貫通式潛孔錘反循環鉆機在錦屏一級水電站中的試驗研究與應用

劉 均 鋒

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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貫通式潛孔錘反循環鉆機在錦屏一級水電站中的試驗研究與應用

劉 均 鋒

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

貫通式潛孔錘反循環鉆進技術在錦屏一級水電站左岸基礎處理工程中成功試驗并應用, 解決了復雜地質條件下出現的孔壁坍塌、掉塊、漏失、涌水、縮頸、超徑等鉆孔難題。貫通式潛孔錘反循環鉆機鉆進效率高、鉆孔成本低、排渣能力強、鉆孔質量高、復雜地層適應能力強、環保效益高，具有良好的綜合鉆探效果。

貫通式潛孔錘反循環鉆機 ；試驗研究；應用；錦屏一級水電站

1 潛孔錘反循環鉆進工作原理

(1)貫通式潛孔錘工作原理。

壓縮空氣經雙通道氣水龍頭由雙壁鉆桿進入貫通式潛孔錘的上接頭環狀間隙，推開逆止閥，充滿外缸和內缸之間的環狀通道，由內缸上的徑向進氣孔進入前后氣室推動活塞往復運動而產生沖擊能量。將前后氣室內做功后的廢氣分別排入活塞與心管之間的環狀通道，進入鉆頭上部環槽，經鉆頭花鍵槽底部留出的通道由鉆頭排氣孔排出。經擴壓槽和孔底巖石的反射作用并在鉆頭抽吸孔的強力抽吸作用下，氣體攜帶巖樣直接進入鉆頭中心，經潛孔錘的貫通孔和雙壁鉆桿的中心通道，通過雙通道氣水龍頭的鵝頸彎管、排渣管最后排到地表旋流粉塵收集裝備中，實現不停鉆連續(取樣)鉆進的新工藝。

(2)反循環形成原理。

驅動潛孔錘做功后的廢氣由鉆頭底部的排氣孔高速噴出，空氣流速大于音速，一般的噴射流速為400～600m/s，三個排氣孔隨鉆頭不斷旋轉，在孔底形成環狀的低壓區，對外環間隙形成抽吸，并且有效地阻止正循環的形成，通過導流和擴散進入鉆頭中心孔，即為多噴嘴引射原理。氣流與被抽吸的介質由孔底巖石反彈后經鉆頭擴壓槽進入鉆頭中心孔，此時，高速流體的流速逐漸降低，壓力增高，所攜帶的巖石、巖屑及孔內流體沿鉆具的中心通道上返，經雙通道氣水龍頭和鵝頸管排出孔外。該鉆進工藝成功地實現了潛孔錘碎巖、流體介質全孔反循環和鉆進中連續取芯(樣)三種鉆探高新技術于一體。

2 現場試驗

貫通式潛孔錘反循環鉆進技術研究工作共進行了三個階段的試驗，包括5次較大的技術改進，5次現場試驗，每次試驗均在前一個試驗的基礎上進行改進。

2.1 第一階段試驗研究

(1)試驗地點。

本次試驗選址在錦屏一級水電站左岸基礎處理工程高程1 670m層3#排水洞和霧化A標邊坡。

試驗地點的巖性主要為T2-3Z2(6)層中厚～厚層狀大理巖，局部夾綠片巖，巖石質量等級以Ⅲ2、Ⅳ2類為主。

(2)試驗目的。

①對潛孔錘反循環鉆進工藝的適用性進行研究，包括反循環排渣效果及孔口除塵效果。

②對新設計的氣水龍頭的性能進行檢驗。

③GQ89mm潛孔錘的工作性能及時效。

④進一步了解現場施工情況，為優化設計鉆具、鉆機結構等提供信息和試驗依據。

(3)試驗內容。

①試驗鉆具及機具。

a.反循環鉆具：反循環GQ89mm貫通式潛孔錘1套，φ95反循環鉆頭3套，SBC89/43雙壁鉆桿30m(1.5m×20根)，雙通道氣水龍頭1套。

②正循環鉆具：φ110中風壓潛孔錘，φ130球齒鉆頭。

③鉆機和供風系統：改進后的YXZ-50A風動潛孔錘鉆機優化了動力頭設計，配有雙通道動力頭、系統供風和atlas中風壓1.4MPa/23m3空壓機。

(4)試驗情況。

首先在左岸基礎處理工程高程1 670m3#排水洞進行試驗，在集中系統供風條件下，經測試得知，系統風提供的壓力最高為0.8MPa，風壓條件低于額定工作壓力。

由于該試驗地點巖石較破碎，在支護時布置了大量的隨機錨桿，當鉆進至8m時遇到支護鋼筋，導致鉆頭脫落一枚球齒，經反復遷移孔位后，仍無法有效避開鋼筋，遂停鉆。

將試驗機具搬遷至霧化A標邊坡進行試驗。在鉆具及鉆機不變的條件下，采用atlas中風壓空壓機1.4MPa/23m3進行試驗。

(5)試驗結果評述。

在霧化A標邊坡選用Atlas中風壓空壓機，額定風壓/風量：1.4MPa/23m3/min。通過壓力表測定得知潛孔錘的輸入風壓為1.1MPa，仍未滿足額定工作壓力(1.5～1.6MPa)。試驗完成約20m工作量，基本達到試驗目的和要求。

①鉆進效率：兩次試驗過程中，潛孔錘工作性能穩定可靠，平均時效為4.8m，理論上在正常額定風壓條件下，鉆進工效應達到5.5～6m/h。

②反循環效果：反循環形成穩定，排渣效果良好，孔口基本沒有巖粉逸出，試驗現場清潔、環保，污染低。

③鉆具、鉆機及配套設備：GQ89mm貫通式潛孔錘、φ95反循環鉆頭及氣水龍頭工作性能穩定，未發現漏風現象，說明潛孔錘及鉆頭設計滿足試驗要求，SBC89/43雙壁鉆桿未發生脫落、斷裂、彎曲等情況，亦滿足現場試驗要求。

通過該階段的兩次試驗，在不同的供風壓力情況下，對潛孔錘反循環鉆進工藝進行了適應性研究，充分顯現了該鉆進工藝的先進性，其具有的高效、優質、環保等特點在水利水電工程領域具有應用和拓展的空間。但是，作為一項新技術，該方法在推廣應用過程中仍存在一定的局限性，需要在后續試驗過程中逐漸改進和完善。

(6)存在的問題和改進方案。

①潛孔錘的優化設計。

現有的貫通式潛孔錘額定工作風壓為1.5～1.6MPa。在該風壓條件下，鉆進硬巖過程中將獲得高效、優質、環保的施工效果。盡管試驗過程中提供的風壓條件達不到額定壓力，但反循環效果仍然良好。為了進一步推廣應用反循環鉆進工藝，筆者主要從以下兩個方面進行了考慮：a.配套高風壓空壓機；b.重新設計中低風壓貫通式潛孔錘。

②氣水龍頭的改進。

試驗采用的氣水龍頭是在原50A鉆機動力頭基礎上進行改型設計的。受鉆機動力頭原結構的限制和加工問題，在今后的試驗和應用中，應根據現場配套設備情況，對鉆進動力頭進行改進設計或重新設計，以降低故障率、提高鉆進效率。

③除塵裝置。

在本次試驗反循環鉆進過程中，通過排渣膠管排粉，未專門設計粉塵及巖屑收集裝備。后續試驗中，在排渣管出口安裝了除塵裝置進行除塵處理，如安裝了旋流粉塵收集裝置。

2.2 第二階段試驗研究

(1)試驗地點。

根據現場施工安排、供風設備配套情況和試驗需要，本次試驗選擇在錦屏一級水電站左岸高程1 518m排水洞進行。

(2)試驗目的。

本次試驗對貫通式潛孔錘反循環鉆進技術進行了研究，試驗的主要目的如下：

①繼續對貫通式潛孔錘反循環鉆進技術進行應用性試驗研究，研究該項技術對不同施工環境和鉆進地層的適應性。

②測試新研發的φ89型貫通式沖擊反循環鉆具的工作性能以及所取得的鉆探效果。

③深入了解現場施工環境和情況，為優化設計鉆具、鉆機結構等提供信息和試驗依據。

(3)試驗內容。

①試驗設備和機具。

供風系統：集中供風系統，經測試后確定風壓力為0.89MPa。

鉆機：YXZ-50A型潛孔鉆機，鉆機動力頭已改進，為雙通道結構設計。

鉆具：GQ89mm貫通式潛孔錘、φ113潛孔錘反循環鉆頭、SBC89/43雙壁鉆桿以及配套機具等。

②試驗情況。

對新設計的φ89型貫通式沖擊反循環鉆具進行的應用性試驗研究表明：其開孔時反循環形成良好，孔口有少量粉塵呈飄逸狀上返，隨著鉆進深度的增大，正循環有所增多，潛孔錘工作性能穩定，但反循環風量較小，孔口有粉塵返出。

本次試驗鉆進的地層深度為28m,平均時效為3.2m。而同一地層采用正循環鉆進方法的時效約為5m/h,鉆進效率約為正循環的2/3。

(4)試驗小結。

①碎巖效率比較低。

在試驗過程中發現，碎巖效率較低，平均時效為3.2m/h，而同一地層采用正循環潛孔錘施工時，效率為5m/h，其效率僅為正循環的2/3。

原因分析：

a.GQ89mm潛孔錘自身設計存在問題；b.鉆具匹配不合理；c.風壓較低，與潛孔錘不匹配。

②反循環形成不穩定。

原因分析：

a. 鉆頭結構不合理；b.鉆頭與潛孔錘匹配存在問題；c.壓縮空氣壓力損失比較大。

(5)改進方案及下一步試驗。

①重新設計反循環鉆頭。

針對現場風壓情況，對鉆頭的噴射孔組合、噴射孔直徑及鉆頭結構進行了改進。

②重新設計了適用于施工排水孔的貫通式潛孔錘，潛孔錘設計參數為φ110和φ130兩種直徑，風壓為0.7～1MPa。

③提高反循環效果。

④提高潛孔錘沖擊功，提升鉆進效率。

⑤設計巖粉收集裝置。

2.3 第三階段試驗研究

(1)試驗地點。

該階段試驗分兩次進行現場試驗(即第4次和第5次現場鉆進試驗)，其中第5次試驗為第4次現場試驗的后續試驗。

第4次現場試驗選址在錦屏一級水電站左岸1 670m高程5#排水洞。該部位巖性主要為T2-3Z2(6)層中厚～厚層狀大理巖，巖石質量等級以Ⅲ2、Ⅳ2類為主。

第5次現場試驗選址在左岸1 730m高程2#排水洞和1 785m高程2#排水洞。1 730m高程2#排水洞巖性主要為T2-3Z2(7)層中厚～厚層狀大理巖，巖石質量等級以Ⅳ2類為主，局部Ⅲ1級受f5斷層、煌斑巖脈及破碎帶影響，巖石破碎，裂隙發育，屬于漏失地層；1 785m高程2#抗力體排水洞巖性主要為T2-3Z2(7)層厚～巨厚層狀大理巖，巖石質量等級以Ⅲ2、Ⅳ2類為主。

(2)第4次現場鉆進試驗。

①試驗目的。

a.根據現場供風設備配備情況，重新設計并研發φ108型和φ127型低風壓貫通式反循環潛孔錘及對應的取樣鉆頭，測試兩種型號反循環潛孔錘的工作性能以及在排水孔施工中的排渣及除塵效果。

b.評價該技術在排水孔施工中的可行性，優化鉆機結構，設計出新型鉆機，研發出適用于水電行業排水孔施工的先進反循環鉆進系統，將該項先進技術真正轉化為生產力。

②試驗設備和機具。

供風系統：采用AtlasCopco中風壓空壓機供風，工作風壓為0.8～1MPa，最大風量為20m3/min。

鉆機：YXZ-50A型潛孔鉆機(鉆機動力頭已改進，為雙通道結構設計)。

鉆具：GQ108mm貫通式潛孔錘配φ110潛孔錘反循環鉆頭，GQ127mm貫通式潛孔錘配φ130潛孔錘反循環鉆頭，SBC89/43雙壁鉆桿以及配套機具等。

③試驗情況。

分別對新設計的GQ108mm貫通式反循環潛孔錘配φ110反循環鉆頭、GQ127mm貫通式反循環潛孔錘配φ130反循環鉆頭進行了俯孔鉆進試驗，兩種型號的潛孔錘工作正常，性能穩定，聲音清脆有力，返渣效果較好，孔口基本無粉塵，反循環形成良好。

在完成了兩種不同規格的貫通式反循環潛孔錘俯孔試驗后，分別對兩種型號的潛孔錘進行了仰孔鉆進試驗。在仰孔鉆進試驗中，GQ108mm和GQ127mm沖擊器的反循環效果均較差，反循環效果最多達到50%，鉆進效率約為5.1m/h，為俯孔鉆進效率的81%。

④試驗效果。

a.兩種型號的潛孔錘工作穩定，說明兩種型號的潛孔錘及配套的反循環鉆頭設計合理，滿足現場排水孔施工需要，基本達到預期目的。

b.在0.9MPa的風壓條件下，采用GQ108mm貫通式反循環潛孔錘配φ110反循環鉆頭進行鉆進試驗的平均工效為6.27m/h；當其它條件不變，在0.8MPa的風壓條件下，采用GQ127mm貫通式反循環潛孔錘配φ130反循環鉆頭進行鉆進試驗的平均工效為5.91m/h，兩種貫通式反循環潛孔錘及配套鉆具的鉆進工效相差不大。

c.俯孔的鉆進效率較快，反循環效果非常好，孔口基本無粉塵，巖渣屑全部通過反循環通道返上地表；但仰孔鉆進效率較低，僅為俯孔鉆進效率的81%，因此，對其還需進行優化和改進。

⑤存在的問題及改進方案。

由于同規格的反循環鉆頭質量較正循環鉆頭質量重，而潛孔錘的質量卻比正循環潛孔錘質量小，因此，在潛孔錘和鉆頭自重的情況下，潛孔錘沖擊功不足且試驗風壓未達到額定風壓，進而直接影響到鉆進效率。

(3)第5次現場試驗。

①試驗目的。

測試重新設計的GQ127bmm中風壓潛孔錘、GQ127cmm高風壓潛孔錘和新設計的反循環鉆頭的工作性能，以及其在排水孔施工中的排渣及除塵效果。

②試驗地點。

第5次現場試驗選址在左岸1 730m高程2#排水洞和1 785m高程2#排水洞。

③試驗設備和機具。

供風系統：1 730m高程2#排水洞試驗點配備高風壓空氣壓縮機(額定風壓2.07MPa,額定風量28.3m3/min；1 785m高程2#排水洞試驗點配備中風壓空氣壓縮機(額定風壓1.2MPa，額定風量20.5m3/min)。

鉆機：YXZ-50A型潛孔鉆機，對動力頭進行了結構優化改進，對反循環排渣管部位進行了結構改進，進一步完善了鉆機的技術性能。

鉆具：GQ127bmm中風壓貫通式潛孔錘一套，GQ127cmm高風壓潛孔錘一套，新設計的φ130反循環鉆頭兩個。

新鉆頭與舊鉆頭的區別及設計改進：

①內噴孔位置有所改變。將新鉆頭內噴孔打在花鍵上，而舊鉆頭內噴孔則是打在兩花鍵之間的鉆頭體上，新鉆頭內噴孔的導流段長度增加了一倍，從而有助于壓縮空氣從內噴孔向內噴射時呈束狀射流，引射中心孔的更多氣體。

②內圈齒位置采用對稱取芯式，擴壓槽形狀采用交錯式，以防止巖屑巖塊卡堵，并且更容易在孔底產生旋流，有利于巖渣屑進入中心孔。

(4)試驗情況。

在1 785m高程排水平洞利用中風壓空壓機(1.2MPa，20m3/min)供風，測試了中風壓潛孔錘GQ127bmm和高風壓潛孔錘GQ127cmm的工作性能和鉆進效率，在輸入風壓為1MPa的條件下，沖擊器工作正常，反循環效果良好，孔口幾乎無粉塵，平均鉆進效率約為6.1m/h，試驗現場基本無粉塵污染，噪音相對較低，滿足現場環保要求。在1 730m高程排水洞采用高風壓空壓機供風，測試了中風壓潛孔錘GQ127bmm和高風壓潛孔錘GQ-127c的工作性能和鉆進效率，在輸入風壓為1.3MPa的條件下，高風壓潛孔錘的鉆進效率較高，鉆進效率為1.2m/10min。由于風量較大，開孔時孔口有少量粉塵，隨著孔深的加深，反循環形成效果良好，鉆進效率約為7.2m/h。

(5)試驗效果。

①新設計的GQ127bmm中風壓貫通式潛孔錘、GQ127cmm高風壓潛孔錘及配套的φ130反循環鉆頭工作穩定，性能可靠，反循環形成良好，達到了預期目的。

②在1MPa風壓條件下，采用GQ127bmm中風壓貫通式潛孔錘配φ130反循環鉆頭進行鉆進試驗時的平均工效為6.1m/h；在1.8MPa的風壓條件下，采用GQ127c高風壓潛孔錘、配套φ130反循環鉆頭進行鉆進試驗時的平均工效為7.2m/h。由此可見，在其它條件基本相同時，高風壓潛孔錘的鉆進效率明顯提高，達到正循環純鉆效率的88%～93%。

③俯孔的鉆進效率較快，反循環效果非常好，孔口基本無粉塵，巖渣屑全部通過反循環通道返上地表；仰孔鉆進效率略低于俯孔，為俯孔鉆進效率的91%，因此，動力頭和潛孔錘要克服鉆頭和鉆桿自重的影響，受重力作用和風壓影響，與潛孔錘及反循環鉆頭設計關系不大。

④通過對GQ-127b中風壓貫通式潛孔錘、GQ-127c高風壓潛孔錘進行現場鉆進試驗，充分驗證了貫通式潛孔錘反循環鉆進技術的先進性，反循環效果良好，既實現了高效的碎巖效率、較高的成孔質量，又實現了作業現場的環保要求，提高了職業健康水平。

3 社會與經濟效益

3.1 經濟效益

潛孔錘正循環鉆進工藝的鉆進成本單價約為118.6元/m，而潛孔錘反循環鉆進工藝由于沒有重復破碎巖體，因此，占鉆孔成本較大部分的鉆頭及沖擊器壽命提高，沖擊器壽命提高4.6倍，鉆頭壽命提高3.2倍，反循環基本不需要鉆進介質——水，而且降低了防斜糾偏、孔內故障處理等費用，綜合鉆進成本約為76.4元/m。

3.2 社會效益

(1)工期方面。

貫通式潛孔錘反循環鉆進技術與潛孔錘正循環鉆機相比，貫通式潛孔錘反循環鉆進技術在破碎、斷層區的綜合效率比潛孔錘正循環鉆機提高了1.2倍，按錦屏一級水電站左岸基礎處理工程排水孔工程量10萬m計算，可以提前工期8個月，縮短了施工周期。

(2)質量方面。

在錦屏一級水電站左岸基礎處理工程復雜的地質條件下，潛孔錘正循環鉆進工藝的孔斜率(孔底偏距與孔深的比值)約為3%～5%，發生孔內事故的幾率約為6.5%～11.5%，而采用貫通式潛孔錘反循環鉆進工藝,孔斜率約為2.5%～3.5%，孔內故障率約為5%～8%，從而有效降低了孔斜率和孔內事故的發生，提高了鉆孔質量。

(3)環保方面。

采用潛孔錘反循環鉆進工藝，減少污水1 865 m3排放，減少108.35 t粉塵排放，施工工作面噪音由常規鉆進工藝的94 dB(A)減小到82 dB(A)。

4 結 語

貫通式潛孔錘反循環鉆進技術具有鉆進效率高、巖樣采取率高、鉆孔質量好、以氣代水等特點，鉆孔成本較低，對極復雜地層適應能力強，可廣泛用于在建和待建的水利水電工程施工，其在錦屏水電工程中的首次應用，在全國水電行業起到了先頭兵作用，提高了中國水電七局公司的科技競爭力。根據國內目前的施工狀況看，貫通式潛孔錘反循環工藝在水利水電行業廊道灌漿孔、排水孔及復雜地質條件下高邊坡錨索施工領域的應用前景十分廣闊，未來還將用于道路、橋梁、市政建設等行業領域。

劉均鋒(1984-)， 男，河南獲嘉人，錦屏一級CV標副主任，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術和管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-28

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