潛孔錘反循環鉆進技術在某水電站的試驗應用

殷其雷，殷 琨，柳 鶴，甘 心

吉林大學建設工程學院/國土資源部復雜條件鉆進技術開放研究實驗室，長春 130026

0 引言

水利工程主要是指修建大型水庫、水電站、大壩等工程，主要是為了開發、利用、控制和調配水資源，其作為國家經濟的重要命脈，對我國經濟發展具有舉足輕重的作用［1］。在水利工程中，基礎處理工程的施工工作量占很大比例，如邊坡支護治理、防滲灌漿、固結灌漿、排水施工等，而基礎處理工程中的鉆孔工程量巨大，有些大型水利工程的鉆孔工作量會達到數百萬米。水利工程中的鉆孔工程具有成本投入大、作業工人數量多、施工空間狹窄通風不暢、環境保護要求高等特點［2］。近年來，我國的水利工程建設處于快速發展的階段，施工技術在很多方面都取得了很大進展［3］。但是在鉆孔技術上一直沒有較大突破，還是沿用一些成熟技術，如金剛石回轉鉆進、常規正循環潛孔錘鉆進［4］。大部分的鉆孔施工都是在洞室內完成，金剛石回轉鉆進方法主要用于灌漿孔施工，口徑較小，鉆進效率低，用水量大，洞室環境差；常規正循環潛孔錘鉆進方法主要用于排水孔施工，口徑較大，鉆進效率高，但是在孔口會產生大量粉塵，在相對封閉的洞室空間內，對施工工人的身體健康不利。因此選擇一種高效、環保且適應于復雜地質條件鉆進的鉆孔工藝方法已成為水利工程施工亟待解決的問題。

對于水利工程中的鉆孔施工特殊性，潛孔錘反循環鉆進技術具有風動潛孔錘鉆進效率高的優點，還具有中心通道連續排渣、全孔反循環、環境污染小的特點［5］，該技術正好滿足目前水利工程中鉆孔施工的高效環保要求。潛孔錘反循環技術的鉆進效率是金剛石回轉鉆進的5～9倍，耗氣量比正循環潛孔錘少，孔口污染比正循環小很多且對復雜地層的適應性較好［5］。雖然正循環潛孔錘在洞室內施工經常采用加水霧化方法盡量降低粉塵污染，但是仍然不能很好地控制孔口粉塵在洞室內擴散，對洞室環境和施工人員的身體健康造成了很大影響。因此潛孔錘反循環鉆進技術是控制洞室內粉塵污染、有益于施工人員身體健康并且鉆進效率高的施工技術。

筆者把潛孔錘反循環鉆進技術應用在某水電站的排水孔鉆孔施工中。排水孔在水利工程建設中的作用是排除巖體內滲水、消除地下水和地表水對巖體穩定性的影響［6］。排水孔鉆孔工作量巨大，而且大部分排水孔是上仰孔，以往潛孔錘反循環鉆進技術只是在下行孔施工中得到了試驗應用，此次是該技術首次被應用到上仰孔的施工中，具有很大的開拓性和挑戰性。

1 工程及試驗概況

該水電站大壩工程為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為1 885m，基礎面高程為1 580m，壩體高度為305m，該水電站主要由大壩工程、引水系統、發電系統、泄洪工程等主要水工建筑物組成。開發任務主要是利用壩體落差進行發電，結合汛期蓄水兼有分擔長江中下游地區防洪的作用。本工程樞紐建筑物主要由混凝土雙曲壩（包括水墊塘和二道壩）、右岸泄洪洞、右岸引水發電系統及開關站、左岸導流洞和施工支洞組成［7］。左岸基礎處理工程施工項目繁多，地形地質條件復雜，施工難度大，是該水電站總體施工中的控制性工程，主要施工通道和洞室分為5層布置，高程分別為1 885、1 829、1 785、1 730和1 670m，包括固結灌漿平洞、帷幕灌漿平洞、排水平洞、施工主通道、施工次通道、抗剪傳力洞和斷層、煌斑巖脈網絡。主要的工作有土石方開挖、混凝土、灌漿和排水孔工程，鉆孔工作總量達到200萬m。此次潛孔錘反循環鉆進技術的試驗內容就是在左岸的施工支洞中進行排水孔施工，驗證該技術在上仰孔和下行孔施工中的適用性，以及在環境保護和鉆進效率方面的應用效果。

2 施工技術要點

潛孔錘反循環鉆具系統主要由貫通式潛孔錘、反循環鉆頭、雙壁鉆桿、雙通道氣水龍頭等組成，該技術集潛孔錘高效碎巖鉆進、氣液固多相介質全孔反循環、鉆進過程中連續獲取收集巖礦心樣三項先進鉆孔工藝于一體［5］。從原理上分析，只要做好上返破碎巖渣屑的收集和處理工作，在狹窄封閉洞室內的鉆孔施工作業就能夠達到降低粉塵污染、保護工人身體健康和高效成孔的目的。

潛孔錘反循環鉆進技術的原理［8］示意圖如圖1所示。高壓的壓縮空氣由供氣膠管進入雙通道動力頭，再通過雙壁鉆桿的內外管之間的環狀間隙進入反循環潛孔錘，驅動潛孔錘活塞高頻往復運動，產生的沖擊能量傳遞給反循環鉆頭來破碎巖石，潛孔錘工作產生的廢氣通過鉆頭底部的噴射孔到達孔底攜帶巖渣屑進入鉆具的中心通道，反循環經排渣管上返至地表，并使用集塵袋收集巖渣屑，孔口無污染。

排水孔的鉆孔施工是在狹窄的洞室內進行的，不能容納體積龐大的設備，常規使用的立軸式鉆機和空氣壓縮機都不能進入洞室內，因此需要改進潛孔錘反循環鉆具系統。此次試驗采用的方法是用體積較小且移動方便的錨桿鉆機來配套潛孔錘反循環鉆具，需要把錨桿鉆機的動力頭改進為具有中心通道排渣和雙通道配氣功能的動力頭，如圖2所示。而且空氣壓縮機被放置在洞室外的邊坡上，將供氣管線引入洞室內給潛孔錘提供壓縮空氣，供氣管路長度為60～80m，風壓損失嚴重，空氣壓縮機提供的風壓輸送到鉆機位置只有0.8～0.9MPa，因此鉆進用的反循環潛孔錘屬于低風壓型。

圖1 潛孔錘反循環鉆進技術原理示意圖Fig.1 Schematic of the RC DTH hammer drilling system

反循環鉆頭的設計是決定反循環排渣效果的關鍵，反循環的效果好壞直接影響洞室內的環境和工人身體健康。反循環鉆頭是根據多噴嘴引射器原理設計的，鉆頭上設計有若干個內噴孔，并使氣體向中心通道噴射，它是利用高速噴射氣體的卷吸和引射作用，將鉆頭周圍破碎的巖渣屑攜帶入鉆頭的中心通道，最后上返至地表。引射器原理和反循環鉆頭的機理描述可以在很多文獻［5，9－10］中查到，關于反循環鉆頭的研究重點在于結構創新設計和鉆頭流場的速度場、壓力場的分析，來研發抽吸能力較好的反循環鉆頭［11－12］。本次試驗之前也專門設計了2種結構的鉆頭，如圖3所示，其結構的主要差別在于內噴孔的位置：A型鉆頭的內噴孔設計在花鍵上的各個平鍵之間；B型鉆頭的內噴孔則設計在花鍵的平鍵上。2種鉆頭的反循環排渣效果肯定是有區別的，可以通過CFD數值模擬計算和鉆進試驗的方法來判定鉆頭設計的合理性。

3 反循環鉆頭的抽吸效果分析

圖2 改進前后的鉆機動力頭對比Fig.2 Power heads of drilling rig contrast before and after improvement

圖3 兩種結構的反循環鉆頭Fig.3 Two types of RC bits

采用計算流體動力學（CFD）模擬分析方法可以從一定程度上反映反循環鉆頭的抽吸能力，抽吸能力強即反循環排渣效果好。而在CFD軟件中是通過鉆頭與孔壁之間的環狀間隙處的質量流量值來考察鉆頭的抽吸能力，即從外環空被抽吸進入計算域形成反循環的氣體質量流量越大，則鉆頭的抽吸能力越強，反循環排渣效果越好［13］。

兩種鉆頭的網格模型如圖4所示。網格模型主要包括中心通道、內噴孔、底噴孔、擴壓槽和孔壁等。兩種鉆頭都設計有兩個底噴孔，主要作用是擾動巖渣屑、清潔孔底和冷卻鉆頭。A型鉆頭具有雙排12個內噴孔，B型鉆頭具有一排6個內噴孔，雖然數量不同，但是兩種鉆頭的內噴孔過流斷面面積之和近似相等。采用質量流量入口和壓力出口進行邊界條件設置［14］，由于試驗時空氣壓縮機風量約為18m3/min，換算為入口的質量流量等于0.361 5kg/s，出口壓力按1個大氣壓強設置。鉆頭模擬的軟件設置詳見文獻［15］。在相同的初始邊界條件下，通過CFD數值模擬計算，得到了表征兩種鉆頭抽吸能力的結果。A型鉆頭的外環狀間隙的質量流量值為0.199 987 04kg/s，略 大 于 B 型 鉆 頭 的0.177 524 64kg/s，這說明A型鉆頭的抽吸能力略優于B型鉆頭。

圖4 兩種鉆頭的網格模型Fig.4 Mesh models of two types drill bits

通過鉆頭軸線上氣體速度和壓力變化曲線可以揭示反循環鉆頭中心通道的速度和壓力分布情況。如圖5所示，圖中橫坐標0點代表鉆頭底端面中心，虛線1代表A型鉆頭的內噴孔與中心通道交匯處的位置，虛線2代表B型鉆頭的內噴孔與中心通道交匯處的位置。由速度變化曲線（圖5a）和壓力變化曲線（圖5b）可知，在鉆頭底端面到內噴孔之間，速度和壓力的變化趨勢和數值幾乎一致，但是中心通道的上返氣體通過內噴孔位置后，變化曲線有較大變化：A型鉆頭的軸線氣體速度急劇升高而且維持在較高速度，這就使中心通道內鉆頭底部和鉆頭上部會維持一個壓力差，而且壓力差的數值比B型鉆頭的軸線壓力差大，這有利于氣體和巖渣屑的向上運移；而B型鉆頭的軸線氣體速度在內噴孔位置后雖然也急劇增大，但是壓力也維持在一個較高水平，與鉆頭底部壓力值基本相等，壓力差較小不利于氣體和巖渣屑上返。因此根據CFD數值模擬計算分析可知，A型鉆頭的抽吸能力和反循環排渣效果略優于B型鉆頭，但是數值模擬分析結果僅供參考，還需要通過試驗的論證。

4 洞室內鉆進試驗效果分析

4.1 洞室內下行孔施工

根據排水洞內施工現場的條件，現場試驗的巖層巖性為大理巖，試驗孔位的供風壓力約為0.8～0.9MPa，風量為20m3/min，應用反循環潛孔錘配套改裝的動力頭鉆機和兩種類型的反循環鉆頭，進行上仰孔和下行孔的鉆進試驗，考察該技術的反循環排渣效果及鉆進速度，并與鄰孔正循環潛孔錘鉆進效果相比較，綜合評價潛孔錘反循環鉆進技術在環境保護和鉆進效率方面的應用效果。

在下行孔鉆進試驗中，鉆進試驗情況如表1所示，反循環潛孔錘搭配A型、B型兩種鉆頭進行鉆進時，反循環排渣效果良好。如圖6所示，孔口無粉塵，洞室內環境保持良好，使用集塵袋將上返的巖渣屑進行收集處理，停鉆后集中處理傾倒巖渣屑。一根1.5m雙壁鉆桿的平均鉆進時間為21min，平均鉆速為5.25m/h，與鄰孔正循環潛孔錘的鉆進效率（6.0～7.0m/h）相比稍低；正循環潛孔錘鉆進采用加水霧化的方法降塵，但是粉塵煙霧仍然從孔口飛逸而出，鉆機周圍環境惡劣。

圖5 鉆頭軸線上的氣體速度和壓力變化曲線Fig.5 Gas velocity and gas pressuse curves along the axis of drill bits

表1 下行孔鉆進試驗情況Table 1 Test of drilling the downward hole

圖6 潛孔錘反循環技術的下行孔的鉆進試驗Fig.6 Test case when RC hammer drilling a downward hole

4.2 洞室內上仰孔施工

在上仰孔鉆進試驗中，鉆進試驗情況如表2所示，反循環潛孔錘搭配A型鉆頭進行鉆進時，反循環排渣效果較好，如圖7所示，孔口有少量粉塵漫出；而搭配B型鉆頭鉆進時，反循環排渣效果較差，孔口掉落小顆粒的巖渣屑，集塵袋中收集到了大量巖粉和巖塊。由此可見，上仰孔鉆進時破碎的巖渣屑受到自身重力和風量的影響較大，容易從鉆具和孔壁的環狀間隙排出，污染洞室環境，但還是比正循環潛孔錘鉆進時的孔口粉塵量小得多。一根1.5m雙壁鉆桿的平均鉆進時間為32min，平均鉆速為2.86m/h，與鄰孔的正循環潛孔錘的鉆進效率（3.0～5.0m/h）相比稍低，但是正循環潛孔錘鉆進時，鉆機附近粉塵煙霧很大，鉆機周圍環境惡劣。

通過反循環潛孔錘配套兩種鉆頭在下行孔和上仰孔的鉆進試驗情況，綜合分析可知，反循環排渣效果總體較好：下行孔鉆進時孔口基本無粉塵，巖渣屑幾乎全部通過鉆具的中心通道上返至地表；而在上仰孔鉆進時孔口有少量巖粉和小顆粒巖渣屑掉落，大多數巖粉和大顆粒巖塊通過反循環通道排出，潛孔錘反循環鉆進技術的粉塵控制能力明顯優于正循環潛孔錘鉆進技術。通過上仰孔的鉆進試驗情況可知，A型鉆頭的抽吸能力和反循環排渣效果略優于B型鉆頭。

表2 上仰孔鉆進試驗情況Table 2 Test of drilling the upward hole

圖7 潛孔錘反循環技術的上仰孔鉆進試驗情況Fig.7 Test case when RC hammer drilling a upward hole

5 結論

1）潛孔錘反循環鉆進技術首次被成功應用到水利工程的鉆孔施工中，也是該技術第一次嘗試鉆進上仰孔，對該技術的發展具有開拓性意義。同時驗證了該技術可以有效控制和降低狹窄封閉洞室內的粉塵問題，鉆進效率雖然比常規正循環潛孔錘稍低，但是有利于維護施工的良好環境和作業人員的身體健康，值得在水利水電工程施工中推廣應用。

2）CFD數值模擬計算結果顯示，A型鉆頭對環空抽吸的空氣量大于B型鉆頭，說明A型鉆頭的抽吸能力優于B型鉆頭。上仰孔和下行孔的鉆進試驗結果表明：內噴孔設計在花鍵上的各個平鍵之間且具有雙排12個內噴孔的A型鉆頭結構更為合理，在施工中A型鉆頭比B型鉆頭的孔口粉塵少。從反循環排渣效果看，A型鉆頭破碎的大部分巖粉和大顆粒巖塊從中心通道排出，反循環排渣效果優于B型鉆頭。

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