摘要：钻孔施工是帷幕灌浆的一个关键环节，关系到帷幕灌浆的整体质量。本文结合某水电站工程实例，对其帷幕灌浆钻孔施工的各个环节进行了详细的介绍，并探讨其质量控制措施及相关事故的预防，为类似工程施工提供参考。
关键词：帷幕灌浆；钻孔施工；质量控制
改革开放以来，为加快水能资源的利用，促进国民经济的发展，水利水电工程的建设日益增加，水电站的施工的越来越多。帷幕灌浆是水电站地基防渗处理的重要手段，关系到水电站的安全运行，而帷幕灌浆施工必须进行钻孔，其钻孔质量的好坏直接影响到帷幕的防渗性能。因此，对帷幕灌浆钻孔施工及质量控制措施展开探讨具有十分重要的意义。
1.工程概况
1.1工程概述
某水电站工程以发电为主，电站地下厂房位置靠近右坝肩，临近大坝，为有效阻止库水向厂房渗漏，结合坝基防渗帷幕布置厂区外围防渗系统。以主厂房为防护中心布设了完整的排水系统，在主厂房上游侧，结合防渗帷幕布置，共设置4层排水廊道，编号为1～4层。4层排水廊道在厂房上游面均布置有厂前防渗帷幕，且均在库区蓄水前完成。
1.2帷幕灌浆区水文气象情况
地下厂房系统位于右岸地下水位以下，根据勘探平硐揭露，硐内多处有滴水和线状流水现象，且均是从张开的陡倾裂隙涌出。通过对出水裂隙方位统计，出水裂隙大多为近顺层的陡倾裂隙。域内地形地貌十分复杂，高原、盆地、高山、峡谷、丘岭交错其间，形成的气候复杂多样。
1.3帷幕灌浆区地质条件
岩体中断层主要以顺层结构为主，规模较大为F2断层，该断层发育于变质砂岩与砂质板岩接触带，贯穿右岸地下厂房系统各建筑物围岩，破碎带宽度一般为1～2m，两侧影响带宽度0.60～4m，影响带内岩体较破碎。其余断层规模一般较小，多为层间挤压带或砂岩与板岩接触带。帷幕灌浆区域围岩以Ⅱ～Ⅲ1类为主。该区域变质砂岩干密度均值为2.73g/cm3，单轴饱和抗压强度均值为93.94MPa，软化系数均值为0.81；砂质板岩干密度均值为2.77g/cm3，单轴饱和抗压强度均值为54.85MPa，软化系数均值为0.79。
2.帷幕灌浆钻孔施工布置
（1）施工用水。就近从厂房主水管引致帷幕灌浆钻孔工作面。
（2）施工用电。施工用电自厂交洞与4号施工支洞交界处的变压器接引。
（3）施工照明。施工照明采用1000w灯，洞内每间隔15m安装一盏。
3.钻孔机械的选择
3.1钻孔机械的选择
帷幕灌浆中，钻孔设备的选择根据灌浆孔设计深度、钻孔结构、钻孔角度、岩层条件、地质情况、及钻进方法来选择。此次施工的钻孔深度为20～60m之间，孔径为60～91mm，为了能够满足正常生产，达到工程质量指标、方便施工和考虑现有钻探设备，我项目选择采用XY-2PC型和XY-2型液压地质钻机，配50钻杆和相应口径金刚石钻头钻进。
3.2钻孔机械的特点
（1）XY-2PC型钻机特点：适用于坑道、廊道工程钻进施工，水电工程等工程地质勘察钻孔施工等。该机重量轻、体积小，尤为适应水电系统施工。
（2）XY-2型液压地质钻机特点：用于工程地质勘探、水文、水井钻孔施工。转速高，调速范围广，能满足小口径金刚石钻进的高转速，又能满足大口径硬质合金钻进；钻机体积小，质量轻，解体性能好，便于搬运。
3.3金刚石钻头的选择
施工区围岩主要为青灰色变质砂岩、灰白色变质石英砂岩和灰黑色砂质板岩。按岩石分类为硬、坚硬；研磨性为中、强。钻头选择根据岩石的可钻性、完整程度、研磨性和现有的钻进方法来选择。见表1。
表1钻进方法选择依据表
4.帷幕灌浆钻孔分段的一般要求
4.1钻孔分段一般要求
帷幕灌浆孔孔口段孔径91mm，入岩2m，以下各段孔径60mm，孔位偏差不大于10cm。帷幕灌浆孔分段一般要求详见表2。
表2帷幕灌浆钻孔分段统计表
4.2分段钻孔注意事项
分段钻孔时，注意相连两段孔钻孔的开钻情况。
（1）保证孔底没有残留岩芯，上一段钻孔岩芯全部取出。如孔底有残留岩芯，会造成钻头重复做功，影响钻进速度，磨损钻头，严重时还会使钻孔发生偏斜。
（2）起下钻时，注意起下钻速度，避免钻头碰撞孔壁和孔底，造成钻头损坏或钻孔垮塌。
（3）下一段孔开钻时，采用低压、低速钻进，保证钻具与钻孔轴线一致，减小钻孔偏斜。
5.影响帷幕灌浆钻孔成孔的质量因素
帷幕灌浆钻孔采用地质钻机进行钻孔施工，配金刚石钻头钻进。影响地质钻机钻孔成孔的质量因素一般有以下几点。
（1）地质构造因素。工程区内规模较大的断层为F1、F2、F33条断层，其中F1、F3两条断层分布于左岸，F2断层为顺层断层。对坝址区地表出露及勘探平硐揭露的167条断层进行了统计分析，除左岸F1、F3两条较大规模断层外，其它中小规模断层基本上可分为：①顺层断层及层间挤压带；②NNW向陡倾断层；③EW向断层，其中①组最为发育。系统围岩不同程度破碎，地层情况复杂，岩层反复变化，并有断层发布，这些情况都会影响钻进过程中孔位偏离和钻孔弯曲，使终孔角度达不到设计要求和规范要求。如遇断层，要注意断层部位孔内掉块和卡钻，在下钻和提钻过程中，在断层部位放慢下钻和提钻速度，避免钻具和断层碰撞，发生掉块和损坏钻头。
（2）地层产状因素。工程区岩层产状为单斜构造。岩层产状（走向、倾向、倾角）会影响钻孔施工质量。在地质钻孔时易发生钻孔偏斜，这就要求我们在钻孔过程中注意采用合理的钻进工艺方法和钻进规程参数，避免钻孔严重偏斜。
（3）水文地质情况因素。地下厂房系统位于右岸地下水位以下，多处有滴水和线状流水现象，且均是从张开的陡倾裂隙涌出。通过对出水裂隙方位统计，出水裂隙大多为近顺层的陡倾裂隙。岩层有裂隙和涌水，会影响钻孔正常钻进，严重时会发生钻孔事故。
（4）岩层特性因素。地下厂房系统围岩主要由青灰色变质砂岩与灰白色变质石英砂岩组成，间夹灰黑色砂质板岩，以中厚层状结构为主。因为施工区岩层变化，岩层硬度也在不断变化，在钻孔时钻头容易往硬度低的方向偏斜，导致钻孔偏斜。
（5）操作人员因素。操作人员的操作技能低和操作经验不足，也是影响钻孔质量和成孔率的主要因素。
（6）钻孔材料因素。钻杆、岩芯管和异径接头要求同心度高和刚度好，并且采用长钻杆和钻具，尽量减少钻杆接头数量，这些因素都可以降低钻孔的偏斜率。
（7）钻进工艺方法和钻进规程参数因素。不同的钻进工艺方法和钻进规程参数具有不同的破碎岩石特点，操作不当，会导致不同的孔壁间隙，孔壁间隙过大，钻孔易偏斜。
6.帷幕灌浆钻孔孔斜的控制方法
为确保钻孔质量，保证钻孔的孔斜达到技术规范要求，在钻孔施工过程中，我们采用合理的钻进工艺方法和钻进规程参数钻进，积极采取有效的预防钻孔偏斜措施加以控制和相应的纠偏措施，并且坚持以“预防控制为主，纠偏为辅”的方针。我们在施工中严格执行以下几点：
（1）严格按照设计施工蓝图要求的孔位和孔斜安置钻孔施工机械，保证准确的开孔方向。
（2）保证钻孔设备安装水平和稳固。钻孔机械设备安装前，地基要夯实平整，基台木保持水平和固定稳固。钻塔天车、钻机立轴和孔口保持“三点一线”。
（3）保证开孔质量。在钻孔开孔时，采用合理的钻压和低转速来钻进，保证钻孔孔向正确和孔径均匀。
（4）采用合理的钻进工艺方法和钻进规程参数。减小钻孔孔壁和钻具之间的间隙，减小孔内钻杆弯曲，减小钻具的倾斜。钻具要求直而圆，连接后同心度好，粗径钻具要求有足够长度，做到“以满保直”和“以刚保直”。钻进过程中控制好压力，减小钻杆弯曲度，使钻孔压力均匀分布在孔底，可以很好地控制钻孔偏斜。
（5）随着钻孔深度的增加，要选择和钻塔、钻孔深度合理搭配的钻杆和钻具。单根钻杆长度越长，可以减少钻杆接头数量，提高钻杆同心度和导向性，保证钻孔发生偏斜。
（6）在灌浆孔钻孔施工中，钻机操作人员具有丰富的工作经验和良好操作技能，钻进过程中能及时准确地做出孔内钻进情况，发现异常情况时迅速地做出合理的调整，避免钻孔偏斜逐渐增加。
（7）做好钻孔测斜工作。要及时掌握实际钻孔方向，以便及时调整钻孔偏斜，满足设计及规范要求。测斜仪器采用KXP-1型轻便测斜仪对孔向进行测量。钻孔测斜要做好钻孔测斜记录，并分析钻孔的偏斜情况，及时掌握孔斜情况。钻孔测斜一般要求：孔深大于20m时按每5m测斜1次，孔深小于20m时10m测斜一次，终孔段必须测斜。
顶角大于5°钻孔的孔底允许偏差不大于孔深的3%，方位角偏差不大于5°。垂直孔和顶角小于5°的灌浆孔孔底允许偏差见表3。
表3垂直孔和顶角小于5度的灌浆孔孔底允许偏差表
注：顶角（θ）：某测点对钻孔轴心的切线与铅垂线之间的夹角称为该测点的顶角。方位角（α）：某测点对钻孔轴心的切线水平投影与磁北方向之间顺时针的夹角称为该点的方位角。
7.帷幕灌浆钻孔孔内事故的预防和处理方法
钻孔事故中，主要有埋钻、卡钻、钻具折断、脱扣及跑钻事故、烧钻和孔内落物等事故。其中最常见的钻孔事故为埋钻和卡钻。埋钻和卡钻事故发生原因、预防措施及事故处理方法进行分析：
7.1埋钻事故原因、预防和处理
（1）埋钻事故的原因。发生孔内事故的原因比较多，归纳总结有下几种原因：现场管理不到位、操作人员工作经验不足、工作人员操作时精神不集中、钻进方法不得当、工作人员技术不娴熟、地质条件复杂、地层破碎、岩层不稳定、钻孔内坍塌掉块和漏水等。
（2）埋钻事故的预防。在钻孔施工前，认真分析施工区地质情况，做好钻孔施工中埋钻事故的有效预防措施，工作人员严格遵守各项管理制度，按钻进操作规程操作设备。根据地质情况和孔内钻进情况正确选用冲洗液，保持孔底清洁和孔内稳定，确保岩粉正常排出。根据岩性不同，选择合理的钻进工艺方法和钻进规程参数。预防埋钻事故措施有以下几点：①地层不完整，孔壁不稳定时减小钻进压力，尽量使钻杆不弯曲。在保证冲洗液能够正常排出岩粉时，减小冲洗液流量，减小对孔壁的破坏；②在钻孔遇到破碎段，易塌孔或掉块，钻进困难时，可以缩短灌浆段长，作为一个灌浆段进行灌浆固结处理，待凝24h后进行下一段钻孔施工；③保证水泵正常工作，在保证正常冷却钻头时，同时充分地把岩粉带出孔外。④钻具配带沉砂管，使大颗粒岩粉沉积在沉砂管中，起钻时及时清理沉砂管中岩粉，保证孔底清洁；⑤钻进过程中注意冲孔，保证孔底干净。
（3）钻孔埋钻处理。在发生钻孔埋钻事故时，工作人员必须保持冷静，及时对发生的事故采取相对应的处理措施，进行埋钻事故补救。埋钻事故发生后，在受力满足的情况下，一般用强拉硬顶的处理办法，用油缸上下活动或用卷扬机适当的提拔事故钻具。根据施工经验活动钻具，强力开泵冲洗，冲散埋钻物，并排出孔外，在埋钻深度不深，事故不是很严重，及时处理的情况下是有效的。在事故严重的情况下，采用打吊锤或千斤顶顶起事故钻具；若无效，可将填埋物的钻杆返上来，然后下入同径钻具送水钻进，将填埋物钻掉，并冲洗干净后用丝锥捞取事故钻具；若无效，返起孔内钻杆，用大一级的钻具扩孔到事故点，套扫事故钻具，把事故钻具打捞上来；如若还不能有效的处理孔内事故，可以采用“补孔法”来处理。
7.2卡钻事故原因、预防和处理
（1）卡钻事故的原因。卡钻大多数是由孔壁不稳定掉块引起的，如探头石（活石），或岩层滑移、错动和孔内掉物，均会造成卡钻事故。
（2）卡钻事故的预防措施。①在保证冷却钻头和排出岩粉的前提下，尽量减小泵量，保证钻孔孔壁的稳定性；②适当控制起下钻速度。下钻速度过快，会造成孔壁失稳，发生钻孔孔壁坍塌或掉块，造成卡钻事故；③钻头排队使用。可以使钻孔孔壁均匀，提高钻孔质量，保证钻孔安全，减少单孔金刚石钻头的消耗量等作用；④防止孔内掉物。孔内掉物也会造成卡钻事故发生，影响正常钻进。
7.3卡钻事故处理
卡钻的处理方法比较多，要根据卡钻的具体情况，选择正确的解卡处理方法，解除卡钻事故。卡钻事故发生后，一般上下活动油缸，或用卷扬机和液压系统向上提拔事故钻具，或是用振动器振动钻杆，都是很有效的方法。
8.帷幕灌浆孔钻孔施工过程预防孔口掉物
在钻孔停止施工时，要保护好钻孔孔口，用模板或箩筐等物件遮盖保护好孔口，防止施工工具或其他坚硬物从孔口掉入钻孔内，给钻孔施工带来不必要的阻碍，影响钻进进尺速度和钻孔成孔率。
（1）影响钻进进尺速度。一般情况下，孔口掉物采用打捞方法来打捞掉物，打捞方法有磁铁打捞器打捞或下钻具进行套扫打捞。进行打捞占用正常施工作业时间，影响钻进进尺速度。
（2）影响钻孔成孔率。孔口掉物后，在采用打捞补救的办法无效情况下，只能移动孔位，采用“补孔法”来处理。
9.结语
综上所述，帷幕灌浆是一种高效的防渗施工技术，在水电站建设中得到广泛的应用。在水电站帷幕灌浆施工时，施工人员必须要严格按照钻孔工艺及相关施工规范进行帷幕灌浆钻孔施工，同时还要加强对钻孔施工的质量控制及事故预防，从而确保帷幕灌浆钻孔施工的质量及安全，提高工程的整体效益。
参考文献：
[1]甘溪水轮泵水电站枢纽工程帷幕灌浆防渗处理[J].谭海峰.建筑知识.2017（14）
[2]某水库大坝基础帷幕灌浆施工方案研究[J].王海旭，李小萌.价值工程.2017（17）
[3]藏木水电站帷幕灌浆施工工艺及质量控制[J].李宏义，张刚.四川建筑.2016（03）
论文作者:张锦文
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/29
标签：钻孔论文; 帷幕论文; 事故论文; 断层论文; 钻杆论文; 钻头论文; 岩层论文; 《基层建设》2018年第8期论文;