(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司,天津 301700)

灌漿工程中用來進(jìn)行鉆孔的方法或機(jī)械很多，有回轉(zhuǎn)式、回轉(zhuǎn)沖擊式、沖擊式三大類。目前使用頻率最高的是回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，其次是回轉(zhuǎn)沖擊式鉆機(jī)，純沖擊式鉆機(jī)使用頻率很低[1]?；剞D(zhuǎn)沖擊式鉆孔的效率要高于回轉(zhuǎn)式及其他方式。在烏干達(dá)伊辛巴水電站項(xiàng)目灌漿工程中，為提高鉆孔灌漿施工工效，利用可取芯的電動(dòng)地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配置風(fēng)動(dòng)沖擊器鉆具進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔,既不用在取芯鉆孔結(jié)束后更換沖擊鉆孔設(shè)備，又可以使鉆孔一次成孔而避免頻繁起下鉆。結(jié)合自下而上的灌漿方法，沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔既提高了裂隙沖洗質(zhì)量，又減少了灌漿施工每段起下塞的次數(shù)，提高了工效。

1 工程概況

伊辛巴水電站項(xiàng)目位于烏干達(dá)南部，處于維多利亞湖和基奧加湖之間的丘陵區(qū)。電站樞紐建筑物主要由擋、泄水建筑物(土石壩、混凝土重力壩及溢洪道)，引水發(fā)電建筑物及開關(guān)站(河床式電站及相應(yīng)建筑物)等組成。樞紐工程建筑物垂直河流呈折線段排列，沿壩軸線自左至右依次為左岸連接堤壩壩段、混凝土重力壩GD1、發(fā)電廠房、溢洪道SP1和SP2、混凝土重力壩GD2以及右岸連接土石壩段。本工程帷幕灌漿工程有混凝土重力壩、主副廠房及安裝間、溢洪道、左右岸連接土石壩段防滲墻下基礎(chǔ)帷幕灌漿等，帷幕灌漿工程量35241m,平均孔深25m。施工軸線總長(zhǎng)1427m，單排，孔距2m，帷幕灌漿設(shè)計(jì)底線滲透率小于1Lu。帷幕灌漿計(jì)劃先進(jìn)行左岸土石壩連接段施工，再進(jìn)行攔水壩段廊道內(nèi)帷幕灌漿，最后進(jìn)行右岸土石壩連接段的帷幕灌漿施工。

伊辛巴水電站項(xiàng)目壩址地表地形是一條寬闊的河流山谷，河流在山谷內(nèi)環(huán)繞一個(gè)中心島流過。河谷的寬度約800m。壩址區(qū)地層從上至下依次為覆蓋層、全風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖石和弱風(fēng)化巖石。壩址地質(zhì)由花崗質(zhì)片麻巖組成，大約呈東北至西南走向，有角閃巖巖脊穿過整個(gè)壩址。角閃巖更耐風(fēng)化并且在河岸內(nèi)側(cè)和中心島上突出形成巖脊，河道內(nèi)部較小島嶼和急灘也是由角閃巖脊組成。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果，壩址區(qū)巖石的滲透率約為0～35Lu，孔內(nèi)地下水水位在6.1～12.2m左右。

2 沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔

帷幕灌漿施工按照施工程序應(yīng)分序加密進(jìn)行，帷幕灌漿的先導(dǎo)孔及部分Ⅰ序孔要進(jìn)行取芯鉆孔以判斷巖層的裂隙發(fā)育及破碎情況。取芯孔的鉆孔采用地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工，鉆具為金剛石的取芯鉆頭配巖芯管。金剛石或合金鉆頭回轉(zhuǎn)鉆孔效率較低，尤其在硬巖中鉆進(jìn)速度下降，鉆頭消耗較大，并且每一回次都要進(jìn)行一次起下鉆，對(duì)不需要取芯的普通灌漿孔及自下而上的灌漿方法而言不是十分必要。為了在不更換取芯孔鉆孔鉆機(jī)的前提下，提高灌漿孔鉆孔效率，本工程采用XY-2型電動(dòng)地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配套沖擊器進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔施工。它的工作原理為：給鉆頭(即沖擊器所配釬頭)以沖擊力，并在兩次沖擊之間鉆頭旋轉(zhuǎn)一角度，使巖石呈粉粒脫落，達(dá)到全斷面鉆進(jìn)的目的。沖擊器為風(fēng)動(dòng)式，由空壓機(jī)供風(fēng)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔對(duì)地層的適應(yīng)性強(qiáng)，適用于除很軟地層以外的所有巖石。該鉆孔技術(shù)不但可用于固結(jié)灌漿鉆孔，還在深孔帷幕鉆孔中發(fā)揮了較高的鉆孔效率，不僅鉆進(jìn)速度快，還避免了煩瑣起下鉆而一次成孔，尤其在十分堅(jiān)硬的巖石中鉆進(jìn)速度通常要高出回轉(zhuǎn)鉆機(jī)4～6倍，單機(jī)平均進(jìn)尺可達(dá)4～5m/h。

2.1 鉆孔預(yù)埋管

為使沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有良好的導(dǎo)向，同時(shí)避免直接鉆孔對(duì)灌漿蓋重內(nèi)鋼筋的破壞，在蓋重混凝土施工時(shí)，將直徑80mm的管預(yù)埋在混凝土中。預(yù)埋管要符合灌漿孔位、孔向要求，并與澆筑倉(cāng)內(nèi)鋼筋固定在一起。

2.2 機(jī)械設(shè)備選用

本工程造孔所用的沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備由地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配套沖擊器組成，即把巖芯鉆具更換成沖擊器，沖洗水換成高壓風(fēng)。機(jī)械設(shè)備除了灌漿工程中常用的XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)外，還有新型CIR系列潛孔沖擊器和ATLAS空壓機(jī)。

2.2.1 XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)

XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)，外形尺寸小，搬遷靈活，機(jī)重950kg，適用于金剛石和硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，鉆桿加卸方便并能保證成孔質(zhì)量。該設(shè)備屬于回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，鉆孔深度100～530m，鉆孔直徑56～320mm,轉(zhuǎn)速65～1172r/min，鉆孔傾角0°～90°。

2.2.2 CIR65A沖擊器

CIR65A沖擊器屬于新型CIR系列潛孔沖擊器，是單活塞、中心排氣結(jié)構(gòu)，以壓縮空氣為動(dòng)力，為防止粉塵污染，亦可在壓縮空氣中加入少量高壓水進(jìn)行濕式鑿巖，效果更佳。該沖擊器中心排氣排渣效果好，避免了巖石的重復(fù)破碎；沖擊器帶有逆止閥裝置，地下水豐富時(shí)不影響鉆孔效率。

CIR65A沖擊器所配釬頭直徑68mm，鉆孔直徑68mm;用方接頭與鉆桿連接(外方特42×10×1.5)。主要技術(shù)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 CIR65A沖擊器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 CIR65A沖擊器結(jié)構(gòu)

2.2.3 空壓機(jī)

本工程鉆孔供風(fēng)空壓機(jī)使用ATLAS壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)可以同時(shí)為6臺(tái)鉆機(jī)供風(fēng)。其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 ATLAS COPCO壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.3 沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔施工

沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)應(yīng)先給風(fēng)沖孔后，再給壓沖擊、回轉(zhuǎn)，避免孔道或鉆具堵塞。在正常鉆進(jìn)中，沖擊器應(yīng)每工作200h進(jìn)行一次檢查清洗和重新裝配，鉆有水孔或泥漿排渣時(shí)每100h進(jìn)行一次。工作中經(jīng)常檢查空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速及壓力，注意鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免孔故。鉆孔過程中始終保持孔內(nèi)無巖渣，必要時(shí)，停止鉆進(jìn)，進(jìn)行清孔強(qiáng)吹(沖擊器提離孔底152mm)。更換釬頭注意直徑變化，釬頭磨損孔未完成，不能換新釬頭，以免卡鉆。鉆孔過程中嚴(yán)禁反轉(zhuǎn)以防孔故。停止鉆進(jìn)時(shí)先進(jìn)行強(qiáng)吹，再停止供風(fēng)。鉆孔進(jìn)尺速度取決于鉆機(jī)的軸壓與轉(zhuǎn)速，可根據(jù)巖層具體情況調(diào)整。

鉆孔結(jié)束后，鉆具提離孔底20cm進(jìn)行壓力風(fēng)沖洗孔道，清理孔壁和裂隙內(nèi)填充巖粉，為下一步的灌漿做準(zhǔn)備。這種壓力風(fēng)在孔壁上形成負(fù)壓，能達(dá)到比壓力水更好的裂隙沖洗效果。

3 灌漿及效果

伊辛巴水電站帷幕灌漿除少數(shù)先導(dǎo)孔外均采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔，鉆孔工效高，施工進(jìn)度快。用壓力風(fēng)進(jìn)行灌前裂隙沖洗效果好，在鉆孔終孔后將沖擊器鉆具提離孔底一定距離，用壓力風(fēng)將孔內(nèi)沉渣和巖粉吹出，同時(shí)會(huì)將孔壁裂隙中的松散填充物帶出，更有利于后續(xù)漿液的灌注質(zhì)量。因帷幕灌漿鉆孔一次成孔，后續(xù)灌漿工序更適合自下而上分段卡塞灌漿的工藝，這樣避免了灌漿施工每段起下塞的次數(shù)，提高了灌漿效率。本工程帷幕鉆孔深度為15～35m,根據(jù)透水率確定。帷幕灌漿第一段長(zhǎng)度為3m，二段以下長(zhǎng)度均為5m。灌漿壓力自上而下為0.3MPa、0.5MPa、1MPa，四段及以下均為1.5MPa。采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1六個(gè)比級(jí)的純水泥漿液由稀到濃灌注。

本工程帷幕灌漿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序平均單位注入灰量分別為75.4kg/m、48.7kg/m、32.10kg/m。21個(gè)檢查孔壓水試驗(yàn)透水率均滿足防滲標(biāo)準(zhǔn)，末段透水率均小于1Lu，灌漿達(dá)到了設(shè)計(jì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

4 推廣與應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)，沖擊鉆孔或沖擊回轉(zhuǎn)的鉆孔方法過去多被用于深度較小的固結(jié)灌漿、回填灌漿、接觸灌漿等的鉆孔，在較深的帷幕灌漿中很少被采用。我國(guó)的水利水電行業(yè)灌漿規(guī)范中對(duì)帷幕灌漿孔的鉆孔方法也有這樣的規(guī)定：“當(dāng)采用自上而下灌漿法、孔口封閉灌漿法時(shí)，宜采用回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)和金剛石或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)；當(dāng)采用自下而上灌漿法時(shí)，可采用回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)或沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鉆進(jìn)?！盵2]“應(yīng)優(yōu)先選用回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，當(dāng)鉆孔較淺且無取芯要求時(shí)，可采用風(fēng)動(dòng)式鉆機(jī)?！盵3]為什么把“沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)”列為次之且不能在深孔應(yīng)用呢？業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為此種方法除不能取得巖芯便于了解地質(zhì)情況外，最主要的缺點(diǎn)是全斷面鉆進(jìn)，產(chǎn)生巖粉較多，易堵塞巖縫，影響灌漿效果。但實(shí)際工程應(yīng)用中并非如此。

在實(shí)際施工中仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，采用這種風(fēng)動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，其產(chǎn)生的巖粉較粗，不易進(jìn)入裂隙，而且大多可以在鉆進(jìn)中被揚(yáng)出地面，否則無法繼續(xù)鉆進(jìn)。其次，回轉(zhuǎn)沖擊鉆孔用高壓風(fēng)進(jìn)行洗孔，這種高壓風(fēng)或高壓風(fēng)與地下水的混合物自孔底以高流速向上揚(yáng)出時(shí)，在孔壁上形成負(fù)壓，不僅不會(huì)使巖粉在此處積存堵塞裂隙，而且有可能將裂隙內(nèi)部的一部分泥土帶出。或許這種鉆孔方法更有利于達(dá)到鉆孔沖洗效果，提高灌漿質(zhì)量。本工程帷幕灌漿的先導(dǎo)孔由回轉(zhuǎn)鉆機(jī)取芯鉆探，實(shí)際灌漿結(jié)果對(duì)比顯示，沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔與回轉(zhuǎn)取芯鉆孔在灌漿效果上沒有差別，此種鉆孔方法不僅可以應(yīng)用于深孔帷幕灌漿工程中，并且風(fēng)動(dòng)沖擊器回轉(zhuǎn)鉆孔技術(shù)還有以下優(yōu)點(diǎn)：?鉆孔工效高，一次成孔避免了頻繁的起下鉆工序；?避免強(qiáng)風(fēng)化或軟質(zhì)地層遇水后結(jié)構(gòu)破壞造成塌孔；?避免鉆孔使用沖洗液，工序簡(jiǎn)化，便于現(xiàn)場(chǎng)管理；?對(duì)帷幕灌漿而言，更適合采用自下而上分段卡塞的灌漿方式，可提高灌漿效率。

5 結(jié) 語

總體而言，回轉(zhuǎn)地質(zhì)鉆機(jī)配置風(fēng)動(dòng)沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆孔技術(shù)在帷幕灌漿施工中工效遠(yuǎn)高于回轉(zhuǎn)鉆孔，巖粉通過壓力風(fēng)沖洗后也不影響灌漿質(zhì)量。但此種鉆孔方法在施工過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵較多，對(duì)大氣環(huán)境和操作人員身體健康不利。在實(shí)際施工中，除操作人員需加強(qiáng)防塵保護(hù)外，使用孔口防塵器也可以起到一定的防塵效果?？卓诜缐m器的原理是利用霧化水在孔口降塵，其缺點(diǎn)是需要短時(shí)間內(nèi)清理孔口巖粉從而影響工效。因此降塵的方法和器具還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。