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摘 要：四川木里河卡基娃水电站厂房后边坡基础存在很厚很深的覆盖层，锚索不能按设计要求进行成孔，先前采取钢管锚索跟进等措施进行施工，均不能成孔。必须采取偏心锤套管跟进施工这一特殊工艺进行施工。偏心锤套管跟进施工锚索的特点是：成孔价格昂贵；速度慢；但成孔时不会造成塌孔，遇回填石也能穿过，对边坡基础的安全有所保证；另外成孔能满足设计要求，锚索质量能有很好的保证。现对这一工艺作如下分述，以此指导施工，确保施工质量、安全及工期。
关键词：偏心锤；边坡支护；应用
中图分类号：B819文献标识码： A
一、潜孔锤偏心跟管钻进系统及工作原理
1.1．潜孔锤偏心跟管钻进系统组成
潜孔锤偏心跟管钻进系统主要由潜孔冲击器、偏心跟管钻具( 单偏心扩孔式或双偏 心、三偏心扩孔式)、管靴、套管等构成。
在潜孔锤偏心跟管钻进系统中,无论是哪种偏心跟管钻具都是通过偏心跟管钻具钻进时钻出大于套管外径的孔,并当钻进至预定地层,可将跟管钻具收敛,使跟管钻具的最大外径小于管靴、套管的内径,从而取出跟管, 套管则留在地层内保护孔壁。
1.2．潜孔锤偏心跟管钻进工作原理
单偏心三件套潜孔锤偏心跟管钻具工作时由钻机提供回转扭矩及推进动力。正常钻进时, 由空气压缩机提供的压气,经钻机、钻杆进入潜孔冲击器使其工作,冲击器的活塞 冲击跟管钻具的导正器,导正器将冲击波和 钻压传递给偏心钻头和中心钻头,破碎孔底岩石。同时钻机带动钻杆回转,钻杆将回转扭矩传递给冲击器并由冲击器通过花键带动跟管钻具的导正器转动,导正器上有偏心轴,导正器转动时偏心钻头张开,并在开启到设 计位置后被限位,使中心钻头、偏心钻头同时 随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大于套 管的最大外径,使套管不受孔底岩石的阻碍 而跟进。套管的重力大于地层对套管外壁的摩擦阻力时,套管以自重跟进;当套管外壁的摩擦阻力超过套管的重力时,内层跟管钻具 继续向前破碎岩石,直到导正器上的凸肩与套管靴上的凸肩接触,此时,导正器将钻压和冲击波部分传给套管靴,迫使套管靴带动套 管与钻具同步跟进,保护已钻孔段的孔壁。导正器表面开有吹岩屑的气孔,也有使孔底岩屑能够排出的气槽。大部分压缩空气经冲击器作功后通过导正器中心孔、偏心钻头和中心钻头达到孔底,冲刷已被破碎或松散的孔底岩石、冷却钻头,并携带岩粉经中心钻头、导正器的排粉槽进入套管与冲击器、钻杆的 环状空间被高速上返的气流或泡沫排出孔外。
正常钻进时,导正器表面的气孔被套管靴内壁封闭,使绝大部分空气进入钻头工作区,对钻头进行冷却和清洗孔底。
提钻吹孔时,只要导正器表面的孔露出套管靴,解除封闭状态,大量空气将通过此二孔进入套管,对套管内岩屑进行强吹。当钻进工作告一段落,需将钻具提出时,可慢速反转钻具,偏心钻头又依靠惯性力和摩擦力收回,整套钻具的外径小于管靴、套管的内径,即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或将钻具（主要是冲击器）提出孔外,偏心钻头及套管留在孔内护壁。
在以冲击为主的潜孔锤偏心跟管钻进工艺中,钻压是一个很重要的参数。当正常钻进时,其钻压从理论上讲由钻具钻压 P1和跟管钻压 P2 组成。对钻具钻压P1来讲,当保持足够钻压时,可防止钻具在冲击时反弹,使钻具紧密地与孔底岩石接触,对传递冲击功,提高破碎效率是十分重要的。实践证明, 在一定范围内, 随着钻具钻压增大,机械钻速随之增高,但过大的钻具钻压不仅会使钻头冲击刃齿过快磨损,而且容易产生事故。据实验和生产总结, 用于钻进的钻压,以每厘米钻头直径 0.5～0.9kN为宜。跟管钻压P2是决定潜孔锤跟管钻进跟管深度的主要因素,在设计确定潜孔锤跟管深度时, 原则上应以钻具或套管允许施加的钻压为依据。
对钻具来说:
P = P1+P2 ≤S[R] (P2是通过钻具传递给套管的)(1)
式中 S ——钻具组合中最弱环节杆件的断面积(通常是钻杆)
[R] ——该杆件材质的许用抗压强度。
从上式中, 即可求解出最大的跟管钻压P2。
对套管来说:
P2 ≤S′[R]′P = P1 + P2 ≤P1 + S′[R]′ (2)
式中 S′——套管的断面积
[R]′——套管材质的许用抗压强度
从式( 1) 和( 2) 中可求得两个不同值的跟管钻压P2, 取其小值作为施加的最大跟管钻压。在生产中跟管的阻力Rf是随着跟管深度的增加而增大的,因此跟管钻压也应大致与之相适应,在设计跟管深度时应尽可能使所用的跟管钻压达到设计跟管深度。
基于上述原理，卡基娃厂房后边坡锚索采用跟管钻进时，当钻孔深度越深的孔，对于钻具的承受的压力、摩擦力更大，对于钻进速度要求和钻具（偏心、套管、管靴）质量要求就越高，在造孔过程中跟管跟进的孔，孔深比较浅的孔，能正常钻进达到设计要求，对于跟管钻进较深的孔（40米以上），钻进速度要特别注意，应该尽量避免速度过快，应稳步推进，孔越深，钻进承受压力、摩擦力越大，加之卡基娃水电站厂房后边坡岩层破碎，地质复杂，更容易使钻具在孔内卡钻、钻具与孔内岩石摩擦产生损坏钻具和其它更大的塌孔形象产生。如产生跟管跟进很深的孔，而孔内岩石破碎、坍塌卡住钻具（偏心钻、套管、管靴等），钻机回转不出钻具（主要是冲击器），将对造孔施工造成更大的损失，而且还需要对卡住不能回转出来的孔位，进行重新开孔，完成设计任务。钻进速度稳步推进、钻具承受的压力、摩擦力、和孔内地质情况对于跟进越深的孔能否成孔是非常重要的。
二、SP系列偏心跟管钻具特点
SP系列潜孔锤偏心跟管钻具主要由中心钻头、偏心扩孔钻头、导正器、联接销系统等组成。开始冲击前中心钻头、偏心扩孔钻头、导正器的中心轴线处于同一条中心线上,钻具在管靴、套管内可自由进出。当钻具处于工作状态时,其偏心扩孔钻头离开中心轴线,旋转至工作位置, 中心钻头和偏心扩孔钻头进行破岩钻进,导正器的凸肩带动管靴、套管进行跟管钻进。施工前必须检查偏心头转动是否灵活。选择的钻进参数应以“低转速、低钻压、高上返气速”为原则。钻进过程中, 应注意观察套管的跟进情况及孔内排粉情况, 并每钻进一段距离应该强吹排粉,以保持孔内清洁。吹孔时钻具向上提动距 离严加控制。
SP 系列潜孔锤偏心跟管钻具分低气压(0.8MPa 以下)和中高气压(0.8Mpa ~2.5
Mpa) ,主要取决于配套使用的潜孔冲击器。目前在我国大部分地方使用的是低气压跟管钻具, 使用中高气压跟管钻具是发展趋势。
SP 系列潜孔锤偏心跟管钻具有如下特点:
( 1) 扭矩传递合理,钻具工作可靠。SP系列潜孔锤偏心跟管钻具设计用平键来传递扭矩,当偏心扩孔钻头在展开到最大位置时其键的侧平面与导正器上键的侧平面有良好的平面接触,大大改善了跟管钻具的受力条件,确保了 SP 系列潜孔锤偏心跟管钻具在设计寿命期内磨损较小,很好地起到了定位和传递扭矩的作用。加之选用了高强度的材料,采用了特殊的热处理工艺,先进的固齿工艺,保证了 SP系列偏心跟管钻具能滿足各种复 杂地层跟管的需要。
( 2)跟管钻具独具特色的联接销系统。该联接销系统在 SP 系列偏心跟管钻具中的功能是使中心钻头与导正器之间连接可靠,避免掉钻。主要由横销、伸缩头、竖销组成,当装配到SP系列偏心跟管钻具上时,该联接销系统为相互自锁的结构保证了中心钻头与导正器之间连接具有良好的可靠性, 且装配、拆卸都非常方便,彻底解除了用户的掉钻之忧。
( 3)钻孔导向性好,钻进速度快。中心钻头与整套钻具处于同一条中心轴线上,起到了较好的导向作用。且中心钻头承担了跟管钻具大多数破岩任务,仅扩孔部分由偏心扩孔钻头完成,所以跟管钻具钻进速度快。这种具有中心钻头起导向作用的偏心跟管钻具结构对钻孔有要求的工程,更有利于预防孔斜, 从而能最大限度地满足工程设计的要求。
三、施工工艺流程
脚手架加固——设备就位——跟管成孔到设计孔深——取出冲击器——安放锚索——锚索一次注浆——起拔套管——设备移位下孔施工——锚索二次压浆
四、施工注意事项：
1、必须确保操作平台稳固，操作平台后方必须加设支撑杆；
2、如果穿过回填层到达完整原状层位可跟换普通锤头进行施工，就不必再继续跟管；
3、锚索注浆要及时，防止套管埋在孔内；
4、起拔套管采用拔管器逐节拔出，不可蛮干；
5、整个施工过程中必须注意安全防护；
6、挡墙部位锚索施工要在白天施工，尽量控制不在夜间施工；
7、施工中必须加设防护棚，防止粉尘污染，操作人员应佩戴防尘口罩。
关键词：偏心锤；边坡支护；应用
中图分类号：B819文献标识码： A
一、潜孔锤偏心跟管钻进系统及工作原理
1.1．潜孔锤偏心跟管钻进系统组成
潜孔锤偏心跟管钻进系统主要由潜孔冲击器、偏心跟管钻具( 单偏心扩孔式或双偏 心、三偏心扩孔式)、管靴、套管等构成。
在潜孔锤偏心跟管钻进系统中,无论是哪种偏心跟管钻具都是通过偏心跟管钻具钻进时钻出大于套管外径的孔,并当钻进至预定地层,可将跟管钻具收敛,使跟管钻具的最大外径小于管靴、套管的内径,从而取出跟管, 套管则留在地层内保护孔壁。
1.2．潜孔锤偏心跟管钻进工作原理
单偏心三件套潜孔锤偏心跟管钻具工作时由钻机提供回转扭矩及推进动力。正常钻进时, 由空气压缩机提供的压气,经钻机、钻杆进入潜孔冲击器使其工作,冲击器的活塞 冲击跟管钻具的导正器,导正器将冲击波和 钻压传递给偏心钻头和中心钻头,破碎孔底岩石。同时钻机带动钻杆回转,钻杆将回转扭矩传递给冲击器并由冲击器通过花键带动跟管钻具的导正器转动,导正器上有偏心轴,导正器转动时偏心钻头张开,并在开启到设 计位置后被限位,使中心钻头、偏心钻头同时 随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大于套 管的最大外径,使套管不受孔底岩石的阻碍 而跟进。套管的重力大于地层对套管外壁的摩擦阻力时,套管以自重跟进;当套管外壁的摩擦阻力超过套管的重力时,内层跟管钻具 继续向前破碎岩石,直到导正器上的凸肩与套管靴上的凸肩接触,此时,导正器将钻压和冲击波部分传给套管靴,迫使套管靴带动套 管与钻具同步跟进,保护已钻孔段的孔壁。导正器表面开有吹岩屑的气孔,也有使孔底岩屑能够排出的气槽。大部分压缩空气经冲击器作功后通过导正器中心孔、偏心钻头和中心钻头达到孔底,冲刷已被破碎或松散的孔底岩石、冷却钻头,并携带岩粉经中心钻头、导正器的排粉槽进入套管与冲击器、钻杆的 环状空间被高速上返的气流或泡沫排出孔外。
正常钻进时,导正器表面的气孔被套管靴内壁封闭,使绝大部分空气进入钻头工作区,对钻头进行冷却和清洗孔底。
提钻吹孔时,只要导正器表面的孔露出套管靴,解除封闭状态,大量空气将通过此二孔进入套管,对套管内岩屑进行强吹。当钻进工作告一段落,需将钻具提出时,可慢速反转钻具,偏心钻头又依靠惯性力和摩擦力收回,整套钻具的外径小于管靴、套管的内径,即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或将钻具（主要是冲击器）提出孔外,偏心钻头及套管留在孔内护壁。
在以冲击为主的潜孔锤偏心跟管钻进工艺中,钻压是一个很重要的参数。当正常钻进时,其钻压从理论上讲由钻具钻压 P1和跟管钻压 P2 组成。对钻具钻压P1来讲,当保持足够钻压时,可防止钻具在冲击时反弹,使钻具紧密地与孔底岩石接触,对传递冲击功,提高破碎效率是十分重要的。实践证明, 在一定范围内, 随着钻具钻压增大,机械钻速随之增高,但过大的钻具钻压不仅会使钻头冲击刃齿过快磨损,而且容易产生事故。据实验和生产总结, 用于钻进的钻压,以每厘米钻头直径 0.5～0.9kN为宜。跟管钻压P2是决定潜孔锤跟管钻进跟管深度的主要因素,在设计确定潜孔锤跟管深度时, 原则上应以钻具或套管允许施加的钻压为依据。
对钻具来说:
P = P1+P2 ≤S[R] (P2是通过钻具传递给套管的)(1)
式中 S ——钻具组合中最弱环节杆件的断面积(通常是钻杆)
[R] ——该杆件材质的许用抗压强度。
从上式中, 即可求解出最大的跟管钻压P2。
对套管来说:
P2 ≤S′[R]′P = P1 + P2 ≤P1 + S′[R]′ (2)
式中 S′——套管的断面积
[R]′——套管材质的许用抗压强度
从式( 1) 和( 2) 中可求得两个不同值的跟管钻压P2, 取其小值作为施加的最大跟管钻压。在生产中跟管的阻力Rf是随着跟管深度的增加而增大的,因此跟管钻压也应大致与之相适应,在设计跟管深度时应尽可能使所用的跟管钻压达到设计跟管深度。
基于上述原理，卡基娃厂房后边坡锚索采用跟管钻进时，当钻孔深度越深的孔，对于钻具的承受的压力、摩擦力更大，对于钻进速度要求和钻具（偏心、套管、管靴）质量要求就越高，在造孔过程中跟管跟进的孔，孔深比较浅的孔，能正常钻进达到设计要求，对于跟管钻进较深的孔（40米以上），钻进速度要特别注意，应该尽量避免速度过快，应稳步推进，孔越深，钻进承受压力、摩擦力越大，加之卡基娃水电站厂房后边坡岩层破碎，地质复杂，更容易使钻具在孔内卡钻、钻具与孔内岩石摩擦产生损坏钻具和其它更大的塌孔形象产生。如产生跟管跟进很深的孔，而孔内岩石破碎、坍塌卡住钻具（偏心钻、套管、管靴等），钻机回转不出钻具（主要是冲击器），将对造孔施工造成更大的损失，而且还需要对卡住不能回转出来的孔位，进行重新开孔，完成设计任务。钻进速度稳步推进、钻具承受的压力、摩擦力、和孔内地质情况对于跟进越深的孔能否成孔是非常重要的。
二、SP系列偏心跟管钻具特点
SP系列潜孔锤偏心跟管钻具主要由中心钻头、偏心扩孔钻头、导正器、联接销系统等组成。开始冲击前中心钻头、偏心扩孔钻头、导正器的中心轴线处于同一条中心线上,钻具在管靴、套管内可自由进出。当钻具处于工作状态时,其偏心扩孔钻头离开中心轴线,旋转至工作位置, 中心钻头和偏心扩孔钻头进行破岩钻进,导正器的凸肩带动管靴、套管进行跟管钻进。施工前必须检查偏心头转动是否灵活。选择的钻进参数应以“低转速、低钻压、高上返气速”为原则。钻进过程中, 应注意观察套管的跟进情况及孔内排粉情况, 并每钻进一段距离应该强吹排粉,以保持孔内清洁。吹孔时钻具向上提动距 离严加控制。
SP 系列潜孔锤偏心跟管钻具分低气压(0.8MPa 以下)和中高气压(0.8Mpa ~2.5
Mpa) ,主要取决于配套使用的潜孔冲击器。目前在我国大部分地方使用的是低气压跟管钻具, 使用中高气压跟管钻具是发展趋势。
SP 系列潜孔锤偏心跟管钻具有如下特点:
( 1) 扭矩传递合理,钻具工作可靠。SP系列潜孔锤偏心跟管钻具设计用平键来传递扭矩,当偏心扩孔钻头在展开到最大位置时其键的侧平面与导正器上键的侧平面有良好的平面接触,大大改善了跟管钻具的受力条件,确保了 SP 系列潜孔锤偏心跟管钻具在设计寿命期内磨损较小,很好地起到了定位和传递扭矩的作用。加之选用了高强度的材料,采用了特殊的热处理工艺,先进的固齿工艺,保证了 SP系列偏心跟管钻具能滿足各种复 杂地层跟管的需要。
( 2)跟管钻具独具特色的联接销系统。该联接销系统在 SP 系列偏心跟管钻具中的功能是使中心钻头与导正器之间连接可靠,避免掉钻。主要由横销、伸缩头、竖销组成,当装配到SP系列偏心跟管钻具上时,该联接销系统为相互自锁的结构保证了中心钻头与导正器之间连接具有良好的可靠性, 且装配、拆卸都非常方便,彻底解除了用户的掉钻之忧。
( 3)钻孔导向性好,钻进速度快。中心钻头与整套钻具处于同一条中心轴线上,起到了较好的导向作用。且中心钻头承担了跟管钻具大多数破岩任务,仅扩孔部分由偏心扩孔钻头完成,所以跟管钻具钻进速度快。这种具有中心钻头起导向作用的偏心跟管钻具结构对钻孔有要求的工程,更有利于预防孔斜, 从而能最大限度地满足工程设计的要求。
三、施工工艺流程
脚手架加固——设备就位——跟管成孔到设计孔深——取出冲击器——安放锚索——锚索一次注浆——起拔套管——设备移位下孔施工——锚索二次压浆
四、施工注意事项：
1、必须确保操作平台稳固，操作平台后方必须加设支撑杆；
2、如果穿过回填层到达完整原状层位可跟换普通锤头进行施工，就不必再继续跟管；
3、锚索注浆要及时，防止套管埋在孔内；
4、起拔套管采用拔管器逐节拔出，不可蛮干；
5、整个施工过程中必须注意安全防护；
6、挡墙部位锚索施工要在白天施工，尽量控制不在夜间施工；
7、施工中必须加设防护棚，防止粉尘污染，操作人员应佩戴防尘口罩。