关于对穿锚索造孔精度的探讨

关于对穿锚索造孔精度的探讨

盛先镜 ,易湘华

中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司  湖北宜昌  443002

摘要：鉴于对穿锚索相对端头锚索的优越性，造孔精度达到要求是发挥其优越性的前提和保证。通过对造孔精度产生影响的主要因素分析和探讨，针对性采取相应措施，重点控制钻杆转速、推进力及排渣频次在一定合理范围，可在一定程度上提高造孔精度，从而降低废孔回填及重新造孔产生的损失，节约生产资源及提升经济效益。

关键词：对穿锚索；造孔精度；终孔；误差率

一、保证对穿锚索造孔精度的重要性

（一）对穿锚索相较端头锚索具有的优越性

1.对穿预应力锚索，既充分利用两个临空面的优越性，又充分利用了钢绞线的高抗拉强度和混凝土与岩体的高抗压强度的特性。同时，还具有对岩体及结构扰动小，简化束体结构，方便施工和受力科学等优点，是一项在工期、质量、安全和造价等技术经济效能方面都具有一定的先进性、实用性的工程施工技术。

2.对穿锚索除具有端头锚索的主动作用和作用快的共同优点外，还具有如下显著特点：

1）受力结构更科学。端头锚索是内端受拉，外端受压；对穿锚索岩体或结构两面同时受压。它充分利用了岩体和结构高抗压能力，且两面压力又通过传力结构传给岩体或结构，既起控制岩体或结构变形，又起到提高岩体或结构稳定能力的效果。

2）简化束体结构。端头锚索结构由内锚段、自由段和外露段3部分组成；而对穿锚索只由自由段（张拉段）和两个外露段组成，束体结构单一简约。

3）减少干扰和提高工效。对穿锚索施工可以充分利用两个工作面的有利条件，在索体及两端锚墩安装完成的情况下，即可展开张拉施工，无须对孔道先行灌浆，等待灌浆结石强度达到张拉要求（利用了岩体和结构高抗压能力），减少对开挖工程施工的干扰，加快施工进度和及时加固的效果。 

（二）造孔精度满足要求是保证对穿锚索优越性的先决条件

1.造孔精度超出设计要求的误差范围，易造成终孔挤占终孔端设计的其他结构安装。

2.造孔精度超出设计要求的误差范围，终孔误差超出设计要求的误差范围，易造成张拉后预应力不能按设计要求对受力体进行均布。

3.造孔精度超出设计要求的误差范围，孔道弯曲易造成索体安装困难，张拉时钢绞线在孔道内与孔道岩壁接触产生不规则的摩擦力，致使钢绞线预应力分布及岩层受力不均，降低张拉效果。

二、产生造孔精度误差的主要因素

保证造孔精度是发挥对穿锚索优越性的前提，那么找出产生造孔精度误差的主要因素，因对施策来控制保证造孔精度误差满足设计要求是解决问题的根本途径。实践表明，产生造孔精度误差的主要因素如下：

（一）钻具自重与钻杆结构特征造成的自然偏斜

1.钻具在钻进过程中受自身重力影响，天然产生一个下垂力，且钻进越深，钻具在孔道内的自重越大，产生的下垂力也越大。

2.钻杆自身结构不均质，使用过程中产生变形，导致钻具钻进旋转过程中受向心力影响产生不规则振动，加大了自重产生的下垂力的影响。

3.上述影响导致钻进过程中孔道轨迹大致呈向下的确定性的抛物线趋势。

（二）钻进过程中钻杆在强大钻进压力下造成的弯曲

受钻具自重产生的下垂力影响，使钻杆形成向下的弧形弯曲（一般中间下垂度最大），钻进过程中由于施加钻进压力则使弧形弯曲度增大，且钻进压力越大，弧形弯曲度越大；同时钻杆绕钻杆轴线自转时，钻杆整体又随着孔道轴线公转；由于钻进压力越大，弧形弯曲度越大，则钻具在孔道内与孔壁摩擦，能量损耗越大，同时抖动越加剧，从而进一步加剧影响孔道的顺直性。其影响趋势具有向下的确定性。

（三）岩层因素

1.钻进至岩层破碎和不稳定段，较大破碎石块很难及时排出孔道而卡在孔道某个位置，从而改变钻进方向，且改变至哪个方向具有不确定性。

2.钻进至断层且钻进方向与断层面斜交时，一般远离钻头端岩块先行破碎而形成空腔，钻头则因空腔阻力较小而向空腔方向进给，从而改变了钻进方向。由于断层面方向及分布情况很难准确掌握，因而断层对钻进方向的影响具有不确定性。

3.钻进至软硬交错夹层，由于岩石一般具有硬脆性的特点，岩石在遭受钻头及冲击器锤击时，岩层较硬的部分一般先行破碎，形成空腔，从而致使孔道向岩层较硬的方向发展，且其改变的方向具有不确定性。

（四）基本控制手段的落实程度

钻具选型及孔向基本控制手段确定后，由于钻工操作手法不同，孔向基本控制手段的落实程度不同，对钻孔精度的影响则不同。

三、控制终孔精度的主要措施

造孔终孔精度是衡量造孔精度的直观且重要的指标，是衡量孔斜是否满足设计及规范的重要标准。因此，对于产生确定性和不确定性影响的因素，针对性采取合适的相应措施和手段来加以控制，对保证终孔精度至关重要。

下面以叶巴滩水电站对穿锚索施工采取的措施加以说明：

（一）对造孔精度产生确定性影响的因素采取的相应措施

一般采取导直钻进工艺，对钻具与钻杆结构特征造成的自然偏斜，以及钻进过程中长度较大的钻杆在强大钻进压力下造成的弯曲这两方面钻孔偏斜的控制效果较好。具体措施如下：

1.钻具自然偏斜误差与控制

钻具包括钻头、冲击器，全长1.45米，头部直径ф165，尾部直径ф136；后部接细小钻杆，在水平钻孔中具有自然偏斜角。钻进过程中当钻进到钻杆第一挠曲波长时，在自重力作用下钻杆开始呈抛物线下垂，钻进越深，垂曲距离越大。为克服这种自然偏斜造成的钻孔精度误差，保证钻孔精度，在冲击器后部安装一较大直径的钻具扶正器，见图1-图3。

图1  钻具自然偏斜角示意图

图2  钻杆钻具挠曲半波长示意图

图3  钻具级配间距示意图

试验表明对上述钻具配备的扶正器参数如下：长度0.3-0.5米，直径ф158-ф160，表面刨槽凸棱，表面冷压合金柱齿与表面贴平，增加耐磨能力和加大导风排碴效果，减小重复破碎保证进尺效率。

2.钻杆弯曲与控制

叶巴滩水电站对穿锚索孔深普遍在30-51.33m，使用ф89钻杆，其径长比约为：3/1000-18/10000，其变曲度发生在孔内回转时，螺旋弯应力导致钻杆自转（绕钻杆中心轴转动）；加上轴向压力，偏斜力成倍上升，沿重力方向偏斜越来越严重。

控制钻杆弯曲的方法：加强钻杆刚度，采用ф89双壁钻杆和增大钻杆直径至ф108，来提高钻杆刚度；增加钻杆扶正器，延长钻杆弯曲波长，即在弯曲半波长位置增加扶正器支点。这样可以使钻杆绕着钻孔轴心，沿孔壁滑动做公转运动，使孔轴心呈直线延伸，减小弯曲力，减轻钻机负荷，达到水平成孔效果。

两种措施构成了导直钻进工艺，结构如图4。

图4  钻具扶正示意图

（二）对造孔精度产生不确定性影响的因素采取的相应措施

对于人工操作、钻具、测量角度仪器精度、岩层等因素导致造孔过程中孔道发展方向不确定，降低其影响的主要措施一般为：

1.尽量选取直径大、刚度强，轻质且笔直无变形的钻杆，以降低钻具自重及钻杆绕孔道轴线公转产生的能量损耗，同时降低振动对孔向的影响。

2.采用后视点控制方位角。后视点与开孔点在条件允许的情况下尽量与开孔点位距离大一些，距离越大，则开孔孔向越准确。后视点及开孔点一般采用全站仪放样以保证精度。当因某种特殊情况开孔失败须重新移位开孔时，后视点须同步移位且移位距离与开孔点移位距离相等。采用激光水平仪调整方位角时，务必先调整激光水平仪发射的水平光线平行于水平面，在此基础上微调钻机及激光水平仪位置，直至后视点、开孔点及钻杆轴线均落在激光水平仪发射的垂直面光圈内，这样锚索方位角就控制到位了。采用吊线锤调整方位角时，微调钻机位置，直至目测视线与吊线锤垂线、钻杆轴线、后视点及开孔点均在同一垂直面上时，锚索方位角也就控制到位了。

3.采用精度较高的坡度尺或量角器控制造孔倾角（建议精度0.1~0.2°），且坡度尺或量角器与钻杆接触长度越大，倾角量测越精确。

4.方位角及倾角控制到位后，由于开孔点岩面有可能不规整，应先在开孔点原位缓慢钻进，锤击一个约10cm钻窝，以确保钻头在窝内不侧向滑动。再继续钻进约50cm，再次复核方位角与倾角是否满足精度要求，须复核无误防止起始钻进偏差后，稳固钻机再续钻。规范建议后续每钻进5~10m量测一次孔斜，根据实测情况实时纠偏，深孔重点控制0~20m范围，以保证钻孔精度。对于规范建议可参照执行。

四、钻杆转速、推进力及排渣对造孔精度产生的影响

终孔精度是反映造孔质量及造孔精度的主要形式。终孔精度满足要求，则造孔精度也满足要求。

一般的，对于风动潜孔锤冲击回转钻进造孔，穿越复杂地层，尽量采取低转速、低给进、辅以反复排渣的作业方式，达到进一步降低终孔误差的目的。

（一）钻杆转速、推进力及排渣影响造孔精度的机理

钻具选型、测斜仪器在各施工场地一般都会相对明确并固定下来，因而钻具自然偏斜产生的误差也就相对固化下来。而钻杆在推进力作业下弯曲产生的误差则与推进力及钻杆转速有着直接的关系。推进力越大，钻杆弯曲度则越大，钻杆转速越大，则产生的振动越大，从而产生的孔道偏移也越大，终孔误差也越大；反之孔道偏移则越小，终孔误差也越小。钻进过程中排渣越及时，则孔道内钻杆阻力及改变钻进方向的积渣越少，从而成孔越顺直，终孔误差也越小。

（二）统计数据验证

叶巴滩电站主厂房与主变洞隔墙岩层复杂，采用51.33m水平对穿锚索加强支护。其中在钻具确定的情况下，早期未对钻杆转速、推进力及排渣作硬性要求，共造孔10束，对终孔偏差值及误差率统计制表1如下：

表1  未规范钻进速度、推进力及排渣前终孔偏差统计表

从表1可以看出，其终孔偏差值普遍较大，终孔误差率平均值达1.88％，且终孔偏差高达4孔未能满足终孔孔轴偏斜不大于孔深的2％的设计要求，须废孔回填重新造孔处理，合格率仅为60％，造成生产资源及生产力的极大浪费。

针对此种状况，制订以下具体措施对钻杆转速、推进力及排渣频次进行约束：

1.钻杆转速≤40r/min，以降低钻杆公转产生的抖动。

2.钻孔孔深较浅时，控制油压推进力，严格控制风压，控制风压≤9kg/cm2、钻速≤5m/h；钻进15m之后，可根据岩石情况调整风压为13~15kg/cm2、钻速按照8m~9m/h进行控制。

3.每钻进5m强制排渣1次，遇破碎带降低风压、转速及推进力，轻缓锤击及磨削至孔道内岩块细碎，尽量减少较大碎石产生，便于排渣顺畅，确保孔道顺直。

经执行上述措施后，按造孔施工顺序选取16束，对终孔偏差值及误差率统计制表2如下：

表2  规范钻进速度、推进力及排渣后终孔偏差统计表

从表2可以看出，终孔偏差值明显减少，且终孔误差率平均值降至1.03％，统计16孔的终孔偏差仅有2孔未能满足设计要求，合格率大幅提升至87.5％，废孔回填重新造孔的现象显剧降低，极大的节约了生产资源及生产力，生产效率及经济效益得到明显改善。

结论：

对于风动潜孔锤冲击回转钻进造对穿锚索孔，穿越复杂地层，在钻具选型、测斜仪器明确，造孔精度控制措施完善的情况下，落实低转速、低给进、辅以反复排渣的作业方式，能有效提升造孔精度及成孔合格率，降低废孔回填及重新造孔损失，从而节约了生产资源，提升了经济效益。