使用水平定向钻机进行边坡锚固

在过去的十几年中,人们经常使用一种获得验证的锚固钻进技术来加固岩石边坡和地下通道。但是,在一些山区地质条件下,往往需要用定向钻进的方法来安装长锚杆(锚索或钢质锚杆)。一种理想的施工方法是水平定向钻进技术(HDD),这种方法可以精确地监测钻孔的方向,因而可以精确地沿着计算的长锚杆钻孔轨迹进行施工。

过去十几年一直使用一种可靠的钻进技术来安装临时或永久的岩石锚杆,以便有效地加固岩石边坡或地下通道。这种技术通常使用岩石锚杆,采用冲击或回转的钻进方法将它安装在岩石中。钻进轨迹一般是直线的,通常比较短,每个锚孔的位置是预先确定的。在某些边坡条件(包括地形、岩石和构造)下,需要用长锚杆来加固。

本文将介绍在这种条件下,可以用来安装这些长锚杆的一种新的水平定向钻机方法。

1 加固堤防的锚杆

为了防洪,通常使用水平定向钻进技术来加固交通设施的堤坝。

作为堤坝防洪的权宜方法,通常在堤坝的两边设置两块大的支撑面板,中间用长锚索连接(图1)。这是一种正确的方法,尤其是当在剩余的时间内,不能在堤坝防洪的一面全面布置防洪袋时。钻穿堤坝后,可以在堤坝两面很快地设置锚固面板。防洪一面的锚固面板可以是塑料板或者是土工织物加强的面板,以防止洪水渗入堤坝。

图1 加固堤坝

用锚固面板加固时,面板之间可以是重叠的,也可以是互锁的,这两种情况下形成的保护面不可能有水渗入堤坝。

当大坝上面有交通通道,如道路或铁路,边坡加固也是有可能的,尤其是当这些通道交叉时。加固可以是用木梁或混凝土板连接的钢板桩、支撑柱。在任何一种情况下,重要的是防止交通通道随时间的推移而崩塌或垮塌。

这里,通过大坝进行水平定向钻进也是一种极为有效的,用锚杆加固边坡的方法。在道路或铁路施工期间,临时的边坡加固尤为重要。用水平定向钻进技术从预定的地点钻入大坝,并且可以对整个钻进过程进行监控,必要时还可以进行修正。结果,可以按照预先的精确设计,获得并保持精确的力传递加固设计。

这个例子说明的是具有几条轨道的铁路路基临时加固方法。路基的一侧用临时的钢板桩墙加固,以便进行道路施工,然后再将钢板桩拆去(图2和图3)。在这里,铁路路基必须用锚固面板加固,面板设置在路基的另一侧,面板和钢板桩之间用长锚杆连接。路基的整个宽度要用几层加固。

图2 用长锚杆加固铁路

上面一层的加固孔使用 Grundodrill 10X钻机钻进,而 Grundodrill 20S钻机则用于钻进最底的一层锚固孔。这两台钻机保证锚固孔在复杂的回填材料和天然地层沿着预定的轨迹钻进。

加固的路基断面宽30m,用四层长锚杆加固。路基的另一侧设置了1.6m×1.8m的加固面板,以加固钢板桩墙。

尽管路面交通繁忙,整个加固过程没有受到影响。只是在导向孔钻进期间,才需要确定钻头内发射探头距离轨道的位置。监测铁路系统是为了保证导向钻机钻头的轨迹,使钻孔能够尽快地通过路基。导向孔的钻进选在交通量小的时候,而将钢锚杆回拖入锚固孔则不需要考虑火车时刻表。

图3 加固大坝的锚固板

只有在最底层的锚杆施工时出现了一点问题。由于要穿过砾石层施工,因此钻进出现了困难。通过修正钻孔方向而绕过了0.5m长的粗卵石。在部分路段,当钻头碰到非胶结的岩石时,就不能完成钻孔作业。

这时,路基就必须采用一种完全不同的施工方法来加固(图4)。

图4 用锚杆加固基坑

2 岩石破碎带附近的长锚杆

在某些地区,岩石具有许多长的裂缝。在一个陡峭边坡的一侧,这些裂缝不可能用常规的锚固方法和锚杆长度来加固,尤其是从周围凸出的部分,通常需要钻穿岩石层,因此从两侧用锚固板加固。

特别是岩石陡坡,通常需要用锚杆整体加固。先进的锚固技术可以阻止由于风化或重力作用下产生的裂缝继续恶化。安装完全贯通的长锚杆从技术上讲是加固这些具有裂缝的凸出岩石的最佳方法,与传统的加固锚杆相比,它可以大大减少锚杆的数量以及锚杆的总长度(图5)。

图5 加固上部不稳定的岩体

3 深入基岩的长锚杆

在某些岩土条件下,需要安装深入基岩的长锚杆。在这种情况下,需要构造一个大断面的岩石边坡,例如独立的平面纹理或移动的夹块。

如果这种边坡发生松动,则对交通要道或河流是危险的。他们可能受到破坏、毁灭或关闭。常规的岩石锚杆不可能加固这类边坡。也许需要用长度超过100m的锚杆来阻止岩石发生松动。

使用水平定向钻机技术安装这类锚杆具有两个优点:在钻进时可以控制锚杆的轨迹,并且可以根据要求有意地形成一条曲线轨迹。水平定向钻进技术可以按照给定的角度钻穿已知的脆性地层,例如剥落的岩石地层,以避免在不稳定地区锚杆产生意外的偏离。使用水平定向钻进技术还可以通过转向而绕过不没有足够稳定性的地区、某些岩石地层或者已知的障碍物,以便在理想的坚固和稳定岩石中安装锚杆。

4 小坡度的长锚杆

具有相对比较平坦曲线轨迹的长锚杆可以有效地加固岩石地层、地下建筑,例如隧道、洞穴或廊道,以及具有不稳定因素的岩石陡坡。根据地质条件和岩体背景的不同,最好是安装锚杆以阻止表面地层的开裂,因此提供一个永久的应变保护,防止任何可能的释放效应。水平定向钻进的优点是不仅能在整个锚杆轨迹控制钻进的方向,而且为了保持一定的坡度还具有校正的能力。

因此,锚杆可以按照需要的坡度精确地安装在的适当位置,以达到最优的岩石加固效果。在这些工程中,长锚杆也可以与从其它的传统锚杆一起发挥作用,这样可以改进以前的岩石加固效果。

5 加固建筑物的长锚杆

在山区中,进行桥桩、拱坝、桥台和其它大型建筑工程施工,必须与支撑它们的岩石紧密接触。某些工程是在当时的锚固技术不如现在好的条件下施工的。随着时间的推移,工程位移测量表明,这些加固并不是始终与开始所期望或计算的那样好。现在,水平定向钻进提供了一种用长锚杆来加固建筑物与岩层之间可靠连接的极佳方法。而新的建筑是目前施工时,即使是在基础施工之前,则可以在岩体内施工长的、经过精确计算的,并且按照所期望的方式施工的锚固孔,最终形成最佳的加固效果。

6 结论

对那些需要从山坡、山底、山沟或岩洞安装长锚杆,或者需要精确地钻进锚固孔轨迹或坡度的工程,可以采用水平定向钻机来安转长锚杆。

水平定向钻进的特殊优点在于可以连续的监测和控制钻进轨迹,因此可以获得更为精确的锚固孔。水平定向钻进技术也可用于较大长度的锚固孔施工,并且可以按照预先计算好的曲线型锚固孔轨迹施工。对短的、直的锚固孔可以采用传统的锚固加固方法进行施工,而对长的、复杂的、位置和方向要求严格的锚固孔采用水平定向钻机技术施工则更为容易。

颜纯文 译自《GeoDrilling International》2008(7/8)