水利工程_倒垂孔、双金属标孔施工组织设计方案

大坝倒垂孔、双金属标孔施工及监测设备安装组织设计

一、施工准备

1、钻孔结构设计

1）倒垂孔钻孔结构设计

根据本工程地质重要条件和倒垂孔设计要求，造孔拟采用金刚石单管导向管柱钻进。

本工程拟采用φ430mm金刚石钻头开孔，钻孔深度等于孔口导向管长度，下入φ377mm孔口导向管（长2m左右），管外用水泥砂浆固结，再以φ330mm、φ280mm金刚石单管钻进，以φ220mm终孔；必要时，可变径以φ180mm金刚石钻头钻进至终孔。造孔施工中，其粗径钻具长度不小于10m，以保证倒垂孔的垂直精度。

2）双金属标孔钻孔结构设计

根据本工程地质条件和双金属标孔设计要求，造孔拟采用金刚石单管导向管柱钻进。

双金属标孔拟采用φ430mm金刚石钻头开孔，钻孔深度等于孔口导向管长度，下入φ377mm孔口导向管（长2m左右），管外用水泥砂浆固结，再以φ330mm终孔。造孔施工中，其粗径钻具长度不小于10m，以保证双金属标孔的垂直精度。

2、钻进技术参数的确定

为保证钻孔的垂直精度，为防止钻孔偏斜，必须严格控制并随时调整钻进参数。孔底钻压控制在2~2.5Mpa，转速65~95r/min，冲洗液量80~110 L/min，钻速控制为0.5cm/min，以控制钻速来调整钻进参数，严格控制回次进尺。

3、钻机的安装与调整

1）钻机的安装是倒垂孔钻机的重要环节之一，必须认真对待。钻机安装在基台木上，再以三根18#槽钢作压梁，通过预埋的螺杆，将钻机基台牢固固定在坝台面上，保证钻机安装稳固，水平，周正，同时当松开螺杆时钻机又可前、后、左、右四个方向自由移动，以适应钻孔纠斜时钻机的平面位移。

2）钻机安装后，应采用两台经纬仪校正钻机立轴，使其上、下死点与孔口中心偏差控制在1mm以内。

4、孔口导向管的安装与调整

孔口导向管下入时，应使孔口导向管距孔底20cm左右，使导向管悬吊于孔内，并对其垂直精度进行严格细致的调整。其垂直精度高于倒垂孔精度，其中心偏差控制在2mm以内，调整后灌入水泥砂浆使其与孔壁固结。

二、造孔钻进施工工艺

钻孔防斜是倒垂孔施工的关键环节，在施工全过程中，必须严格控制钻进技术参数和钻进速度，并以钻速控制和调整其它钻进参数。

禁止盲目追求进尺，始终坚持“防斜为主，定时测斜和及时纠斜的原则，采取综合防斜和有效纠斜措施，确保孔斜满足设计要求。

1、开孔钻进

1）按设计图纸测量放样确定位误差不大于±2cm。

2）开钻前，应重新校对立轴中心，使其与导向管的中心相重合，采用合金钻具进行开孔钻进，开孔钻进应采用轻压慢转钻进。

2、孔身钻进

1）孔口导向管下入后，将开孔钻具连接立轴下端，置于孔口导向管内，采用垂线法逐一渐调整X、Y两个方向误差，使其精度控制在1mm以内。

2）在孔孔口向管内采用金刚石钻进，同时使用小于导向管内径2-3mm 钻杆扶正器，随着钻孔延伸，逐步加长粗径具，直至达到10-12m。必要时还可再加长，形成管柱钻具，以保证可靠导向性。

3、正常钻进与纠斜钻进

在钻进过程中，正常钻进时，采用长精径钻具；纠斜钻进时，、钻杆不用钻杆导向器，并采用短钻具，严格控制进尺。

4、钻杆扶正器

粗径钻具以上的钻杆均应设置钻杆扶正器，使钻具回转平稳，以消除由于钻杆挠曲摆动而产生的孔斜。本工程拟采用翼片式钻杆扶正器，外径方向镶以保径合金，以减小其磨损保证孔径。

5、钻进冲洗液

混凝土孔段采用清水钻进，基岩孔段采用乳化冲洗液，以润滑钻具，减少阻力，提高效率，延长钻、头使用寿命，保证钻孔垂直精度。

6、采用较小的钻进参数

立轴转速和钻进压力，是控制钻进速度、防止孔斜的关键环节，正常钻进中，不得使用钻机加压。

浅孔钻进时，可用粗径钻具和钻铤等孔底加压，深孔钻进时应减压钻进，使钻具呈微拉状态。

7、施钻技术要求

施钻时，上下钻具要平稳，严禁猛墩或强力起拔，钻具遇阻时要分析原因，正确处理，提钻时，严禁猛甩钻杆，钻具，防止其变形、弯曲。

每回次下钻时，粗径钻具、钻杆各螺纹连接部位应涂黄油，便于拧卸。

8、岩心采取

为保证岩心采取率，在岩心采取时，其卡料规格应符合要求，每回投入卡料采取岩心，争取一次取心成功。岩心采取后进行钻孔测斜孔斜符合要求才能继续钻进。

9、钻孔变径

钻孔变径是倒垂孔钻进的重要环节之一，钻孔变径应使用导向钻具钻进。当小径孔段长度等于大径钻具长度时，再去掉导向钻具。

变径钻进时，应采用轻压慢转的较小钻进参数。

10、定时测斜

1）定时测斜，即每钻进1m左右测定孔斜一次，并记录在测斜表格上，及时掌握和分析孔斜变化情况，如发现偏斜值超过规定范围，应立即采取有效的纠斜措施，防止因偏斜值过大而造成纠斜困难。

测斜工作必须在捞尽孔内岩心及沉淀物以后再进行。

2）测斜操作方法：

（1）首先安装好水箱架和水箱，保持基本水平。然后箱内注水，当浮体能在液面上自由漂浮时可停止注水。

（2）用钢丝与鼓形测斜仪连接，通过绕线架控制，将鼓形测斜仪下到预测孔深。

（3）将绕线架放置于浮体上，待浮体平稳后即可测量孔斜，在孔口十字坐标上量出偏斜的横坐标与纵坐标值。该坐标与孔口十字坐标原点的距离即为中心偏斜值。

11、钻孔验收

终孔后，应立即洗孔，清除孔内残渣，然后自下而上每1m或2m逐段测斜。经验收合格后下入垂线保护管。

三、钻孔设备机具选型及主要技术要求

1、钻机

根据本工程地质条件和倒垂孔设计要求，拟选择稳定性好，精度高、具有足够功率的金刚石钻机，以承受钻机过程中的扭矩，消除由于立轴晃动，偏心而产生的钻机具振动与不稳定。拟选择XY-4型液压钻机，以满足倒垂孔施工要求。

2、水泵

根据钻进工艺，钻孔直径和钻孔深度等因素。选择有耗能较小、操作灵活，可变量、解体性能好，便于搬迁的三缸往复式水泵，本工程拟选择BW-250/50型泥浆泵。

3、钻塔

根据本工程施条件及倒垂孔钻进的技术要求，拟选用稳定性好的四脚钢管式钻塔。安装时保证钻塔顶部天车前沿，立轴中心及孔口中心三点呈一垂线，钻塔四脚用螺栓紧固在混凝土坝面上。

4、孔口导向装置

为确保孔定位准确，开孔钻进铅直，升降拧卸钻具安全，本工程孔口导向装置，拟设计为孔口导向管。

5、钻具与立轴钻杆

根据本工程地质条件和倒垂孔设计要求，拟选择的足够刚性与强度的89mm粗径钻杆。钻具选用同轴度好，刚性强的钻具组。

岩心管、沉淀管、沉接头，钻杆与锁接头的加工精度应满足规定要求。其不同轴度误差应小于0.2mm，每米长度内的弯度不得大于0.5mm。立轴钻杆必须保持垂直。

6、钻杆扶正器

钻杆扶正器外径应小于孔口导向管内径或钻孔真径2-3mm。一般情况下，每根钻杆均应安装钻杆扶正接器。

7、钻头

根据本工程地质条件和倒垂孔设计要求，开孔钻进拟选作硬质合金钻头，开孔后拟选用表镶金钢石钻头。

8、钻孔测斜仪

本工程拟选用DZ-2型浮标式钻孔孔测斜仪，以保证测斜精度满足规定要求。

9、主要设备机具配置

本工程主要设备机械配置（见表3-1）

大施工设备清单 表3-1

四、主要纠斜方法

1、钻机平面位移法纠斜

这是一种见效较快的纠斜方法。在偏斜值不大，孔深20m的情况下及时采取此方法纠斜可达到理想效果。

其方法是将钻机平面移动一定距离，一般移动量为孔斜值的2-4倍，再将钻机固定即可进行纠斜钻进。

其纠斜原理是当钻机平行位移后，致使钻头工作时在钻压的作用下产生偏听偏压而改变原钻孔轴向，使钻头沿孔斜反方向钻进，从而达到纠斜目的。

2、调整立轴偏角法纠斜

根据钻孔偏斜方向和偏斜值，采用磨孔钻孔头将底磨平，然后在偏斜相反方向调整钻机立轴角度，采用轻压慢转出一个新孔，再恢复正常钻进。

3、扩孔法纠斜

当钻孔变径后，钻进到一定深度发现孔斜过大时，可将孔内岩心打捞干净，并用地勘水泥浆将该面封填，再用大径长钻具导向，轻压慢转扩孔钻进，直至将孔斜纠正后现继续钻进。

4、回填封孔纠斜

在中硬岩层钻进，当某一孔段偏斜值较大而采用纠斜方法效果不理想时可采用混凝土封填。由于封填混凝土固后与偏斜孔段岩石硬度相等或略高，可避免纠斜钻进时又回到原偏斜孔段里，因而能取得较好的纠斜效果。

5、中心导向法纠斜

用Ф3mm钢丝绳作垂线，将一个外径比钻头内径小4-6mm，的中心导向器垂直下入偏斜孔段，然后以水泥砂浆灌注。凝固后，拉断中心导向器顶端强度较小的接线，将孔内钢丝绳起出，下入钻具套住中心导向器，顺预导方向钻进，达到纠斜目的。

6、定向纠斜管法纠斜

根据钻孔偏斜方向和偏斜值，将套管脚处外侧焊一块弧形钢板（厚度视偏斜值而定）、以吊垂线划线的方法定向下入孔内，后下入小一级钻具，钻具连接导向钻具（沿套管内导向），用较小钻进参数钻进1m左右，提出纠斜套管，下入与纠斜套管同径的钻具，其下部连接小一级导向管，用较小的钻进参数缓慢导向扩孔钻进，达到纠斜目的。

7、定向偏斜楔法纠斜

根据钻孔偏斜方向和偏斜值，用钢管加工成槽形偏斜楔，将偏斜楔用铆钉锚固或点焊在钻杆接头上，定向下到偏斜孔段，然后通过钻杆加压切断锚钉或焊点，经检查无误后，再灌注水泥砂浆将偏斜楔固定，现下钻具顺偏斜楔槽内导向钻进。钻进时要轻压慢转，随时掌握孔内情况。纠斜成功后，再继续钻进。

8、钻孔跳级变径法纠斜

当某孔段发现偏斜较大且终孔直径能满足设计要求时，可采用跳级变径法纠斜。

9、加长粗径钻具纠斜

钻进过程中，如发现孔斜较大，可将粗径钻具加长到20-30m，可达到纠斜的目的。

五、倒垂孔保护管安装

1、所用管材应满足出厂技术要求，加工前应严格检查，其弯曲率小数点于0.2%0，弯曲、锈蚀严重的不能使用。保证不同轴度小于0.2mm，台阶端面的轴线不垂直度应小于0.1mm。采用螺纹连接。

2、保护管不安装前，应将保护管在坝面上整体连接起来，进行密闭试验。并用经纬仪测量其整体及其它各项偏差，然后按园周四等分刻划4根廊线，并将保护管编号，作为安装顺序。

3、保护管安装前应全面冲洗钻孔清除残留岩粉，自上而下每2m一次测定钻孔的偏斜值，用作图法确定有效铅直园直径，即：将钻孔不同深度孔段偏斜值较大的若干测点投影到平面上，在余下的平面内作圆，即为有效铅直孔径，根据有效铅直孔径确定保护管的中心坐标和安装位置。

4、保护管按设计要求进行防锈处理，即先对保护管进行除锈处理，再刷防锈漆进行防锈保护，其它外露金属构件、托架等按设计要求进行防锈处理。下管前，在孔底灌入高于孔底0.5m的水泥浆，再将保护管下到孔底，然后向上提升20cm左右，并用孔口夹板将保护管进行径向定位，并将孔口夹板固定于孔口管上采用钻机卷扬使之处于悬吊状态，然后对保护管的中心位置进行调整，使其有效圆直径满足设计要求，保护管在未完全固加前不得拆除孔口固定夹板。

保护管采用螺纹连接，其连接部位系采用螺纹密封胶带密封止水。其底部采用无缝钢板焊封，以防渗漏。

5、根据保护管管身各部的弯曲情况设置保护管扶正环，扶正环的设置位置一般设置在管身的弯曲点上，其间距为6-12m；根据不同位置的钻孔平面与确定的保护管安装中心，用图解法确定相应位置的保护扶正的方位尺寸。并按顺序安装保护管，按照确定的尺寸，在相应位置扶正环。

6、保护管的中心调整符合要求后，进行水泥浆灌注。所用水泥标号为525#耐酸水泥，水灰比为0.5：1，采用水下注浆法灌注，灌注速度为2-5L/min。全孔分数次进行灌注，首次灌注时，在水泥浆加入3%的氯化钙促凝，灌注底部的一根套管，待24h初凝后，校测保护的偏斜情况，如无异常，则可继续以同样的方法进行灌注直至孔口。在灌注中随时注意观察并调整保护管的垂直度，使之控制在正常的范围内。

7、保护管安装完毕后，在保护管内按每米为一测点，全面复测一次保护管内偏斜值，并作好记录及时加盖保护以待倒垂线安装。

六、倒垂孔线安装

1、垂线安装前，先将垂线钢丝缠绕在直径大于40cm的绞盘上，检查垂线钢丝，如有曲折和伤痕禁使用。

2、锚块应与垂线连接牢固、固定锚块前，应计算水泥砂浆灌注量，保证水泥砂浆面在保护管底深约100cm处，锚块应高出水泥砂浆面约10cm。锚块定位应保证垂线位于保护管有效孔径的中心。

3、浮体组安装时，应保证浮于水平，连杆垂直，并使其位于浮桶中心。

4、在浮桶内加注油液时，应确认锚块已固结牢固，以防止锚块受拉力时而松动。同时，应使整个恒力浮于淹没在油液中，但不可触及浮桶底部。处于自由状态。

5、垂线安装时，应安装垂线再安装坐标仪底盘，坐标应调整水平，其基座坐标纵横轴应与坝轴线平行或垂直。

6、垂线与浮体连接安装，应在锚块完全固结稳固后进行，以防松动或松脱。

7、观测墩应按设计图纸施工，基座与观测墩应固稳固，观测墩强制对中基座，其对中偏差不大于0.1mm，坐标仪应强制对中基座安装水平，基座中心线及坐标仪导轨应与设计观测方向平行，基座距垂线距离为4-5cm，且垂线应在基座中心线附近。

8、垂线安装完成后应进行认真调试，待垂线、浮体达到充分自由、平衡，垂线复位偏差不大于0.1mm。

七、双金属标孔双金属标的安装

1、双金标所有安装用零件，应严格按设计图纸加工，各结构件安装应严格按设计图纸施工。

2、双金属标按装前，应精确测定钢铝心管热膨胀系数，测定精度不低于0.5×10^-6。

3、双金属标钢铝心管应为同炉产品，以保证其热膨胀系数的一致性。

4、所有金属标均按设计要求进行防锈处理，其底部采用钢板封焊。钢管的螺纹连接部位系采用螺纹农密封止水。

5、在路标心管1.5m及倒垂孔保护管下3cm处，应各设置一个橡胶环；另在每节标心管距两端1/4处，各设置一个橡胶环。同时，在每个橡胶环的上下两端面各设3个阻驼。

6、标点安装时，应在标点和标心管的螺纹处涂以环氧树脂使其固加。

7、标点安装时，钢管标点安装应比铝管标点安装高2.5-3cm。

八、人员安排

九、施工进度安排

 说   明

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