郭淑娟， 邢云虎， 康智鵬， 趙青巖， 王振福

(1.陜西地質(zhì)工程總公司，陜西 西安 710054; 2.山西路橋集團(tuán)陽(yáng)蟒高速公路有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)城 048100)

高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)在陽(yáng)蟒高速公路采空區(qū)治理中的應(yīng)用

郭淑娟1， 邢云虎2， 康智鵬2， 趙青巖2， 王振福1

(1.陜西地質(zhì)工程總公司，陜西 西安 710054; 2.山西路橋集團(tuán)陽(yáng)蟒高速公路有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)城 048100)

陽(yáng)城—濟(jì)源高速公路陽(yáng)城—蟒河段CK3合同段采空區(qū)地基不穩(wěn)定，用全充填壓力注漿法治理。由于限制使用泥漿，以及卵礫石層成孔困難等問題，選擇采用高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)成孔，取得了良好的效果。本文從注漿孔的設(shè)計(jì)、施工設(shè)備的選擇、鉆具組合以及鉆進(jìn)工藝、除塵污染控制等總結(jié)了高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在采空區(qū)注漿鉆孔施工的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)同類型工程的采空區(qū)治理具有參考意義。

潛孔錘鉆進(jìn)；采空區(qū)治理；注漿孔

0 引言

陽(yáng)城—濟(jì)源高速公路陽(yáng)城—蟒河段CK3合同段采空區(qū)形成時(shí)間為1990—2009年。采空區(qū)為單層采空區(qū)，開采方式為房柱式，回采率50%，煤層最厚5.0 m，最薄3.6 m，平均采厚為4.3 m。采空區(qū)埋深50～105 m，產(chǎn)狀335°∠10°。采空區(qū)所在地表曾發(fā)現(xiàn)有塌陷和裂縫，目前均已被填埋，采空區(qū)下部有充水。根據(jù)勘察結(jié)果，該采空區(qū)采深采厚比為11～23，低于標(biāo)準(zhǔn)值，為場(chǎng)地不穩(wěn)定區(qū)；采空區(qū)剩余傾斜量為57.7 mm/m、剩余曲率為3.8 mm/m2、剩余水平變形為21.9 mm/m，均大于橋梁、路基地基允許變形值，為地基不穩(wěn)定區(qū)。因此須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理。

根據(jù)采空區(qū)特征，設(shè)計(jì)采用全充填壓力注漿法處治采空區(qū)，漿液采用水泥粉煤灰漿，采用高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)成孔。本文就高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在CK3合同段采空區(qū)治理鉆孔施工中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行總結(jié)介紹。

1 工程概況

1.1 采空區(qū)地層概況

根據(jù)勘察資料，地層由第四系全新統(tǒng)(Q4)洪積物、上更新統(tǒng)(Q3)風(fēng)積物、中更新統(tǒng)(Q2)洪積物、二疊系下石盒子組(P1x)、石炭系山西組(C3s)沉積巖組成。松散土層厚度0～28 m，采空區(qū)上部基巖厚度39～72 m，主要為砂巖、泥巖。

1.2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

1.2.1 鉆孔布設(shè)

帷幕注漿孔為采空區(qū)處治范圍最外邊緣一排孔，間距為15 m，共計(jì)80個(gè)孔，孔深46～105 m。注漿孔沿公路中心線及兩側(cè)梅花形布設(shè)，在橋梁寬度范圍內(nèi)排距10 m，孔距10 m，橋梁寬度范圍外排距15 m，孔距15 m；在路基寬度范圍內(nèi)排距15 m，孔距15 m，路基寬度范圍外排距25 m，孔距20 m；共計(jì)215個(gè)孔，孔深46～106 m。

1.2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用?127 mm鉆頭開孔，鉆至完整基巖6 m后，下入?114 mm注漿管(兼做護(hù)壁套管)；變徑后用?89 mm鉆頭，鉆至煤層采空區(qū)中的塌陷冒落帶或煤層底板以下1 m。注漿鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

圖1 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

1.2.3 本采空區(qū)治理注漿孔施工難點(diǎn)

(1)限制泥漿的使用。當(dāng)鉆至裂隙帶、冒落帶時(shí)不允許采用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。本注漿孔為全面鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程產(chǎn)生的鉆屑、巖粉量大，采用清水鉆進(jìn)時(shí)攜帶鉆屑、巖粉的能力降低，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率降低，加接鉆桿停止循環(huán)時(shí)鉆屑沉淀速度快容易發(fā)生埋鉆事故。

(2)卵礫石層鉆井成孔困難。本治理工程部分注漿孔上部卵礫石層厚度達(dá)28 m，鉆進(jìn)卵礫石層時(shí)如采用常規(guī)的沖擊鉆進(jìn)方法時(shí)須采用高粘度、大密度的泥漿進(jìn)行護(hù)壁和用抽筒進(jìn)行撈渣，鉆進(jìn)效率低、維護(hù)孔壁穩(wěn)定困難。

(3)孔斜質(zhì)量指標(biāo)要求高。要求鉆孔的孔斜<1°/100 m。

1.2.4 選擇風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)方法的因素

(1)風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)，不會(huì)對(duì)采空區(qū)上部的裂隙造成堵塞，可滿足鉆至裂隙帶、冒落帶時(shí)不允許采用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)的設(shè)計(jì)要求。

(2)采用潛孔錘鉆進(jìn)工藝時(shí)可采用偏心跟管鉆進(jìn)技術(shù)，采用高頻沖擊鉆進(jìn)工藝可有效鉆進(jìn)卵礫石層，跟管鉆進(jìn)可有效維護(hù)孔壁的穩(wěn)定，同時(shí)鉆至設(shè)計(jì)安放注漿管深度后可將套管留在孔內(nèi)作為注漿管，省略了安放注漿管的步驟，提高了施工效率。

(3)潛孔錘鉆進(jìn)碎巖方式為高頻沖擊鉆進(jìn)方法，沖擊鉆進(jìn)方式可有效防止鉆孔發(fā)生偏斜，潛孔錘鉆進(jìn)工藝可滿足注漿孔孔斜質(zhì)量指標(biāo)高的要求。

2 高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)工藝

2.1 設(shè)備與鉆具組合

(1)空壓機(jī)：巨山LGCY-27/23型高風(fēng)壓空氣壓縮機(jī)，額定風(fēng)壓2.3 MPa，額定風(fēng)量27 m3/min。

(2)鉆機(jī)：SL-400型履帶式全液壓鉆機(jī)，鉆孔直徑90～300 mm，鉆進(jìn)深度400 m。

(3)孔口收集旋流式兩級(jí)粉塵收集和除塵裝置。

(4)開孔及覆蓋地層鉆進(jìn)用鉆具組合：采用PGZ90-3.5-114/6型偏心跟管鉆具，其組成為?90 mm導(dǎo)向鉆頭+?123 mm偏心鉆頭+?100 mm導(dǎo)向器+GM3.5型沖擊器+?76 mm外平鉆桿+?114 mm管靴及套管。PGZ90-3.5-114/6型偏心跟管鉆具組成見圖2，GM3.5型沖擊器主要性能參數(shù)見表1。

(5)巖石地層鉆進(jìn)鉆具組合：?90 mm鉆頭+GM3.5型沖擊器+?76 mm外平鉆桿。

2.2 開孔及覆蓋層鉆進(jìn)工藝

圖2 PGZ90-3.5-114/6型偏心跟管鉆具組成示意

注：1 bar=105Pa。

(1)鉆具組合：?90 mm導(dǎo)向鉆頭+?123 mm偏心鉆頭+?100 mm導(dǎo)向器+GM3.5型沖擊器+?76 mm外平鉆桿+?114 mm管靴及套管。

(2)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)：風(fēng)量6～9 m3/min；風(fēng)壓0.6～1.2 MPa；轉(zhuǎn)速25～40r/min；鉆壓為鉆具自重，不再施加附加壓力。

(3)鉆遇卵石地層時(shí)，采用較高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的鉆進(jìn)參數(shù)，鉆進(jìn)過程中要不斷上下竄動(dòng)鉆具，直至鉆孔通暢后方能停鉆接長(zhǎng)鉆桿。

(4)鉆進(jìn)過程中若遇鉆具卡死情況發(fā)生時(shí)，絕對(duì)禁止強(qiáng)行開動(dòng)鉆機(jī)正轉(zhuǎn)，應(yīng)盡快用千斤頂把鉆具頂離孔底或反轉(zhuǎn)上拉鉆具，脫離卡死位置后再采用輕鉆壓、較高轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)參數(shù)重復(fù)竄動(dòng)通過卡鉆位置。

(5)鉆至完整基巖6 m深度后，反轉(zhuǎn)1～2轉(zhuǎn)提出鉆頭、潛孔錘及孔內(nèi)鉆具，將?114 mm管靴及套管留在孔內(nèi)。用配制好的1∶2的稠水泥漿灌注孔內(nèi)，澆注長(zhǎng)度為4～6 m，對(duì)套管進(jìn)行澆注固定。

2.3 巖石地層鉆進(jìn)工藝

(1)鉆具組合：?90 mm鉆頭+GM3.5型沖擊器+?76 mm外平鉆桿。

(2)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)：風(fēng)量9～12 m3/min；風(fēng)壓1.0～1.6 MPa；轉(zhuǎn)速15～25 r/min；鉆壓為鉆具自重，必要時(shí)提鉆減壓鉆進(jìn)。

(3)鉆進(jìn)過程若出現(xiàn)沖擊器空打(不工作)情況時(shí)，應(yīng)減小風(fēng)量至均勻沖擊后再恢復(fù)到正常風(fēng)量鉆進(jìn)。

(4)在提鉆或加接鉆桿前，將孔內(nèi)鉆具提高100～200 mm進(jìn)行吹孔，將孔內(nèi)環(huán)狀間隙中的巖屑吹出，吹孔時(shí)間30 s左右。

(5)穿過采空區(qū)后繼續(xù)鉆進(jìn)1 m方可結(jié)束鉆進(jìn)工作。判斷方法為鉆進(jìn)過程依據(jù)設(shè)計(jì)采空區(qū)位置結(jié)合掉鉆情況綜合判定。

2.4 鉆進(jìn)注意事項(xiàng)

(1)準(zhǔn)備工作。安裝鉆機(jī)時(shí)保證鉆機(jī)動(dòng)力頭對(duì)正孔位且導(dǎo)向桿垂直，支座調(diào)平、鉆機(jī)安裝穩(wěn)固，以保證開孔和鉆進(jìn)過程鉆孔垂直度?？諌簷C(jī)與鉆機(jī)連接風(fēng)管必須采用2 in鋼編橡膠管，連接長(zhǎng)度≮40 m，保證空壓機(jī)和孔口間有一定的距離，以利于空壓機(jī)工作環(huán)境干凈。

(2)開孔鉆進(jìn)。開孔準(zhǔn)備工作做好后，按要求扶正偏心跟管鉆具，開動(dòng)沖擊器并且不回轉(zhuǎn)鉆具，將開孔鉆具打入地面20～30 cm并使其定位后再開動(dòng)回轉(zhuǎn)繼續(xù)鉆進(jìn)。

3 潛孔錘鉆進(jìn)除塵污染控制

3.1 潛孔錘鉆進(jìn)粉塵污染

采用潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，因循環(huán)介質(zhì)為空氣，當(dāng)施工地層較干燥或含水率較低時(shí)，在孔口處會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。產(chǎn)生的粉塵漂浮在空氣中一是會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，二是會(huì)給操作人員帶來塵肺病，嚴(yán)重危害操作人員的健康。因此采用潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)時(shí)必須做好鉆孔粉塵的控制工作。未采取粉塵控制措施時(shí)潛孔錘鉆進(jìn)過程粉塵污染情況見圖3。

圖3 未采取粉塵控制措施鉆進(jìn)照片

3.2 潛孔錘鉆進(jìn)除塵方法

(1)采用孔口除塵裝置。鉆進(jìn)過程在孔口安裝粉塵收集及除塵裝置，CK3合同段采空區(qū)治理鉆孔除塵裝置為定制的孔口收集旋流式兩級(jí)粉塵收集和除塵裝置。采用孔口除塵裝置后潛孔錘鉆進(jìn)情況見圖4。

圖4 采取除塵裝置后鉆進(jìn)照片

(2)輔助除塵措施。當(dāng)孔口粉塵收集裝置密封不嚴(yán)、除塵裝置效果不理想時(shí)，可在孔口加設(shè)透氣遮蓋物并向其上部澆水增濕進(jìn)行輔助除塵。

(3)當(dāng)有條件時(shí)，建議采用雙壁反循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)。通過較長(zhǎng)的軟膠管將從鉆桿中心孔排出的粉塵引到距操作點(diǎn)較遠(yuǎn)的地點(diǎn)進(jìn)行濕化或旋流處理，除塵效果更理想。

4 應(yīng)用效果及潛孔錘鉆進(jìn)特點(diǎn)

4.1 應(yīng)用效果

(1)鉆進(jìn)效率：在CK3合同段采空區(qū)治理鉆孔施工中，使用了3臺(tái)GJ-150A型履帶式工程鉆機(jī)和4臺(tái)XY-4型巖心鉆機(jī)采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆進(jìn)，使用了3臺(tái)SL-400型履帶式全液壓鉆機(jī)采用潛孔錘鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆進(jìn)，三種鉆機(jī)平均鉆進(jìn)效率對(duì)比見表2。

表2 三種鉆機(jī)平均鉆進(jìn)效率對(duì)比

(2)鉆孔質(zhì)量：使用潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)完成鉆孔110個(gè)，完成進(jìn)尺9026 m；在覆蓋層跟管鉆進(jìn)2775 m，完成鉆孔的孔斜均小于1°/100 m。

4.2 潛孔錘鉆進(jìn)特點(diǎn)

(1)鉆進(jìn)效率高，搬遷時(shí)間短。與同工區(qū)施工的GJ-150A型履帶式工程鉆機(jī)和XY-4型巖心鉆機(jī)相比，覆蓋層平均時(shí)效高出2倍以上，基巖地層時(shí)效高出3倍以上。

(2)鉆孔孔斜率小。由于鉆具轉(zhuǎn)速低，鉆進(jìn)無需加壓，以高頻沖擊方式碎巖，鉆具不發(fā)生彎曲，鉆孔垂直度好，均可滿足鉆孔孔斜小于1°/100 m的要求。

(3)鉆進(jìn)過程不需要液體沖洗液循環(huán)護(hù)壁攜渣，不需要修筑泥漿池、循環(huán)槽等循環(huán)系統(tǒng)，可在無水條件下使用，施工準(zhǔn)備簡(jiǎn)單、不存在泥漿污染問題。

(4)潛孔錘跟管鉆進(jìn)過程套管對(duì)孔壁起到保護(hù)作用，能有效穿越卵石層等松散覆蓋層；鉆進(jìn)到位后套管留在孔內(nèi)作為護(hù)壁套管和注漿管，簡(jiǎn)化了安放套管和注漿管的工序。

(5)潛孔錘鉆進(jìn)需配置高風(fēng)壓空壓機(jī)和除塵裝置，高風(fēng)壓空壓機(jī)耗油量(耗電量)大，鉆進(jìn)成本相對(duì)較高，設(shè)備配置相對(duì)復(fù)雜。

(6)鉆進(jìn)過程需做好孔口除塵工作，否則鉆進(jìn)過程產(chǎn)生的粉塵會(huì)對(duì)作業(yè)人員產(chǎn)生職業(yè)危害和對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。

(7)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)不能用于采空區(qū)勘察和治理效果檢查的取心鉆進(jìn)施工中。

5 結(jié)語(yǔ)

通過在陽(yáng)蟒高速CK3標(biāo)段采空區(qū)治理注漿鉆孔施工中對(duì)高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，摸索出了高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在該采空區(qū)注漿鉆孔施工中的鉆進(jìn)工藝和鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在該采空區(qū)注漿鉆孔施工中鉆進(jìn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。下一步通過優(yōu)化高風(fēng)壓空壓機(jī)的配置(例如選擇1.7 MPa風(fēng)壓、15.5 m3/min風(fēng)量的空壓機(jī))來降低潛孔錘鉆進(jìn)的成本，高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)必將在采空區(qū)治理鉆孔施工中得到更廣泛地應(yīng)用。

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ApplicationofHighAir-pressureDTHDrillinginMimed-outAreaTreatmentforYangcheng-MangheExpressway

/GUOShu-juan1,XINGYun-hu2,KANGZhi-peng2,ZHAOQing-yan2,WANGZhen-fu1

(1.Shaanxi Geological Engineering Corporation, Xi’an Shaanxi 710054, China; 2.Shanxi Road and Bridge Group, YangMang Expressway Co., Ltd., Yangcheng Shanxi 048100, China)

For being situated in a mined out area, the foundation was unstable in CK3 contract section of Yangcheng-Manghe section of Yangcheng-Jiyuan expressway, the full filling pressure grouting method was used in the treatment. Because mud was restricted and hole completion was difficult in gravel layer, high pressure DTH hammer was applied with good effect. This paper summarizes the construction experience of grouting boring in mined-out area with high air-pressure DTH drilling technology in grouting hole design, equipments selection, BHA & drilling technology and dust & pollution control, which can be reference to the mined-out area treatment for the similar project.

DTH drilling; mined-out area treatment; application; grouting boring

2017-08-28

郭淑娟，女,漢族，1979年生，建筑工程專業(yè)，從事巖土工程技術(shù)工作，陜西省西安市雁塔北路100號(hào)，304318166@qq.com。

U416.1+6;P634.5

B

1672-7428(2017)11-0089-04