赵习斌
中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081
摘 要：深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术是水电开发边坡治理和河床基础防渗、公路、铁路、桥梁乃至民用建筑的基础及边坡处理的一个难题。在今后的类似工程施工中，将不可避免在类似地区进行，按以前的传统施工方式，不但难以达到设计深度、影响施工质量，同时给工程后期运行带来安全隐患。为此，通过深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术的研究，针对不同的地层情况，采用了不同的造孔工艺，在确保施工质量的前提下，提高工程施工进度，保证工程的安全稳定，避免工程运行期内出现不安全因素。该技术的应用为今后类似工程的施工开辟了新的途径，保证类似工程的工程质量、减少工程投资、减低有效工期被占用、保护生态环境等。
关键词：深厚覆盖层松散岩体；快速成孔；施工技术
1 前言
目前我国的基础设施建设主要集中在西部地区，其中水电、高速公路、高速铁路等建设进入新的历史时期。在水电、公路及铁路等基础设施建设时，高边坡处理、河床防渗处理、地基基础处理不可避免地遇到深厚覆盖层松散岩体。如何在深厚覆盖层松散岩体施工时快速成孔将直接影响整个工程的进度甚至工程的成败问题。因此在进行上述工程施工时，如何快速成孔后进行下一工序的施工至关重要，以往常用的办法是：地质钻机造孔、注浆保护然后二次甚至多次扫孔后成孔，部份采用偏心跟管钻进，由于受摩擦阻力的影响较大，深厚地层难以达到设计深度，而注浆保护所需工期太长，对工程进度、效益等都不利。
中国水电九局有限公司通过黄金坪电站导流（兼泄洪）洞出口围堰防渗、锦屏一级电站围堰、枕头坝围堰、江坪河水电站边坡锚固、居甫渡电站边坡锚固、贵阳市红星利尔广场边坡处理等工程的施工实施，对“深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术”进行系统研究，成功地解决了天然堆积（沉积）、崩塌堆积、地壳抬升等形成的深厚覆盖岩体的钻孔成孔问题，针对不同的地层情况，采用了不同的造孔工艺，确保了后续工程施工及整体施工进度，取得较好的施工经验。
2 创新点与难点
2.1 创新点
（1） 深厚覆盖层松散岩体造孔成孔技术创新：采用孔底潜孔锤，套管跟进护壁，一次性钻到设计孔深,成孔率达到100%。成孔速度孔深小于25m达15～20m/h，孔深25m～45m达10～15m/h，孔深大于45m达5～10m/h。如果采用传统钻孔工艺，成孔速度将降低70%以上，同时难以钻进深度25m以上的地层，因而提高了造孔速度，降低成本，确保工期和成孔安全。
（2） 利用跟管、多管冲击钻进的施工工艺代替回转钻进的施工工艺，有效解决了地质钻机回转钻进速度慢、易塌孔、成孔率极低，频繁重复钻孔的难题。地质钻机钻进该类地层，受设备影响，造孔速度缓慢，同时为解决塌孔问题，提高钻孔成孔率，常采用预灌浆处理。待灌浆待凝后，再进行下一深度的施工。从而导致成孔速度十分缓慢，成孔深度收到限制，同时由于预灌浆时的压力控制问题，常常导致后期灌浆的扩散、连接效果，形成漏灌、搭接不到位等渗透部位，给防渗效果造成直接影响。
（3） 由于地质钻机回转钻进需要进行护壁处理，且待凝后再进行下一工序的施工，势必造成设备资源的闲置或频繁移动，同时二次到位时，由于钻孔角度的误差，导致钻孔的二次塌孔。而利用孔底潜孔锤，套管跟进护壁，双层或三层套管跟进技术，也解决了深孔钻进的实际问题。
（4） 对于边坡工程，由于钻孔角度较大，绝大部分为近水平孔，如果采用地质钻机造孔，在待凝期间将无法移动设备，因此造成设备使用率低下，增减施工成本，而利用“深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术”，有效地解决了边坡钻孔困难的问题。
（5） 对不同地层采用不同的钻孔施工工艺
1） 无大块石、覆盖层埋深较浅的地层，直接使用孔底潜孔锤偏心跟管钻进，该方法钻进速度快、成孔率高，成本低；
2） 有大块石、覆盖层埋深较浅的地层，采用孔底潜孔锤同心跟管钻进，该方法钻进速度较偏心跟管快、成孔率高，但跟进的同心扩孔套不能二次利用，增加了一个同心套的成本费用；
3） 无大块石，但地层很深，采用偏心跟管钻进，达到35m后，利用小一级的套管下入孔内，换小一级的钻头继续跟管钻进至设计孔深后，拔出外层套管，从而减少地层对套管的摩擦阻力，增加造孔深度和钻进速度。该方法确保了成孔深度，成孔速度快，成孔率高，但下置内层套管时需做好安全防护措施；
4） 地层深度大于35m且大块石含量很多的地层，采用偏心、同心及双层（或三层）套管跟进护壁的施工工艺。该方法造孔速度快、成孔率高，浅孔部分采用偏心钻进，深孔后下设内层套管并采用同心钻进的施工工艺。如图1所示。
2.2 难点
（1） 钻孔遇大块石或大孤石，有的钻孔在不同埋深都会遇到，则相应大大增加了钻孔难度，会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。
（2） 覆盖层较深，设计钻孔深度也深，跟管钻进时，由于护壁套管与孔壁的摩擦阻力加大，也会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。同时，对护壁套管的材质也提出更高的要求，必须使用更高强度的合金钢套管，才能避免套管或管靴打断，从而造成孔内事故，钻孔报废。
3 工艺原理
3.1 潜孔锤跟管钻进系统
潜孔锤偏心跟管钻进系统主要由潜孔冲击器、偏心跟管钻具、管靴、套管等构成。如图2所示。
潜孔锤同心跟管钻进系统主要由潜孔冲击器、同心跟管钻具、管靴、套管、同心扩孔套等构成。如图3所示。
在潜孔锤跟管钻进系统中，无论是哪种跟管钻具都是通过跟管钻具钻进时钻出大于套管外径的孔，并当钻进至预定地层，可将跟管钻具收敛，使跟管钻具的最大外径小于管靴、套管的内径，从而取出跟管钻具，套管则留在地层内保护孔壁。
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3.2 偏心跟管钻进工作原理
单偏心三件套潜孔锤偏心跟管钻具工作时，由钻机提供回转扭矩及推进动力。正常钻进时，由空压机提供的压缩空气，经钻机、钻杆进入潜孔冲击器使其工作，冲击器的活塞冲击跟管钻具的导正器，导正器将冲击波和钻压传递给偏心钻头和中心钻头，破碎孔底岩石。同时，钻机带动钻杆回转，钻杆将回转扭矩传递给冲击器，并由冲击器通过花键带动跟管钻具的导正器转动，导正器上有偏心轴，导正器转动时偏心钻头张开，并在开启到设计位置后被限位，使中心钻头、偏心钻头同时随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大于套管的最大外径，使套管不受孔底岩石的阻碍而跟进。套管外壁的摩擦阻力超过套管的重力时，内层跟管钻具继续向前破碎岩石，直到导正器上的凸肩接触，此时，导正器将钻压和冲击波部分传给套管靴，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进，保护已钻孔段的孔壁。导正器表面有吹岩屑的气孔，也有使孔底岩屑能够排出的气槽。大部分压缩空气经冲击器作功后通过导正器中心孔、偏心钻头和中心钻头达到孔底，冲刷已被破碎或松散的孔底岩石、冷却钻头，并携带岩粉经中心钻头、导正器的排粉槽进入套管与冲击器、钻杆的环状空间，被高速上返的气流或泡沫排出孔外。
正常钻进时，导正器表面的气孔被套管靴内壁封闭，使绝大部分空气进入钻头工作区，对钻头进行冷却和清洗孔底。
提钻吹孔时，只要导正器表面的孔露出套管靴，解除封闭状态，大量空气将通过此二孔进入套管，对套管内岩屑进行强吹。当钻进工作告一段落，需将钻具提出时，可慢速反转钻具，偏心钻头又依靠惯性力和摩擦力收回，整套钻头的外径小于管靴、套管的内径，即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或钻具提出孔外，套管留在孔内护壁。
3.3 同心跟管钻进工作原理
同心跟管钻进与偏心跟管钻进的区别在于是利用同心扩孔套代替了偏心块，即在套管底部用同心潜孔锤挂上同心扩孔套，钻出的孔径大于套管的最大外径，使套管不受孔底岩石的阻碍而跟进。当钻进达到设计孔深，需将钻具提出时，可慢速反转钻具，同心扩孔套回脱，整套钻头的外径小于管靴、套管的内径，即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或钻具提出孔外，套管留在孔内护壁，同心扩孔套也遗留在钻孔中，不用回收。
同心跟管钻进由于是通过同心扩孔套进行扩孔，减少了钻进时的偏心力，减小了对孔壁的摩擦阻力，对钻进时遇大块石或大孤石，则更容易穿过，对深孔造孔成孔率更高。但每个钻孔，都需要消耗一个同心扩孔套。
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 主要施工工艺流程
“深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术”从施工技术角度对成孔技术进行了有效的创新，利用跟管、多管冲击钻进的施工工艺代替回转钻进的施工工艺，有效解决了塌孔的问题；利用该技术进行造孔，其显著特点就是成孔率高、钻进速度快、工期保障可靠，所完成的工程产品质量可靠，施工安全有保障。双层套管风动潜孔锤跟管钻进工艺流程见图4。
4.2 操作要点
（1） 潜孔锤跟管钻具使用过程中要严格遵守操作规程，才能取得较好效果。如每次钻孔前，须逐一检查跟管钻具、潜孔锤、套管、套管靴等连接是否牢固、可靠，偏“低转速、低钻压、高上返气速”为原则。钻进过程中，应注意观察套管的跟进情况及孔内排粉、排碴情况，并每钻进一段距离应该强吹排粉，以保持孔内清洁。吹孔时，钻具向上提动距离严加控制。
（2） 钻机操作人员必须经过现场培训合格后，才能独立操作钻机。对不同的跟管钻进工艺要注意操作上的细节差异，如进行同心跟管钻进时，由于必须一次性钻到设计孔深，中途不能起下钻，在未达设计孔深时，不能返转回脱孔底扩孔套，否则，将造成孔内事故及钻孔报废。
（3） 在以冲击为主的潜孔锤跟管钻进工艺中，钻压是一个很重要的参数。对钻具钻压来讲，当保持足够钻压时，可防止钻具在冲击时反弹，使钻具紧密地与孔底岩石接触，对传递冲击功，提高破碎效率是十分重要的。实践证明，在一定范围内，随着钻具钻压增大，机械钻速随之增高，但过大的钻具钻压不仅会使钻头冲击刃齿过快磨损，而且容易产生事故。据实验和生产总结，用于钻进的钻压，以每厘米钻头直径0.5～0.9kN为宜。
（4） 潜孔锤跟管钻具分低气压（1.8MPa以下）和中高气压（1.8MPa～2.5MPa），主要取决于配套使用的潜孔冲击器。可根据地层情况和钻孔设计选用，在钻具的钢度和韧性能满足要求的情况下，建议使用中高风压跟管钻具，其工效更高，成孔深度更大，成孔保障率更高，是跟管钻进的发展趋势。
（5） 钻孔遇大块石或大孤石，有的钻孔在不同埋深都会遇到，则相应大大增加了钻孔难度，会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。对不同地层采用不同的钻孔施工工艺，则能取得较好的钻孔成孔效果。
（6） 覆盖层较深，设计钻孔深度也深，跟管钻进时，由于护壁套管与孔壁的摩擦阻力加大，也会造成成孔功效降低，钻具材料大量磨损消耗。同时，对护壁套管的材质也提出更高的要求，必须使用更高强度的合金钢套管，才能避免套管或管靴打断，从而造成孔内事故，钻孔报废。
5 措施及实施情况
5.1 措施
我国的水电站、高速公路、铁路及城市基础设施等建设工程中，遇到了大量的地质灾害防治、基础加固、围堰防渗等复杂地层的工程施工，钻孔施工是主体工程施工的控制性工序工程，不但影响到主体工程的节点工期，更有可能对整个工程的按期完工造成影响。
我单位结合工程实际，进行现场生产性实验，引进了潜孔锤跟管钻进技术，对不同地层，采用不同的钻孔施工工艺，得出了既经济又合理的钻孔成孔施工方案。
5.2 工程实例
通过黄金坪电站导流（兼泄洪）洞出口围堰防渗、锦屏一级电站围堰、枕头坝围堰、江坪河水电站边坡锚固、居甫渡电站边坡锚固等工程的施工实施，成功地解决了天然堆积（沉积）、崩塌堆积、地壳抬升等形成的深厚覆盖岩体的钻孔成孔问题，针对不同的地层情况，采用了不同的造孔工艺，确保了后续工程施工及整体施工进度，取得较好的施工经验。
（1） 河床沉积地层处理技术研究：以黄金坪水电站围堰防渗施工为例，黄金坪水电站导流（兼泄洪）洞工程最高点为泄洪洞引渠底板顶高程1417.00m，最低点为闸室底板1390m高程，其出口地层为大渡河自然沉积物，无胶结状，含粉细砂、大孤石等，地质条件复杂，埋深达80m以上，对围堰防渗处理时，通过渗流计算，采用悬挂式灌浆工艺进行处理，成孔技术改为同心跟管钻进，使成孔速度比以往偏心钻进得到较大提高。其他如枕头坝围堰、锦屏一级电站围堰采用该成孔技术也得到较大的提高。
（2） 边坡覆盖层处理技术研究：以江坪河电站边坡锚固为例，该工程主要是边坡锚索工程，但边坡主要为深厚松散覆盖岩体，锚索施工时最初采用锚固钻机进行风动造孔，经常产生塌孔造成埋钻等现象。后来采用偏心跟管钻进但进尺缓慢，采用注浆成孔办法虽能成孔，但成孔速度十分缓慢，根据当时的合同工期，不对施工工艺进行革新将无法满足工期要求。对此，课题组通过对地层进行仔细分析后，大胆对原成孔技术进行改进，成孔技术改为同心跟管钻进，造孔深度超过60m，造孔功效大大提高，使工程圆满结束，同时得到业主、设计、监理等多方好评，获得较好的经济效益。
5.3 风动潜孔锤跟管钻进与地质钻机造孔技术的比较
对深厚覆盖层松散岩体采用风动潜孔锤跟管钻进，是一次性钻孔到底，钻孔直径大（一般在φ130mm～φ200mm），工效高，成孔率高，所需配备的设备较少，施工操作人员少。
而采用地质钻机一般是自上而下分段造孔，需用护壁材料进行护壁处理或进行灌浆处理，钻孔孔径较小（≤φ91mm），施工工效低，对特殊地层的成孔率低，所需配备的设备台套较多，施工操作人员也较多。
6 效益分析
6.1 经济效益分析
根据工程实际消耗情况，以某工程φ146mm孔径钻孔为例，进行单价分析，深厚覆盖层潜孔锤偏心跟管钻进单价为255.14元/m，潜孔锤同心跟管钻进单价为282.15元/m，地质钻机钻进单价为429.21元/m。从这三个单价来看，地质钻机造孔单价是潜孔锤偏心跟管钻进单价的1.68倍，是潜孔锤同心跟管钻进单价的1.52倍，还未考虑地质钻机护壁材料或进行灌浆处理的费用，因此，深厚覆盖层潜孔跟管钻孔远低于地质钻机钻孔费用，两种工艺相比，潜孔跟管钻进比地质钻机钻孔可节约工程投资20%以上。从造孔工效来看，潜孔跟管钻进孔深小于25m达15～20m/h，孔深25m～45m达10～15m/h，孔深大于45m达5～10m/h，而地质钻机钻孔平均达2～5m/h，因此，潜孔跟管钻进速度是地质钻机钻进速度的2.5倍以上。通过以上分析，说明潜孔跟管钻进造孔经济效益显著。
6.2 社会效益及环境效益分析
深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术的主要关键是根据不同的地层条件和钻孔深度采用不同的潜孔跟管钻进技术，它是随着潜孔锤钻进技术的引进，消化发展起来的。该技术所适用于水电施工、公路、铁路、桥梁、隧洞等工程的基础处理或高边坡治理、防灾减灾等，特别是西部山区公路、铁路、桥梁及大渡河、金沙江流域的水电建设边坡锚固、河床防渗等，具有广泛的应用前景，如我公司承建的贵州老江底水电站大坝土石围堰、黄金坪水电站导流（兼泄洪）洞出口围堰、锦屏一级电站围堰、枕头坝电站围堰、江坪河水电站边坡锚固工程、贵阳市红星利尔广场边坡处理工程等，通过此技术的研究使用，加快了施工进度，保证了工程质量，降低了施工成本，取得了一定的经济效益，施工产生的振动、噪音、粉尘等公害也得到了最大限度的降低，如期的完成合同目标，得到业主、监理等的好评，社会效益和环境效益明显。
7 推广应用情况和应用效果
随着我国国民经济的飞速发展，潜孔锤跟管钻进技术在我国的工程建设领域中已经得到了广泛的应用。
（1） 地质灾害防治
在重视环境保护，改善人类生存环境的今天，由于预应力锚索具有结构简单、质量轻等优点，被广泛用于防治滑坡、稳定高边坡等地质灾害防治领域。现在，城镇、各大中型水电站、高速公路、重要铁路等的边坡加固都要用到预应力锚索。在预应力锚索施工中，钻孔工作是最重要的。由于许多锚索孔要穿过坡积层、弃碴或破碎带，用常规方法往往由于地层太破碎复杂而不能钻出有效的锚孔。潜孔锤跟管钻进方法在钻进垮塌破碎岩体、穿过深厚覆盖层方面提供了一种快速、有效、安全的方法。如江坪河边坡治理工程。
（2） 水电站等砂卵石层帷幕防渗、围堰高喷灌浆防渗处理
潜孔锤跟管钻进技术已广泛应用于修建水电站、水库的帷幕、围堰高压旋喷孔的钻进。对于砂卵砾石及回填物、堆积体等深厚覆盖层的帷幕、围堰，进行灌浆防渗或高压喷射灌注防渗处理时，遇到的最大问题就是造孔极其困难。如老江底电站围堰、黄金坪电站围堰、锦屏一级电站围堰等，地层既有大孤石，又有卵石、块石，采用其他方法钻进效率极低，成本又高，连工程的最低要求都达不到，采用潜孔锤跟管钻进技术，成孔效率高，成孔质量好，成功地解决了这些工程的难题。
（3） 城市高层建筑地基处理
我国很多高层建筑都建在卵石层上，有的也建在有深厚泥夹石覆盖层上，很多深大基坑都存在边坡支护的问题，多采用桩、锚结合的方法。在一些深基坑支护施工中，都采用了潜孔锤跟管钻进成孔，安放预应力锚索的技术。近年来，在高层建筑的深基坑中还使用了抗浮锚索新技术，潜孔锤跟管钻进技术为该项新技术的实施创造了较好的条件。
（4） 公路、铁道等隧洞塌方管棚支护
在公路、铁道及城市的地下工程建设中，大断面隧洞工程的施工，由于地质情况复杂，施工中未及时支护、放炮震动等原因，经常遇到塌方。一般采用刚度和强度都足以抵挡巨大坍体压力的大口径（如φ109、φ127、φ146等）钢套管超前技护技术处理，取得较好效果。潜孔锤跟管钻进的方法可将钢套管连续跟入坍塌体，一次跨过几十米的长坍体段，跟进多根钢管形成长大管棚，还可以利用钢管棚花管灌浆加强支护，使后续的工作能够顺利进行。
潜孔锤跟管钻进技术还应用于公路、铁路的路基、桥基勘察工作，水库大坝和江河堤坝的坝基勘探工作等，其应用领域还在不断扩大。
8 结语
（1） 通过深厚覆盖层松散岩体快速成孔技术的研究和应用，产生较大的直接效益与间接效益。如我公司承建的黄金坪水电站导流（兼泄洪）洞出口围堰、锦屏一级电站围堰、枕头坝电站围堰、江坪河水电站边坡锚固工程等，通过此技术的研究使用，加快了施工进度，保证了工程质量，降低了施工成本，取得了一定的经济效益和社会效益，如期的完成合同目标，得到业主、监理等的好评。
（2） 对深厚覆盖层松散岩体快速成孔施工形成了一整套完整的施工工艺参数，对比了不同钻孔工艺及相适应的地层条件，达到了预期目标，为以后类似工程推广应用提供了依据。
（3） 潜孔锤跟管钻进技术可以解决我国目前地质灾害、水电建设、城市高层建筑地基处理、高边坡永久支护、公路、铁路建设工程等领域以前不能解决的大部分复杂地层钻进难题。
（4） 随着我国经济建设的飞速发展，对潜孔锤跟随管钻进技术提出了更高的要求，特别是在防灾减灾、抢险工程中。在钻孔精度、成孔率、效率、配套、规格等方面，还存在一些急待解决的问题。随着科学的发展，加工、施工技术的提高，在不久的将来，潜孔锤跟管钻进技术从设备、机具到施工技术等方面会更加完善，并全面满足建设工程的需要。
作者简介：
赵习斌：1969年12月，男，高级工程师，从事水利水电工程技术与管理工作，邮编：550008，电话：18785601555.