□呂 磊 □孟慶亮（中國水利水電第十一工程局有限公司）

高噴鉆灌一體機(jī)在砂礫石地層中的應(yīng)用

□呂 磊 □孟慶亮（中國水利水電第十一工程局有限公司）

以贛江堤防工程金灘堤段高噴鉆灌施工為背景，通過高噴鉆灌一體機(jī)在砂礫石及粉砂地層中鉆孔灌漿的應(yīng)用所反應(yīng)出來的三個(gè)技術(shù)難題，結(jié)合自己的工程實(shí)踐，提出了高噴一體機(jī)在類似地層中嚴(yán)重制約鉆孔及噴漿的施工處理措施，為類似地層高噴一體機(jī)應(yīng)用提供了良好的借鑒。本項(xiàng)目的處理未見國內(nèi)外相關(guān)資料或報(bào)道，僅供其它類似工程參考。

高噴鉆灌；砂礫石地層；應(yīng)用研究

1 工程概況

贛江堤防金灘堤線起于金灘鎮(zhèn)西部嶺下村丘崗地帶，至金灘鎮(zhèn)政府所在地，再沿贛江設(shè)防至柘口村向西拐后，終止于柘塘南堤，堤線長5.59 km。全堤堤身為新填均質(zhì)粘土，堤基防滲主要采用射水造墻防滲，建筑物穿堤部位采用高噴（擺噴）灌漿。2016年3月18日至25日贛江水位漲至46 m高程后，通過干堤布置的測壓孔進(jìn)行防滲幕幕前及幕后水位相關(guān)性對(duì)比分析，干堤堤后測壓管與堤外贛江水位變化關(guān)系非常密切，且干堤堤基下部礫石層和粉砂層基礎(chǔ)透水性較強(qiáng)，為此，對(duì)干堤基礎(chǔ)射水幕墻采取高噴灌漿補(bǔ)強(qiáng)。

高噴補(bǔ)強(qiáng)區(qū)地層主要為第四系沖積層(alQ4)粘土、砂及礫卵石層，下伏基巖為下第三系新余群(E1-2xn)復(fù)成分礫巖。工程區(qū)位于華南褶皺系贛中南褶隆贛西南拗陷之武功山～玉華山隆斷束構(gòu)造單元。施工區(qū)地下水類型為孔隙潛水和基巖裂隙水?？紫端饕x存于第四系松散砂礫石層中，其含透水性良好，水量豐富，水位埋深較淺，部分地帶具承壓性，與贛江江水聯(lián)系緊密。基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶中，接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，沿裂隙及斷層破碎帶滲流運(yùn)移，以泉水形式向河湖及低洼地帶排泄，含水量不豐。

工程區(qū)地質(zhì)揭露堤基地層自上而下分別為砂壤土、粉砂層及礫石層，其中，礫石地層為中等以上致密地層，2～4 cm粒徑礫石約占65%，其它填料占35%，最大粒徑達(dá)6～8 cm，具有較強(qiáng)的透水性，鉆孔過程中，經(jīng)常造成鉆孔失水，產(chǎn)生埋鉆現(xiàn)象，影響工程進(jìn)度；粉砂地層因大量細(xì)顆粒的存在，在一體機(jī)鉆孔接長鉆桿時(shí)，因停風(fēng)、停水（沖洗液）時(shí)，噴嘴多次堵塞，致使鉆孔施工不能順利進(jìn)行。

2 鉆灌一體機(jī)的工作原理及施工中存在的問題

2.1 鉆灌一體機(jī)的技術(shù)原理

鉆噴一體化高噴灌漿技術(shù)原理與常規(guī)的高噴灌漿技術(shù)原理相同，但鉆灌一體化高噴灌漿對(duì)施工機(jī)具進(jìn)行了較大創(chuàng)新和改進(jìn)，鉆灌一體化高噴灌漿成套設(shè)備融鉆孔和高噴灌漿為一體，在鉆桿內(nèi)安裝水、氣、漿高壓噴射管路，配備輸送水、氣、漿及相應(yīng)的提升設(shè)備，將鉆噴一體的液壓步履式臺(tái)車移動(dòng)至鉆孔位置，利用帶有噴射孔的鉆頭進(jìn)行鉆孔施工、鉆進(jìn)時(shí)，高壓漿泵輸送高壓沖洗液介質(zhì)，打開空壓機(jī)輸送高壓氣體，高壓沖洗介質(zhì)與高壓氣體輔助鉆頭完成地層切削，同時(shí)，高壓介質(zhì)起到清孔、形成漿皮固壁、以及冷卻鉆頭作用。鉆孔完成后，不需要提鉆，可直接進(jìn)行高噴作業(yè)，并通過調(diào)整不同的模塊,來實(shí)現(xiàn)不同的高噴灌漿工藝，即按設(shè)計(jì)要求可適時(shí)選擇旋噴、定噴、擺噴工藝，從而使鉆孔和高噴灌漿工序不間斷而連續(xù)完成。

2.2 鉆灌一體機(jī)在粉砂地層和礫石地層施工中存在的問題

贛江金灘堤原設(shè)計(jì)防滲采用射水造墻防滲施工完成后，2016年3月18-25日贛江水位漲至46 m高程時(shí)，通過干堤后布置的測孔觀測發(fā)現(xiàn)：干堤堤后測壓管與堤外贛江水位變化關(guān)系非常密切，且干堤堤基下部礫石層和粉砂層基礎(chǔ)透水性較強(qiáng)，推測干堤后產(chǎn)生的泡泉、潛水滲漏與干堤基礎(chǔ)滲漏存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，為此，業(yè)主組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工四方研究決定對(duì)該干堤基礎(chǔ)射水幕墻采取高噴灌漿補(bǔ)強(qiáng)。高噴灌漿布置在原設(shè)計(jì)射水墻迎水面?zhèn)?，距射水墻軸線控制在45 cm，以保證高噴墻與射水墻有效銜接。為滿足搶險(xiǎn)施工強(qiáng)度需求，高噴灌漿采用鉆灌一體機(jī)施工，施工過程中發(fā)現(xiàn)高噴一體機(jī)在礫石層和粉砂層中存在4個(gè)方面的問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

2.2.1 易卡鉆

標(biāo)段贛江干堤基礎(chǔ)粉砂層及礫石基礎(chǔ)透水性強(qiáng)，鉆孔過程中，礫石基礎(chǔ)嚴(yán)重失水，極易產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象。

2.2.2 基礎(chǔ)擾動(dòng)較大

采用高噴一體機(jī)鉆孔時(shí)，相鄰兩個(gè)1序孔間距達(dá)1.40 m時(shí)，相鄰孔噴灌時(shí)出現(xiàn)串漿、串氣現(xiàn)象，局部地段孔間距達(dá)2.80 m時(shí)，仍存在串漏通道，這一現(xiàn)象反映出高噴一體機(jī)鉆孔過程對(duì)基礎(chǔ)擾動(dòng)較大。

2.2.3 噴嘴堵塞

高噴鉆灌一體機(jī)采用水、氣混合物作為鉆孔沖洗、冷卻用液鉆孔時(shí)，鉆桿接長過程中，因噴嘴位置低，孔底泥漿比重大，噴觜靜置在泥砂沉淀后，多次造成噴嘴堵塞，無法展開噴灌作業(yè)。

2.2.4 孔內(nèi)埋鉆事故

高噴鉆灌一體機(jī)鉆孔進(jìn)入失水地層后，孔內(nèi)漏失水嚴(yán)重致使沉淀閉氣后回落在鉆頭周圍，多次造成孔內(nèi)埋鉆事故，影響施工進(jìn)度。

3 存在的問題分析及針對(duì)措施、處理效果

3.1 存在的問題分析

3.1.1 噴嘴堵塞對(duì)施工工藝的影響

高噴鉆灌一體機(jī)在鉆桿接長過程中，需停水（泥漿）、停風(fēng)完成接鉆桿施工，停風(fēng)、停水（泥漿）后，孔內(nèi)沉淀易快速回落至孔底部位，造成孔底泥漿內(nèi)泥砂含量大，而輸漿管口或噴嘴此時(shí)處于鉆孔底部，泥砂極易進(jìn)入管口和噴嘴造成堵塞。通過加大孔內(nèi)泥漿濃度，使泥漿具有較大的浮托力使粉砂細(xì)顆粒隨泥漿流出孔外，在鉆孔輸漿管口處形成流動(dòng)的漿層，輸漿管恢復(fù)供漿后，鉆桿內(nèi)外的流體可迅速貫通，可快速實(shí)現(xiàn)輸漿管道暢通；但噴嘴處的泥內(nèi)含細(xì)小顆粒后，極易造成噴嘴堵塞。因此，需要對(duì)噴嘴采取保護(hù)措施或?qū)娮熘谱鞒赡嬷归y的形式，保證管內(nèi)水、氣混合體能進(jìn)入孔內(nèi)，達(dá)到高噴灌漿的工藝參數(shù)要求，并能阻止孔內(nèi)漿液中的細(xì)小顆粒不進(jìn)入噴嘴內(nèi)。

3.1.2 護(hù)壁泥漿對(duì)成孔及噴漿的影響

在礫石強(qiáng)失水地層鉆孔時(shí)，既要求護(hù)壁泥漿具有快凝、高膠體率、擴(kuò)散度小的特性，便于礫石地層孔隙的封堵；又要求孔壁上形成的泥皮厚度較小、強(qiáng)度較低，便于高噴時(shí)地層破殼切割時(shí)，其破殼阻力不影響高噴切割半徑，保證漿液擴(kuò)散范圍滿足工藝參數(shù)要求。

3.1.3 強(qiáng)失水地層對(duì)鉆孔的影響

高噴鉆灌一體機(jī)鉆孔施工時(shí)，不能有效按照其它方式鉆孔采取孔內(nèi)回填粘土、回填混凝土及灌注水泥砂漿等惰性材料封堵的方法處理失水地層，需研究液體狀膏漿、快凝濃漿，防止?jié){液在鉆孔時(shí)，流失過快，造成孔內(nèi)沉淀回落失水后埋鉆。

3.2 采取的措施及取得的效果

3.2.1 減少泥漿固壁對(duì)噴漿效果的影響

通過對(duì)鉆孔工藝的思考，提出了采取“高比重、低粘度、快凝結(jié)、低強(qiáng)度”泥漿固壁的施工原則，高比重泥漿便于攜帶顆粒出孔，減少孔內(nèi)沉淀；低粘度、快凝結(jié)泥漿能使孔壁周邊形成較薄的泥皮“封閉圈”；使泥漿在孔壁上形成的泥皮具有低強(qiáng)度的特點(diǎn)，使高噴過程中能迅速完成破殼切割，保證噴漿達(dá)到較大的擴(kuò)散范圍。

3.2.2 保護(hù)噴嘴在不同工況下正常運(yùn)行

對(duì)高噴鉆灌一體機(jī)的噴嘴采取保護(hù)措施，從工藝上解決鉆孔接長鉆桿過程中孔內(nèi)細(xì)粒含量回落至噴嘴處因停風(fēng)對(duì)其造成的堵塞，保證一體機(jī)鉆孔至孔底后，能自下而上順利轉(zhuǎn)入噴射作業(yè)工序，保證工藝銜接有序、且耗時(shí)最短，提高工作效率。

3.2.3 噴嘴保護(hù)措施

在噴嘴上安設(shè)一個(gè)球形小鋼珠和鋼珠彈出軌道和儲(chǔ)存?zhèn)}作為拍門式逆止式閥門，保護(hù)泥漿內(nèi)細(xì)顆粒在鉆孔過程中不能進(jìn)入噴嘴內(nèi)；噴漿階段在水、氣混合液的沖擊下，將鋼珠從噴嘴出口彈開進(jìn)入鋼珠儲(chǔ)存?zhèn)}，并在水、氣混合液的作用下打開噴嘴出口，從而保證噴嘴能在正常狀態(tài)下作業(yè)。噴嘴保護(hù)裝置采取“氣門芯”結(jié)構(gòu)，利用橡皮套達(dá)到逆止閥的目的，在噴嘴出口采取PE材料制作保護(hù)蓋，噴漿階段將PE蓋擊碎，保證噴嘴正常作業(yè)。

3.2.4 減少鉆孔對(duì)地層的擾動(dòng)，提高鉆孔速度

將高噴鉆灌一體機(jī)原設(shè)計(jì)利用噴嘴供氣保護(hù)噴嘴、配合輸漿管供送沖洗液的鉆孔方式，改變?yōu)槟嬷骨蜷y保護(hù)噴嘴、僅采取輸漿管供送沖洗液的鉆孔方式，不僅可有效減少鉆孔孔徑、減少鉆孔過程對(duì)地層的擾動(dòng)，而且可提高鉆孔速度。

3.2.5 礫石失水地層封堵

配制泥漿時(shí)，采取以粘土粉為主，摻加適量膨潤土的雙摻工藝，利用粘土漿固化后強(qiáng)度低的特點(diǎn)，又結(jié)合了膨潤土在水化過程中的膨化特點(diǎn)，使得在同樣灰水比情況下的泥漿配比，其泥漿濃度較大，增加一定的固化促凝劑后，很容易對(duì)礫石孔隙進(jìn)行封閉，從而快速解決礫石失水地層的封堵問題。

3.2.6 減少對(duì)相鄰噴射孔的擾動(dòng)

在噴射過程中，從孔口加入水泥速凝劑，加快高噴樁體的凝結(jié)速度，減少噴射過程中相鄰孔出現(xiàn)串漿、串氣現(xiàn)象，防止噴射過程對(duì)相鄰地層及已噴灌孔的擾動(dòng)，保證高噴墻體的連續(xù)性。

4 結(jié)語

作者通過深入細(xì)致的調(diào)查研究，首次提出了采取“高比重、低粘度、快凝結(jié)、低強(qiáng)度”泥漿固壁的施工原則，高比重泥漿達(dá)到了攜帶顆粒出孔，減少孔內(nèi)沉淀的目的；低粘度、快凝結(jié)泥漿在孔壁周邊形成了較薄的泥皮“封閉圈”；使高噴過程迅速完成了破殼切割，保證了噴漿達(dá)到較大的擴(kuò)散范圍。通過對(duì)高噴鉆灌一體機(jī)噴嘴采取保護(hù)措施，從工藝上解決鉆孔接長鉆桿過程中孔內(nèi)細(xì)粒含量回落至噴嘴處因停風(fēng)對(duì)其造成的堵塞，提高了工作效率。

（責(zé)任編輯：劉 青）

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2016-08-08