複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》是中國水利水電第七工程局有限公司、中國水電建設集團鐵路建設有限公司完成的建築類施工工法，完成人是羅建林、李正兵、黃平、呂文強。適用於工程地質條件複雜的水電水利、公路與鐵路、市政及地質災害治理等工程深孔、大孔徑岩錨鑽孔施工。

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》主要的工法特點是針對不同作業條件選擇相應的鑽機及施工程式，滿足邊坡支護安全和進度的要求；研製的不提鑽反吹研碎及扶正裝置，可有效提高鑽進效率、保障成孔質量。

2011年9月，《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法
• 工法編號：GJEJGF287-2010
• 完成單位：中國水利水電第七工程局有限公司、中國水電建設集團鐵路建設有限公司
• 主要完成人：羅建林、李正兵、黃平、呂文強
• 套用實例：錦屏一級水電站
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

隨著中國西部大開發的深入推進，超大型及巨型水電工程在複雜地質條件下進行的超高人工邊坡開挖及治理越來越多，其施工已成為影響水電工程建設進度、安全乃至成敗的關鍵。小灣和錦屏一級水電站大壩壩肩自然邊坡高度均超過2000米，開挖邊坡分別高達700米級和550米級，邊坡工程地質條件錯綜複雜，大壩及纜機平台邊坡採用了數量眾多、規模龐大的深孔（孔深60~80米）、大孔徑（孔徑ф165~ф180）預應力錨索為主要措施進行工程治理。中國水電七局在總結上述水電工程邊坡岩錨施工經驗和工程套用基礎上，編制形成《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》。

工法特點

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》的工法特點是：

1.針對不同作業條件選擇相應的鑽機及施工程式，滿足邊坡支護安全和進度的要求。

2.鑽孔的開孔定位與導向控制措施，保障開孔的精度，並有利於固壁灌漿及孔道灌漿的實施。

3.研製的不提鑽反吹研碎及扶正裝置，可有效提高鑽進效率、保障成孔質量。

4.針對不同的鑽孔機具配置，提出了複雜地層深孔、大孔徑鑽孔施工適宜的鑽進參數，製作了風水混合器，達到提高孔斜控制精度、提高鑽孔施工質量和效率，降低粉塵污染。

5.利用研製的流動性與凝固時間可控、護壁與嵌縫效果好、早期強度高的粘時變漿液，進行鑽孔中固壁灌漿處理，保證了施工質量，加快了施工進度，節省了工程投資。

操作原理

適用範圍

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》適用於工程地質條件複雜的水電水利、公路與鐵路、市政及地質災害治理等工程深孔、大孔徑岩錨鑽孔施工。

工藝原理

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》的工藝原理敘述如下：

利用岩土鑽掘技術，將壓縮空氣作為動力介質，推動潛孔衝擊器做功，破碎岩體鑿岩成孔。根據地層情況和作業條件，選擇合適的鑽孔機具及鑽孔作業參數，滿足支護對施工進度和工程安全的需要。在覆蓋層或堆積體中鑽孔採用跟套管鑽進技術成孔；在地層複雜的基岩中鑽孔時遇到寬大裂縫或掉塊、塌孔時，採用粘時變漿液（可泵時間、流動性、初凝時間及終凝時間可根據工程實際情況調整）的物理化學及力學特性進行固壁灌漿或破碎岩體固結灌漿，保證孔壁穩定和嵌縫堵漏；同時使用不提鑽反吹研碎及扶正裝置來處理鑽進過程中出現的埋鑽卡鑽事故，並防止鑽孔彎曲的產生。採用上述綜合的工藝方法，最終實現複雜地層岩錨施工鑽進成孔。

施工工藝

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》的施工工藝流程及操作要點敘述如下：

• 工藝流程

一、複雜地層深孔大孔徑岩錨鑽孔施工主要採用多功能全液壓履帶式鑽機緊跟開挖面及輕型錨固鑽機在腳手架上鑽孔相結合的方式施工，見圖1、圖2。

二、複雜地層深孔大孔徑岩錨鑽孔施工工藝流程見圖3。

圖3 岩錨鑽孔施工工藝流程

操作要點

一、測量放點

根據錨索設計布置位置在作業面依次用全站儀放樣，並做孔位標記。

二、作業場地平整

按放樣的錨索孔部位對作業面進行平整，使鑽孔機具能夠良好就位，或為作業平台的搭建創造條件。

三、排架搭設

若錨索作業時需要形成錨固工作平台時，腳手架搭設需遵循《建築施工扣件式鋼管腳手架安全技術規範》JGJ 130-2001中的相關要求。腳手架上作業的輕型液壓錨固鑽機應按一定的間距均勻分布，不可集中作業。鑽孔操作平台臨空面及上部，必須設定安全防護設施進行立體防護。

腳手架搭設完畢後，在腳手架上採用全站儀按鑽孔設計角度放出錨索孔的後視點，錨索鑽孔方位角按孔位、後視點連線控制，見圖4。

圖4 鑽孔方位角控制

四、開孔鑽進

鑽機就位並校正好鑽孔角度後，將鑽機固定牢固。

開鑽前，應仔細檢查鑽機完好情況，並採用壓縮空氣清除鑽桿內雜物，同時清除孔口周圍的鬆動岩塊。鑽孔時，先採用較設計鑽孔孔徑大一級的釺頭開孔。開始鑽孔時，打開送氣閥，衝擊器向前給進，釺頭頂住岩面，使衝擊器只衝擊工作，不迴轉鑽進。當衝擊出一個凹形小坑穩住鑽具後，再迴轉使衝擊器進入正常工作。亦可在設計孔位上先採用人工鑽鑿出與錨孔孔徑相匹配的凹槽，以利於鑽具定位及導向。

五、孔口管鑲鑄

當鑽進至1.5米時，停止鑽進，並起鑽，鑲鑄帶法蘭盤的孔口管，孔口管管徑需與設計鑽孔孔徑相協調，其方位角與傾角皆應滿足設計要求。孔口管鑲鑄完畢後應仔細對鑲鑄精度進行檢查。孔口管鑲鑄的目的是：①保護孔口，②鑽孔導向，③可及時進行有壓固壁灌漿或錨索束體安裝完成後孔道灌漿。

六、跟管鑽進

當覆蓋層較厚時，為確保能有效成孔，可先採用跟管鑽進至基岩後，再採用普通潛孔錘鑽孔至設計深度。跟管鑽進時應注意以下幾點：

1.套管級配和鑽孔結構應相適應，鑽具選擇應適合地層和鑽孔需求。

2.跟管前應逐一檢查潛孔衝擊器、鑽頭及套管、管靴，保證鑽具材質的可靠性。

3.鑽進過程中，隨孔深增加同步加接鑽桿及套管，並保持孔內清潔。

七、變徑鑽進

孔口管鑲鑄完畢並待凝24小時後，換用與錨孔設計孔徑匹配的釺頭鑽進。

八、鑽孔排渣

1.複雜地層鑽進時，漏風、掉快、卡鑽和埋鑽現象嚴重，岩屑難以有效排出。一部分岩屑進入漏風裂隙帶或破碎岩體縫隙中隨著孔內高壓介質的強弱來回移動，與鬆散破碎岩石碎塊一起造成塌孔埋鑽事故；另一部分岩屑因高壓介質漏失力量減弱，被搬運至衝擊器尾部，充填於孔壁與鑽桿形成的環狀空間內，致使卡鑽、埋鑽事故頻繁。

在鑽孔過程中，每加接一根鑽桿前，須上下活動鑽具並反覆吹孔至少一根鑽桿長度。提鑽時，應緩慢、均勻，並保持空壓機連續供風。

2.有效清除孔內岩屑，可在衝擊器尾部安裝鑽孔反吹與研碎裝置。增加鑽孔反吹與研碎裝置的工作特徵在於：

1）在鑽進過程中，壓縮空氣經鑽桿中心通道、鑽孔反吹裝置中心通道直接作用於潛孔錘使衝擊錘高頻振動、做功並傳給釺頭，同時在迴轉力的作用下鑿岩成孔，見圖5（a）。

2）在提鑽過程中，壓縮空氣經鑽桿中心通道直接傳至鑽孔反吹裝置排氣口（不驅使潛孔錘做功）直接往孔外排氣，將孔內岩屑直接吹出孔外，見圖5（b））。

圖5 鑽孔反吹裝置

3）該裝置尾部鑲嵌有鋼粒，可切削、研碎孔壁的探頭石及掉塊產生的較大岩塊。

通過鑽孔反吹及研碎裝置的使用，在大大降低孔徑的同時，可將錨孔孔道清洗的更乾淨，有利於錨索安裝，提高錨索施工質量。

九、鑽孔糾偏

1.複雜地層錨索鑽孔過程中，鑽孔軸向沿軟弱層面傾斜，鑽孔軌跡呈"S”形或類“拋物線”形。為達到設計所要求的錨索孔偏斜率≤2%，鑽孔中採用剛度大的粗徑鑽桿、鑽具上加粗徑扶正器和選擇合理的鑽進參數。

2.粗徑鑽桿的使用。鑽桿的尺寸需與鑽孔機具相匹配，根據設計鑽孔孔徑，主要選用了ф89、ф114、ф130等剛度較大的粗徑鑽桿。

3.粗徑扶正器的使用。粗徑扶正器安裝在潛孔錘尾部，具體尺寸根據鑽孔孔徑確定，同時在粗徑扶正器上鑲嵌剛粒，以掃除探頭石及孔內岩屑、岩石碎塊。在複雜地層，特別是地層中存在寬大裂隙橫穿鑽孔時，若粗徑扶正器長度過短，扶正器會掉入裂縫而失去作用，甚至影響鑽具的給進和提升。解決辦法為:

1）加長粗徑扶正器，但其長度不宜超過單根鑽桿長度；

2）增加粗徑扶正器數量，每5米左右設定一個扶正器。施工中採用上述方法，大大減小了孔斜，而且有利於通過裂縫。扶正器裝置示意圖及現場使用見圖6、圖7。

4.選擇合理的鑽進參數。合理的鑽進參數應根據施工區域所處工程地質條件和岩石特性來決定。經過若干組試驗，得出複雜地質條件下高邊坡錨固鑽孔施工一般應符合“中等鑽壓、慢轉速、平穩風壓”的操作要求，造孔進尺效率為3~5米/小時，風壓穩定在1.0~1.2兆帕時，衝擊頻率為18次/秒，轉速為18~23轉/分鐘比較合理。鑽壓大小以孔內鑽具的總重量為參考值，在鑽進過程中應不斷調整相關參數。

十、破碎岩體灌漿

1.鑽進過程中若發生掉塊、塌孔、卡鑽而無法繼續鑽進，可採用普通水泥漿液進行有壓灌漿，灌漿水灰比宜為0.45:1~0.5:1。此時，可直接利用已鑲鑄的孔口管結合簡易孔口封閉器進行灌漿。循環式有壓灌漿，見圖8。具體操作如下：退出鑽桿後，往孔內下入進漿管、回漿管（一般採用脆性PVC管以方便掃孔），將法蘭盤製作的簡易孔口封閉器，用螺栓與孔口管上的法蘭盤連線牢固，接上進、回漿管路，進行灌漿。採用此方法較常規有壓灌漿減少封孔待凝時間約6~8小時，可大大提高鑽孔施工效率。同時，錨索束體安裝完成後，可直接將快速封孔器採用螺栓與孔口管上的法蘭盤連線牢固，直接進行錨索孔道灌漿，見圖9。

2.鑽孔過程中若遇到漏風嚴重，並探明存在較大漏失通道時，則採用粘時變漿液進行灌漿（專利局已受理髮明專利申請）嵌縫、堵漏和固壁。具體操作如下：

1）根據鑽孔或孔內電視顯示的情況，調劑配製粘時變漿液各組份的配合比（該複合漿液有4種組分一水泥基液、引氣劑、減水劑及速凝劑），根據現場實現操作要求確定漿液的可泵時間、初凝時間、終凝時間及強度指標。

2）配置灌漿所需的施工設備和機具，按加料順序製備適宜現場泵送要求、嵌縫和堵漏能力強的漿液，並在現場檢測其流動性、黏度。

3）按照普通水泥漿液進行有壓灌漿的工藝方法，將灌漿材料送至孔道內，直至孔口返出濃漿後適當屏漿後停止。

4）當長時間灌注後難以返漿時，可根據現場實際情況調劑漿液配合比，增強其嵌縫和堵漏的能力。或者採取待凝後復灌的措施。

5）灌漿結束後，應及時沖洗制灌漿設備及管路，避免漿液沉澱或凝固對其產生不利影響。

十一、終孔驗收

鑽孔終孔後，反覆對鑽孔進行清孔。清孔結束後，採用特製探孔器（一端帶導向帽並標有刻度的鋼絞線）進行鑽孔孔深測量，不滿足設計孔深要求則進行掃孔處理。

• 勞動力組織

錨索鑽孔一般按3人/鑽機/班配置，每天3連續施工。相關人員配置參見表1所示。

表1 錨索鑽孔施工人員配置表

工種	單位	數量	備註
架子工	人	4	╱
測量員	人	2	╱
鑽探工	人	6	三班作業
灌漿工	人	12	三班作業

參考資料：

材料設備

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》所用的材料及設備明細如下：

• 鑽機

主要選用輕型液壓錨固鑽機及多功能全液壓履帶式鑽機。各類錨固鑽機性能參數見表2。

表2 各類錨固鑽機性能參數表

鑽機類型	產地	最大扭矩（牛·米 ）	最大提升力（千牛）	給進力（千牛）	鑽機傾角（°）	適應鑽孔深度	適應鑽孔孔徑（毫米）
						（米）
KLEMM\Atlas	德國\瑞典	12000	80	50	-30~30	150	90~260
YG-80	無錫雙帆	3500	45	30	0~3600	80~100	220~130
MGY-80	重探廠	3500	50	34	0~360	80~100	200~110
MG-70	長沙礦院	3900	36	24	-35~100	70	105~165
YXZ-90、70	成都哈邁	5800	65	45	0~360	45~120	150~260

• 鑽桿

鑽桿的選用需要綜合鑽機能力和排渣能力進行考慮。複雜地質條件下高邊坡錨索施工實踐表明•選用粗徑外平式鑽桿，縮小鑽桿與孔壁的環狀間隙，將十分有利於清孔排渣，尤其是遇到複雜地層時，可以有效地減少掉塊卡鑽、塌孔埋鑽等孔內事故，達到防斜目的。鑽桿選用見表3。

表3 鑽桿規格與適用孔徑、適配機型一覽表

外平鑽桿規格	ф73毫米	ф89毫米	ф114毫米	ф130毫米
適用鑽孔直徑（毫米）	110~130	110~165	140~180	165~180
適配鑽機型號	MG-70\YXZ-70	YG-80\KLEMM\Atlas	YXZ-90\KLEMM\Atlas	YXZ-90\KLEMM\Atlas

• 衝擊器及鑽頭

衝擊器的選用與空壓機的功能相匹配，同時必須針對工程所在區域岩石條件，通過相關適應性試驗再予以確定。通過錦屏左岸高邊坡錨固工程施工試驗與實踐，確定了變質砂岩與板岩、大理岩中進行鑽掘施工，必須採用中、高風壓衝擊器，同時使用無閥式潛孔錘（該類型衝擊器耗風量小、結構簡單、風壓適用範圍廣），鑽頭則根據要求進行相應口徑尺寸選定，見表4。

表4 無閥式衝擊器規格與適用鑽孔直徑的匹配表

型號	孔徑（毫米）	鑽具外徑（毫米）	耗風量（立方米/分鐘）	工作風壓（兆帕）	衝擊功（焦耳）	衝擊頻率（赫茲）	兼容鑽頭
TH122	130~150	122	20	1.2~2.2	50	5	COP54、DHD350
TH139	150~180	139	24	1.3~2.4	70	5	COP64、DHD360
TH150	168~220	150	25	1.4~2.5	85	4	COP84、DHD380

• 空壓機

空壓機應根據鑽孔設備的供風要求進行選擇，針對複雜工程地質條件下深孔、大孔徑岩錨鑽孔施工，一般配置供風風量大於20立方米/分鐘、風壓大於2兆帕的高風壓空壓機；或採用供風量不小於20立方米/分鐘、風壓不小於1.4兆帕的中風壓空壓機進行群機並聯供風，同時配置儲氣罐，以保障鑽孔的正常進行。

質量控制

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》的質量控制要求如下：

• 質量要求

施工及質量檢查按《水電水利工程預應力錨索施工規範》DL/T 5083-2004中的要求，錨索終孔孔軸偏差不得大於孔深的2%，方位角偏差不得大於3°，終孔孔深宜大於設計孔深40厘米，終孔孔徑不得小於設計孔徑10毫米。

• 質量控制

1.錨索鑽孔開孔前，作業機組需填寫錨索鑽孔開孔申請表。由技術員、安全員分別對鑽孔角度、操作平台等逐項進行檢查，合格後方可開孔。

2.鑲鑄孔口管時，應仔細檢查孔口管安裝精度，安裝合格後方可進行後序工序施工。

3.鑽孔過程中，隨時檢查腳手架、扣件變形情況，對鬆弛的扣件進行再次擰緊，確保鑽孔質量。

4.固壁灌漿過程中，腳手架上的鑽機不能移位，確保掃孔精度。

安全措施

採用《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.錨索鑽孔腳手架搭設前須進行技術交底。立桿應支撐在較完整的岩石上，同時在架設過程中要與錨筋相連線，排架架設寬度應保證施工人員能在平台上正常施工，排架上設定斜撐和剪刀撐加強其整體荷載性能，使排架能承受人員設備重量和施工時產生的振動。

2.一般按每兩排錨索設定一層安全通道，馬道之間縱向按一定間隔設定爬梯，便於人員通行；危險部位有明顯的安全標識；安全通道及爬梯兩側設定防護欄桿，並張掛安全防護網。

3.鑽孔操作平台頂部採用竹馬道板，底部採用5厘米厚木板進行上下立體防護（竹馬道板及木板必須利用鋼絲綁紮牢固），周邊設定防護欄桿並張掛密布安全防護網，防護欄桿高度1.0米。見圖10。

圖10 鑽孔操作平台防護示意圖

4.所有施工人員必須按要求佩戴安全帽、安全帶，灌漿人員必須佩戴防護眼鏡。

5.錨索開孔時，對錨孔周圍不穩定的圍岩進行清理，防止在鑽進時，因衝擊器振動導致危石墜落傷人。

6.錨索鑽孔完畢後，操作平台及施工排架上產生的機械漏油應立即進行清除，防止施工人員因接觸機械漏油而發生滑落事故。

7.錨索鑽孔施工期，必須定期對施工排架進行檢查，存在安全隱患立即整改。

環保措施

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》的環保措施如下：

1.錨索鑽孔過程中需採取降塵措施，避免粉塵太多對施工人員身體健康帶來影響。鑽孔除塵分孔內除塵和孔口除塵兩種。對於完整地層，可採用孔內除塵，即將部分清水注入鑽孔孔道內，和壓縮空氣混合，將孔內粉塵聚集成顆粒排出孔外，可降低粉塵70%~80%；對於破碎地層，可採用孔口除塵，即加工專用除塵器，在孔口將壓縮空氣與清水混合形成霧狀混合物，達到除塵目的，可降低粉塵60%~70%。

2.灌漿產生的廢水、污水必須經沉澱池處理後統一排放。

效益分析

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》的效益分析是：

經濟效益

錨索造孔施工是超長錨索施工技術難題中最關鍵的制約環節。複雜地層深孔大孔徑錨索鑽孔通過開孔定位導向裝置、鑽孔反吹研碎及扶正裝置、跟套管鑽進和採用粘時變漿液灌漿等技術在錦屏及小灣水電工程的成功套用，錨索鑽孔工效可由初期階段5~8米/天提高至22~25米/天，大大提高了錨索施工進度；錨索孔道破碎岩體灌漿節約水泥30%~40%，節約錨索施工工期約7個月，直接減少投資及施工成本約1200萬元。

社會效益

該工法的推廣套用，可以解決複雜地層深孔大孔徑錨索鑽孔施工技術難題，提高錨固工程施工質量，保障施工工期，節省工程建設投資，有效保障工程安全。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》的套用實例如下：

實例1：錦屏一級水電站

錦屏一級水電站位於四川涼山州鹽源縣、木里縣交界的雅碧江上。大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程EL1885米，最大壩高305米，水庫總庫容77.6億立方米，裝機容量3600毫伏。

錦屏一級水電站大壩左岸550米級高陡邊坡CII標、CHI標預應力錨索共布置近6500束。錨索結構為自由式單孔多錨頭壓力分散型無粘結預應力錨索，對鑽孔質量要求高。錨索間排距按沿開挖坡面4米x4米、5米x5米、6米x6米布置，其中按4米x4米布置錨索居多；支護噸位有1000千牛、2000千牛、3000千牛三種，其中2000千牛、3000千牛，L=60米、80米錨索居多。深孔、大孔徑鑽孔工程量總共達約408000米。

CⅡ標預應力錨索自2005年11月開始施工，2008年1月全部施工完畢，CⅡ標邊坡開挖支護工程於2009年12月順利通過竣工驗收；CⅢ標大壩左岸工程預應力錨索施工也於2009年7月份全部施工結束。在錨索鑽孔過程中，開孔定位導向裝置、鑽孔反吹扶正裝置、粘時變漿液等先進技術的成功套用，解決了複雜地質條件下錨索成孔問題。

根據施工期間埋設的多點位移計、錨桿應力計監測成果及錨索錨固力變化表明，開挖邊坡錨固範圍內岩石處於穩定狀態，大噸位、長錨索錨固效果優良。錦屏一級水電站大壩左岸550米級高邊坡治理效果圖如圖11所示。

圖11 錦屏一級水電站左岸550米高邊坡深孔、大噸位錨索治理

實例2：雲南小灣水電站

小灣水電站位於雲南省大理州南澗縣與臨滄地區鳳慶縣交界瀾滄江與黑惠江交匯點下游1.5千米處。小灣水電站混凝土雙曲拱壩高292米。大壩建成後，水庫正常蓄水位為1240米，總庫容量為149.14億立方米，有效庫容量達98.95億立方米，裝機容量420萬千瓦，年發電量188.9億千瓦·小時。

小灣水電站兩岸預應力錨索共6800餘根（其中堆積體錨索2344根）。支護噸位有1000千牛、1800千牛、3000千牛三種，最深錨索為75米，一般為25~50米。

小灣電站於2002年開工，2009年9月實現首台機組發電，2010年8月6台機組全部投產發電，整個電站總工期較原計畫縮短2年。

該工程預應力錨索鑽孔施工除堆積體採用跟管鑽進技術外，其他部位錨索鑽孔施工均套用了反吹扶正裝置、固壁灌漿技術，成功解決了複雜地質條件下錨索成孔問題。

根據施工期間埋設的監測儀器監測結果表明，小灣水電站兩岸邊坡整體沒有產生變形，邊坡處於穩定狀態。

小灣水電站700米級高邊坡治理效果圖如圖12所示。

圖12 小灣水電站700米高邊坡深孔、大噸位錨索治理效果圖

參考資料：

榮譽表彰

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《複雜地質邊坡大孔徑深孔錨索鑽孔施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。