云峰大坝监测系统倒垂孔钻孔施工

于洪文

( 云峰发电厂，吉林省集安市 134200 )

云峰大坝监测系统倒垂孔钻孔施工

于洪文

( 云峰发电厂，吉林省集安市 134200 )

对于大坝监测系统，倒垂孔钻孔施工方法有多种。根据经验，现介绍一种倒垂孔钻孔施工方法——先导孔法，供同行参考。该方法降低了大孔径废孔率，保证了钻孔精度，提高了工效，缩短了工期，从而节约了投资，降低工程造价。

监测系统；倒垂孔；钻孔施工

0 引言

随着国民经济的发展，我国对水资源的再分配及提高水的利用率纳入了经济发展规划行列，同时也加大了流域开发建设的步伐，对新、老坝的安全监测也加强了监督。所以，对坝工倒垂监测系统的施工方法也在不断地进行新的尝试。现以云峰大坝监测系统更新改造工程为例，介绍一种新的倒垂孔钻孔施工方法——先导孔法。

1 工程概况

云峰大坝新倒垂孔布置在241.75m廊道13号坝段叉廊内，廊道断面尺寸2.5m×4.0m，距坝轴线15.50 m。设计孔深为基岩以下35.00 ～ 40.00m，有效孔径100mm。该倒垂孔实际孔深45.66m，有效孔径104mm。经设计人员检查验收，孔深及有效孔径均满足设计要求。

2 钻孔施工

倒垂孔钻孔施工是钻孔施工技术中最具有难度的一种，孔深要根据坝高情况界定，一般在25.00 ～ 80.00m之间，有效孔径大于100mm。

目前倒垂孔钻进主要有两种方法，一种是无岩芯钻进，即利用冲击式钻机，使钻头反复冲击孔底，从而破碎岩石造孔;另一种是有岩芯钻进，即利用回转式钻机,使用钻头的切削刃或研磨材料，磨削孔底岩石，使之破碎造孔。云峰大坝倒垂孔钻孔采用杭州钻探机械厂生产的油压SGZ—ⅢA型回转式钻机，钻头采用金刚石钻头。

2.1 先导孔法

所谓“先导孔法”，就是采用变径钻孔法来修正孔斜。先采用相对小孔径开孔进行钻进，然后孔径逐级变大扩孔，这样有利于施工及保证钻孔的垂直度，该小孔即为“先导孔”。

钻机的安装是保证钻孔精度的重要原因之一，这一关在施工中一定要把握得非常好。具体做法是：钻机用3根地锚固定在机台木上，使钻机在工作时既不产生平面移动，又不改变立轴的垂直度，保证了钻孔的同心度。钻机操平使用水平尺，立轴调整采用重锤通过立轴吊线来对中（即正垂线的原理），保证立轴铅直。控制好开孔段的精度，特别是保证前10m孔段的垂直度，至关重要。为此，要精心挑选同心度好的开孔钻具。

开孔前用扁铲将开孔处凿成与开孔钻头直径相同的凹坑，保证钻头不向四周摆动，开孔压力要小。

以本工程为例，采用φ110钻头做先导孔，工作压力一般控制在1.0 MPa，转速300～500 r/min。随着钻孔加深，压力、转速逐渐减小，其钻具逐渐加长（钻具最长达8.67m，由4根岩芯管连接而成），在钻杆上设置导正器，使钻机立轴、钻杆、钻具三者保持良好的同轴度，提高了钻孔的精度。

情况表明（φ110mm）先导孔，孔深45.66m。经测斜分析，有效孔径为60.23mm。所以，没有达到规范及设计标准（φ100mm）。先导孔孔斜实测结果见表1。

表1 先导孔（φ110mm）孔斜成果

根据表1的成果，经分析，若要满足规范及设计标准（φ100mm），必须进行扩孔。按理论推算，扩孔孔径为150mm，孔深45.66m，即可满足要求。

对此，采用了阶梯型组合钻头进行扩孔。阶梯式组合钻头具体情况如下：钻头组合直径及由下至上排序为110/130/150mm。其中，110mm钻头在孔内起导向作用，其余两个钻头起钻进作用。由于使用了导向钻头，认为扩孔时无须进行测斜；在孔深13.68m起钻时，发现岩芯管内有破碎岩芯，初步判断钻导向孔时造成的破碎岩心留在孔内。此时并没有在意，也没有进行测斜工作。在孔深达20.84m起钻时，又发现岩芯管内有较完整的岩芯。此时判断可能产生新的孔斜，经实测分析，扩孔中心偏离导孔中心最大值达50mm，偏斜区域孔深分布为5.00 ～ 20.84m。分析认为，产生新孔偏斜的原因是：扩孔时导向部分的φ110mm钻头应使用φ110mm导向管，才能保证导向不再因受侧向偏心力对岩石产生侧切，这样也就不存在新的偏斜问题，使用经改良后的组合钻头（将110mm导向钻头换成110mm导向管），继续扩孔至45.08m。成孔后，经测斜分析，5.00 ～ 20.84m段不符合要求（原因如上已述）。必须再次进行扩孔，第二次扩孔最大孔径为225mm，组合钻头规格为1892/25mm，导向管为150 mm，扩孔深度22.45m。测斜结果表明，全孔有效孔径为104mm满足设计及规范要求（φ≥100mm）。分段扩孔孔深及孔径变化情况见表2。

表2 扩孔孔径及孔深分段成果表

终孔测斜结果见表3。

表3 倒垂孔终孔测斜成果

续表

2.2 施工方法分析

在倒垂孔造孔施工中，工程实践表明，采用先导孔法造孔时，最关键的环节有两点。首先是先导孔的孔斜，必须控制好。其次是扩孔导向必须采用无钻头的导向管。掌握了这两个关键点，其他都迎刃而解。

采用先导孔法施工时，最重要的是选择钻杆、岩芯管的自身垂度及各管连接后的杆件总垂度。在钻孔时，要采用低压力低转数进行磨钻；及时观测孔斜，根据经验，至少每米观测一次，其间距不大于0.5m。

先导孔造好后，根据孔斜测量结果，分析该孔是否可以进行扩孔，如果可以扩孔，计算扩孔最小直径；将先导孔清理干净，以便导向管在孔内灵活移动。

在进行倒垂孔钻孔时，应着重做好以下几个方面的工作。

(1) 设备及工器具。

1） 钻孔所使用的钻机必须机械技术性能良好，油压给进，转速调速范围广，立轴导管活动距离长，且间隙小，稳定性能好。

2） 钻杆采用无弯曲变形的标准钻杆，施工前必须精心挑选、测量，施工中钻杆应有续编号。

(2) 施工要求。

1) 在钻孔过程中严格控制开孔段的精度，特别是前10 m 孔段的垂直度，至关重要。在正常钻进时，每两根钻杆间（约4.m）设一个导正器；采用小压力低转速跟进。

2) 根据孔深，要适当加长岩芯管长度，这样能大大减低孔偏速度。

3) 施工人员应具有较高的技术水平和钻探实践经验。

4) 钻孔一旦出现较大偏斜（大于20mm ），孔深大于25.00 m时，纠偏工作十分困难。

5) 先钻小孔，再扩大孔，有利于提高工效，保证钻孔精度，降低工程造价。

综合以上结果，该方法的优、缺点就一目了然。优点是：由于采用了先导孔，减少了大孔径钻孔的废孔率，从而节约了投资，缩短了工期。缺点是：要用不同型号的钻机，增加了钻机的数量及相应的配套钻具。

3 结束语

用先导孔法，进行大坝监测倒垂孔施工，是一种新的方法尝试与探索。该方法也适用于坝工管理单位自行施工。

一般水电厂管理单位，基本都有坝工基础灌浆队伍，该队伍均具备钻孔设备及相应的操作技术。对于老坝监测系统改造工程，就体现了其优势，减少了投资成本。

于 洪文(1959—)，男，工程师，主要研究方向：坝工运行管理及维护。E-mail:jianyfdcyhw@126.com

Drilling Construction of Inverted Plumb Holes in the Monitoring System of Yunfeng Dam

YU Hongwen
(Yunfeng Power Plant, Ji’an 134200，China）

In dam monitoring systems, there are many construction methods to drill inverted plumb holes. Based on practical experience，one of the methods called pilot-holemethod is discussed, which is of referential value to colleagues.This method reduces the error probability in drilling large diameter holes and guarantees the drill precision. It improves ef fi ciency and decreases duration. Therefore, this method saves the expense of constructions and reduces project cost.

monitoring system; inverted plumb hole; drilling construction