高喷钻灌一体机在砂砾石地层中的应用

□吕 磊 □孟庆亮（中国水利水电第十一工程局有限公司）

高喷钻灌一体机在砂砾石地层中的应用

□吕 磊 □孟庆亮（中国水利水电第十一工程局有限公司）

以赣江堤防工程金滩堤段高喷钻灌施工为背景，通过高喷钻灌一体机在砂砾石及粉砂地层中钻孔灌浆的应用所反应出来的三个技术难题，结合自己的工程实践，提出了高喷一体机在类似地层中严重制约钻孔及喷浆的施工处理措施，为类似地层高喷一体机应用提供了良好的借鉴。本项目的处理未见国内外相关资料或报道，仅供其它类似工程参考。

高喷钻灌；砂砾石地层；应用研究

1 工程概况

赣江堤防金滩堤线起于金滩镇西部岭下村丘岗地带，至金滩镇政府所在地，再沿赣江设防至柘口村向西拐后，终止于柘塘南堤，堤线长5.59 km。全堤堤身为新填均质粘土，堤基防渗主要采用射水造墙防渗，建筑物穿堤部位采用高喷（摆喷）灌浆。2016年3月18日至25日赣江水位涨至46 m高程后，通过干堤布置的测压孔进行防渗幕幕前及幕后水位相关性对比分析，干堤堤后测压管与堤外赣江水位变化关系非常密切，且干堤堤基下部砾石层和粉砂层基础透水性较强，为此，对干堤基础射水幕墙采取高喷灌浆补强。

高喷补强区地层主要为第四系冲积层(alQ4)粘土、砂及砾卵石层，下伏基岩为下第三系新余群(E1-2xn)复成分砾岩。工程区位于华南褶皱系赣中南褶隆赣西南拗陷之武功山～玉华山隆断束构造单元。施工区地下水类型为孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系松散砂砾石层中，其含透水性良好，水量丰富，水位埋深较浅，部分地带具承压性，与赣江江水联系紧密。基岩裂隙水主要赋存于基岩裂隙及断层破碎带中，接受大气降水和地表水补给，沿裂隙及断层破碎带渗流运移，以泉水形式向河湖及低洼地带排泄，含水量不丰。

工程区地质揭露堤基地层自上而下分别为砂壤土、粉砂层及砾石层，其中，砾石地层为中等以上致密地层，2～4 cm粒径砾石约占65%，其它填料占35%，最大粒径达6～8 cm，具有较强的透水性，钻孔过程中，经常造成钻孔失水，产生埋钻现象，影响工程进度；粉砂地层因大量细颗粒的存在，在一体机钻孔接长钻杆时，因停风、停水（冲洗液）时，喷嘴多次堵塞，致使钻孔施工不能顺利进行。

2 钻灌一体机的工作原理及施工中存在的问题

2.1 钻灌一体机的技术原理

钻喷一体化高喷灌浆技术原理与常规的高喷灌浆技术原理相同，但钻灌一体化高喷灌浆对施工机具进行了较大创新和改进，钻灌一体化高喷灌浆成套设备融钻孔和高喷灌浆为一体，在钻杆内安装水、气、浆高压喷射管路，配备输送水、气、浆及相应的提升设备，将钻喷一体的液压步履式台车移动至钻孔位置，利用带有喷射孔的钻头进行钻孔施工、钻进时，高压浆泵输送高压冲洗液介质，打开空压机输送高压气体，高压冲洗介质与高压气体辅助钻头完成地层切削，同时，高压介质起到清孔、形成浆皮固壁、以及冷却钻头作用。钻孔完成后，不需要提钻，可直接进行高喷作业，并通过调整不同的模块,来实现不同的高喷灌浆工艺，即按设计要求可适时选择旋喷、定喷、摆喷工艺，从而使钻孔和高喷灌浆工序不间断而连续完成。

2.2 钻灌一体机在粉砂地层和砾石地层施工中存在的问题

赣江金滩堤原设计防渗采用射水造墙防渗施工完成后，2016年3月18-25日赣江水位涨至46 m高程时，通过干堤后布置的测孔观测发现：干堤堤后测压管与堤外赣江水位变化关系非常密切，且干堤堤基下部砾石层和粉砂层基础透水性较强，推测干堤后产生的泡泉、潜水渗漏与干堤基础渗漏存在较强的关联性，为此，业主组织设计、监理、施工四方研究决定对该干堤基础射水幕墙采取高喷灌浆补强。高喷灌浆布置在原设计射水墙迎水面侧，距射水墙轴线控制在45 cm，以保证高喷墙与射水墙有效衔接。为满足抢险施工强度需求，高喷灌浆采用钻灌一体机施工，施工过程中发现高喷一体机在砾石层和粉砂层中存在4个方面的问题，严重影响施工进度。

2.2.1 易卡钻

标段赣江干堤基础粉砂层及砾石基础透水性强，钻孔过程中，砾石基础严重失水，极易产生卡钻现象。

2.2.2 基础扰动较大

采用高喷一体机钻孔时，相邻两个1序孔间距达1.40 m时，相邻孔喷灌时出现串浆、串气现象，局部地段孔间距达2.80 m时，仍存在串漏通道，这一现象反映出高喷一体机钻孔过程对基础扰动较大。

2.2.3 喷嘴堵塞

高喷钻灌一体机采用水、气混合物作为钻孔冲洗、冷却用液钻孔时，钻杆接长过程中，因喷嘴位置低，孔底泥浆比重大，喷觜静置在泥砂沉淀后，多次造成喷嘴堵塞，无法展开喷灌作业。

2.2.4 孔内埋钻事故

高喷钻灌一体机钻孔进入失水地层后，孔内漏失水严重致使沉淀闭气后回落在钻头周围，多次造成孔内埋钻事故，影响施工进度。

3 存在的问题分析及针对措施、处理效果

3.1 存在的问题分析

3.1.1 喷嘴堵塞对施工工艺的影响

高喷钻灌一体机在钻杆接长过程中，需停水（泥浆）、停风完成接钻杆施工，停风、停水（泥浆）后，孔内沉淀易快速回落至孔底部位，造成孔底泥浆内泥砂含量大，而输浆管口或喷嘴此时处于钻孔底部，泥砂极易进入管口和喷嘴造成堵塞。通过加大孔内泥浆浓度，使泥浆具有较大的浮托力使粉砂细颗粒随泥浆流出孔外，在钻孔输浆管口处形成流动的浆层，输浆管恢复供浆后，钻杆内外的流体可迅速贯通，可快速实现输浆管道畅通；但喷嘴处的泥内含细小颗粒后，极易造成喷嘴堵塞。因此，需要对喷嘴采取保护措施或将喷嘴制作成逆止阀的形式，保证管内水、气混合体能进入孔内，达到高喷灌浆的工艺参数要求，并能阻止孔内浆液中的细小颗粒不进入喷嘴内。

3.1.2 护壁泥浆对成孔及喷浆的影响

在砾石强失水地层钻孔时，既要求护壁泥浆具有快凝、高胶体率、扩散度小的特性，便于砾石地层孔隙的封堵；又要求孔壁上形成的泥皮厚度较小、强度较低，便于高喷时地层破壳切割时，其破壳阻力不影响高喷切割半径，保证浆液扩散范围满足工艺参数要求。

3.1.3 强失水地层对钻孔的影响

高喷钻灌一体机钻孔施工时，不能有效按照其它方式钻孔采取孔内回填粘土、回填混凝土及灌注水泥砂浆等惰性材料封堵的方法处理失水地层，需研究液体状膏浆、快凝浓浆，防止浆液在钻孔时，流失过快，造成孔内沉淀回落失水后埋钻。

3.2 采取的措施及取得的效果

3.2.1 减少泥浆固壁对喷浆效果的影响

通过对钻孔工艺的思考，提出了采取“高比重、低粘度、快凝结、低强度”泥浆固壁的施工原则，高比重泥浆便于携带颗粒出孔，减少孔内沉淀；低粘度、快凝结泥浆能使孔壁周边形成较薄的泥皮“封闭圈”；使泥浆在孔壁上形成的泥皮具有低强度的特点，使高喷过程中能迅速完成破壳切割，保证喷浆达到较大的扩散范围。

3.2.2 保护喷嘴在不同工况下正常运行

对高喷钻灌一体机的喷嘴采取保护措施，从工艺上解决钻孔接长钻杆过程中孔内细粒含量回落至喷嘴处因停风对其造成的堵塞，保证一体机钻孔至孔底后，能自下而上顺利转入喷射作业工序，保证工艺衔接有序、且耗时最短，提高工作效率。

3.2.3 喷嘴保护措施

在喷嘴上安设一个球形小钢珠和钢珠弹出轨道和储存仓作为拍门式逆止式阀门，保护泥浆内细颗粒在钻孔过程中不能进入喷嘴内；喷浆阶段在水、气混合液的冲击下，将钢珠从喷嘴出口弹开进入钢珠储存仓，并在水、气混合液的作用下打开喷嘴出口，从而保证喷嘴能在正常状态下作业。喷嘴保护装置采取“气门芯”结构，利用橡皮套达到逆止阀的目的，在喷嘴出口采取PE材料制作保护盖，喷浆阶段将PE盖击碎，保证喷嘴正常作业。

3.2.4 减少钻孔对地层的扰动，提高钻孔速度

将高喷钻灌一体机原设计利用喷嘴供气保护喷嘴、配合输浆管供送冲洗液的钻孔方式，改变为逆止球阀保护喷嘴、仅采取输浆管供送冲洗液的钻孔方式，不仅可有效减少钻孔孔径、减少钻孔过程对地层的扰动，而且可提高钻孔速度。

3.2.5 砾石失水地层封堵

配制泥浆时，采取以粘土粉为主，掺加适量膨润土的双掺工艺，利用粘土浆固化后强度低的特点，又结合了膨润土在水化过程中的膨化特点，使得在同样灰水比情况下的泥浆配比，其泥浆浓度较大，增加一定的固化促凝剂后，很容易对砾石孔隙进行封闭，从而快速解决砾石失水地层的封堵问题。

3.2.6 减少对相邻喷射孔的扰动

在喷射过程中，从孔口加入水泥速凝剂，加快高喷桩体的凝结速度，减少喷射过程中相邻孔出现串浆、串气现象，防止喷射过程对相邻地层及已喷灌孔的扰动，保证高喷墙体的连续性。

4 结语

作者通过深入细致的调查研究，首次提出了采取“高比重、低粘度、快凝结、低强度”泥浆固壁的施工原则，高比重泥浆达到了携带颗粒出孔，减少孔内沉淀的目的；低粘度、快凝结泥浆在孔壁周边形成了较薄的泥皮“封闭圈”；使高喷过程迅速完成了破壳切割，保证了喷浆达到较大的扩散范围。通过对高喷钻灌一体机喷嘴采取保护措施，从工艺上解决钻孔接长钻杆过程中孔内细粒含量回落至喷嘴处因停风对其造成的堵塞，提高了工作效率。

（责任编辑：刘 青）

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2016-08-08