液動沖擊鉆進(jìn)在鉆灌一體化施工工藝中的應(yīng)用試驗

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450000）

1 研究背景

作為工程基礎(chǔ)處理中常用和重要的工程技術(shù)措施，灌漿技術(shù)在水工建筑基礎(chǔ)的防滲和加固處理中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的灌漿方法中，鉆孔和灌漿是兩個互相交替的施工工序，需要頻繁替換鉆具和射漿管，工作效率較低。為此，結(jié)合重慶小南海水庫帷幕灌漿工程、黃河小浪底水庫樞紐灌漿工程，自主研發(fā)了一套“鉆灌一體化”工法[1]。該工法在鉆孔不取芯的前提下，優(yōu)化整合鉆進(jìn)與灌漿工序，連續(xù)循環(huán)進(jìn)行鉆灌，實現(xiàn)鉆灌一體化。該工法應(yīng)用到生產(chǎn)項目中，有效減少了輔助生產(chǎn)時間，大幅提高了工作效率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，于2014年被評為河南省省級工法[2]。但是，該工法采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆孔施工，在硬巖地層（可鉆性等級在Ⅶ級以上的巖石，單軸抗壓強(qiáng)度通常大于50 MPa[3]）中鉆進(jìn)速度較慢。

液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)采用泥漿泵給液動潛孔錘供給液壓能，直接驅(qū)動液動潛孔錘內(nèi)部的沖錘上下往復(fù)運(yùn)動，并連續(xù)不斷地對鉆頭施加沖擊載荷，在巖石表面引起破碎坑，在回轉(zhuǎn)運(yùn)動的配合下完成剪切碎巖，具有效率高、成孔質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在硬巖地層鉆進(jìn)中，液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)較普通金剛石回轉(zhuǎn)技術(shù)鉆進(jìn)效率可提高3～5倍[4]，是目前解決中硬及以上巖層鉆進(jìn)困難的有效方法[5-6]。然而，國內(nèi)還未見將液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)應(yīng)用于“鉆灌一體化”施工工藝中的相關(guān)研究。本文針對液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在“鉆灌一體化”施工工藝中的適用性展開探索。

2 試驗材料與方案

2.1 模擬地層

為保證試驗的連續(xù)開展，在室內(nèi)采用人造混凝土柱來模擬硬巖地層。首先采用洛陽鏟沖擊法開挖直徑為0.8 m，深度為20 m的圓井，并采用C60混凝土回填。這種混凝土施工產(chǎn)品的標(biāo)養(yǎng)試塊28 d立方強(qiáng)度的平度均值和最低值滿足GB 50107-2010《混凝問土強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)》中60 MPa級混凝土要求。每回填1 m，進(jìn)行機(jī)械振搗處理，直到逐漸回填至井口。試驗共計制作20個混凝土井柱，平面示意見圖1。將混凝土柱養(yǎng)護(hù)3個月，之后開展試驗。

圖1 模擬地層豎井分布示意

2.2 試驗設(shè)備

選用的主要試驗設(shè)備包括XY-2鉆機(jī)、BW-320/10灌漿泵、FE3000+灌漿記錄儀、YJ300低速儲漿筒、ZJ-400型高速制漿機(jī)和YZX54型液動潛孔錘。ZX54型液動潛孔錘見圖2，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 YZX54型潛孔錘技術(shù)參數(shù)

2.3 試驗方案

試驗分為以下2個部分。

（1）回次鉆速對比試驗。分別采用傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)全斷面鉆進(jìn)技術(shù)（鉆具組合為：60 mm金剛石全斷面復(fù)合片鉆頭+56 mm導(dǎo)正鉆桿）和液動沖擊回轉(zhuǎn)全斷面鉆進(jìn)技術(shù)（鉆具組合為：60 mm金剛石全斷面復(fù)合片鉆頭+54 mm液動沖擊器+54 mm導(dǎo)正鉆桿），鉆取口徑為60 mm、深為20 m左右的鉆孔。通過對比不同鉆進(jìn)方法鉆孔時的平均回次鉆速，檢驗液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在模擬硬巖地層中的施工效率。其中，回次鉆速=鉆孔進(jìn)尺/從往孔內(nèi)下放鉆具、鉆進(jìn)、從孔內(nèi)提起鉆具，生產(chǎn)循環(huán)中1個回次所需的時間。

（2）沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)“鉆灌一體化”灌漿試驗。主要目的是檢測采用不同水灰比的純水泥漿液灌漿作業(yè)后，液動潛孔錘的起振性能是否受到漿液的影響，從而初步判斷“帶錘灌漿”工藝的可行性。試驗過程如下：①采用YZX54型液動潛孔錘開展液動沖擊鉆孔（清水作為動力循環(huán)介質(zhì)），在一個灌漿試段鉆進(jìn)完成后停鉆；②采用大泵量開展孔底巖粉清洗，直至回水清澈后停泵，將鉆具提離孔底50 cm，把鉆孔中的潛孔錘和鉆桿作為射漿管；③安裝灌漿管路，封閉孔口，結(jié)合裂隙沖洗開展簡易壓水試驗，壓水試驗結(jié)束后進(jìn)行灌漿作業(yè)，灌漿結(jié)束后解除孔口封閉，開泵通清水不提鉆直接進(jìn)行下一灌漿試段鉆孔。試驗過程中采用的最大灌漿壓力為3 MPa，選用的灌注漿液類型為純水泥漿液，其水灰比為3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1和0.5∶1，采用孔口封閉灌漿法進(jìn)行地層灌漿。灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)參照SL 62-2014《水工建筑物水泥灌漿技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的孔口封閉法灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)“鉆灌一體化”灌漿試驗示意見圖3。

圖3 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)“鉆灌一體化”灌漿試驗示意

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 回次鉆速對比

表2為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中采集的試驗數(shù)據(jù)，鉆孔深度為回次進(jìn)尺的總和19.7m，耗時3.154 h，其中，鉆進(jìn)時間1.7 h，輔助鉆進(jìn)時間1.454 h，平均回次鉆速6.36 m/h。表3為普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗數(shù)據(jù)，鉆孔深度為19.9 m，耗時3.81 h，其中鉆進(jìn)時間2.12 h，輔助鉆進(jìn)時間1.69 h，平均回次鉆速4.51 m/h。試驗結(jié)果顯示：在人造中硬以上巖層中，鉆一個20 m左右的孔，液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)比普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)平均節(jié)約時間0.656 h，平均回次鉆速高41.02%。

表2 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗數(shù)據(jù)

表3 普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗數(shù)據(jù)

3.2 漿液濃度對液動沖擊器工作性能的影響

表4為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)“鉆灌一體化”灌漿試驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果顯示，不同水泥漿液“帶錘灌漿”作業(yè)后，鉆孔中液動潛孔錘均可正常工作。

表4 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)“鉆灌一體化”灌漿試驗

4 結(jié)論

將液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于“鉆灌一體化”中是一項新的灌漿工藝，通過試驗研究，可得出以下結(jié)論。

（1）普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在人造硬巖地層中的回次轉(zhuǎn)速顯示，采用沖擊回鉆進(jìn)方法獲取的回次鉆速要比采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法獲得的回次鉆速高41.02%，可大幅提高速率。

（2）沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)“鉆灌一體化”灌漿試驗結(jié)果表明，工程施工中常用的幾種配比（水灰比3∶1；2∶1；1∶1；0.8∶1；0.6∶1；0.5∶1）的純水泥漿液不影響YZX54型液動潛孔錘在孔底的工作狀態(tài)，說明該型號的液動潛孔錘在應(yīng)用于“鉆灌一體化”施工工藝中展示出良好前景。

本文試驗屬于探索性研究，下一步還需進(jìn)一步開展相關(guān)試驗，驗證評估水泥漿液對液動潛孔錘壽命的影響，方可將該技術(shù)推廣應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。