超长锚索成孔技术

覆盖堆积层中超100m深孔

预应力锚索套管跟进钻孔施工技术

李长华刘常新江根来

1 工程概述

官地水电站竹子坝场地加固工程位于右坝肩与竹子坝料场之间，引水发电系统进水口附近，该场地建设有高线砼拌和系统和竹子坝人工骨料加工系统。由于建设两大系统相继建成投入使用，该场地上荷载发生重大变化，进而产生了滑动和变形，尤其是前缘侧边坡以及前缘的平台边坡稳定性很差，相继出现溜滑和变形。为了应对此变化，保证两个系统安全运行，在施工区边坡主溜滑和变形方向设计了挡土墙加预应力锚索支护方案，对边坡进行加固处理。正边坡设置750kN和1000kN锚索共272根，其中1360～1380高程正边坡交错布置105m、110m的750kN锚索42根，锚索与坡面成俯角35°夹角；1380～1395高程正边坡交错布置105m、110m的1000KN锚索62根，锚索与坡面成俯角15°夹角（见图1）。

图1 预应力锚索夹角示意图

施工地质勘探报告显示，该施工区场地出露的地层为第四系崩坡积堆积(p1+d1Q4)块碎石土、冲洪积堆积(p1+a1Q3)含碎石粉质粘土和湖积堆积的(PL+a1Q3)的含碎卵石土、粉质粘土(1Q3)及孤块石夹少量砂卵砾石层（co1+p1Q3）等，下伏基岩为二叠系上统上段和中段的玄武岩。场地大部分覆盖层主要是冲洪坡积堆积块碎石土、含碎石粉质粘土和湖相沉积的含碎卵石及粘土，厚度普遍大于100m，存在不均匀（变形）沉降。地下水埋藏较浅，直接受地表水影响。粉质粘土（IQ3）粉质粘土下存在大量承压水。

2.1 预应力锚索施工程序

完成施工准备工作后，根据测量放线现场确定的孔位将钻机就位，按照设计要求的角度和钻孔深度完成钻孔。锚索孔验收合格后下入提前编制好的锚索体，然后封闭锚索孔孔口，分别对锚索体锚固段和张拉段进行注浆。锚索编制过程中按照设计要求将锚索体分为锚固段和张拉段，锚固段设置承压板、隔离支架和止浆包，张拉段设置隔离支架并外包土工布，分别采用铅丝绑扎，锚固段和张拉段分别设置1组进回浆管路。完成一片区域的锚索注浆后，进行锚墩和框格梁浇筑，为保证张拉效果，锚墩和框格梁同步浇筑。锚墩和框格梁达到7d强度后即可进行锚索张拉作业。张拉力达到设计要求后锁定，持续进行3～7d应力损失监测，如应力损失超过设计要求必须进行锚索补偿张拉。锚索张拉力达到设计要求后截断锚头外多余长度钢绞线封锚。

2.2 钻进工艺选定

2.2.1 覆盖堆积层边坡常规钻孔工艺

在厚度较浅覆盖堆积层内锚索钻孔施工，主要采用常规工艺“直锤钻孔结合固壁灌浆”和“单级套管跟进钻孔”。“直锤钻孔结合固壁灌浆”主要缺点是：单孔锚索钻孔周期长，覆盖堆积层内钻孔过程中反复多次出现塌孔，且富含的地下水延长了纯水泥浆或水泥砂浆凝固周期，固壁灌浆后待凝3～5d方能进行扫孔作业，塌孔后浅孔钻具较易处理出孔，但深孔钻具处理困难，经常出现孔内抱死现象，钻具损失较大；“单级套管跟进钻孔”工艺主要缺点：由于覆盖堆积层厚度超过100m，受套管、管靴材质限制，在跟管至55m孔深左右时，出现管靴与套管连接处断裂或第一节套管与第二节套管连接处断裂事故，经过处理往往只能取出偏心钻具，20m以内浅孔时尚能将断裂的管靴和套管处理出孔，20m以上的深孔无法将断裂的管靴和套管处理出孔，造成锚索孔报废和管靴、套管的非正常损耗，并且事故孔处理周期较长。

考虑到竹子坝施工场地加固工程工期紧张，前期施工中直接采用“单级套管跟进钻孔”常规锚索钻孔工艺，但是效果很不理想，自2009年4月27日投入23台YXZ-90A 型锚索钻机采用常规套管跟进钻孔工艺开始钻孔施工，截至5月31日仅完成23孔锚索钻孔，单孔锚索成孔周期在35d左右，单孔废孔进尺90m左右，废孔率达到300%，单个锚索孔需要反复开孔3次左右才能成孔，孔内事故频发，单孔损耗达到钻头3个、钻杆21m、管靴5个、套管15m。

2.2.2 覆盖堆积层边坡“2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”的运用

通过对前期钻孔施工的研究和数据分析发现，采用“单级套管跟进钻孔”锚索钻孔工艺时，由于覆盖堆积层厚度超过100m，受套管、管靴材质限制，在跟管至55m孔

深左右时，出现管靴与套管连接处断裂或第一节套管与第二节套管连接处断裂事故，经过处理往往只能取出偏心钻具，20m以内浅孔时尚能将断裂的管靴和套管处理出孔，20m以上的深孔无法将断裂的管靴和套管处理出孔，造成锚索孔报废和管靴、套管的非正常损耗，并且事故孔处理周期较长。

确定了问题的症结，我部提出了新的钻孔工艺“2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”，解决了“单级套管跟进钻孔”工艺中单孔预应力锚索钻孔周期长、成孔率低、孔内事故频发、钻具非正常损耗大等问题。

自2009年6月1日采取“2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”钻孔工艺完成后续81根105m、110m预应力锚索，单孔锚索成孔周期缩短至5～7d，单孔废孔进尺20m左右，单孔损耗降至钻头1个、钻杆3m、管靴2～3个、套管3m，极大地提高了覆盖堆积层内锚索钻孔效率。

3 “2级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”钻孔工艺的特点

（1）单孔锚索成孔周期短，5～7d可完成孔深110m钻孔任务；

（2）成孔率高，达到100%；

（3）孔内事故率低；

（4）钻具损耗少；

（5）覆盖堆积层内钻孔深度长，已超过100m；

（6）使用常规预应力锚索钻孔设备，无需配备特种机械；

（7）较常规钻孔工艺节约成本，节约投资。

4 工艺原理

4.1 2级套管跟进

选用YXZ-90A型锚杆钻机，配备外径φ148mm扩孔直径达到φ178mm以上的偏心钻头，使用φ89mm钻杆，跟进管靴外径φ178mm、内径φ150mm，跟进套管外径φ178mm、内径φ158mm，钻进至50m左右时（受材质限制，管靴和第一节套管覆盖层堆积体内跟进极限深度）取出全部钻具更换，从φ178mm套管内钻进至100m达到基岩面。换装钻具为外径φ115mm扩孔直径达到φ146mm以上的偏心钻头，使用φ89mm钻杆，跟进管靴外径φ146mm、内径φ120mm，跟进套管外径φ146mm、内径φ126mm。钻进至100m到达基岩面后取出全部偏心钻具，换装外径φ110mm直锤钻具钻进至设计孔深105或110m后取出孔内钻头和全部钻杆。将锚索体从外径φ146mm套管中下入孔底。然后使用YD-50型液压拔管器进行拔管作业，先将φ146mm套管全部拔出，再将φ178mm套管全部拔出。完成拔管作业后，将锚索孔孔口进行封闭，依次按照设计要求对锚索体锚固段、张拉段进行注浆作业。完成注浆作业后进行锚墩、框格梁混凝土同步浇筑。在孔内注浆水泥、