李荣峰
云南省铁路集团有限公司 云南 昆明 650093
摘 要：路基注浆加固的先行工序是钻孔施工，文中结合实体工程的成功实践，利用地质钻和潜孔钻相互配合，地质钻先探明地质情况，潜孔钻完成后续钻孔工作。钻孔施工过程中，通过有效改善地质钻和潜孔钻施工时坚较完整岩层中的准确开孔和钻孔速度、破碎风化岩层中的卡钻、沙性地质中的塌孔和施工中的有效防尘、粘土和腐质土的缩孔等施工难题，提高钻孔效率，缩短施工工期，文章对优化过程和两种钻机最优机械组合进行详细阐述，为路基岩溶整治钻孔施工提供新的技术资料。
关键词：岩溶整治 钻孔 施工
1 工程概况
“云南腾骏东盟多式联运仓储物流园区”铁路专用线及配套设施工程地处云南滇中高原中部地区，为高原低山剥蚀地貌，地处滇池南岸。施工场地地形起伏较大，地表可见小溶槽、溶沟、石芽等岩溶形态，部分地段地处存在溶洞，断层裂隙，塌陷。上述水文地质情况的存在，对工程现场施工和铁路未来的营运带来种种隐患，故需通过注浆对其铁路路基和龙门吊基础底部进行加固处理，钻孔施工时地质钻机和开山潜孔钻机梅花型施钻，地质钻孔数不少于总数的50%，先进行地质钻施工（先导探灌孔），探明地址情况，再进行开山潜孔钻施工（工序孔），待两种工序施工完毕进行注浆。
该工程具有七条路线需进行路基钻孔加固整治，钻孔注浆施工孔共2026个，孔深从10米至31.8米不等，工期紧，工程量大，工序繁琐，地质情况复杂，为确保钻孔注浆工作满足设计和规范要求，故需对不同地质施工工艺进行优化和合理的进行机械搭配。才能在符合设计图纸和规范的前提下，尽可能的缩短工期和节约施工成本。
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图1 注浆平面示意图
2.不同地质下的钻孔施工工艺优化
2.1坚硬较完整岩层
地质钻钻进坚硬完整岩层，经常会遇到开孔偏位、钻孔扭断、进尺缓慢等施工问题，不能保证工序顺利进行，从而影响钻孔效率。为确保开孔准确，防止开孔偏位而造成重新施钻，钻进时需按照设计的钻孔方向、孔径进行，在完整岩层处开孔时，调整好地质钻机钻孔角度和施钻方向，明确钻孔设计深度要求，采用清水钻进，开孔时钻杆向地面轻加压，缓慢钻进，加大钻孔所需水量，可以有效确保钻孔方向准确。为避免钻杆扭断，施钻时需场地平整，钻杆垂直于施钻平面，及时更换扣丝不紧的钻具，坚硬岩层避免强扭强提。坚硬岩层进尺缓慢，必须根据地质情况合理选用钻机类型和钻头钻具组合，同时还需合理控制钻压、转速和冲洗液量等钻进参量。
潜孔钻钻进完整坚硬岩层时，优先选用高强度钻头。过快的钻进速度也会使钻孔内产生大量的沙粒，过多的沙粒不能及时通过风压排除孔外时，沙子包钻后会产生较大的阻力，降低钻孔的效率，严重时甚至卡钻，合理的钻进速度可以确保顺畅的钻孔施工，从而获得较高的效率。潜孔钻施工过程中，会产生大量灰尘，相比破碎风化岩层和沙性易塌孔地质粉尘排放较小，采用移动灵活的水雾喷射装置可满足降尘要求，良好的环境效益可以避免应扬尘较大造成监管部门的停工和罚款，降尘防尘的优化是保证工期和提高效益的前提。潜孔钻施工坚硬岩层效率高，成本较低，在符合设计、规范和环境要求下，尽可能选用潜孔钻施钻，这样可以提供施工工作效率。
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图2坚硬岩层芯样及潜孔钻施工后照片
坚硬岩层钻孔情况描述：地层坚硬，从开孔到终孔都是白云质灰岩，开孔时易偏孔，下钻缓慢，岩芯完整，岩层无裂隙和溶蚀。
2.2破碎风化岩层
地质钻施工破碎风化岩层，岩层的不均匀性明显，往往较易发生卡钻、堵孔甚至塌孔的情况。在破碎风化岩层钻孔施工时，这种情况总是频繁出现，致使深孔无法达到设计深度，卡钻与堵孔一旦出现，必将影响施工进度，甚至造成施工钻杆无法拔出，造成损失。优化破碎风化岩层施工工艺，需减小或防止这种现象的出现。
潜孔钻施工破碎风化岩层，由于破碎风化岩层地质不均匀性大，经常造成孔洞不规则，钻孔施工容易发生卡钻也是很频繁的，认识卡钻的机理，有效避免卡钻和遇到卡钻时快速处理是提高钻孔工作效率的有效途径。当钻机在凿破碎岩层时，由于钻头和岩石的干摩擦作用，钻头施工时会进行回转，回转会伴随比较剧烈的振动，振动容易造成钻头以上钻杆部分出破碎的岩层脱落并卡主钻杆，造成卡钻事故，另外，钻机在大的推进力和冲击力下，钻杆会发生弯曲，钻杆弯曲使得钻机在一个回转周期内削切岩石体积增大，导致钻机回转阻力增大，当达到一定程度时，也会出现卡钻的情况。以上卡钻情况时常出现在钻孔上部松散下部密实坚硬、上部到下部坚硬密实度逐渐增加和钻孔整体松散突遇坚硬岩石等的地质情况中发生，优化这几种地质情况下钻孔的施工工艺，需要了解卡钻机理，正确操作钻机钻进。当钻机钻孔时，钻杆振动突然加剧，应立刻减慢钻进速度，减小钻机推进力和冲击力，加大钻孔排风量，多退少进，可有效避免这几种地质情况下施钻时卡钻的发生。潜孔钻施工还有一种情况是钻孔施工过程中排渣不畅，钻机干钻施工，风压排渣，未被排出的岩渣会因重力作用回到孔底，对冲击器和底部钻杆形成包裹，增大钻具阻力，限制其回转运动导致卡钻，这种情况应在钻孔施工时减慢钻孔速度，确保充分排渣后在进行施钻。
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图3破碎风化岩层芯样及潜孔钻施工后照片
破碎风化岩层钻孔情况描述：地层情况取决所在地层的破碎情况，风化越严重，正常情况下下钻越快，上层小块石子容易在钻孔过程中下落，造成卡钻。
2.3沙性地质
地质钻施钻沙性地质时，经常会出现塌孔、堵孔、卡钻及芯样无法提取等困难。这些现象在沙性地质中钻孔施工中出现的频率更高。沙性土粘结力小，地质钻孔施工时，容易因的水冲刷出现连续塌孔，当垮塌进一步加剧，孔内的石渣、沙子沉积越来越多，导致沉积物不能有效的通过水流排出，若处理不当极易造成堵孔和卡钻。正确的处理方式是立即带水旋转提钻，钻机保持不停水，待孔内返水带渣明显减少时，重新缓慢下钻。如钻机旋转吃力则再次起钻，如此反复直至不再出现塌孔现象，方可继续钻进。如以上操作仍不能解决问题，则表示发生埋钻、卡钻、抱死钻杆的可能性较大，必须及时将钻杆全部拔出。若此时孔深还未达到钻孔设计深度，则可先进行注浆施工，待注浆参数达到设计要求，再进行下部施工，直至钻孔深度达到设计要求。
潜孔钻施工沙性地层，由于沙性地层松软，施钻开孔时，要注意孔口的维护，施工人员将孔口周围的小碎石和沙粒等尽量清理干净，防止孔口较大颗粒掉入孔内，造成堵孔。沙性地层阻力小，施钻速度快，快速钻机的钻头和钻孔的局部垮塌会在孔内形成大量碎石，此时如果不能快速排出孔内碎石，卡钻现象就极易发生。优化潜孔钻在沙性岩层中的施工工艺在于使钻孔时形成的碎渣能通过适当的进风量排出孔口，在地质情况相近的地层中，经过钻进总结经验，试验出每米的钻进最合理的时间，同时保证进风管风量尽可能大的连续不断的输出，以及采用合理的钻进速度方可最大限度的避免卡钻现象，有效提高钻进效率。但潜孔钻施钻沙性地层会造成大量的粉尘污染，必要的降尘措施是保证施工正常进行的保障。
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图4 沙性地质芯样及潜孔钻施工后照片
沙性地质钻孔情况描述：地层松软，正常情况下下钻快速，但沙性地层容易在流水冲刷情况下塌孔，芯样不易提取，沙子会随流水流出，下卧层较坚硬时，易因塌孔而埋钻。
2.4粘土和腐质土地层
地质钻施钻粘土和腐质土地层，在需要提取钻芯的情况下，粘性和腐殖土质地软，钻进效率高，芯样容易提取。但粘土层处于地下水发育和腐殖土腐殖程度高的地层时，往往会出现缩孔，导致钻孔直径达不到设计要求。若在穿越粘土和腐殖土时，下卧层地质坚硬，施钻效率慢，容易因上部缩孔而造成包钻。解决这种现象经常采用两种发生施工，一是采用套管跟进施工，在粘土中，随钻下套管施工容易，难度小，避免缩孔包钻；二是减慢钻孔速度，频繁扫孔，对缩孔情况进行有效控制。在工程实际施工中，随钻下套管比频繁扫孔工作量小，钻孔效率高，故遇缩孔情况时采用随钻下套管进行施工可缩短成孔时间。
潜孔钻施钻粘土和腐质土地层，需要跟换施工钻头，由于潜孔钻是冲击成孔，风压清孔，故施钻土质地层采用螺旋槽台阶钻头，施工时反复提取，确保孔内土体钻成较小颗粒，能被风压正常向孔位输送至孔外。在土质层施钻时，因土体软潜孔钻钻孔速度极快，往往容易使孔内形成过多土颗粒而无法正常排出孔内而造成包钻，无法成孔，造成损失。优化土层潜孔钻施工方法就是降低钻孔速度，加大风压，保证孔内形成的土颗粒顺利排出，遇到土层在地下水位以下时，潜孔钻机停止施钻，潮湿的土体无法通过风压排出，极易造成包钻，此时应立即改用地质钻施工，直至设计孔深。
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图5粘土和腐质土地层芯样及潜孔钻施工后照片
粘土和腐质土地层钻孔情况描述：土质地层潜孔钻施工时，在没有地下水，土体干燥的情况下，下钻速度非常快，遇地下水和比较潮湿的土层，潜孔钻极易因不能排渣而造成包钻，潜孔钻施工土层时的扬尘最小。
3.地质钻机和潜孔钻的机械组合
钻孔施工时，与潜孔钻机相比，地质钻机施工效率往往较慢，为满足设计先探后钻的要求，地质钻施工需在潜孔钻前，当两种机械同时施工时，则需多台地质钻与1台潜孔钻配合施工，才能在施工时潜孔钻机不窝工，得到更好的施工效率。
表1:正常钻孔情况下两种钻机的施工效率
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根据现场实测在不同地质情况下施钻10m孔成孔时间分析，优化机械组合的结果是1台潜孔钻机搭配4台地质钻机可在施工时平行作业，缩短工期，节约成本。
4.结束语
文中把理论和实际经验结合，在具体工程中实践，有效改善地质钻和潜孔钻施工时坚硬较完整岩层中的准确开孔和钻孔速度、破碎风化岩层中的卡钻、沙性地质中的塌孔和施工中的有效防尘、粘土和腐质土的缩孔等施工难题，对优化过程和两种钻机最优机械组合进行详细阐述，为路基岩溶整治钻孔施工提供新的技术参考。
参考文献：
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