殷其雷，殷 琨，柳 鶴，甘 心

吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院/國土資源部復(fù)雜條件鉆進(jìn)技術(shù)開放研究實(shí)驗(yàn)室，長春 130026

0 引言

水利工程主要是指修建大型水庫、水電站、大壩等工程，主要是為了開發(fā)、利用、控制和調(diào)配水資源，其作為國家經(jīng)濟(jì)的重要命脈，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有舉足輕重的作用［1］。在水利工程中，基礎(chǔ)處理工程的施工工作量占很大比例，如邊坡支護(hù)治理、防滲灌漿、固結(jié)灌漿、排水施工等，而基礎(chǔ)處理工程中的鉆孔工程量巨大，有些大型水利工程的鉆孔工作量會達(dá)到數(shù)百萬米。水利工程中的鉆孔工程具有成本投入大、作業(yè)工人數(shù)量多、施工空間狹窄通風(fēng)不暢、環(huán)境保護(hù)要求高等特點(diǎn)［2］。近年來，我國的水利工程建設(shè)處于快速發(fā)展的階段，施工技術(shù)在很多方面都取得了很大進(jìn)展［3］。但是在鉆孔技術(shù)上一直沒有較大突破，還是沿用一些成熟技術(shù)，如金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、常規(guī)正循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)［4］。大部分的鉆孔施工都是在洞室內(nèi)完成，金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法主要用于灌漿孔施工，口徑較小，鉆進(jìn)效率低，用水量大，洞室環(huán)境差；常規(guī)正循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)方法主要用于排水孔施工，口徑較大，鉆進(jìn)效率高，但是在孔口會產(chǎn)生大量粉塵，在相對封閉的洞室空間內(nèi)，對施工工人的身體健康不利。因此選擇一種高效、環(huán)保且適應(yīng)于復(fù)雜地質(zhì)條件鉆進(jìn)的鉆孔工藝方法已成為水利工程施工亟待解決的問題。

對于水利工程中的鉆孔施工特殊性，潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)具有風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，還具有中心通道連續(xù)排渣、全孔反循環(huán)、環(huán)境污染小的特點(diǎn)［5］，該技術(shù)正好滿足目前水利工程中鉆孔施工的高效環(huán)保要求。潛孔錘反循環(huán)技術(shù)的鉆進(jìn)效率是金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的5～9倍，耗氣量比正循環(huán)潛孔錘少，孔口污染比正循環(huán)小很多且對復(fù)雜地層的適應(yīng)性較好［5］。雖然正循環(huán)潛孔錘在洞室內(nèi)施工經(jīng)常采用加水霧化方法盡量降低粉塵污染，但是仍然不能很好地控制孔口粉塵在洞室內(nèi)擴(kuò)散，對洞室環(huán)境和施工人員的身體健康造成了很大影響。因此潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是控制洞室內(nèi)粉塵污染、有益于施工人員身體健康并且鉆進(jìn)效率高的施工技術(shù)。

筆者把潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在某水電站的排水孔鉆孔施工中。排水孔在水利工程建設(shè)中的作用是排除巖體內(nèi)滲水、消除地下水和地表水對巖體穩(wěn)定性的影響［6］。排水孔鉆孔工作量巨大，而且大部分排水孔是上仰孔，以往潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)只是在下行孔施工中得到了試驗(yàn)應(yīng)用，此次是該技術(shù)首次被應(yīng)用到上仰孔的施工中，具有很大的開拓性和挑戰(zhàn)性。

1 工程及試驗(yàn)概況

該水電站大壩工程為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為1 885m，基礎(chǔ)面高程為1 580m，壩體高度為305m，該水電站主要由大壩工程、引水系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、泄洪工程等主要水工建筑物組成。開發(fā)任務(wù)主要是利用壩體落差進(jìn)行發(fā)電，結(jié)合汛期蓄水兼有分擔(dān)長江中下游地區(qū)防洪的作用。本工程樞紐建筑物主要由混凝土雙曲壩（包括水墊塘和二道壩）、右岸泄洪洞、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及開關(guān)站、左岸導(dǎo)流洞和施工支洞組成［7］。左岸基礎(chǔ)處理工程施工項目繁多，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，是該水電站總體施工中的控制性工程，主要施工通道和洞室分為5層布置，高程分別為1 885、1 829、1 785、1 730和1 670m，包括固結(jié)灌漿平洞、帷幕灌漿平洞、排水平洞、施工主通道、施工次通道、抗剪傳力洞和斷層、煌斑巖脈網(wǎng)絡(luò)。主要的工作有土石方開挖、混凝土、灌漿和排水孔工程，鉆孔工作總量達(dá)到200萬m。此次潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的試驗(yàn)內(nèi)容就是在左岸的施工支洞中進(jìn)行排水孔施工，驗(yàn)證該技術(shù)在上仰孔和下行孔施工中的適用性，以及在環(huán)境保護(hù)和鉆進(jìn)效率方面的應(yīng)用效果。

2 施工技術(shù)要點(diǎn)

潛孔錘反循環(huán)鉆具系統(tǒng)主要由貫通式潛孔錘、反循環(huán)鉆頭、雙壁鉆桿、雙通道氣水龍頭等組成，該技術(shù)集潛孔錘高效碎巖鉆進(jìn)、氣液固多相介質(zhì)全孔反循環(huán)、鉆進(jìn)過程中連續(xù)獲取收集巖礦心樣三項先進(jìn)鉆孔工藝于一體［5］。從原理上分析，只要做好上返破碎巖渣屑的收集和處理工作，在狹窄封閉洞室內(nèi)的鉆孔施工作業(yè)就能夠達(dá)到降低粉塵污染、保護(hù)工人身體健康和高效成孔的目的。

潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的原理［8］示意圖如圖1所示。高壓的壓縮空氣由供氣膠管進(jìn)入雙通道動力頭，再通過雙壁鉆桿的內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙進(jìn)入反循環(huán)潛孔錘，驅(qū)動潛孔錘活塞高頻往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生的沖擊能量傳遞給反循環(huán)鉆頭來破碎巖石，潛孔錘工作產(chǎn)生的廢氣通過鉆頭底部的噴射孔到達(dá)孔底攜帶巖渣屑進(jìn)入鉆具的中心通道，反循環(huán)經(jīng)排渣管上返至地表，并使用集塵袋收集巖渣屑，孔口無污染。

排水孔的鉆孔施工是在狹窄的洞室內(nèi)進(jìn)行的，不能容納體積龐大的設(shè)備，常規(guī)使用的立軸式鉆機(jī)和空氣壓縮機(jī)都不能進(jìn)入洞室內(nèi)，因此需要改進(jìn)潛孔錘反循環(huán)鉆具系統(tǒng)。此次試驗(yàn)采用的方法是用體積較小且移動方便的錨桿鉆機(jī)來配套潛孔錘反循環(huán)鉆具，需要把錨桿鉆機(jī)的動力頭改進(jìn)為具有中心通道排渣和雙通道配氣功能的動力頭，如圖2所示。而且空氣壓縮機(jī)被放置在洞室外的邊坡上，將供氣管線引入洞室內(nèi)給潛孔錘提供壓縮空氣，供氣管路長度為60～80m，風(fēng)壓損失嚴(yán)重，空氣壓縮機(jī)提供的風(fēng)壓輸送到鉆機(jī)位置只有0.8～0.9MPa，因此鉆進(jìn)用的反循環(huán)潛孔錘屬于低風(fēng)壓型。

圖1 潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)原理示意圖Fig.1 Schematic of the RC DTH hammer drilling system

反循環(huán)鉆頭的設(shè)計是決定反循環(huán)排渣效果的關(guān)鍵，反循環(huán)的效果好壞直接影響洞室內(nèi)的環(huán)境和工人身體健康。反循環(huán)鉆頭是根據(jù)多噴嘴引射器原理設(shè)計的，鉆頭上設(shè)計有若干個內(nèi)噴孔，并使氣體向中心通道噴射，它是利用高速噴射氣體的卷吸和引射作用，將鉆頭周圍破碎的巖渣屑攜帶入鉆頭的中心通道，最后上返至地表。引射器原理和反循環(huán)鉆頭的機(jī)理描述可以在很多文獻(xiàn)［5，9－10］中查到，關(guān)于反循環(huán)鉆頭的研究重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和鉆頭流場的速度場、壓力場的分析，來研發(fā)抽吸能力較好的反循環(huán)鉆頭［11－12］。本次試驗(yàn)之前也專門設(shè)計了2種結(jié)構(gòu)的鉆頭，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)的主要差別在于內(nèi)噴孔的位置：A型鉆頭的內(nèi)噴孔設(shè)計在花鍵上的各個平鍵之間；B型鉆頭的內(nèi)噴孔則設(shè)計在花鍵的平鍵上。2種鉆頭的反循環(huán)排渣效果肯定是有區(qū)別的，可以通過CFD數(shù)值模擬計算和鉆進(jìn)試驗(yàn)的方法來判定鉆頭設(shè)計的合理性。

3 反循環(huán)鉆頭的抽吸效果分析

圖2 改進(jìn)前后的鉆機(jī)動力頭對比Fig.2 Power heads of drilling rig contrast before and after improvement

圖3 兩種結(jié)構(gòu)的反循環(huán)鉆頭Fig.3 Two types of RC bits

采用計算流體動力學(xué)（CFD）模擬分析方法可以從一定程度上反映反循環(huán)鉆頭的抽吸能力，抽吸能力強(qiáng)即反循環(huán)排渣效果好。而在CFD軟件中是通過鉆頭與孔壁之間的環(huán)狀間隙處的質(zhì)量流量值來考察鉆頭的抽吸能力，即從外環(huán)空被抽吸進(jìn)入計算域形成反循環(huán)的氣體質(zhì)量流量越大，則鉆頭的抽吸能力越強(qiáng)，反循環(huán)排渣效果越好［13］。

兩種鉆頭的網(wǎng)格模型如圖4所示。網(wǎng)格模型主要包括中心通道、內(nèi)噴孔、底噴孔、擴(kuò)壓槽和孔壁等。兩種鉆頭都設(shè)計有兩個底噴孔，主要作用是擾動巖渣屑、清潔孔底和冷卻鉆頭。A型鉆頭具有雙排12個內(nèi)噴孔，B型鉆頭具有一排6個內(nèi)噴孔，雖然數(shù)量不同，但是兩種鉆頭的內(nèi)噴孔過流斷面面積之和近似相等。采用質(zhì)量流量入口和壓力出口進(jìn)行邊界條件設(shè)置［14］，由于試驗(yàn)時空氣壓縮機(jī)風(fēng)量約為18m3/min，換算為入口的質(zhì)量流量等于0.361 5kg/s，出口壓力按1個大氣壓強(qiáng)設(shè)置。鉆頭模擬的軟件設(shè)置詳見文獻(xiàn)［15］。在相同的初始邊界條件下，通過CFD數(shù)值模擬計算，得到了表征兩種鉆頭抽吸能力的結(jié)果。A型鉆頭的外環(huán)狀間隙的質(zhì)量流量值為0.199 987 04kg/s，略 大 于 B 型 鉆 頭 的0.177 524 64kg/s，這說明A型鉆頭的抽吸能力略優(yōu)于B型鉆頭。

圖4 兩種鉆頭的網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh models of two types drill bits

通過鉆頭軸線上氣體速度和壓力變化曲線可以揭示反循環(huán)鉆頭中心通道的速度和壓力分布情況。如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)0點(diǎn)代表鉆頭底端面中心，虛線1代表A型鉆頭的內(nèi)噴孔與中心通道交匯處的位置，虛線2代表B型鉆頭的內(nèi)噴孔與中心通道交匯處的位置。由速度變化曲線（圖5a）和壓力變化曲線（圖5b）可知，在鉆頭底端面到內(nèi)噴孔之間，速度和壓力的變化趨勢和數(shù)值幾乎一致，但是中心通道的上返氣體通過內(nèi)噴孔位置后，變化曲線有較大變化：A型鉆頭的軸線氣體速度急劇升高而且維持在較高速度，這就使中心通道內(nèi)鉆頭底部和鉆頭上部會維持一個壓力差，而且壓力差的數(shù)值比B型鉆頭的軸線壓力差大，這有利于氣體和巖渣屑的向上運(yùn)移；而B型鉆頭的軸線氣體速度在內(nèi)噴孔位置后雖然也急劇增大，但是壓力也維持在一個較高水平，與鉆頭底部壓力值基本相等，壓力差較小不利于氣體和巖渣屑上返。因此根據(jù)CFD數(shù)值模擬計算分析可知，A型鉆頭的抽吸能力和反循環(huán)排渣效果略優(yōu)于B型鉆頭，但是數(shù)值模擬分析結(jié)果僅供參考，還需要通過試驗(yàn)的論證。

4 洞室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)效果分析

4.1 洞室內(nèi)下行孔施工

根據(jù)排水洞內(nèi)施工現(xiàn)場的條件，現(xiàn)場試驗(yàn)的巖層巖性為大理巖，試驗(yàn)孔位的供風(fēng)壓力約為0.8～0.9MPa，風(fēng)量為20m3/min，應(yīng)用反循環(huán)潛孔錘配套改裝的動力頭鉆機(jī)和兩種類型的反循環(huán)鉆頭，進(jìn)行上仰孔和下行孔的鉆進(jìn)試驗(yàn)，考察該技術(shù)的反循環(huán)排渣效果及鉆進(jìn)速度，并與鄰孔正循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)效果相比較，綜合評價潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)和鉆進(jìn)效率方面的應(yīng)用效果。

在下行孔鉆進(jìn)試驗(yàn)中，鉆進(jìn)試驗(yàn)情況如表1所示，反循環(huán)潛孔錘搭配A型、B型兩種鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)時，反循環(huán)排渣效果良好。如圖6所示，孔口無粉塵，洞室內(nèi)環(huán)境保持良好，使用集塵袋將上返的巖渣屑進(jìn)行收集處理，停鉆后集中處理傾倒巖渣屑。一根1.5m雙壁鉆桿的平均鉆進(jìn)時間為21min，平均鉆速為5.25m/h，與鄰孔正循環(huán)潛孔錘的鉆進(jìn)效率（6.0～7.0m/h）相比稍低；正循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)采用加水霧化的方法降塵，但是粉塵煙霧仍然從孔口飛逸而出，鉆機(jī)周圍環(huán)境惡劣。

圖5 鉆頭軸線上的氣體速度和壓力變化曲線Fig.5 Gas velocity and gas pressuse curves along the axis of drill bits

表1 下行孔鉆進(jìn)試驗(yàn)情況Table 1 Test of drilling the downward hole

圖6 潛孔錘反循環(huán)技術(shù)的下行孔的鉆進(jìn)試驗(yàn)Fig.6 Test case when RC hammer drilling a downward hole

4.2 洞室內(nèi)上仰孔施工

在上仰孔鉆進(jìn)試驗(yàn)中，鉆進(jìn)試驗(yàn)情況如表2所示，反循環(huán)潛孔錘搭配A型鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)時，反循環(huán)排渣效果較好，如圖7所示，孔口有少量粉塵漫出；而搭配B型鉆頭鉆進(jìn)時，反循環(huán)排渣效果較差，孔口掉落小顆粒的巖渣屑，集塵袋中收集到了大量巖粉和巖塊。由此可見，上仰孔鉆進(jìn)時破碎的巖渣屑受到自身重力和風(fēng)量的影響較大，容易從鉆具和孔壁的環(huán)狀間隙排出，污染洞室環(huán)境，但還是比正循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)時的孔口粉塵量小得多。一根1.5m雙壁鉆桿的平均鉆進(jìn)時間為32min，平均鉆速為2.86m/h，與鄰孔的正循環(huán)潛孔錘的鉆進(jìn)效率（3.0～5.0m/h）相比稍低，但是正循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)時，鉆機(jī)附近粉塵煙霧很大，鉆機(jī)周圍環(huán)境惡劣。

通過反循環(huán)潛孔錘配套兩種鉆頭在下行孔和上仰孔的鉆進(jìn)試驗(yàn)情況，綜合分析可知，反循環(huán)排渣效果總體較好：下行孔鉆進(jìn)時孔口基本無粉塵，巖渣屑幾乎全部通過鉆具的中心通道上返至地表；而在上仰孔鉆進(jìn)時孔口有少量巖粉和小顆粒巖渣屑掉落，大多數(shù)巖粉和大顆粒巖塊通過反循環(huán)通道排出，潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的粉塵控制能力明顯優(yōu)于正循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)。通過上仰孔的鉆進(jìn)試驗(yàn)情況可知，A型鉆頭的抽吸能力和反循環(huán)排渣效果略優(yōu)于B型鉆頭。

表2 上仰孔鉆進(jìn)試驗(yàn)情況Table 2 Test of drilling the upward hole

圖7 潛孔錘反循環(huán)技術(shù)的上仰孔鉆進(jìn)試驗(yàn)情況Fig.7 Test case when RC hammer drilling a upward hole

5 結(jié)論

1）潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)首次被成功應(yīng)用到水利工程的鉆孔施工中，也是該技術(shù)第一次嘗試鉆進(jìn)上仰孔，對該技術(shù)的發(fā)展具有開拓性意義。同時驗(yàn)證了該技術(shù)可以有效控制和降低狹窄封閉洞室內(nèi)的粉塵問題，鉆進(jìn)效率雖然比常規(guī)正循環(huán)潛孔錘稍低，但是有利于維護(hù)施工的良好環(huán)境和作業(yè)人員的身體健康，值得在水利水電工程施工中推廣應(yīng)用。

2）CFD數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示，A型鉆頭對環(huán)空抽吸的空氣量大于B型鉆頭，說明A型鉆頭的抽吸能力優(yōu)于B型鉆頭。上仰孔和下行孔的鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)噴孔設(shè)計在花鍵上的各個平鍵之間且具有雙排12個內(nèi)噴孔的A型鉆頭結(jié)構(gòu)更為合理，在施工中A型鉆頭比B型鉆頭的孔口粉塵少。從反循環(huán)排渣效果看，A型鉆頭破碎的大部分巖粉和大顆粒巖塊從中心通道排出，反循環(huán)排渣效果優(yōu)于B型鉆頭。

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