高噴鉆灌一體機在砂礫石地層中的應用

□呂 磊 □孟慶亮（中國水利水電第十一工程局有限公司）

高噴鉆灌一體機在砂礫石地層中的應用

□呂 磊 □孟慶亮（中國水利水電第十一工程局有限公司）

以贛江堤防工程金灘堤段高噴鉆灌施工為背景，通過高噴鉆灌一體機在砂礫石及粉砂地層中鉆孔灌漿的應用所反應出來的三個技術難題，結合自己的工程實踐，提出了高噴一體機在類似地層中嚴重制約鉆孔及噴漿的施工處理措施，為類似地層高噴一體機應用提供了良好的借鑒。本項目的處理未見國內外相關資料或報道，僅供其它類似工程參考。

高噴鉆灌；砂礫石地層；應用研究

1 工程概況

贛江堤防金灘堤線起于金灘鎮西部嶺下村丘崗地帶，至金灘鎮政府所在地，再沿贛江設防至柘口村向西拐后，終止于柘塘南堤，堤線長5.59 km。全堤堤身為新填均質粘土，堤基防滲主要采用射水造墻防滲，建筑物穿堤部位采用高噴（擺噴）灌漿。2016年3月18日至25日贛江水位漲至46 m高程后，通過干堤布置的測壓孔進行防滲幕幕前及幕后水位相關性對比分析，干堤堤后測壓管與堤外贛江水位變化關系非常密切，且干堤堤基下部礫石層和粉砂層基礎透水性較強，為此，對干堤基礎射水幕墻采取高噴灌漿補強。

高噴補強區地層主要為第四系沖積層(alQ4)粘土、砂及礫卵石層，下伏基巖為下第三系新余群(E1-2xn)復成分礫巖。工程區位于華南褶皺系贛中南褶隆贛西南拗陷之武功山～玉華山隆斷束構造單元。施工區地下水類型為孔隙潛水和基巖裂隙水。孔隙水主要賦存于第四系松散砂礫石層中，其含透水性良好，水量豐富，水位埋深較淺，部分地帶具承壓性，與贛江江水聯系緊密。基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶中，接受大氣降水和地表水補給，沿裂隙及斷層破碎帶滲流運移，以泉水形式向河湖及低洼地帶排泄，含水量不豐。

工程區地質揭露堤基地層自上而下分別為砂壤土、粉砂層及礫石層，其中，礫石地層為中等以上致密地層，2～4 cm粒徑礫石約占65%，其它填料占35%，最大粒徑達6～8 cm，具有較強的透水性，鉆孔過程中，經常造成鉆孔失水，產生埋鉆現象，影響工程進度；粉砂地層因大量細顆粒的存在，在一體機鉆孔接長鉆桿時，因停風、停水（沖洗液）時，噴嘴多次堵塞，致使鉆孔施工不能順利進行。

2 鉆灌一體機的工作原理及施工中存在的問題

2.1 鉆灌一體機的技術原理

鉆噴一體化高噴灌漿技術原理與常規的高噴灌漿技術原理相同，但鉆灌一體化高噴灌漿對施工機具進行了較大創新和改進，鉆灌一體化高噴灌漿成套設備融鉆孔和高噴灌漿為一體，在鉆桿內安裝水、氣、漿高壓噴射管路，配備輸送水、氣、漿及相應的提升設備，將鉆噴一體的液壓步履式臺車移動至鉆孔位置，利用帶有噴射孔的鉆頭進行鉆孔施工、鉆進時，高壓漿泵輸送高壓沖洗液介質，打開空壓機輸送高壓氣體，高壓沖洗介質與高壓氣體輔助鉆頭完成地層切削，同時，高壓介質起到清孔、形成漿皮固壁、以及冷卻鉆頭作用。鉆孔完成后，不需要提鉆，可直接進行高噴作業，并通過調整不同的模塊,來實現不同的高噴灌漿工藝，即按設計要求可適時選擇旋噴、定噴、擺噴工藝，從而使鉆孔和高噴灌漿工序不間斷而連續完成。

2.2 鉆灌一體機在粉砂地層和礫石地層施工中存在的問題

贛江金灘堤原設計防滲采用射水造墻防滲施工完成后，2016年3月18-25日贛江水位漲至46 m高程時，通過干堤后布置的測孔觀測發現：干堤堤后測壓管與堤外贛江水位變化關系非常密切，且干堤堤基下部礫石層和粉砂層基礎透水性較強，推測干堤后產生的泡泉、潛水滲漏與干堤基礎滲漏存在較強的關聯性，為此，業主組織設計、監理、施工四方研究決定對該干堤基礎射水幕墻采取高噴灌漿補強。高噴灌漿布置在原設計射水墻迎水面側，距射水墻軸線控制在45 cm，以保證高噴墻與射水墻有效銜接。為滿足搶險施工強度需求，高噴灌漿采用鉆灌一體機施工，施工過程中發現高噴一體機在礫石層和粉砂層中存在4個方面的問題，嚴重影響施工進度。

2.2.1 易卡鉆

標段贛江干堤基礎粉砂層及礫石基礎透水性強，鉆孔過程中，礫石基礎嚴重失水，極易產生卡鉆現象。

2.2.2 基礎擾動較大

采用高噴一體機鉆孔時，相鄰兩個1序孔間距達1.40 m時，相鄰孔噴灌時出現串漿、串氣現象，局部地段孔間距達2.80 m時，仍存在串漏通道，這一現象反映出高噴一體機鉆孔過程對基礎擾動較大。

2.2.3 噴嘴堵塞

高噴鉆灌一體機采用水、氣混合物作為鉆孔沖洗、冷卻用液鉆孔時，鉆桿接長過程中，因噴嘴位置低，孔底泥漿比重大，噴觜靜置在泥砂沉淀后，多次造成噴嘴堵塞，無法展開噴灌作業。

2.2.4 孔內埋鉆事故

高噴鉆灌一體機鉆孔進入失水地層后，孔內漏失水嚴重致使沉淀閉氣后回落在鉆頭周圍，多次造成孔內埋鉆事故，影響施工進度。

3 存在的問題分析及針對措施、處理效果

3.1 存在的問題分析

3.1.1 噴嘴堵塞對施工工藝的影響

高噴鉆灌一體機在鉆桿接長過程中，需停水（泥漿）、停風完成接鉆桿施工，停風、停水（泥漿）后，孔內沉淀易快速回落至孔底部位，造成孔底泥漿內泥砂含量大，而輸漿管口或噴嘴此時處于鉆孔底部，泥砂極易進入管口和噴嘴造成堵塞。通過加大孔內泥漿濃度，使泥漿具有較大的浮托力使粉砂細顆粒隨泥漿流出孔外，在鉆孔輸漿管口處形成流動的漿層，輸漿管恢復供漿后，鉆桿內外的流體可迅速貫通，可快速實現輸漿管道暢通；但噴嘴處的泥內含細小顆粒后，極易造成噴嘴堵塞。因此，需要對噴嘴采取保護措施或將噴嘴制作成逆止閥的形式，保證管內水、氣混合體能進入孔內，達到高噴灌漿的工藝參數要求，并能阻止孔內漿液中的細小顆粒不進入噴嘴內。

3.1.2 護壁泥漿對成孔及噴漿的影響

在礫石強失水地層鉆孔時，既要求護壁泥漿具有快凝、高膠體率、擴散度小的特性，便于礫石地層孔隙的封堵；又要求孔壁上形成的泥皮厚度較小、強度較低，便于高噴時地層破殼切割時，其破殼阻力不影響高噴切割半徑，保證漿液擴散范圍滿足工藝參數要求。

3.1.3 強失水地層對鉆孔的影響

高噴鉆灌一體機鉆孔施工時，不能有效按照其它方式鉆孔采取孔內回填粘土、回填混凝土及灌注水泥砂漿等惰性材料封堵的方法處理失水地層，需研究液體狀膏漿、快凝濃漿，防止漿液在鉆孔時，流失過快，造成孔內沉淀回落失水后埋鉆。

3.2 采取的措施及取得的效果

3.2.1 減少泥漿固壁對噴漿效果的影響

通過對鉆孔工藝的思考，提出了采取“高比重、低粘度、快凝結、低強度”泥漿固壁的施工原則，高比重泥漿便于攜帶顆粒出孔，減少孔內沉淀；低粘度、快凝結泥漿能使孔壁周邊形成較薄的泥皮“封閉圈”；使泥漿在孔壁上形成的泥皮具有低強度的特點，使高噴過程中能迅速完成破殼切割，保證噴漿達到較大的擴散范圍。

3.2.2 保護噴嘴在不同工況下正常運行

對高噴鉆灌一體機的噴嘴采取保護措施，從工藝上解決鉆孔接長鉆桿過程中孔內細粒含量回落至噴嘴處因停風對其造成的堵塞，保證一體機鉆孔至孔底后，能自下而上順利轉入噴射作業工序，保證工藝銜接有序、且耗時最短，提高工作效率。

3.2.3 噴嘴保護措施

在噴嘴上安設一個球形小鋼珠和鋼珠彈出軌道和儲存倉作為拍門式逆止式閥門，保護泥漿內細顆粒在鉆孔過程中不能進入噴嘴內；噴漿階段在水、氣混合液的沖擊下，將鋼珠從噴嘴出口彈開進入鋼珠儲存倉，并在水、氣混合液的作用下打開噴嘴出口，從而保證噴嘴能在正常狀態下作業。噴嘴保護裝置采取“氣門芯”結構，利用橡皮套達到逆止閥的目的，在噴嘴出口采取PE材料制作保護蓋，噴漿階段將PE蓋擊碎，保證噴嘴正常作業。

3.2.4 減少鉆孔對地層的擾動，提高鉆孔速度

將高噴鉆灌一體機原設計利用噴嘴供氣保護噴嘴、配合輸漿管供送沖洗液的鉆孔方式，改變為逆止球閥保護噴嘴、僅采取輸漿管供送沖洗液的鉆孔方式，不僅可有效減少鉆孔孔徑、減少鉆孔過程對地層的擾動，而且可提高鉆孔速度。

3.2.5 礫石失水地層封堵

配制泥漿時，采取以粘土粉為主，摻加適量膨潤土的雙摻工藝，利用粘土漿固化后強度低的特點，又結合了膨潤土在水化過程中的膨化特點，使得在同樣灰水比情況下的泥漿配比，其泥漿濃度較大，增加一定的固化促凝劑后，很容易對礫石孔隙進行封閉，從而快速解決礫石失水地層的封堵問題。

3.2.6 減少對相鄰噴射孔的擾動

在噴射過程中，從孔口加入水泥速凝劑，加快高噴樁體的凝結速度，減少噴射過程中相鄰孔出現串漿、串氣現象，防止噴射過程對相鄰地層及已噴灌孔的擾動，保證高噴墻體的連續性。

4 結語

作者通過深入細致的調查研究，首次提出了采取“高比重、低粘度、快凝結、低強度”泥漿固壁的施工原則，高比重泥漿達到了攜帶顆粒出孔，減少孔內沉淀的目的；低粘度、快凝結泥漿在孔壁周邊形成了較薄的泥皮“封閉圈”；使高噴過程迅速完成了破殼切割，保證了噴漿達到較大的擴散范圍。通過對高噴鉆灌一體機噴嘴采取保護措施，從工藝上解決鉆孔接長鉆桿過程中孔內細粒含量回落至噴嘴處因停風對其造成的堵塞，提高了工作效率。

（責任編輯：劉 青）

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2016-08-08