浅论岩土锚固工程施工中的若干工艺技术

浅论岩土锚固工程施工中的若干工艺技术

摘要：本文分析了岩土锚固工程施工过程中遇到的特殊地质环境条件，在对复杂地层进行分析分类的基础上，分析了工程措施对造成地层复杂的影响因素，提出了克服复杂地层钻孔施工难度大应采取的施工工艺方法和技术措施，介绍了选择施工设备及机具的一般原则，对岩土锚固工程施工具有一定的指导意义。 关键词：锚固工程复杂地层钻孔工艺 钻机 钻具.

前言

岩土锚固工程技术因其独特的对岩土体进行加固的力学性态和工艺特征，已被广泛地应用在基坑支挡、边坡加固、滑坡整治、结构抗浮抗倾、坝基稳定和悬索结构的锚碇基础等工程建设领域中。就岩土锚固工程技术本身而言，已在大量的工程实践中得到了长足的进步和发展。新材料、新机具、新工艺的应用，为岩土锚固工程技术的实施提供了有力的保障措施，也为工程建设的持续发展起到了积极的推动作用。岩土锚固新技术的不断发展和应用，具体体现在以下方面： 1. 锚索的结构有传统的拉力型发展为压力型、压力分散型、剪力和剪力分散型、剪力－压力分散型、拉力－压力分散型等，使得锚固段的锚固力更加均匀合理，受力状态得到极大的改善，有利于锚固力的稳定和永久保持，锚固工程的可靠性得到了极大的提高。另外复合土钉墙技术和自钻式锚杆技术也得到了长足的发展，扩大了岩土锚固技术的应用范围和应用领域。 2.岩土锚固施工技术日臻完善; 岩土锚固施工钻孔设备和钻孔机具也已在大量的工程施工中得到了长足的发展和应用，从开始的国外引进发展到国产化，各种型号、规格的锚固钻机品种齐全，钻孔机具和钻孔工艺方法多样化，能适应和满足在各种不同地质环境条件下进行岩土锚固工程施工的需要。在具体的岩土锚固工程实施过程中，施工质量的优劣将直接影响到岩土锚固的效果和锚固能力；施工效率的高低，将影响到施工工期和经济效益。选用适宜的施工设备和施工工艺方法进行科学的施工组织来提高锚固工程施工质量和效率，是锚固工程施工单位和我们共同关心的关键所在。大量工程实践证明，钻孔作业是实施岩土锚固工程中费用最高，最费时同时也是技术最复杂的施工过程。钻孔质量的优劣，不仅直接影响到锚固效果，而且影响到工程工期和工程造价。因此研究开发适合我国国情的高效岩土锚固钻孔机具和钻孔工艺方法对进一步促进岩土锚固技术的发展和应用具有十分重要的现实意义。 一．岩土锚固工程施工中的地质条件和环境条件 我国地缘辽阔,具有地质和地形条件变化差异大的特点。各类地质灾害发生面广、量大,尤其是随着国家西部大开发计划的实施,由于水电站、公路、铁路等基础工程设施的施工,人为地对原有地质环境的改变造成了滑坡、泥石流及崩塌等地质灾害大量发生。在地质灾害预防和整治工程施工中遇到的地质条件和环境条件都十分复杂。一是有大量高山、深沟造成的交通条件十分不便的高陡边坡的锚固工程施工；其次是有松散、破碎、裂隙发育、溶洞等构成的第四系地层锚固工程施工；第三是有崩塌、滑坡及坡积物为主的堆积体地层锚固工程施工。在交通条件十分不便的高陡边坡的锚固工程施工时，给施工设备及施工机具的搬迁和安装造成了极大的困难和危险性；在第四系地层及堆积体地层锚固工程施工时，无论在施工设备和施工机具以及施工工艺上都会造成极大的损耗和困难，从而影响到工程施工进度和成本。因此在实施某一项具体的岩土锚固工程时，对地质条件和环境条件作全面的调查和了解是十分重要的。二．复杂地层中的岩土锚固工程施工 1. 复杂地层的概念地层的构造及其物理化学特性是地层固有的，第四系地层中的破碎、松散脆性、层理、片理、节理、裂隙及断层，遇水膨胀或溶解、遇水发生风化剥落或崩解现象，地层中洞隙、孔隙和溶洞及含水性；长期风化剥落或滑移、崩塌形成的填方堆积体等是构成复杂地层的基本因素。但是我们在进行具体的岩土锚固工程施工时，不能简单地将复杂地层与造成钻孔孔内复杂现象划等号。地层复杂并不是产生钻孔孔内复杂现象的唯一因素，相同的地层在不同的钻孔孔深、孔径、裸眼时间、洗孔介质及钻孔工艺等工程措施下，其稳定程度是不相同的。如果工程措施应用不当，往往会造成钻孔坍塌或漏失等，钻孔复杂情况严重时会造成埋钻，使钻孔作业无法进行。反之如果工程措施得当，采用了正确的护壁、堵漏措施及配套的钻孔机具，即使在复杂地层中钻孔其孔内的复杂情况也会得到有效的抑制，甚至使钻孔变得不复杂。 2. 复杂地层中钻进因素对孔内复杂的影响地层复杂是造成锚固钻孔孔内复杂的重要原因，而钻进因素（孔径、孔深、裸眼时间、洗井介质及工艺操作）对钻孔孔内复杂亦将产生极为重要的影响。 1）钻孔孔径钻孔孔径越大，孔壁越趋于不稳定。锚固钻孔的孔径一般由设计的锚固张拉吨位来确定，在满足锚固段锚固力要求的前题下，从维护钻孔孔壁稳定出发，应尽可能地缩小钻孔设计孔径。对于一些钻孔特别困难的复杂地层，甚至可以从设计的角度出发，降低单索锚固设计吨位，从而减少钻孔孔径，或采用端部扩大型锚固段，来减小钻孔孔径。 2）钻孔孔深孔越深、孔壁越不稳定。一是深部地层具有较大的内应力，当地层被钻穿后，可能发生崩解或塑性形变。二是因大多数锚固钻孔呈水平或水平倾斜，随着孔深的加深，钻孔容易发生弯曲，容易发生掉块和塌落，钻具在弯曲钻孔中对孔壁的撞击和拢动会加重这种现象的发生。 3）钻孔的裸眼时间地层中钻孔孔壁的破坏，是需要一定的时间变化过程的，在水溶分散性地层、溶胀性地层及水化剥落地层中，裸眼浸泡时间越长，孔壁的破坏越严重，越易出现孔内复杂问题。因此在锚固钻孔过程中应尽量缩短钻进周期，采用高效钻孔设备和机具，迅速地将地层钻穿，或者采用套管护壁的跟管钻进方法来保护钻孔孔壁。 4）洗井介质应用洗井介质的目的主要是为了清除钻孔过程中孔内的岩屑，其次可以平衡地层中的压力，借以稳定钻孔孔壁。锚固钻孔的洗井介质主要是水和空气。当用水基介质作为冲洗液时，泥浆的性能（失水及泥皮厚度、比重、粘度及携带岩粉能力）优劣对孔壁的稳定与否会产生较大的影响，在水敏性地层中钻孔时，应采用具有相应抑制性能的优质泥浆作为洗井介质，或者采用空气作为洗井介质。空气作为洗进介质时有许多优点： a）因空气的密度非常低，全孔段气柱对孔壁的作用压力远小于液柱的压力，从而改善了岩石在孔底的多向受压状态，有利于破碎岩石及提高钻进效率。 b）、空气介质的低密度特性使其在裂隙发育严重的破碎漏失地层中也能保证钻进。 c）、在复杂的水敏性地层中钻进时，则可避免孔壁的缩径、坍塌、剥落等造成钻孔孔内复杂的不良影响。 d）、由于空气的流速非常高，钻进时的流速可达10~20米/秒，对孔内岩渣的清洗效果好，不仅有利于提高钻进效率，而且可减少因岩渣推积引起的埋钻事故。因而目前绝大多数的锚固钻孔是以空气作为洗井介质，以风动潜孔锤钻井方法来完成的。还有一种情况，不使用任何洗井介质的干钻方法，用机械螺旋回转来排出孔内岩渣，螺旋钻杆对钻孔孔壁具有一定挤密、修正作用，有利于孔壁的稳定。 5）工艺操作 钻孔过程中操作不当，往往会引起或加重孔内复杂现象。 a）当长时间地在钻孔的易坍塌孔段冲孔时，极易把该段地层掏空形成大肚子。 b）、在松软破碎地层中如果钻进速度太快，大量岩渣不能得到有效清除而在钻孔内形成推积时，会造成埋钻、卡钻事故。 c）、当钻遇大的断层或溶洞时，钻具回转速度过快，会引起钻具的折断。 d）、在层理、片理等节理发育地层及软硬互层地层中钻进时，如果钻进压力过大，不仅会引起钻孔严重弯曲，还会因钻具的负荷太大造成孔内复杂现象。 3. 复杂地层中的钻孔工艺方法我们遇到的大量的岩土锚固工程施工是在复杂地层中进行的，了解和研究地层的复杂情况以及产生锚固钻孔孔内复杂现象的影响因素，可以帮助我们制定正确的钻孔工艺方法，采用适宜的钻孔设备和机具，从而以最经济的手段达到高效成孔的效果。 A、全套管钻进（图1）;

全套管钻进方法是将套管作为钻杆使用，将套管外径做成外平式，钻头外径比套管外径稍大，钻孔结束以后，从套管内孔中下入锚杆（索），然后边注浆边起拔套管。在一些松软的第四系散砂、粉砂土、砂质粘土、填土、砂包土、砂砾岩地层中钻进时使用，可采用水基或空气介质循环清孔排渣。 B、长螺旋钻进 长螺旋钻进是借助螺旋钻杆上的螺旋片将孔底岩渣排出孔外，同时在回转过程中螺旋片对孔壁产生少量的刮削和推挤作用，可将少量暴露在孔壁的探头岩石清除排出孔外，在容易缩径的地层中可借助螺旋片的刮削作用保持钻孔孔径，在含水地层中采用风动潜孔锤钻进时，大量岩粉遇水后势必会混合在一起并且粘附在孔壁上使钻孔孔径变小，借助螺旋片的刮削作用也可避免夹钻、卡钻事故。在软弱、破碎、断层地层钻井时，一方面会产生大量的岩粉需要及时加以清除，但因地层中大量孔隙和裂隙的存在，使洗井介质严重漏失，排渣循环减弱后，岩碴会堆积在钻孔内，利用螺旋片的推送作用，可将岩渣及时排出孔外。长螺旋钻井较典型的钻具组合为： （1）螺旋钻杆+刮刀钻头（图2）

可应用在松软的堆积体、粉质粘土、含少量砂砾层的粘土地层中钻进，既可无循环干钻，也可用水基泥浆循环。 （2）螺旋钻杆+风动潜孔锤（图3）

可应用在破碎裂隙发育地层，断层地层，软硬交互地层及含水地层中钻进。空气主要作为潜孔冲击器的工作动力，可以获得较高的破岩效率，岩渣则主要通过螺旋钻杆的推送作用排出钻孔外，但是，长螺旋钻进方法有其一定的局限性，一方面钻具在钻孔全孔段与孔壁接触，回转扭矩势必很大，对钻机的输出扭矩和提升能力也就要求较大，除此之外在容易产生较大直径掉块或坍塌地层中钻进时，很容易产生卡钻或埋钻现象。 C、跟管钻进与其它钻进方法相比较，跟管钻进为在复杂地层钻进过程中的破岩、护壁和堵漏问题提供了较为全面的解决方案。跟管钻进在钻孔的同时对已钻出的钻孔用护壁套管保护起来，护壁套管具备有足够的强度和刚度，可有效地阻隔钻孔壁的变形、坍塌、掉块，阻隔钻孔机具对孔壁的冲击扰动，从而有效地保证了孔壁的完整性。套管护壁后完全免了洗孔介质对孔壁的冲刷和在洞隙地层中的漏失，使洗井介质保持有较高的上返速度，从而迅速地将孔底破碎下来的岩渣排出。由于套管的刚性比较好，套管对钻具提供了较好的扶正和导正，从而使钻孔弯曲度小，保证了钻孔的精度要求。跟管钻进结束后，可把套管迟留在孔内，把中心钻孔钻具提出后，从套管内孔中下入锚索，然后边注浆边拔出套管，有效地保证了锚固段的注浆质量，并可节约注浆材料消耗。根据套管的跟进方法不同，跟管钻进设备机具组合可有如下几种方式 (1)单动力头偏心扩孔跟管钻进（图4）