1.舟山市水利勘测设计院 浙江舟山 316000；2.浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院 浙江舟山 316022
摘要：对潜孔钻钻孔施工的原理、特点、应用和发展作了介绍；对现行的自记式水位计、水位自记平台的建设形式和建设方式进行了详细阐述；结合工程实例，就潜孔钻在水位自记平台建设中应用的可行性、施工工艺和优缺点进行了详细的分析。通过实践表明，该技术应用在水位自记台的建设中是可行的，并且大大减小了工程量，缩短了施工工期，节约了建设资金。
关键词：水利工程；潜孔钻；水位自记平台；应用；分析
Application and Analysis of DTH Drill in Water Level Self-recording Platform Construction
YAO Fengfeng1, WENG Yisong1, HONG Qingru2
(1.Zhoushan Institute of Water Reconnaissance and Design,Zhoushan, Zhejiang 316000;
2.School of Naval Architecture and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 316022)
Abstract: The principle, characteristics, application and development of DTH drill are introduced.The current water self-recording devices, the type and construction of water Level Self-recording Platform are all discussed in detail.Combined with engineering examples, the feasibility, techno- logy,advantages and disadvantages of the application of DTH Drill in the construction of water Level Self-recording Platform are analyzed in detail.The practice shows that this technologyis feasible.It greatly reduces the engineering quantity, shortens the construction period and saves the construction fund.
Key words: water conservancy project; DTH drill; water level self-recording platform; application; analysis
1 潜孔钻概述
潜孔钻是一种露天凿岩设备，与一般凿岩机不同的是其冲击器装于钻杆的前端，潜入孔底，活塞打击钎杆时的能量损失不随钻孔的深入而加大，具有钻凿孔深长、孔径大、使用方便、工作效率高等特点，潜孔钻机靠履带行走，适合场地比较平整，工作面比较开阔的现场，不受水、电条件的限制[1]。潜孔钻的应用十分广泛，领域涉及地矿勘探、露天矿业开采、建筑工程开挖、水利水电工程、水泥建材矿山采石、交通工程建设、岩石锚固工程、地下金属矿业开采、以及城市供水、市政、交通、环境等方面建设工程，尤其在钻爆法凿岩施工中扮演重要的角色[2]。
图1 潜孔钻具示意图
1——推进调压机构；2——回转供风机构；3——钻杆；
4——冲击器；5——钻头
目前，国内外对于潜孔钻的研究和应用均发展到了较成熟的阶段。潜孔凿岩法于1932年由美国首先提出，第二次世界大战后被逐步推广应用，上世纪五十年代后期到六十年代初期，国外对潜孔钻进行了大量的研究改进并生产，一度被认为是最经济有效的钻孔凿岩方法。瑞典的阿特拉斯?科普柯公司和山特维克公司最新设计的高气压潜孔冲击器和相应的配套钻头在凿岩设备领域处于领先地位[2]。我国最早于上世纪五十年代从苏联引进潜孔钻机，六七十年代开始加大对潜孔钻具的科研攻关和实验研究力度并一直发展至今。近年来我国的潜孔钻具工业取得了长足的发展，产品的性能和质量不断提高。我国几家主要高气压潜孔钻具生产企业的产品并不比国外的产品逊色许多。
尽管潜孔钻钻具发展迅速，其基本原理仍是一样的。潜孔钻机的钻具包括钻杆、冲击器和钻头。钻杆一端联接回转供风机构，另一端联接冲击器。冲击器的前端安装钻头。钻孔时，回转供风机构带动钻具回转并向中空钻杆供给压气，冲击器冲击钻头进行凿岩，压气将岩碴排出孔外，推进机构将回转供风机构和钻具不断地向前推进。见图1。?
2 水位自记台及水位计现状概述
目前，浙江省范围内建设的水库水位测井有这样几种：重点水库以采用浮子式水位计的竖井为主，其水位台为岛式或岸式；一般水库以斜井为主。
2.1 自记式水位计概述
目前应用较多的自记式水位计主要有浮子式水位计、压力式水位计、气泡式水位计、超声波水位计、雷达水位计和激光水位计等[3-4]。就实际情况来看，前三种水位计的应用较多。其中，浮子式水位计具有使用经验丰富、性能稳定、精度较高、设备价格低、易于维护、使用寿命长等优点，因此在实际中使用最广泛；但由于应用时需要专门建设测井，土建工程量大，造价较高，所以制约了其在一些水文站的应用。其它的自记式水位计是近年来逐渐在水文遥测工作中开始应用的，由于受泥沙、温度等影响因素较多，精度、性能稳定性差别较大，所以应用并未普及。各种自记式水位计的优缺点比较见表1。
2.2 水位自记台建设型式
水位自记平台按其结构和工作方式可分为直立型、悬臂型、双斜管型和斜坡型等[5]。直立型水位自记平台也就是竖直测井，是目前应用最广泛的水位自记台的结构型式，井内可以安装浮子式、压力式等大多数水位计，使用技术成熟、水位观测精度高、稳定性好，但测井的土建费用较高。悬臂型水位自记平台是为安装超声波、雷达等非接触式水位计而架设的观测平台，结构简单、造价低、安装维护方便，但其要求悬臂端垂直面向水面，否则会影响水位观测精度，这使得其在不具备良好施工条件时无法使用。斜坡型水位自记平台是由竖直测井改造而来，需依附较陡且平整的边坡修建，在斜管中安装斜式浮子式水位计。由于测管衔接难以做到理论上的一条直线，水位轮加工精度不够高，斜井基座沉降等原因易造成水位监测数据不准确，故一般在非重点水库中应用。
2.3 直立型水位自记台的传统建设方式
采用竖直测井的水位自记平台按其在断面上的位置，布置形式可分为岛式、岸式和岛岸结合式，无论哪一种形式都需要建测井、仪器房和进水管三部分。测井的建设一般采用建塔式和挖入式，井身采用现浇混凝土或者砌体结构；进水管的传统建设方式一般为：修建围堰、施工位置排水、开挖进水管沟槽、铺设进水管、回填及修建护坡，其中开挖沟槽和修建护坡是施工难度最大、投资最多的部分。另外，岛式和岛岸结合式还需要修建栈桥，土建费用更高。由此可以看出，传统的建设方式存在施工步骤多、工程量大、施工周期长、土建费用高、投资大的问题，解决的关键在于如何避免开挖沟槽、回填和修建护坡的施工步骤。
3 潜孔钻在水位自记台中的应用
3.1 潜孔钻应用的可行性分析
经过多年的努力研发，我国的凿岩钻具发展到了一个较高的水平，潜孔钻机的生产已经完全能够满足甚至超过市场需求，潜孔钻的应用越来越广泛，在很多工程领域内得到采用，施工工艺越来越成熟，掌握潜孔钻钻机使用的技术人员也遍布全国各地。潜孔钻机可以在中硬或中硬以上的岩石中钻孔，在地质条件满足潜孔钻施工要求的前提下，完全可以采用潜孔钻机凿岩钻孔，为水位自记平台的进水管铺设预留通道。
3.2 沙田岙水库水位自记台建设实例
虽然遥测站点已经覆盖了舟山大部分的水库和河道，但是仍然有许多小（二）型以上水库未安装实时遥测监控设备，在台风和暴雨洪水来袭之时，这些水库往往是安全隐患的盲点，给防汛决策带来了一定的难度和影响。为完善水情遥测系统，决定对这些水库进行水位自记平台的研建，以提高水雨情遥测系统的完整性，增强抵御风险的能力，位于舟山市普陀区的沙田岙水库正是其中之一。
沙田岙水库的最高测量水位为32.00m，校核洪水位为31.94m，设计洪水位为31.15m，放水涵管进口高程为11.30m，最低测量水位为12m，竖井井深为20m，进水管总长为19m（其中入岩深度为11m）。竖井内采用PE管内衬，引水管材料为PE管，采用浮子式水位计进行水位观测。施工位置地质资料为：上层为黏土或亚粘土层，下层中风化岩，满足潜孔钻施工的条件。见图2。
图2 沙田岙水库水位自记台示意图
3.3 潜孔钻钻孔施工工艺
水位自记平台的进水管部分采用潜孔钻进行施工，潜孔钻一般在钻爆法凿岩施工中应用较多，现在在水利工程中得到创新性应用并获得了成功。
(1) 施工位置死库容排水，修建简易围堰。水库底引水管进水口位置挖坑槽，挖至岩石面。
(2) 用挖掘机将施工场地清理、整平好，修一条便于潜孔钻行驶的便道并预留出足够的作业空间，方便潜孔钻机能够进出、行驶及操作。
(3) 定位放样。根据设计要求在岩石面进行引水管入岩处的精确放样，并用红色油漆做好相应标记。
(4) 潜孔钻钻孔前要进行精确定位，根据孔位高低及钻杆角度，适当调整钻臂高度和钻孔角度。通过仪表盘观察钻杆的倾角，通过指挥人员指挥，操作人员将钻机钻臂调整至需要的角度为止，固定好确认无误后开钻。
(5) 开钻后要注意孔深的控制，潜孔钻的每根钻杆长度一定，通过计算可以得出需要的钻杆数量以及最后一根钻杆的钻入深度，在钻杆上做好标记。
(6) 钻孔过程中应有施工技术人员对地质情况和钻入情况做好详细记录，遇到特殊情况应及时反馈、采取补救措施。如遇地层松动破碎时，应及时采用跟进套管的钻入技术，保证钻孔不塌；如遇塌孔，应进行固壁灌浆处理，待水泥初凝后，重新清孔钻进。
(7) 钻孔过程中用测斜仪器检测钻孔的角度和顺直度，及时纠偏，保证钻孔满足设计要求。
(8) 钻孔完成后应反复校核孔深，确认无误后方可退出钻杆，钻杆退出过程中应反复进退吹渣清孔。采用高压风进行清孔，石屑、岩粉等残渣通过大量高压空气沿孔向孔口吹出，孔口粉尘过大，必须对孔口进行喷洒水雾除尘。
(9) 清孔完成后，即可铺设进水管。
3.4 潜孔钻钻孔施工与传统施工方法的对比分析
(1) 优点：与传统的“开挖沟槽——埋管——回填”建设方式相比，采用潜孔钻钻孔施工，避免了大方量开挖回填土方，施工工序简化，工期大大缩短，同时对于边坡稳定和环境影响小，工程量小、工程造价低。
(2) 缺点：潜孔钻用于在岩石上钻孔，对地质条件要求高，使用上容易受到限制，并且钻孔施工的过程中可能会出现塌孔，风险较大，安全性差。
4 结语
在沙田岙水库的水位自记平台建设中，创新性地采用了潜孔钻钻孔凿岩法进行进水管部分的施工，施工前根据地质条件和设计要求制定了完备可靠的方案，施工过程顺利，施工质量良好，经实践证明这一方案确实可行。与传统的建设方式相比，采用潜孔钻钻孔凿岩法使得施工工期缩短了30%，费用节省了40%，具有良好的应用效益，值得推广使用。该法对地质条件要求较高，选用该法前应对施工位置进行地质勘查和建设费用估算分析，当地质条件和投资预算均满足要求时，可以采用。
参考文献：
[1]何荣山, 吴泽. 锚杆潜孔钻钻孔及锚杆施工工艺[J]. 重庆建筑, 2008(7):20-22.
[2]胡铭, 董鑫业. 国外潜孔钻具研发方面的新动向[J]. 凿岩机械气动工具, 2016(1):1-5.
[3]曹平. 水位观测仪器的选择与应用[J]. 台湾海峡, 2001, 20(3):292-297.
[4]张文鼎, 许笠, 赵根元. 大量程水位自动采集装置研究[J]. 人民长江,1996,27(8):4-6.
[5]SL384-2007水位观测平台技术标准[S]
论文作者:姚丰丰1,翁益松1,洪庆儒2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/11
标签：水位论文; 水位计论文; 钻孔论文; 钻杆论文; 水库论文; 钻机论文; 沙田论文; 《建筑学研究前沿》2018年第22期论文;