潛孔錘鉆孔技術(shù)在營(yíng)岔調(diào)蓄水池工程中的應(yīng)用

隗永龍 劉光林 李 旭

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

張家口賽區(qū)營(yíng)岔調(diào)蓄水池工程范圍內(nèi)，地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水位高，施工現(xiàn)場(chǎng)部署緊湊，水電供應(yīng)困難，且工期十分緊張。由于工程需要進(jìn)行降水作業(yè)，依據(jù)上述條件，采用了潛孔錘成孔的方式進(jìn)行降水井施工。潛孔錘根據(jù)傳動(dòng)方式的不同，可分為氣動(dòng)和液壓兩種類型。本工程所采用的氣動(dòng)潛孔錘是利用鉆桿的旋轉(zhuǎn)力，在潛孔錘的撞擊力與破壞圍巖的鉆頭共同作用下完成鉆進(jìn)，將濾水鋼管同步埋設(shè)安裝的施工方法[1]。此工藝適用于多種復(fù)雜地質(zhì)的鉆進(jìn)施工，而且相比其他鉆進(jìn)方法，鉆進(jìn)效率明顯提高。

1 工程概況

1.1 工程概述

張家口賽區(qū)營(yíng)岔調(diào)蓄水池工程是2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)崇禮賽區(qū)建設(shè)工程的重要組成部分，工程主要由蓄水池、沉沙池、泵站、凈化池等組成。需要建造6座蓄水池，提供冬季滑雪場(chǎng)造雪用水，其中一個(gè)大蓄水池，蓄水容量約20萬(wàn)m3，最大開挖深度19m，同時(shí)兼顧場(chǎng)區(qū)景觀效果即“澄福硯”景觀；另外5個(gè)蓄水池蓄水容量一共約5萬(wàn)m3，最大開挖深度12m。邊坡的運(yùn)用條件屬于正常運(yùn)用條件[2]。受地質(zhì)條件和地下水位影響，采用潛孔錘進(jìn)行降水井施工，以提高施工速度和成孔率。本工程共完成降水井施工134眼，總米數(shù)2680m。

1.2 地質(zhì)及地下水情況

工程位于崇禮區(qū)東南部的古楊樹村西側(cè)的低中山區(qū)太子城河上。場(chǎng)地復(fù)雜性和地基復(fù)雜性均為二級(jí)。場(chǎng)區(qū)分布的巖石主要為卵石和不同風(fēng)化程度的花崗巖。大蓄水池土層厚度約8.5m，小蓄水池平均土層厚度約6m，土層以砂礫為主，土層以下均為巖石。穩(wěn)定的地下水位為0.50～9.90m，松散巖土類型的孔隙水是地下水的最主要類型。水在土體、巖石縫隙中的滲流，一方面會(huì)引起水量損失或基坑積水，影響工程效果和速度，另一方面將引起土體變形，降低穩(wěn)定條件[3]，因此需要降低地下水位。

1.3 社會(huì)環(huán)境

蓄水池為冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)造雪的必要工程，工程進(jìn)度直接影響造雪和測(cè)試賽的時(shí)間。而且本工程開工時(shí)間較晚，大蓄水池及1號(hào)、2號(hào)小蓄水池還要提前蓄水，工程量很大，工期十分緊張。降低地下水位是開挖工作的必要條件，因此，選取合理的施工工藝縮短降水工期十分必要。

2 施工工藝原理

潛孔錘采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘，降水井鉆進(jìn)和濾水鋼管安裝同步進(jìn)行。利用SL600型鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)力和潛孔錘的沖擊力共同形成動(dòng)力，進(jìn)行土層和巖石的破碎，利用空壓機(jī)提供的風(fēng)能將碎渣吹出孔外。

空壓機(jī)為潛孔錘提供動(dòng)力以產(chǎn)生沖擊能量，傳遞給專用鉆頭形成沖擊力，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿形成旋轉(zhuǎn)力，與沖擊力共同作用，破碎巖石完成鉆進(jìn)。由沖擊裝置排出的壓縮氣體作為洗井介質(zhì)，把通過潛孔錘沖擊、回轉(zhuǎn)破碎的碎石和粉末吹出孔外從而實(shí)現(xiàn)在土體、巖體成孔。

鉆孔時(shí)，利用偏心鉆的沖擊力帶動(dòng)鋼管與鉆孔同時(shí)推進(jìn)，鉆出的巖屑吹送至孔外，降水井達(dá)到要求深度后，把內(nèi)鉆桿與偏心擴(kuò)孔鉆頭反轉(zhuǎn)，將擴(kuò)孔釬頭收進(jìn)中心位置后，從濾水鋼管內(nèi)拔出。

3 潛孔錘鉆孔施工技術(shù)

為保證降水達(dá)到預(yù)期效果，在基坑周邊環(huán)向布置管井,構(gòu)成封閉降水體系，井中布置自動(dòng)化水泵，并使用水泵將地下水抽出，以實(shí)現(xiàn)阻截蓄水池基坑外圍地下水進(jìn)入基坑的目的，同時(shí)也能滿足降低地下水位的要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)深度及相關(guān)參數(shù)，確定降水井井距為15m，降水井深為20m，施工時(shí)根據(jù)降水效果增加了降水井[4]。井管采用φ273橋式濾水鋼制管道，排水總管為直徑400mm的PVC管，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排水口情況，沿降水井周圍布設(shè)，排水管按照一定的坡度布置。為減少資源浪費(fèi)，抽取的地下水用于鋼筋混凝土養(yǎng)護(hù)、防塵、沖廁、清洗工地車輛等；蓄水池防滲結(jié)構(gòu)完工后，將地下水排入湖中蓄集，作為造雪水源。

3.1 施工工藝

施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后要做好機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)登記并存檔,檢驗(yàn)合格的機(jī)械設(shè)備可投入使用。表層雜草清理干凈后，將設(shè)備基礎(chǔ)平整夯實(shí)，局部淤泥要進(jìn)行開挖換填，以確保鉆進(jìn)過程中設(shè)備的穩(wěn)定。

通過計(jì)算，降水井的布置間距頂為15m，局部位置按照實(shí)際需求進(jìn)行加密。北側(cè)沿建設(shè)范圍線以外5m進(jìn)行布置，其他方向沿現(xiàn)狀基底線范圍環(huán)形布置，根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的測(cè)量控制點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)布置條件，利用GPS測(cè)放所有井位及標(biāo)高[5]，測(cè)量完畢后在確定好的降水井位置標(biāo)記清楚。

鉆孔前要進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)中應(yīng)確保提供壓力平穩(wěn)的空氣源，試驗(yàn)時(shí)用專用擊錘，錘頭下鋪墊一塊厚硬木板，試驗(yàn)過程中軸壓的確定，要以沖擊器不脫離錘頭，錘頭不脫離硬木為準(zhǔn)[6]。鉆孔施工采用SL600型鉆機(jī)配置氣動(dòng)潛孔錘成孔，局部水量較大的位置增加降水井深度。降水井井管采用273型橋式濾水鋼管。井孔外形應(yīng)保持圓正，方向垂直，且降水井深與設(shè)計(jì)井深之間的最大偏差不大于300mm。潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，用鉆頭將過濾水的鋼管下入井中，用過濾水的鋼管固定孔壁。

降水井濾水鋼管下入后立即填入直徑為3～7mm干凈砂卵石作為濾土材料，濾料中的雜質(zhì)含量要小于3%。濾料填筑時(shí)，應(yīng)由人工用鏟子沿井孔的四周緩慢均勻填入。在濾料填筑完畢之后，要對(duì)降水井進(jìn)行清洗，清洗利用水泵抽出，抽停循環(huán)，直到抽出的水清澈為止。降水井底沉淀應(yīng)不大于0.3m。

每眼降水井內(nèi)安裝一臺(tái)潛水泵作為排水設(shè)備。潛水泵采用專用繩索吊放入降水井內(nèi)。經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)水泵能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，管路無(wú)滲水漏水現(xiàn)象后進(jìn)行水泵排水。施工流程見圖1。

圖1 施工流程

3.2 注意事項(xiàng)

在利用潛孔錘進(jìn)行降水井鉆進(jìn)及下管施工過程中，鉆桿的余量應(yīng)該適宜，鉆桿連接安裝時(shí)，錘頭要與降水井井底留有0.5m的安全距離；在安裝下一段鉆桿之后，必須在鉆進(jìn)前供氣；在本輪鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)該吹孔底部2min，以清除沉積在底部的碎片。

4 設(shè)備參數(shù)及工作效率

4.1 設(shè)備選擇與效率

根據(jù)工程需要選擇設(shè)備(見表1)，鉆進(jìn)成孔和濾水鋼管焊接、鋪設(shè)同時(shí)進(jìn)行。建設(shè)范圍內(nèi)上層覆土約2m，土層以下為4～5m砂礫料層，下層均為中風(fēng)化花崗巖，平均成活速度為7m/h。

表1 設(shè)備及參數(shù)

4.2 技術(shù)參數(shù)

4.2.1 風(fēng)量

風(fēng)量[7]的大小影響鉆進(jìn)過程中降水井內(nèi)碎渣的排出，會(huì)對(duì)施工速度造成影響。風(fēng)量通過以下公式確定：Q=VS。式中，Q為所提供的風(fēng)量，m3/min；V為排渣上返風(fēng)速，m/min；S為濾水鋼管與井壁空隙面積，m2。排渣風(fēng)速設(shè)定為1100m/min，降水井直徑約0.3m，風(fēng)量13.4m3/min。

4.2.2 風(fēng)壓

風(fēng)壓的大小直接決定了鉆進(jìn)速度，根據(jù)鉆機(jī)型號(hào)和潛孔錘參數(shù)，本工程選用的風(fēng)壓為1.7MPa。供風(fēng)裝置的壓力表、安全保護(hù)閥、調(diào)壓設(shè)備等要齊全靈敏，并且經(jīng)過檢驗(yàn)和標(biāo)定[8]。

4.2.3 鉆機(jī)轉(zhuǎn)速

潛孔錘跟管鉆進(jìn)的施工方法要求低轉(zhuǎn)速，控制在50轉(zhuǎn)/min以下。

5 技術(shù)特點(diǎn)

該技術(shù)適用于各種地質(zhì)，鉆進(jìn)效率高；對(duì)于巖石地質(zhì)的鉆進(jìn)施工更為有利且降低了材料損耗和施工成本，對(duì)于土質(zhì)或不穩(wěn)定地層跟管鉆進(jìn)省去了下管的步驟，避免了塌孔造成的工期影響[9]；對(duì)鉆孔底部的快速?zèng)_擊，保證了鉆孔的垂直度，也降低了孔壁巖石坍塌，設(shè)備布置靈活，操作簡(jiǎn)單，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)條件要求低。

根據(jù)風(fēng)動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)施工工藝特點(diǎn)，鉆進(jìn)過程中不需要護(hù)壁泥漿，利用壓縮的空氣作為動(dòng)力把沉渣排出，避免了環(huán)境污染，在松散地質(zhì)及不穩(wěn)定地層鉆孔時(shí)，有利于成孔。

6 結(jié) 語(yǔ)

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)方法適用于多種地質(zhì)，在硬質(zhì)巖層中潛孔錘鉆進(jìn)更為有利。在潛孔錘裝置的破碎作用下，堅(jiān)硬的巖石層被破碎成為小塊，利用高壓空氣吹出井外，施工效率明顯提升[10]。在施工過程中發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)潛孔錘在巖石、漂礫層等鉆進(jìn)難度大的地質(zhì)中應(yīng)用效果明顯。

張家口賽區(qū)營(yíng)岔調(diào)蓄水池工程對(duì)工期和質(zhì)量的要求極為嚴(yán)格，在工期無(wú)法滿足建設(shè)要求的情況下，通過此工藝，大大加快了施工進(jìn)度，使工程提前完工。