沖擊式鉆機在倒虹豎井開挖中的應(yīng)用

賈紅軍

（陽城縣水務(wù)局，山西 陽城 048100）

1 工程概況

張峰水庫一干渠鄭莊—芹池供水工程鄭莊倒虹，位于沁水縣鄭莊鎮(zhèn)，倒虹全長1192m。倒虹進口豎井頂高程723.30m，底高程627.81m，深95.39m。豎井直徑2.6m，井內(nèi)安裝直徑1.6m鋼管，鋼管外側(cè)回填0.5m厚的混凝土?；鶐r地層巖性為二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）黃綠色中粗粒長砂巖與暗紫紅色泥巖互層。砂巖巖性堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育。

2 施工方案比選

施工組織設(shè)計確定的豎井開挖方式采用正井法，逐層由上向下開挖。

原施工開挖采用氣腿式風(fēng)鉆鉆孔，全斷面光面爆破。裝渣采用長繩懸吊斗裝渣，絞車吊桶出渣。由于以下原因，該方案在實際施工中無法實行：一是倒虹豎井位于沁水縣鄭莊鎮(zhèn)楊樹莊村前，村內(nèi)老舊房屋多，賠償金額高。經(jīng)多次協(xié)商，仍無法進行爆破施工，嚴(yán)重影響工程進度。二是倒虹豎井緊鄰正在建設(shè)的高沁高速路北側(cè)邊坡，爆破施工將和高速路的施工造成交叉影響。

沖擊鉆豎井施工有以下優(yōu)點：一是施工速度快。軟巖開挖日均鉆孔進度3.0～5.0m/d，硬巖開挖日均鉆孔進度0.3～0.5m，綜合鉆井進度1.5～2.0m/d。二是適應(yīng)性強。沖擊式鉆機成孔適應(yīng)于粘性土、砂土、碎石土和各種巖層。三是安全隱患小。沖擊式鉆機性能穩(wěn)定、使用簡便、安全可靠。由于采用沖擊成孔、泥漿攜渣，施工人員不需要下到井底，安全隱患降至最小。四是節(jié)省投資。原施工方法直接工程費用和因爆破施工而造成的賠償費用，遠高于沖擊式鉆孔施工費用，采用該工法可節(jié)省工程投資。

新舊兩種方案比較，突出了沖擊鉆成孔的優(yōu)勢，尤其是對周圍環(huán)境造成危害等優(yōu)點，決定采用沖擊鉆成孔的豎井開挖方案。

3 鉆井施工

3.1 工作原理

沖擊鉆成孔原理是，沖擊錘提升后垂直落下將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，利用沖擊錘所產(chǎn)生的沖擊能量，將巖石破碎。成孔過程中使用泥漿護壁，一方面可以保證孔壁穩(wěn)定，另一方面利用泥漿的懸浮功能將鉆渣懸浮，隨著沖擊鉆進的作業(yè)，鉆渣被帶出井外。沖擊鉆豎井施工工藝流程如圖1。

圖1 沖擊鉆豎井施工的工藝流程圖

3.2 鉆孔前準(zhǔn)備

3.2.1 測放孔位

場地平整后，按設(shè)計圖紙要求測設(shè)出豎井中心坐標(biāo)，并采用十字交叉法在井筒以外的穩(wěn)定部位測設(shè)4個定位樁，作為護筒安裝及鉆孔過程中錘頭位置的校正基準(zhǔn)。把鉆孔中心位置及護筒圓周線標(biāo)識在坑底,測放出直徑2.6m的鋼護筒安裝位置。

3.2.2 鉆機安裝

采用鋼絲繩沖擊式鉆機和十字鉆頭鉆孔。將鉆機吊裝至施工作業(yè)平臺就位，鉆機就位時必須保持平衡，不發(fā)生傾斜、位移現(xiàn)象。鉆具選用8t重十字型鉆頭。

3.2.3 護筒制作與埋設(shè)

護筒采用6～10mm厚的鋼板卷制而成，護筒直徑大于鉆機錘頭直徑約20cm，埋設(shè)深度為1.2～1.5m，鋼護筒中心應(yīng)與豎井中心重合。為防止護筒下沉，可在護筒周邊焊角鋼撐在地面上。在鋼護筒頂部開設(shè)溢漿口，并高出地面20cm。護筒埋設(shè)后，護筒與坑壁之間用土料回填密實。

3.2.4 布置泥漿循環(huán)系統(tǒng)

合理規(guī)劃布置泥漿池、沉淀池等泥漿循環(huán)系統(tǒng)。在鋼護筒旁準(zhǔn)備足量的粘性土，粘土里不得含有粒徑超過0.5～2.5cm的石子，并將滿足施工需要的水源引至豎井附近。根據(jù)場地情況，在鉆機作業(yè)平臺外側(cè)布置一個長方形沉淀池，容積約20m3。

3.3 鉆孔作業(yè)

3.3.1 泥漿調(diào)制

首先向鋼護筒內(nèi)添加粘性土，并向護筒內(nèi)注水，開動鉆機調(diào)制泥漿。用鉆頭以小沖程反復(fù)沖擊造漿，泥漿比重范圍為1.0～1.2。在鉆孔沖擊循環(huán)作業(yè)時，應(yīng)隨時檢查泥漿的黏度與密度，并隨鉆井進度不斷向豎井內(nèi)添加粘土、注水。

3.3.2 鉆孔

護筒底腳以下1～2m范圍內(nèi)，采取小沖程、高頻率反復(fù)沖砸，確?？妆诜€(wěn)定。在鉆機沖擊過程中，鉆機錘頭提升的高度不宜過高，沖程根據(jù)地質(zhì)情況及巖石強度的變化分別確定，應(yīng)控制在0.5～2.0m。軟弱地層要采用小沖程、高頻次的鉆進方法，堅硬地層時，可采用高沖程、低頻次的重打法，加大鉆頭的沖擊力和泥漿的懸浮力，使鉆頭沖擊到巖層的新鮮層面。如巖層表面不平整，應(yīng)及時采取技術(shù)措施，防止發(fā)生斜孔、穿孔事故。正常沖擊時，應(yīng)在鋼絲繩上作記號控制沖程，控制好鋼絲繩放量，防止鋼絲繩放多減少沖程，放松過少，則不能有效沖擊，形成“打空錘”，損壞沖擊機具。沖擊鉆頭到底后要及時收繩提起沖錘、防止鋼絲繩纏卷沖擊鉆具或反纏卷揚機。

3.3.3 出渣

在鉆機錘頭沖擊巖石成孔的過程中，依靠不斷循環(huán)的流動泥漿將孔底巖渣攜帶，使其上浮，然后通過護筒上口預(yù)留的溢漿孔口，將巖渣帶出孔外。一方面隨著孔深的增加，不斷向孔內(nèi)補充新鮮的泥漿。另一方面，對返回的含渣泥漿經(jīng)過沉淀處理后重復(fù)利用。將泥漿泵安裝在沉淀池，使泵的吸漿范圍在沉淀池表層1m左右的范圍，將沉淀的可用泥漿通過管道抽至豎井作業(yè)面下部，輔助將破碎的鉆渣懸浮。定期對沉淀池進行清理，將巖渣清理干凈。

4 結(jié)語

針對工程的地質(zhì)特點和施工外部環(huán)境，科學(xué)、正確地選擇施工方法，將對施工安全、質(zhì)量、工期、成本等帶來很大影響。基于這一思路，利用沖擊式鉆機開挖豎井的方法，在張峰水庫一干渠鄭莊—芹池供水工程鄭莊倒虹工程的施工實踐中取得了成功，可為類似水利工程提供借鑒。