潜孔锤钻孔技术在营岔调蓄水池工程中的应用

营岔调蓄水池工程是北京2022年冬奥会和冬残奥会张家口赛区的重要组成部分。工程特点是蓄水池开挖深度大，地下水位高，根据地质勘查情况，蓄水池开挖前进行了降水施工，保证了开挖及防渗体系的顺利实施。文章介绍了2022年冬奥会和冬残奥会张家口赛区营岔调蓄水池工程中潜孔锤钻孔降水井施工的具体方法及应用参数。

张家口赛区营岔调蓄水池工程范围内，地质情况复杂，地下水位高，施工现场部署紧凑，水电供应困难，且工期十分紧张。由于工程需要进行降水作业，依据上述条件，采用了潜孔锤成孔的方式进行降水井施工。潜孔锤根据传动方式的不同，可分为气动和液压两种类型。本工程所采用的气动潜孔锤是利用钻杆的旋转力，在潜孔锤的撞击力与破坏围岩的钻头共同作用下完成钻进，将滤水钢管同步埋设安装的施工方法。此工艺适用于多种复杂地质的钻进施工，而且相比其他钻进方法，钻进效率明显提高。

１　工程概况

１．１　工程概述

张家口赛区营岔调蓄水池工程是２０２２年冬奥会和冬残奥会崇礼赛区建设工程的重要组成部分，工程主要由蓄水池、沉沙池、泵站、净化池等组成。需要建造６座蓄水池，提供冬季滑雪场造雪用水，其中一个大蓄水池，蓄水容量约２０万ｍ³，最大开挖深度１９ｍ，同时兼顾场区景观效果即“澄福砚”景观；另外５个蓄水池蓄水容量一共约５万ｍ³，最大开挖深度１２ｍ。边坡的运用条件属于正常运用条件。受地质条件和地下水位影响，采用潜孔锤进行降水井施工，以提高施工速度和成孔率。本工程共完成降水井施工１３４眼，总米数２６８０ｍ。

１．２　地质及地下水情况

工程位于崇礼区东南部的古杨树村西侧的低中山区太子城河上。场地复杂性和地基复杂性均为二级。场区分布的岩石主要为卵石和不同风化程度的花岗岩。大蓄水池土层厚度约８.５ｍ，小蓄水池平均土层厚度约６ｍ，土层以砂砾为主，土层以下均为岩石。稳定的地下水位为０.５０～９.９０ｍ，松散岩土类型的孔隙水是地下水的最主要类型。水在土体、岩石缝隙中的渗流，一方面会引起水量损失或基坑积水，影响工程效果和速度，另一方面将引起土体变形，降低稳定条件，因此需要降低地下水位。

１．３　社会环境

蓄水池为冬奥会和冬残奥会造雪的必要工程，工程进度直接影响造雪和测试赛的时间。而且本工程开工时间较晚，大蓄水池及１号、２号小蓄水池还要提前蓄水，工程量很大，工期十分紧张。降低地下水位是开挖工作的必要条件，因此，选取合理的施工工艺缩短降水工期十分必要。

２　施工工艺原理

潜孔锤采用风动潜孔锤，降水井钻进和滤水钢管安装同步进行。利用ＳＬ６００型钻机的回转力和潜孔锤的冲击力共同形成动力，进行土层和岩石的破碎，利用空压机提供的风能将碎渣吹出孔外。

空压机为潜孔锤提供动力以产生冲击能量，传递给专用钻头形成冲击力，钻机带动钻杆形成旋转力，与冲击力共同作用，破碎岩石完成钻进。由冲击装置排出的压缩气体作为洗井介质，把通过潜孔锤冲击、回转破碎的碎石和粉末吹出孔外从而实现在土体、岩体成孔。

钻孔时，利用偏心钻的冲击力带动钢管与钻孔同时推进，钻出的岩屑吹送至孔外，降水井达到要求深度后，把内钻杆与偏心扩孔钻头反转，将扩孔钎头收进中心位置后，从滤水钢管内拔出。

３　潜孔锤钻孔施工技术

为保证降水达到预期效果，在基坑周边环向布置管井，构成封闭降水体系，井中布置自动化水泵，并使用水泵将地下水抽出，以实现阻截蓄水池基坑外围地下水进入基坑的目的，同时也能满足降低地下水位的要求。

根据设计深度及相关参数，确定降水井井距为１５ｍ，降水井深为２０ｍ，施工时根据降水效果增加了降水井。井管采用φ２７３桥式滤水钢制管道，排水总管为直径４００ｍｍ的ＰＶＣ管，并根据现场排水口情况，沿降水井周围布设，排水管按照一定的坡度布置。为减少资源浪费，抽取的地下水用于钢筋混凝土养护、防尘、冲厕、清洗工地车辆等；蓄水池防渗结构完工后，将地下水排入湖中蓄集，作为造雪水源。

３．１　施工工艺

施工机械设备进场后要做好机械设备进场检验登记并存档，检验合格的机械设备可投入使用。表层杂草清理干净后，将设备基础平整夯实，局部淤泥要进行开挖换填，以确保钻进过程中设备的稳定。

通过计算，降水井的布置间距顶为１５ｍ，局部位置按照实际需求进行加密。北侧沿建设范围线以外５ｍ进行布置，其他方向沿现状基底线范围环形布置，根据设计单位提供的测量控制点以及现场布置条件，利用ＧＰＳ测放所有井位及标高，测量完毕后在确定好的降水井位置标记清楚。

钻孔前要进行测试试验。试验中应确保提供压力平稳的空气源，试验时用专用击锤，锤头下铺垫一块厚硬木板，试验过程中轴压的确定，要以冲击器不脱离锤头，锤头不脱离硬木为准。钻孔施工采用ＳＬ６００型钻机配置气动潜孔锤成孔，局部水量较大的位置增加降水井深度。降水井井管采用２７３型桥式滤水钢管。井孔外形应保持圆正，方向垂直，且降水井深与设计井深之间的最大偏差不大于３００ｍｍ。潜孔锤钻进时，用钻头将过滤水的钢管下入井中，用过滤水的钢管固定孔壁。

降水井滤水钢管下入后立即填入直径为３～７ｍｍ干净砂卵石作为滤土材料，滤料中的杂质含量要小于３％。滤料填筑时，应由人工用铲子沿井孔的四周缓慢均匀填入。在滤料填筑完毕之后，要对降水井进行清洗，清洗利用水泵抽出，抽停循环，直到抽出的水清澈为止。降水井底沉淀应不大于０.３ｍ。

每眼降水井内安装一台潜水泵作为排水设备。潜水泵采用专用绳索吊放入降水井内。经过试验检测水泵能够正常运转，管路无渗水漏水现象后进行水泵排水。施工流程见图１。

▲图1 施工流程

３．２　注意事项

在利用潜孔锤进行降水井钻进及下管施工过程中，钻杆的余量应该适宜，钻杆连接安装时，锤头要与降水井井底留有０.５ｍ的安全距离；在安装下一段钻杆之后，必须在钻进前供气；在本轮钻进结束时，应该吹孔底部２ｍｉｎ，以清除沉积在底部的碎片。

４　设备参数及工作效率

４．１　设备选择与效率

根据工程需要选择设备（见表１），钻进成孔和滤水钢管焊接、铺设同时进行。建设范围内上层覆土约２ｍ，土层以下为４～５ｍ砂砾料层，下层均为中风化花岗岩，平均成活速度为７ｍ／ｈ。

表1 设备及参数

４．２　技术参数

４．２．１　风量

风量的大小影响钻进过程中降水井内碎渣的排出，会对施工速度造成影响。风量通过以下公式确定：Ｑ＝ＶＳ。式中，Ｑ为所提供的风量，ｍ³／ｍｉｎ；Ｖ为排渣上返风速，ｍ／ｍｉｎ；Ｓ为滤水钢管与井壁空隙面积，ｍ²。排渣风速设定为１１００ｍ／ｍｉｎ，降水井直径约０.３ｍ，风量１３.４ｍ³／ｍｉｎ。

４．２．２　风压

风压的大小直接决定了钻进速度，根据钻机型号和潜孔锤参数，本工程选用的风压为１.７ＭＰａ。供风装置的压力表、安全保护阀、调压设备等要齐全灵敏，并且经过检验和标定。

４．２．３　钻机转速

潜孔锤跟管钻进的施工方法要求低转速，控制在５０转／ｍｉｎ以下。

５　技术特点

该技术适用于各种地质，钻进效率高；对于岩石地质的钻进施工更为有利且降低了材料损耗和施工成本，对于土质或不稳定地层跟管钻进省去了下管的步骤，避免了塌孔造成的工期影响；对钻孔底部的快速冲击，保证了钻孔的垂直度，也降低了孔壁岩石坍塌，设备布置灵活，操作简单，对于现场条件要求低。

根据风动潜孔锤跟管钻进施工工艺特点，钻进过程中不需要护壁泥浆，利用压缩的空气作为动力把沉渣排出，避免了环境污染，在松散地质及不稳定地层钻孔时，有利于成孔。

６　结语

气动潜孔锤钻进方法适用于多种地质，在硬质岩层中潜孔锤钻进更为有利。在潜孔锤装置的破碎作用下，坚硬的岩石层被破碎成为小块，利用高压空气吹出井外，施工效率明显提升。在施工过程中发现，气动潜孔锤在岩石、漂砾层等钻进难度大的地质中应用效果明显。

张家口赛区营岔调蓄水池工程对工期和质量的要求极为严格，在工期无法满足建设要求的情况下，通过此工艺，大大加快了施工进度，使工程提前完工。