈，形成護(hù)孔粗徑鉆具。并在施鉆時(shí)粗徑鉆具上部鉆桿之間安裝適當(dāng)外徑和一定數(shù)量的扶正器制，制成剛性和導(dǎo)向性都較好的簡(jiǎn)易剛性鉆具。

3.2.4 自制取粉管、巖粉打撈器

根據(jù)每次施鉆的粗徑鉆具外徑，在每次施鉆時(shí)都安裝了相應(yīng)尺寸和外徑的取粉管，撈取鉆進(jìn)過程中的大顆粒巖粉。隨著鉆孔加深，由于孔徑較大，泵量泵壓受到限制，使之較大顆的巖粉不能返出孔口。在每次提鉆之后，下入孔底自制巖粉打撈器，并開足泵量泵壓，不給鉆壓，轉(zhuǎn)動(dòng)打撈器，撈取巖粉，施鉆過程中行之有效。

3.3 測(cè)斜措施

測(cè)斜儀采用DZ—500型浮子測(cè)斜儀（頂角精度0.1%），用以測(cè)量預(yù)埋管和碎石壤土層下入的套管；KXP—1型測(cè)斜儀測(cè)量其它孔段。為了解決孔徑大，難于測(cè)量的問題，特制了兩種測(cè)斜儀的孔內(nèi)量中裝置，解決了測(cè)斜儀孔內(nèi)裝置和鉆孔實(shí)際軸線位于同一直線的問題。

在測(cè)量過程中，除了每5 m設(shè)一測(cè)量點(diǎn)外，還在地層變化前后，下管前后都進(jìn)行了測(cè)量，并根據(jù)施工情況增加了測(cè)量點(diǎn)，及時(shí)地校驗(yàn)了每一孔段的成孔質(zhì)量。