浅谈弱风化强卸荷边坡锚索造孔施工工艺

浅谈弱风化强卸荷边坡锚索造孔施工工艺

李昌武

（

中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西  西安）

摘要：坝区两岸山体雄厚，地形陡峭，山顶高程大于1125m，相对高差大于 375m，属高山地貌。河谷狭窄，谷坡陡峻，为基本对称的深切“V”型峡谷。缆机平台两岸边坡陡峻，多为悬崖峭壁，最大高差达113m(右岸)，并且在两岸缆机边坡分布有弱风化强卸荷岩层，为解决不良地质条件锚索施工成孔难、灌浆困难等问题，针对锚索成孔、锚索灌浆开展了生产性试验，通过固壁灌浆、锚索自由段封堵采取包裹土工布等工艺，攻克了锚索成孔及灌浆困难问题。

关键词：边坡；锚索；造孔；施工工艺

1、概述

某水利工程缆机平台地表岸坡 40°～45°，岩性主要为黑云母石英片岩，局部为片麻状花岗伟晶岩岩脉。岩体主要发育Ⅳ、Ⅴ级结构面，弱风化强卸荷岩层边坡铅直厚度一般10m～40m，最厚可达60m，其成分主要为碎石粉土夹块石、孤石，中等密实，块石直径一般为30cm～80cm，最大5m，碎石、块石、孤石含量约占90%，粉土约占10%。其边坡开挖坡比为1:0.5，边坡支护采用挂Φ8@20*20cm钢筋网,喷C25F250混凝土厚10cm、系统锚杆Φ28，L=6m/Φ25，L=4.5m@2m*2m梅花型交错布置，外露10cm、₵75排水花管L=3m@3m*3m，外漏混凝土面5cm，梅花型布置，外包土工布300g/㎡，仰角10°、1000KN无粘结L=40m预应力锚索。

2、锚索施工难点

（1）由于缆机边坡地质条件差，岩体风化破碎，裂隙、孔洞多，在锚索孔钻孔过程中经常出现塌孔、卡钻、钻头掉落等情况，难以成孔。

（2）跟管钻进过程中岩体破碎，地层漏风，排渣不利，套管无法跟进或无法拔出，导致多次重新开孔。

（3）采用固壁灌浆进行施工，因岩体结构破碎，固壁灌浆量大，需要多次、重复扫孔，平均扫孔达到10次甚至15次以上，单孔成孔时间平均需要15~20 天。

（4）内锚段及张拉段灌浆过程中，遇大裂隙地层，灌浆量较大，无压、无回，无法正常结束灌浆。

2、1锚索造孔工艺选择

结合本工程的施工特点，针对锚索造孔分别使用了同心钻跟管、偏心钻跟管进行工艺对比。

偏心钻机跟管+水泥浆液固壁、同心钻机跟管+砂浆固壁优缺点比较

2.2固壁灌浆工艺选择

水泥浆液固壁、砂浆固壁优缺点比较

通过以上造孔及固壁方案对比，结合现场施工记录分析，采用偏心钻跟管造孔及水泥浆液固壁灌浆施工，二次塌孔频次较高，对跟管磨损较大，导致频繁重新开孔，采取间歇、待凝等方式后，灌浆平均单耗达到1.7t/m，单孔最大单耗8t/m，远大于理论灌浆量，且仍存在反复塌孔，成孔效率仅为10%。采用同心钻跟管造孔及砂浆固壁灌浆工艺一次成孔率可达60%，固壁后重新扫孔塌孔概率较小，成孔率有显著提高，经过多次专题会比选，考虑施工难度、进度等因素，最终确定采用同心钻机跟管+砂浆固壁灌浆工艺。

3、缆机边坡锚索施工机具选择

通过选取普通型钻机、组合螺旋钻机配合偏心钻头跟管钻、金科履带式潜孔CM458C钻机配合同心钻头跟管造孔进行生产性试验，经过试验比选，金科履带式潜孔CM458C钻机配置同心钻头跟管钻钻孔工况优于其他类型钻机，其具有机动性好、扭矩大、钻进能力强，，孔径90～305mm，最大钻孔深度200m；如工作风压达到10kgf/c㎡以上，最高钻效可达6m/h；适用于本工程复杂地质条件下钻孔施工。

3.1 同心跟管钻进成孔原理

（1）同心跟管钻头由风动潜孔锤、同心钻头、套管和套管靴组成。钻进时同心锤头与管靴始终保持一致，通过与花键导向体内置嵌卡机构带动回转切削岩石，同时锤头体利用冲击器的冲击功能，冲击破碎岩石，潜孔锤同时锤击套管靴，使连接套管随钻孔加深同步跟进，达到保护已钻出的钻孔孔壁的目的。

(2)固壁成孔是利用砂浆、水泥净浆等材料封堵孔隙的手段，从而达到建立完整、稳定锚索孔目的的一种工程施工工艺。施工人员依据现场实际情况选择合适的配合比，通过控制注浆速度、时间、压力以及配合使用间歇、低压、浓浆、限流、限量、待凝和扫孔复灌等技术手段来填充、封堵孔内裂隙和松散岩层，最后达到形成稳定锚索孔。

3.2 同心跟管钻进施工技术及固壁成孔施工技术

3.2.1同心跟管钻进施工技术

⑴ 同心跟管钻具在施工前应逐一检查风动潜孔锤、钻头、套管、套管靴，风动潜孔锤应工作正常，并加注机油润滑，钻头应能灵活张开和收拢，连接销及锁紧机构应牢固，钻杆与潜孔锤和潜孔锤与同心钻具的连接应可靠，套管和套管靴无裂纹，凡有影响强度的缺陷不能使用；

⑵ 同径常规钎头先造孔1m左右，给跟管钻进提供定位和导向作用；

⑶ 开钻前，将钻具组装好放入带有套管靴的套管内，让同心锤头伸出套管靴，正转收缩同心锤头进行钻进。在确认钻头到达孔底后，先回转，待正常后，再开风冲动钻进；

⑷ 钻进过程中，随着钻孔的延伸，边加钻杆边加接套管；

⑸ 每钻进1.5m应强风吹孔排粉一次，以保持孔内清洁。吹孔时，中心钻具和上提动距离应严加控制（以能实现强风吹孔为限），禁止在钻进过程中向上起拔中心钻具或来回倒杆；

⑹ 钻进结束或需更换钻具时，先将孔底残渣吹尽，脱开中心钻具的回转动力，停止回转，缓慢提升中心钻具至钻头后背与套管靴前端接触为止，用管子钳卡持钻杆，作反时针方向回转，同时缓慢试提中心钻具，当中心钻具可顺利提升时，表明同钻头已顺利收拢，这时可按照常规方法提升中心钻具，直至全部提出中心钻具；

⑺ 有时会因孔底残留岩渣过多，钻头回转部分被岩渣卡住而影响偏心钻头的收拢。当试提几次仍不能奏效时，应开动空压机重新对钻孔进行清洗，并使用潜孔锤作短时间工作，然后再进行试提，如此作法直至提出中心钻具；

⑻ 在跟进套管有困难的情况下，又要获得较大的有效孔径，可用套管内径小3～4㎜的合金或金刚石钻头回转切削通过套管靴，从而扩大有效孔径；

⑼ 管钻进至需要深度后，即可将跟管钻具提升出孔外。根据需要可一次跟管到位，或先跟管钻进至需要深度后再用常规钎头钻进至设计深度。

3.2.2固壁成孔施工技术

固壁灌浆施工主要通过造孔→钻至岩层破碎段→提钻→孔内固壁灌浆→待凝→扫孔→重复固壁灌浆→直至达到设计孔深的方式，根据造孔钻进情况，若钻进过程出现卡钻、漏风等异常情况，通过使用M25水泥砂浆进行固壁，当注浆量达到2-3m³仍不出现返浆现象时，采用间歇、低压、限流、限量、待凝和扫孔复灌等方法帮助固壁。根据工程经验在不吹管的情况下，间歇时间可控制在30min以内；吹管情况下可间歇3h至1天；待凝时间一般为30-90min。对于孔内裂隙较大的孔，如某水利工程缆机边坡因地质原因在固壁至6-9m处最大净浆注浆量160t，各孔平均水泥净浆在50吨以上，后采用砂浆固壁或者留管固壁，保证成孔质量。施工过程中采取速凝、加水玻璃、间歇灌浆和砂浆灌注等方式反复注浆、扫孔、注浆，经过固壁后扫孔，再次固壁扫孔反复3到5次后成孔。最终形成稳定工艺，有效解决了该地区不良地质条件下的锚索成孔问题。

5、结语

锚索施工工艺在工程领域已有较多成熟的施工工艺，在现阶段锚索施工工艺中，不同工程有着不同的地质情况，锚索造孔设备的选择均有不同的方法，在地质构造发育良好的施工条件下，通常采用常规的锚索工艺或单一的技术措施就能有效解决锚索工艺问题，该工程缆机边坡锚索施工通过金科履带式潜孔CM458C钻机配合同心钻头跟管加固壁灌浆的组合工艺解决了强卸荷地质构造面的锚索成孔问题，可以为类似工程提供一个参考和借鉴。

浅谈弱风化强卸荷边坡锚索造孔及灌浆施工工艺

李昌武

（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西  西安）

摘要：坝区两岸山体雄厚，地形陡峭，山顶高程大于1125m，相对高差大于 375m，属高山地貌。河谷狭窄，谷坡陡峻，为基本对称的深切“V”型峡谷。缆机平台两岸边坡陡峻，多为悬崖峭壁，最大高差达113m(右岸)，并且在两岸缆机边坡分布有弱风化强卸荷岩层，为解决不良地质条件锚索施工成孔难、灌浆困难等问题，针对锚索成孔、锚索灌浆开展了生产性试验，通过固壁灌浆、锚索自由段封堵采取包裹土工布等工艺，攻克了锚索成孔及灌浆困难问题。

关键词：边坡；锚索；造孔；施工工艺

1、概述

某水利工程缆机平台地表岸坡 40°～45°，岩性主要为黑云母石英片岩，局部为片麻状花岗伟晶岩岩脉。岩体主要发育Ⅳ、Ⅴ级结构面，弱风化强卸荷岩层边坡铅直厚度一般10m～40m，最厚可达60m，其成分主要为碎石粉土夹块石、孤石，中等密实，块石直径一般为30cm～80cm，最大5m，碎石、块石、孤石含量约占90%，粉土约占10%。其边坡开挖坡比为1:0.5，边坡支护采用挂Φ8@20*20cm钢筋网,喷C25F250混凝土厚10cm、系统锚杆Φ28，L=6m/Φ25，L=4.5m@2m*2m梅花型交错布置，外露10cm、₵75排水花管L=3m@3m*3m，外漏混凝土面5cm，梅花型布置，外包土工布300g/㎡，仰角10°、1000KN无粘结L=40m预应力锚索。

2、锚索施工难点

（1）由于缆机边坡地质条件差，岩体风化破碎，裂隙、孔洞多，在锚索

孔钻孔过程中经常出现塌孔、卡钻、钻头掉落等情况，难以成孔。

（2）跟管钻进过程中岩体破碎，地层漏风，排渣不利，套管无法跟进或无法拔出，导致多次重新开孔。

（3）采用固壁灌浆进行施工，因岩体结构破碎，固壁灌浆量大，需要多次、重复扫孔，平均扫孔达到10次甚至15次以上，单孔成孔时间平均需要15~20 天。

（4）内锚段及张拉段灌浆过程中，遇大裂隙地层，灌浆量较大，无压、无回，无法正常结束灌浆。

2、1锚索造孔工艺选择

结合本工程的施工特点，针对锚索造孔分别使用了同心钻跟管、偏心钻跟管进行工艺对比。

偏心钻机跟管+水泥浆液固壁、同心钻机跟管+砂浆固壁优缺点比较

2.2固壁灌浆工艺选择

水泥浆液固壁、砂浆固壁优缺点比较

通过以上造孔及固壁方案对比，结合现场施工记录分析，采用偏心钻跟管造孔及水泥浆液固壁灌浆施工，二次塌孔频次较高，对跟管磨损较大，导致频繁重新开孔，采取间歇、待凝等方式后，灌浆平均单耗达到1.7t/m，单孔最大单耗8t/m，远大于理论灌浆量，且仍存在反复塌孔，成孔效率仅为10%。采用同心钻跟管造孔及砂浆固壁灌浆工艺一次成孔率可达60%，固壁后重新扫孔塌孔概率较小，成孔率有显著提高，经过多次专题会比选，考虑施工难度、进度等因素，最终确定采用同心钻机跟管+砂浆固壁灌浆工艺。

3、缆机边坡锚索施工机具选择

通过选取普通型钻机、组合螺旋钻机配合偏心钻头跟管钻、金科履带式潜孔CM458C钻机配合同心钻头跟管造孔进行生产性试验，经过试验比选，金科履带式潜孔CM458C钻机配置同心钻头跟管钻钻孔工况优于其他类型钻机，其具有机动性好、扭矩大、钻进能力强，，孔径90～305mm，最大钻孔深度200m；如工作风压达到10kgf/c㎡以上，最高钻效可达6m/h；适用于本工程复杂地质条件下钻孔施工。

3.1 同心跟管钻进成孔原理

（1）同心跟管钻头由风动潜孔锤、同心钻头、套管和套管靴组成。钻进时同心锤头与管靴始终保持一致，通过与花键导向体内置嵌卡机构带动回转切削岩石，同时锤头体利用冲击器的冲击功能，冲击破碎岩石，潜孔锤同时锤击套管靴，使连接套管随钻孔加深同步跟进，达到保护已钻出的钻孔孔壁的目的。

(2)固壁成孔是利用砂浆、水泥净浆等材料封堵孔隙的手段，从而达到建立完整、稳定锚索孔目的的一种工程施工工艺。施工人员依据现场实际情况选择合适的配合比，通过控制注浆速度、时间、压力以及配合使用间歇、低压、浓浆、限流、限量、待凝和扫孔复灌等技术手段来填充、封堵孔内裂隙和松散岩层，最后达到形成稳定锚索孔。

3.2 同心跟管钻进施工技术及固壁成孔施工技术

3.2.1同心跟管钻进施工技术

⑴ 同心跟管钻具在施工前应逐一检查风动潜孔锤、钻头、套管、套管靴，风动潜孔锤应工作正常，并加注机油润滑，钻头应能灵活张开和收拢，连接销及锁紧机构应牢固，钻杆与潜孔锤和潜孔锤与同心钻具的连接应可靠，套管和套管靴无裂纹，凡有影响强度的缺陷不能使用；

⑵ 同径常规钎头先造孔1m左右，给跟管钻进提供定位和导向作用；

⑶ 开钻前，将钻具组装好放入带有套管靴的套管内，让同心锤头伸出套管靴，正转收缩同心锤头进行钻进。在确认钻头到达孔底后，先回转，待正常后，再开风冲动钻进；

⑷ 钻进过程中，随着钻孔的延伸，边加钻杆边加接套管；

⑸ 每钻进1.5m应强风吹孔排粉一次，以保持孔内清洁。吹孔时，中心钻具和上提动距离应严加控制（以能实现强风吹孔为限），禁止在钻进过程中向上起拔中心钻具或来回倒杆；

⑹ 钻进结束或需更换钻具时，先将孔底残渣吹尽，脱开中心钻具的回转动力，停止回转，缓慢提升中心钻具至钻头后背与套管靴前端接触为止，用管子钳卡持钻杆，作反时针方向回转，同时缓慢试提中心钻具，当中心钻具可顺利提升时，表明同钻头已顺利收拢，这时可按照常规方法提升中心钻具，直至全部提出中心钻具；

⑺ 有时会因孔底残留岩渣过多，钻头回转部分被岩渣卡住而影响偏心钻头的收拢。当试提几次仍不能奏效时，应开动空压机重新对钻孔进行清洗，并使用潜孔锤作短时间工作，然后再进行试提，如此作法直至提出中心钻具；

⑻ 在跟进套管有困难的情况下，又要获得较大的有效孔径，可用套管内径小3～4㎜的合金或金刚石钻头回转切削通过套管靴，从而扩大有效孔径；

⑼ 管钻进至需要深度后，即可将跟管钻具提升出孔外。根据需要可一次跟管到位，或先跟管钻进至需要深度后再用常规钎头钻进至设计深度。

3.2.2固壁成孔施工技术

固壁灌浆施工主要通过造孔→钻至岩层破碎段→提钻→孔内固壁灌浆→待凝→扫孔→重复固壁灌浆→直至达到设计孔深的方式，根据造孔钻进情况，若钻进过程出现卡钻、漏风等异常情况，通过使用M25水泥砂浆进行固壁，当注浆量达到2-3m³仍不出现返浆现象时，采用间歇、低压、限流、限量、待凝和扫孔复灌等方法帮助固壁。根据工程经验在不吹管的情况下，间歇时间可控制在30min以内；吹管情况下可间歇3h至1天；待凝时间一般为30-90min。对于孔内裂隙较大的孔，如某水利工程缆机边坡因地质原因在固壁至6-9m处最大净浆注浆量160t，各孔平均水泥净浆在50吨以上，后采用砂浆固壁或者留管固壁，保证成孔质量。施工过程中采取速凝、加水玻璃、间歇灌浆和砂浆灌注等方式反复注浆、扫孔、注浆，经过固壁后扫孔，再次固壁扫孔反复3到5次后成孔。最终形成稳定工艺，有效解决了该地区不良地质条件下的锚索成孔问题。

5、结语

锚索施工工艺在工程领域已有较多成熟的施工工艺，在现阶段锚索施工工艺中，不同工程有着不同的地质情况，锚索造孔设备的选择均有不同的方法，在地质构造发育良好的施工条件下，通常采用常规的锚索工艺或单一的技术措施就能有效解决锚索工艺问题，该工程缆机边坡锚索施工通过金科履带式潜孔CM458C钻机配合同心钻头跟管加固壁灌浆的组合工艺解决了强卸荷地质构造面的锚索成孔问题，可以为类似工程提供一个参考和借鉴。