潜孔锤钻进技术在深厚砂卵石层中的应用

1概述
沙湾水电站工程为大渡河干流下游梯级开发中的*级。坝址区位于四川省乐山市沙湾区葫芦镇上游1.0km的大渡河干流上，距上游已建的铜街子电站约11.5km，下游距乐山市区44.5km。该工程以发电为主，兼顾灌溉和航运功能，电站装机容量480MW。
该工程于2004年2月开始动工建设，采用束窄河床分期导流方式。2004年4月完成一期围堰。
据原勘察资料揭示，沙湾电站坝址区厂房坝段河床覆盖层深厚，zui厚处达66.67m，其以下基岩内有岩溶承压水分布。为了厂房基坑开挖的安全与稳定，设计决定对该段内的岩溶承压水进行先期减压处理。
我院于2005年3月5日进场开展施工，使用空气潜孔锤钻进工艺，结合传统的钻探方法，历时36天，完成4个钻孔，钻探1工作量318.77，其中砂卵石层进尺212.38m，较合同工期提前19天圆满完成了减压排水孔的造孔任务，受到业主的好评，取得了较好的经济效益。
2地质条件及技术要求
2.1地质条件
一期围堰由上下及纵向围堰组成，上游围堰长约315.0m，堰顶高程425m；下游围堰长约349.0m，堰顶高程423m；纵向围堰长约468.0m，堰顶高程423～425m。承压水减压排水孔平面位置均位于～期围堰基坑内。由于前期采取砂石骨料，围堰基坑内地表均已进行了不同程度的开挖，致使围堰内地表均位于水下，水深5.0～7.5m。
据原勘察资料钻探揭示.河床内覆盖层较为深厚，覆盖层zui大厚度达66.67m。物质组成上部为漂卵砾石夹砂，厚6.6～33.2m；中部为卵砾石夹砂，厚2O.31～44.5m；下部为砂夹卵砾石及粉细砂层透镜体，砂层透镜体zui大厚度达18m；下伏基岩岩性以三叠系中统雷口坡组工212层之泥质白云岩为主，局部为工213层岩溶角砾岩。
2.2钻孔技术要求
减压排水孔钻孔深度：以进入基岩承压水含水层底板为标准，孔深一般为8O～90m。
覆盖层：要求下Φ127mmx9mm套管，无须取心。
基岩：孔径不小于Φ91mm，需采取岩心。
3钻进工艺和设备的选择
3.1钻进工艺的选择根据该工程勘察期间钻探施工经验，如采用常规的钻探方法，即先采用植物胶金刚石钻进取心，后跟进厚壁套管护壁的钻进工岂，需要上2台XY-2型钻机，才能按期完成钻探施工任务。而且由于水位较深，需搭建2个水上钻探平台，辅助工作量大，钻探施工成本高。
为了降低钻探施工成本，提高钻探施工进度，根据地层情况和钻孔技术要求，经过认真的分析研究，我院决定采用潜孔锤钻进技术施工减压排水孔。
3.2钻探设备的选择根据地层情况、钻孔深度和钻孔技术要求，钻探设备选择如下：XY-2型钻机（配低速电机）1台，BW-150型定量泵1台，20m3／0.8MPa空压机1台，宣化苏普曼SPM90型、SPM110型潜孔锤各1套，采用油桶筏钻探平台，长×宽=10m×6m。
4钻探工艺
4.1钻进方法及钻孔结构覆盖层采用Φ115mm空气潜孔锤硬质合金钻头钻进，由于水位较深（5.0—7.5m），开孔时先跟进Φ178mm×12mm厚壁套管2～3m作为导向管；然后采用110mm空气潜孔锤硬质合金钻头钻进，提钻后再跟进Φ178mm×12mm（7in）厚壁套管10m，主要起导向和保护下一级套管的作用；之后采Φ95mm空气潜孔锤硬质合金钻头钻进，跟进127mm×9mm（5in）厚壁套管护壁并进入基岩0.5～1.0m，跟进深度一般为25～65m。
一般潜孔锤钻进回次进尺控制在0.7～0.8m，以确保潜孔锤上部保持在套管内，以免被垮塌的砂卵石掩埋而影响潜孔锤的冲击钻进；提钻后跟进～次厚壁套管，长度0.5—0.7m，然后采用Φ95mm空气潜孔锤硬质合金钻头，只用潜孔锤的冲击功破碎套管中的卵石，并将～部分卵石冲出套管，挤入地层中；待钻头冲出管脚后再采用潜孔锤冲击回转钻进。基岩采用Φ91mm清水金刚石钻进，一径终孔。
4.2钻进参数的选择
本工程考虑到水位较高，负压较大，为确保砂与破碎的卵石能被冲出孔外，我们选择了较大的风量。采用SPM110潜孔锤时，一般情况为12.0～13.0m／min，zui大时达13.5m／min；采用SPM90潜孔锤时，一般情况为8.5～10.0m／min，zui大时达l2m／min。在潜孔锤钻进时，除正常工作所需风压外，还要加上孔深时沿程压降及克服水位以下的水柱压力。本工程风压一般情况为0.65—0.85MPa，zui大时达1.0MPa。本工程钻压一般情况为0.5～0.6MPa。本工程因选用的是XY～2型钻机，在采用低速电机的情况下，一挡转速为85r／min。
施工过程中，随着钻孔深度和地层情况的变化需要随时改变潜孔锤钻进参数，特别是要注意风量和风压的控制，以确保潜孔锤发挥出*性能，同时确保砂砾及被击碎的卵石颗粒被冲出孔外。
4.3跟管方法一般在潜孔锤钻进0.7～0.8m，提钻后用200kg的吊锤跟进～次厚壁套管，长度0.5—0.7m。为了确保厚壁套管的顺利跟进，在地层稳定性较差的孔段，应使用潜孔锤反复冲击扩孔钻进。在Φ127mm×9mm（5in）厚壁套管跟进30m后，应视地层和跟进速度，确定每回次厚壁套管的跟进深度，一般回次跟进深度控制在0.4～0.6m，切忌盲目提高吊锤高度跟进厚壁套管，以免造成管脚损坏，而影响钻探施工。
4.4钻进技术措施
4.4.1作业前的检查
（1）查供气管路及钻杆是否畅通，连接处是否漏气；
（2）反复倒置潜孔锤，检查活塞运动是否灵活；
（3）钻进开始时，在地表试验潜孔锤的性能。
4.4.2钻进中注意事项
（1）严格按照潜孔锤钻进技术参数作业，不能盲目追求进尺而加大钻压，防止钻杆折断、钻头掉齿和断齿等事故的发生；
（2）钻进中要随时注意观察气压表压力的变化，如发现压力急剧上升或下降，应立即提钻，查明原因，排除故障；
（3）钻进中经常注意潜孔锤冲击响声，如发现冲击频率变低或不稳定等异常情况，应立即提钻进行处理；
（4）钻进中如发现钻杆抖动厉害，应立即提动钻具，再慢慢下放，并降低压力进行钻进；
（5）定期向钻杆内加入少量机械油，确保潜孔锤充分润滑和能，延长使用寿命；
（6）下钻时，应边回转边下放，当钻具接近孔底时，应放慢下放速度；
（7）下钻前，要在地表对潜孔锤进行试验，看其工作是否正常，否则要立即拆卸清洗、涂油，防止活塞与缸套的磨损加剧而损坏钻具。
（8）在施工过程中，应加强对潜孔锤的维护，并保证钻进所需的风压、风量，以确保潜孔锤的工作正常；
（9）采用材质较好的钻杆接头。并在施工过程中注意检查，以减少钻杆折断事故的发生。
5结语
1）采用空气潜孔锤钻进技术，结合常规跟管钻进，在含水丰富的深厚砂卵石地层中取得成功，改变了空气潜孔锤只能在干燥或湿润的环境中使用，拓展了其使用的范围。
2）在砂卵石层钻进，因潜孔锤冲击功较大，易发生钻杆接头折断事故，建议提高钻杆接头的材质和丝扣加工质量或采用外接箍钻杆接头。
3）本次共施工减压排水孔4个，使用潜孔锤异步跟管钻进砂卵石层总进尺212．0 m，综合台效达8．7 m／台班，比采用常规植物胶金刚石钻进效率提高近3倍，节约直接成本约180 m。
4）通过4个孔的施工，我们取得了使用潜孔锤钻进深厚砂卵石层的经验。使减压排水孔的施工顺利完成，受到业主的好评，为院创造了较好经济效益和社会效益。