黄河小浪底水利枢纽地下排水系统排水孔施工技术研究报告

1、1 前 言小浪底水利枢纽工程，在黄河治理与开发的系统工程中，处于无可取代的战略地位。它位居于河南省洛阳市以北40公里的黄河干流上，控制黄河流域总面积的92.2%，控制黄河径流量 91.2%，控制黄河输沙量的100%。其开发目标是“以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电，蓄清排浑，综合利用，除害兴利”。它以其宏大的工程规模、复杂的水文、泥沙和地质条件、苛刻的运行要求，被国内外专家公认为是世界坝工史上最具挑战性的工程之一。小浪底水利枢纽工程成功地解决了“进口泥沙淤堵、高流速含沙水流、洞室群围岩稳定、大坝深厚复盖层防渗处理、水轮机的抗泥沙磨蚀、进出口高边坡稳定、水库运行方式、水库诱发地震、水库

2、蓄水后库岸稳定”等一系列重大技术难题。其中在“洞室群围岩稳定”、“进出口高边坡稳定”这些世界性技术难题攻关上，开创性地设计了科学合理的地下排水系统工程。排水系统的主体工程为排水孔，排水孔施工分为两大子项工程，一是排水孔钻进，二是排水滤管的加工与安装。自1995年以来，我单位在小浪底工区先后承接了7.2万延米的排水孔施工任务，总产值达1500万元，为了保证优质高效地完成任务，我们对排水孔施工技术进行了全面深入地研究和实验，力求把目前国内外最先进的技术开发应用到小浪底水利枢纽排水孔施工中。 我们经过一系列的研究与实践，臻于完善排水孔施工技术，采用风动潜孔锤钻进技术进行排水孔钻进，利用自行研制的PV

3、C滤管加工设备进行PVC滤管加工，综合运用这一先进的排水孔施工技术，取得了十分可观的经济效益，单是我们一个单位，就降低成本达到360万元以上。由我单位率先开发应用的潜孔锤钻进技术和PVC滤管加工技术，在小浪底工区相继被中国水利水电基础工程局、中国水电一局等单位推广应用。应用这一先进技术，在小浪底水利枢纽工程中，共完成排水孔施工11.6万延米，创产值2420万元，节约经费600万元，以显著的经济效益和社会效益，证明了该技术在排水孔工程施工中的技术可行性、先进性；与此同时也有力地证明了“科学技术是第一生产力”这一科学论断。2 地下排水系统设计2.1排水系统的目的意义及作用为了有效地提高洞群室围岩的

4、稳定性以及进出口岸高边坡的稳定性；保证水利枢纽良好可靠地运行；提高岩体特别是其泥化夹层的抗剪强度，首先必须降低地下水位。降低地下水位渗控工程就是地下排水系统。2.2排水系统总体设计方案小浪底水利枢纽工程地下排水系统，主要包括消力塘边坡、左岸单薄分水岭、地下厂房这三处地下水排水系统；此外，还包括右岸山体地下水排水系统及东苗家滑坡体内排水系统。2.2.1消力塘边坡地下水排水系统小浪底水利枢纽消力塘为预开挖有衬砌水垫式。为建造消力塘所开挖的上游边坡最大高度80m左右，而所有的泄洪建筑物出口就座落在上游边坡的不同高程上。由于泄洪建筑物的独特布置，消力塘上游边坡的稳定性将直接影响到泄水建筑物出口、消力塘

5、乃至整个枢纽的安全运行。因消力塘上游边坡存在有倾向坡外的软弱夹泥层，工程运行后左、右侧边坡地下水位约为145m，也需要降低地下水位，因此，对消力塘边坡地下水排水系统的设计方案如下图所示： 排水洞 消力塘图2-1 消力塘排水系统平面布置图洞顶斜排水孔孔径100mm 排水洞L-15m600 洞侧斜排水孔孔径100mm L-15m450 排水沟垂直排水孔孔径100mm L-10m图2-2 消力塘排水系统排水孔设计示意图2.2.2 左岸单薄分水岭地下水排水系统左岸单薄分水岭内外集中布置有洞群、地下厂房、开关站等重要建筑物。为保障山体稳定和建筑物的安全，在这里布置了一个科学的地下水排水系统。 地表线 3

6、号排水洞 落水孔 4号排水洞 F238断层 落水孔 F236断层28号排水洞 29号排水洞 30号排水洞 2号排水洞图2-3 左岸单薄分水岭排水系统示意图左岸单薄分水岭地下水排水系统，主要由水平排水系统和垂直排水系统组成，前者为处于不同高度上的水平排水洞，包括2号、3号、4号、28号、29号、30号排水洞等，后者为将不同高程的水平排水洞在垂向上贯穿起来的落水孔。2.2.3地下厂房地下水排水系统地下厂房位于左岸“T”形山梁交汇处的腹部，距主坝防渗帷幕处约40m左右。水库蓄水后，厂区周围地下水位将逐渐升高。为使厂房内有良好的工作条件，建筑物及机电设备有较长的使用年限，做好地下水排水工作是必须的，同

7、时也是能否保证地下厂房围岩稳定，喷锚支护能否长久作用的关键所在。地下厂房地下水排水系统作用就是降低地下厂房周围的地下水位，保证地下厂房围岩稳定，使地下厂房有良好的工作条件。排水系统设计方案如下： 28号排水洞 北 厂房 安装间 副厂房 6条发电引水洞 主变室 尾水闸门室 1号尾水闸 3号尾水闸 5号尾水闸图2-4 地下厂房28号排水洞平面布置示图 排水孔顶线EL-220.0 排水孔顶线 EL-198.0 28号排水洞 4号排水洞 落水孔 30号排水洞 落水孔 落水孔 排水孔底线EL-85.0 32号排水洞 排水孔底线EL-100.0排水孔产状28号洞上763.50 SW2100700763.0

8、0 NW350070028与30号洞间763.50 NW3500700763.00 90030号洞下763.50 NW3500700763.00 900图2-5 地下厂房排水系统设计示意图2.3小浪底排水系统的独有特性小浪底水利枢纽工程在设计和建设中创下了多项世界纪录和中国第一，它是世界上洞室布置最密集的水利工程；消力塘是目前中国最大的两级消能消力塘；地下厂房是目前国内在砂页岩不良地质条件下开凿的最大地下厂房。正因为如此，小浪底排水系统也最具有其特色性。在消力塘部位，设计了一条888.5m长的排水洞，在其排水洞的上游侧边墙和洞顶设计斜孔排水，在其排水洞的底部设计铅直孔排水，以满足排水需要。在洞

9、群集中布置的左岸单薄分水岭，设计了立体交叉的排水系统。水平排水由不同高程的6条排水洞构成，在其排水洞的顶部和下部设计了不同的排水斜孔。垂直方向设计了落水孔，使部分排水排入孔板洞，并沿孔板洞排出山体。在地下厂房部位，设计了两层封闭的排水洞系统，在其排水洞的顶部和下部设计了不同的排水斜孔，两层封闭的排水洞之间，通过8B交通洞、8号交通洞以及3号尾水洞中的垂直落水孔将二者沟通，形成了排除地下厂房外围的两层排水洞系统。2.4排水系统工程规模因为小浪底水利枢纽工程排水系统的复杂性，决定了其排水系统工程规模的宏伟性。表2-1 小浪底水利枢纽工程主要排水区域工程规模 区域 项 目消力塘单薄分水岭地下厂房合

10、计排水洞（m）888.516605123060排水孔 (m)4644286818267771600373 排水系统施工地质环境3.1地质概况小浪底水利枢纽工程，地质条件复杂，泄洪建筑物和引水发电系统全部布设在左岸单薄分水岭，排水系统工程也大都布设在该区域。左岸单薄分水岭，由T13、T14、T15岩组组成的山梁，地层倾向近于东，倾角90120。F28断层斜切分水岭，F236、F238两断层贯穿分水岭，从水库延伸到下游。在软、硬岩相间的T15-1、T15-2、T15-3各岩组中，分别发育有4、7、6层泥化夹层。3.2工程地质特性工程地质特性主要是由岩体强度决定，岩体强度是岩体工程地质分类的重要指标

11、，是决定岩体裂隙发育程度的重要条件。小浪底水利枢纽工程排水系统所处地层主要由T13、T14、T15岩组组成，其中F236、F238断层带由泥和角砾组成，其影响带内有小断层伴生。T13又分为T13-1、T13-2岩组，T13-1岩层以紫红色厚层、巨厚层状硅质、钙硅质石英细砂岩为主，夹薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩；T13-2以紫红色厚层、巨厚层状泥钙质、钙泥质粉细砂岩（坚硬）为主，夹钙质、硅钙质细砂岩（极坚硬）；T14岩组为紫红色厚层、巨厚层状硅质、钙硅质石英细砂岩，有少量钙质细砂岩，夹薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩；T15又分为T15-1、T15-2、T15-3岩组，T15-1岩组为紫红色中厚层状硅质

12、细砂岩与泥质粉砂岩或粉砂质粘土岩互层；T15-2为紫红色厚层、巨厚层状硅质、钙硅质石英细砂岩，有少量钙质细砂岩，夹薄层泥质粉砂岩与粉砂质页岩；T15-3中上部以钙硅质细砂岩为主，夹薄层钙泥质粉砂岩，中下部以钙质粉细砂岩为主，夹少量中厚及薄层泥质粉砂岩。受F236、F238断层带影响，岩体中裂隙发育且多为高倾角裂隙，一般都大于770。3.3水文地质特性小浪底水利枢纽工程排水系统水文地质特性尤为复杂，概括起来讲，岩性、断层和风化卸荷作用是影响裂隙发育规律的主导因素，左岸单薄分水岭岩体中的裂隙是地下水渗流的主要水径。其水文地质情况可分为层状、带状和壳状三种渗透结构。（1）层状渗透结构：砂岩类透水地层

13、其裂隙倾角陡，与层面近于垂直，垂直渗透性近于顺层渗透性，如T14、 T13-1岩组；泥岩类微（弱）透水层其垂直渗透性大于顺层渗透性，如T13-2岩组；砂泥岩互层类透水地层，有以上两种特性。（2）带状渗透结构：断层是本区的主要地质构造现象，它对裂隙的走向和隙宽均具有控制性的影响。在断层附近的区域内，较大的断层都会形成一个受断层影响而裂隙比较发育的带，这个带在平面上是一种线状构造，断层的透水性也往往呈带状分布，如F238、F236形成的强透水带。（3）壳状渗透结构：表面风化卸荷作用使具有临空条件的岩体裂隙遭受不同程度的拉开，形成了强透水的壳状渗透结构。4 排水孔工程施工技术方案优化4.1排水孔设计

14、无论是隧洞内的径向孔，还是排水廊道内的排水孔，在我国现行规范内，都未对排水孔的方向问题进行过分析。因此，在隧洞内用等夹角的径向孔，在排水廊道内用铅直孔，需要两排排水孔，但受到场地限制时，采用向上游倾斜的一种固定模式的钻孔进行排水。这些排水孔的排水效果是有限的，很难充分地起到降低地下水位或扬压力的作用。勿庸置疑，最佳的排水孔方向应该是穿过最多最宽裂隙的方向。小浪底排水系统工程特殊的水文地质条件决定了如下的水径分布规律：坚硬岩体的断层及其影响带内的地下水溢出点和溢出量最大，多分布陡倾角裂隙；硬软岩互层以及较软岩断层及其影响带的地下水溢出量较少；较软岩的层面及其构造裂隙面几乎是不透水。针对这样的水文

15、地质条件，小浪底排水孔多数设计为斜孔。道理很明白，在陡倾角裂隙岩层内用斜孔排水是好方法。排水斜孔的三要素为：斜孔方位、斜孔倾角、斜孔孔深。小浪底排水斜孔设计参数如下表。表4-1 排水斜孔参数表地层岩性斜孔方位斜孔倾角斜孔孔深T15-3SW26004501830mT16-1SW26004501830mT15-2SW21006002025m断层组SW21006002025m4.2排水孔钻探施工技术方案系统检索首先对排水孔钻探施工技术，在因特网上进行系统地检索。排水孔施工的常用方法为：金刚石回转钻进法、金刚石液动冲击回转钻进法、硬质合金回转钻进法、硬质合金液动冲击回转钻进法、风动潜孔锤冲击回转钻进法

16、、钢粒钻进法（仅适用于铅直向下孔）。针对小浪底排水孔的工程地质情况，结合小浪底排水孔设计方法，进行可行性分析。我们查阅了长江三峡永久船闸排水孔施工资料、黑龙江莲花水电站排水孔施工资料、陕西韩城电厂山体排水孔施工资料，借用工程类比法对各类钻进方法进行了分析统计，以确定出一个合理的排水孔施工技术方案。小浪底排水孔各类钻进方法适用情况见下表。表4-2 小浪底排水孔各类钻进方法适用情况一览表地层岩 性钻孔 设计金刚石回转钻进金刚石液动冲击回转钻进合金回转钻进合金液动冲击回转钻进风动潜孔锤钻进钢粒钻进T13-1硅钙质石英岩：坚硬、致密、弱研磨性洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T13-2硅泥质粉细砂岩：坚硬洞顶斜

17、孔洞侧斜孔洞底直孔T14钙硅质石英岩：坚硬、致密、弱研磨性洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T15-1硅质细砂岩：坚硬；钙泥质粉砂岩洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T15-2钙硅质石英岩：坚硬、致密、弱研磨性洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔T15-3钙硅质细砂岩：中硬洞顶斜孔洞侧斜孔洞底直孔其一由于小浪底水利枢纽排水孔工程的地质条件复杂，按岩石强度可分为极坚硬地层、坚硬地层、中硬地层；按岩石可钻性级别可分为、级；按岩石的研磨性质可分为中等研磨性、弱研磨性。其二由于小浪底排水系统方式的复杂性，在排水钻孔的设计上也出现了多样性，有排水洞洞顶斜孔、排水洞洞侧斜孔，斜孔的孔向、倾角也不尽相同。有洞顶铅直孔、洞底铅直孔。以上两个

18、因素决定了排水孔的施工方式，有很大的差异性，那一种方式最科学合理，必须经过实践来鉴定。4.3小浪底排水孔钻探施工生产性试验 1995年我单位承担了小浪底水利枢纽消力塘排水洞排水孔工程施工任务。该工程排水孔工程量6000m，排水孔分为洞侧水平孔、洞顶斜孔、洞底铅直孔，孔深约为1530m，孔径为110mm。施工中，我单位依据由计算机检索工程类比法选定的施工方法，进行生产性试验。为了找到一种先进的小浪底排水孔施工技术，进行了多种钻进技术实验研究。这些钻进技术包括有：硬质合金回转钻进技术、钢粒钻进技术、金刚石回转钻进技术、金刚石液动冲击回转钻进技术、风动潜孔锤钻进技术。通过一系列生产性试验，而后进行生

19、产性试验成果统计，汇总出“小浪底排水孔施工技术生产性试验成果统计表”。表4-3 小浪底排水孔施工技术生产性试验成果统计表 钻进方法设备器材合金回转钻进钢粒钻进金刚石回转钻进液动冲击回转钻进风动潜孔锤钻进一、施工设备钻机型号/台数XY-2/1XY-2/1XY-2/1XY-2/1MK-3/1主要辅助设备水泵1台水泵1台水泵1台高压泵1台空压机1台主要使用器材钻杆、钻塔钻杆、钻塔钢粒钻杆、钻塔液动冲击器、高压胶管钻杆、高压风管钻 具110合金钻具110铁砂钻头110金刚石钻具110金刚石钻具DHD-340A潜孔锤二、施工成果完成工作量(m)3502008004224228施工天数2218411391

20、日进尺量(m)15.911.1119.5132.4646.50质量等级合格合格优良优良优良完成产值（元）630003600014400075960761040施工成本（元）39208188008640047898296806每米成本（元）112.0294.00108.00113.5070.20技术评价差差一般一般好4.4排水孔施工技术方案的确定。小浪底水利枢纽排水系统施工技术研究，运用计算机对国内外相关技术进行详尽检索，初步确立几种可供选择的排水孔施工技术方案。在此基础上进行排水孔施工技术生产性试验，对各种施工技术成果进行综合评价，评价主要包括生产效率、成果质量、经济效益等方面。把金刚石回转钻

21、进技术的各项指标作为参照基数1，各种技术方法效果对比见下表：表4-4 排水孔施工技术效果对比表 技术方法 效果分类金刚石回转钻进金刚石液动冲击回转钻进合金回转钻进钢粒钻进风 动潜孔锤钻进日进尺量11.60.810.572.38每米成本11.051.040.870.65质量110.70.71由上表可以明显地看出，风动潜孔锤技术的各项技术指标都是最优的，效率日进尺量是金刚石回转钻进的2.38倍，每米成本仅是金刚石回转钻进的0.65，质量和金刚石回转钻进相同。经过大量的研究和试验工作，我们最后确定了小浪底排水孔施工技术方案采用风动潜孔锤钻进技术。5 潜孔锤钻进技术5.1潜孔锤钻进技术的发展及现状潜孔

22、锤钻进技术，又称风动潜孔锤冲击回转钻进技术，属于空气钻进技术的一个分支，它利用压缩空气作钻进工作介质，驱动孔底冲击器（潜孔锤）破碎岩石，同时利用压缩空气作为钻进循环介质，冷却钻头、排出孔内岩粉。这是空气钻进技术在破岩方式上的一次突破。潜孔锤钻进技术，最早是在20世纪30年代美国人提出这样的设想，但由于受当时的条件限制，没有进行试验和生产。但时隔不到20年，即20世纪40年代末，潜孔锤钻进技术就开始应用到露天的井下采矿。这项先进的钻进技术一开始就受到一些发达国家的高度重视，20世纪5060年代，对这种钻进技术在理论和实践上进行了大量的探讨和研究，使之不断发展与完善。20世纪70年代，潜孔锤钻进技

23、术逐渐应用到水文水井钻探工作上。80年代，美国水文水井钻进中采用潜孔锤钻进占到总工作量的75%，前苏联、澳大利亚等国家广泛采用潜孔锤钻进技术，在坚硬岩层、卵砾石类砂矿和水文水井钻进中都取得了良好的效果。20世纪80年代以来，潜孔锤钻进技术在我国得到迅速发展。这项技术作为“多工艺钻进技术”项目的课题之一，列入原地质矿产部“七五”重点科技攻关项目。1990年通过技术鉴定，1992年被国家科委列入“国家科技成果重点推广计划”。目前，在全国有近百家地质勘察院（所）推广这项新技术，在水文水井、矿山开采 、水电工程施工、边坡及危岩锚固工程等方面大量应用，呈现出方兴未艾之势。5.2潜孔锤钻进工作原理潜孔锤又

24、称风动冲击器，潜孔锤钻进也称谓风动潜孔锤钻进，或者称潜孔锤冲击回转钻进。潜孔锤钻进工作原理：靠钻机施给的轴心压力（静压力），以保证孔底钻头与岩石的紧密接触；潜孔锤（风动冲击器）产生的冲击功（冲击力），以冲击剪切方式破碎岩石，钻机施给的回转力，以实现潜孔锤（风动冲击器）在孔底不断接触新鲜岩石工作面。和液动冲击回转钻进相比，主要是冲击碎岩原理，孔底岩石主要是在冲击动载作用下被破碎。 图例： 1 钻机轴向压力 2 钻机回转力 3 潜孔锤动载冲击力 4 岩石面 5 岩石破碎区图5-1 潜孔锤钻进工作原理示意图从潜孔锤钻进的工作原理分析，可以对潜孔锤钻进原理有一个宏观方面的了解。从微观进行研究，来自潜孔

25、锤的动载冲击力，是潜孔锤钻进的核心力，研究潜孔锤钻进原理的核心问题，归根到底就是要研究潜孔锤工作原理问题。 潜孔锤形式有多种多样，按配气方式来划分，可分为有阀潜孔锤和无阀潜孔锤两大类；按排气方式来划分，可分为旁侧排气潜孔锤和中心排气潜孔锤两大类。 所谓有阀潜孔锤，也就是说这类潜孔锤的活塞上下运动，是依靠配气阀控制高压气体的流向来实现其工作的。 所谓无阀潜孔锤，也就是说这类潜孔锤的活塞上下运动，是依靠气缸壁上的设置控制高压气体的流向来实现其工作的。5.2.1有阀潜孔锤的工作原理J-200B是一种典型有阀式中心排气潜孔锤。其结构如下图。潜孔锤工作时，压缩空气由接头1及止逆塞20进入缸体。进入缸体的

26、气流分为两路，一路经阀座8、配气杆8、活塞的中心通道、钻头23的中心孔，进入孔底吹洗孔底岩粉、风冷钻头；另一路进入板状阀7的配气机构并且借助配气杆的配气实现活塞的往复运动。潜孔锤工作时，来自活塞的冲击功能，通过钻头直接传至孔底岩石。在这种情况下，缸体并不承受冲击载荷。为防止潜孔锤的空打，在结构上是用防空打孔来实现。配气机构系由阀盖6、阀片7、阀座8及配气杆8等组成。配气原理可分返回行程的工作原理和冲击行程工作原理。返回行程的工作原理：返回行程开始时，阀片7及活塞9均处于右图所示位置，压气经阀片7后端面、阀盖6上的轴向孔与径向孔进入内外缸体间的环形腔，至气缸前腔，推动活塞向上运动。此时，气缸上腔

27、经活塞9及钻头23的中心孔与孔底相通，活塞9在高压气流作用下加速向上运动。当活塞9端面与配气杆8开始配合时，上腔排气孔道被关闭处于密封压缩状态，于是活塞开始减速运动，当活塞杆端面越过衬套上的间隙时，进入下腔的高压气流经钻头中心孔排至孔底，活塞失去动力在上腔被压作用下停止运动。与此同时，阀片下侧压力逐渐升高，上侧则经前腔进气孔道、钻头中心孔与大气相通，大压差作用下，阀片迅速移向上侧，关闭下腔进气路，开始了冲击行程的配气工作。 冲击行程的工作原理：冲击行程开始时，活塞和阀片均处于极上位置，压气阀经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔，推动活塞高速向下运动，冲击钻头。当活塞行止衬套的花键槽被关闭时，下腔压

28、力开始上升，于是活塞上端中心孔离开配气杆，使上腔与大气相通，压力降低，工作行程便结束。当活塞冲击钻头尾部之后，阀片由于其上下压力差的作用，进行换向，使活塞重复返回行程的动作。图5-2 J-200B有阀潜孔锤 图5-3 W-200型无阀潜孔锤5.2.2无阀潜孔锤（冲击器）的工作原理无阀潜孔锤（冲击器），最具有代表性的无阀潜孔锤是W200型（见上图5-3）。它未设置配气阀，其控制活塞往复运动的配气系统布置在活塞或气缸壁上，当活塞运动时，自动进行配气。这类潜孔锤的显著特点是：其一，能够利用压气的膨胀功推动活塞继续运动。从而减少了动力气的消耗，与有阀潜孔锤相比，压气消耗可节省30%左右。其二，减少了配

29、气装置，可防止因阀片磨损而失效的现象，结构简单且加工方便，这是潜孔锤在设计上的重大的突破性技术改进，现行施工多用无阀潜孔锤。活塞上行的工作原理：压缩气体由钻杆进入潜孔锤后，止逆阀4被打开，压缩空气进入潜孔锤内腔，沿内缸8与外缸9之间的环状间隙，经活塞的环腔进入下气室，推动活塞上行。当活塞上行止至下段活塞d点，封闭内缸下口a后，压缩空气停止向下气室进气。这时活塞靠下气室内压缩空气的膨胀，继续推动活塞上行。潜孔锤活塞冲击的工作原理：当活塞的上段b点超过c点以后，由于活塞的中间环腔与内缸的上气室连通，压缩气体就进入气缸的上气室，此时活塞已接近上死点，靠惯性向上移动，上气室聚集能量，以驱动活塞迅速下行

30、，将最大的冲击能量施加于钻头开始作功。5.3潜孔锤结构组成及功用潜孔锤（冲击器）是在孔内进行作功，要求其组成构件要少，而且能发挥最大潜力。潜孔锤主要是由配气装置、活塞、气缸外套、卡钎套、异径接头等组成。（1）配气装置：其作用是将钻杆输给的压缩空气分别送到气缸的前、后室（上、下室），使活塞作往复运动而冲击钻头。因为潜孔锤的冲击频率较高，要求配气装置必须具有以下特点。气道拐弯少、断面大、密封性好，压力损失小，阀体轻便，行程合适动作灵活，结构简单制造容易，具有抗冲击耐磨寿命长等特点。（2）活塞：活塞是潜孔锤的主要运动元件，在气缸中作往复运动。活塞获得能量后，冲击钻头尾部，将难量传递到钻头而破碎岩石。

31、活塞在气缸内应灵活且密封性好、具有一定质量、合理的几何形体及尺寸，以能达到高的冲击频率。（3）气缸外套：气缸由活塞分为前、后（上、下）气室，活塞在其中做往复运动。外套在气缸外边，在气缸之间构成气道，作为配气的组成部分。对气缸的要求是：结构简单、便于制造、耐磨耐用。外套的螺纹有特殊要求，保证部件密切联结。（4）卡钎套：该部件是潜孔锤与钻头的连接部件，应容纳钻头尾部，并控制伸缩量、传递扭矩带动钻头转动。当潜孔锤提离孔底时，能吊挂钻头，防止钻头掉入孔内。（5）异径接头：这个部件实现潜孔锤与钻杆的连接，一是保证工作介质压缩空气进入潜孔锤；二是保证把钻杆的回转力矩传递给潜孔锤。5.4潜孔锤钻进技术的主要

32、优势 潜孔锤钻进技术和其它的钻进技术相比，主要技术优势在如下几个方面：（1）钻进效率高：由岩石的性质决定，岩石的抗压强度比岩石的抗剪强度高数倍或十数倍。所以，在坚硬岩石中用潜孔锤钻进，在冲击载荷作用下，以剪切方式破碎岩石，比回转钻进效率提高数倍或十数倍。在硬度、级的硅质石英砂岩中，机械钻速可以达到1030m/h；（2）单个钻头使用寿命长，正常条件下，一个潜孔锤锤头可以钻进数百米至上千米；（3）所需要的钻压及转速较低，只有回转钻进钻压、转速的1/10，在硅质细砂岩中220mm直径的钻孔，回转钻进需要钻压100kN，转速180r/min，而采用潜孔锤钻进只需要钻压12KN，转速1520r/min，

33、这样就极大地改善了钻具的工作条件，提高了钻具钻杆的使用寿命，降低了材料消耗，提高了经济效益；（4）有效保证钻孔孔向防斜好。由于钻压和转速低，减小了钻具的弯曲度和离心力，所以有良好的防斜效果，每百米孔斜均小于10；（5）潜孔锤钻进技术可施工钻孔直径范围大。单体锤可施工451000mm的钻孔，集束式可施工6001900mm的钻孔；（6） 旱缺水地区可以结合使用空气泡沫钻进技术。5.5潜孔锤的选型目前，在国际市场上，有美国英格索尔-兰德（Ingrsoll .Rand）公司生产的英格索尔系列潜孔锤，在我们国家，也有生产厂家引进生产该系列潜孔锤，河北宣化风动机械厂就引进生产该系列产品。在国际上还有前苏联

34、生产的P型风动潜孔锤。在国内市场上，有浙江嘉兴、吉林通化、河北宣化等厂家生产的系列潜孔锤。各类潜孔锤的技术特性见下表。表5-1 前苏联风动潜孔锤主要技术特性 型 号 性能指标P-130P-111P-94钻孔直径（mm）132,15211296外壳直径(mm)12110269空气总流量（m3/min）101275冲击器工作气流量（m3/min）7.04.52.7空气压力Mpa0.60.60.6冲击频率（1/min）100014001400单次冲击功（J）807060冲锤重量(Kg)6.654.862.8撞击速度(m/s)8.16.96.8干孔钻进深度(m)400400400微含水孔中钻进深度(m

35、)10010010062表5-2 英格索尔系列潜孔锤主要技术特性 型 号 性能指标DHD-24DHD-15DHD-360DHD-17DHD-120DHD-124DHD-130钻孔直径（mm）102114127140152203178191580610762气缸直径（mm）68.381.8108127292292292行程（mm）152127152149178178178频率（1/min）1500133512351200700700700冲击能量（kg.m）17.820.744.2260.8冲击能量（kg.m）43.551.8109.4151.3总长度（mm）115114041513158824

36、4024002400潜孔锤外径（mm）93111137165457533689潜孔锤质量（kg）32.75987149202029065130潜孔锤工作 气耗量（m3/min）5.56.86.515.667.867.876.4总气耗量（m3/min）14.2161636表5-3 国产风动潜孔锤主要技术特性技术性能单位潜孔锤型号CIR-90CIR-120CIR-150J-80BJ-100BJ-150BJ-170BJ-200BW-150W-200C-230QCZ-150潜孔锤长度mm91768057377086099011531200883117935947潜孔锤外径mm7292137.57695

37、136156185142185180潜孔锤重量kg18.64716.535821151609015211087锤冲击功J5112010292153336.6428.4530.4247.7480377.4306潜冲击频率HZ2523.320141413.313.313.31515.51518锤耗气量m3/min3.1125.6916162211202013排气方式旁侧旁侧旁侧中心中心中心中心中心中心中心中心中心工作压力MPa0.60.660.60.60.60.60.60.60.60.60.6结构行程mm116106100140140140140120127130115125气缸长度mm18848

38、8315290330气缸直径mm59118148150151阀形式环形板无阀方形板环形板环形板无阀无阀方形片阀行程mm33.22.52.01018.5活塞长度mm187110250280400185活塞直径mm50758592105126110130135100活塞重量kg1.244.48.011.514.9142216.58.9钻头直径mm80110150155170210210230钻头重量kg2,351517303042生产厂家河北宣化风动机械厂浙江嘉兴冶金机械厂通化风动工具厂宣化风动机械厂选择潜孔锤的原则有两条：一是根据小浪底水利枢纽排水孔的设计要求，主要是排水孔的孔深和孔径参数要求，

39、选择合适直径规格的潜孔锤；二是根据排水系统的工程地质特性，主要是排水孔穿过地层的岩性，选择合理的冲击频率和单次冲击功。按照以上的原则，我们对国内外22种潜孔锤，进行优选。最后从中选定，英格索尔系列的DHD-24型潜孔锤、河北宣化风动机械厂生产的CIR-90和CIR-120型潜孔锤。5.6潜孔锤钻进设备选择潜孔锤钻进设备选择，主要是钻机选择与空压机选择。设备选择的基本原则是：一是设备能很好地满足潜孔锤工作原理的需要及潜孔锤钻进碎岩机理的需要；二是能很好地满足排水孔设计施工的需要；三是能适应排水洞内进行排水孔作业的需要。5.6.1钻机 按照以上三条选择原则，通过对众多钻机的优化选择。在运用潜孔锤技

40、术进行排水孔施工中，所用的钻机以MK-3型全液压钻机为主，另外在施工中还使用了YG-30型钻机及XY-2型钻机。这里着重介绍上述前两种。 （1）MK-3型钻机：整体结构如下图所示。 潜孔锤钻进的技术优势要想得到充分地发挥，需要无级调速的液压动力头钻机，MK-3全液压钻机，正是这样一种全液压动力头结构的无级调速钻机。MK-3型钻机由主机、泵站、操纵台三部分组成。解体性能好，搬迁运输方便；钻场布置灵活，可无塔升降钻具，钻杆拧卸机械化，可减轻劳动强度，提高工作效率；可实现无级变速；钻机具有联动功能，通过操纵台进行集中操作，简便安全。图5-4 MK-3型钻机结构布置图（2）YG-30型钻机 该钻机和M

41、K-3型钻机类似，也为全液压动力头结构，除满足潜孔锤钻进所要求的条件外，最主要的特点是可拆性好。MK-3型、YG-30型、XY-2型钻机的主要性能参数见下表：表5-4 潜孔锤施工用钻机主要性能参数表钻机型号性能参数MK-3 YG-30XY-2钻杆直径 mm42；5042；5071；50最大孔深 m100；150 40；30300开孔直径 mm110130300终孔直径 mm755059钻孔顶角 °036003600360转 速 rpm1032010320651172钻进行程 mm6501800400给进力 KN293045产 地西安无锡重庆5.6.2空压机空压机全称是空气压缩机，它是

42、一种将动能转变为气体的压力能的机械。目前所使用的空压机有两种：一种是往复活塞式空压机；另一种是螺杆式空压机。空压机的主要技术参数有排量、压缩比、压力、效率等。根据施工中所选用的潜孔锤型号，并考虑一定的管路压损，选定了如下两种型号的空压机。（1）LG20-10/7型；（2）LGD-20/12型。其主要性能参数见下表：表5-5 空压机性能参数表 性能参数型号额定排气量（m3/min） 额定排气压力（MPa）冷却方式功率（kw）型 式产 地LG20-10/7100.7水 冷75螺杆式天津LGD-20/12201.2水 冷160螺杆式南京6 潜孔锤钻进技术参数的选择潜孔锤钻进技术，虽然说是目前最先进的

43、钻进技术，但是是否能够充分发挥出它的先进性，关键所在就是如何结合工程实践，选择合理的钻进技术参数。在黄河小浪底水利枢纽工程排水孔施工中，我们紧密结合排水孔设计特点以及排水孔的工程地质特性，进行了大量的探索和研究，选择了最合理的潜孔锤钻进技术参数，取得了显著的技术效益和经济效益。潜孔锤钻进技术参数，分为主要技术参数和辅助技术参数。主要技术参数，一是指潜孔锤（风动冲击器）的输入技术参数；二是指潜孔锤（风动冲击器）的输出技术参数。输入技术参数包括风量和风压，输出技术参数包括潜孔锤作功的冲击功能和冲击频率。辅助技术参数，是指钻机施给的转数和钻压，它的作用是潜孔锤实现稳定工作。潜孔锤的输入技术参数和输出

44、技术参数有如下曲线关系 。 A(J) n(Hz) 120 A 90 30 n 60 25 30 20 风量(m3/min) 10 15 20 图6-1 输入风量与潜孔锤冲击功、冲击频率关系图 A(J) n (Hz) 200 40150 30 n100 20 A 50 10 风压（MPa） 0.5 1.0 1.5 2.0 图6-2 风压与潜孔锤输出冲击功率、冲击频率关系图 由以上曲线关系图可以得出如此结论：（1）潜孔锤输入风量的大小是控制潜孔锤输出参数的主要因素之一。潜孔锤的冲击功率、冲击频率随输入风量的增大而增加，所不同的是，冲击功率A呈直线增加关系；冲击频率n呈双曲线增加关系。（2）潜孔锤输

45、入风压的高低是控制潜孔锤输出参数的另一个主要因素。潜孔锤的冲击功率、冲击频率随输入风压的增加而增加，冲击功率A及冲击频率n都呈直线增加关系，区别在于冲击频率n直线系数kn大于冲击功率A 直线系数kA。6.1 风量潜孔锤钻进中选择风量的原则，一是最大限度地满足潜孔锤最佳工作状态的需要；二是在空压机的技术性能以内；三是满足钻进排除岩粉、冷却钻头的需要。风量选择公式：Q=Qa+Qb 式中Q为潜孔锤钻进所需总风量；Qa为潜孔锤工作所需风量；Qb为排除岩粉所需风量。Qa是由各种不同的潜孔锤的技术特性所决定，一般为相对固定数。Qb为变化数值，主要由钻孔孔壁性质、钻孔环状间隙所决定。潜孔锤钻进是依靠压缩空气

46、的流速排除孔内岩粉的。要保持潜孔锤正常工作，必须保证钻进时孔内的上返排风速度V2大于岩屑的悬浮速度V1。这一定的速度，是由一定的风量在一定的钻孔环状间隙和一定的孔壁状态环境下形成的。岩屑的悬浮速度V1计算公式如下：V1=(5.45×r1d1/r2)1/2式中：V1岩屑悬浮速度（m/s）r1岩屑容重（kg/m3）d1岩屑直径（m）r2压缩空气容重（kg/m3）V2=K1×V1 式中K1的确定，考虑以下几个因素：（1）岩屑的不规则性；（2）干涉沉降影响；（3）岩粉成团；（4）孔径的不均匀性；（5）孔壁的不稳定性。在实际计算中，直孔中K1取1.3；斜孔中K1取1.5。在实际潜孔锤

47、钻进施工中，要求钻杆和钻孔环状间隙之间的最低上返风速V2为15m/s，否则就难以排除孔内岩粉。供风量的计算公式：Qb=0.785×(D2-D22) ×V2×60m3/min式中Qb供风量（m3/min） D钻孔直径（m）D2钻杆直径（m）在实际施工中，在钻具级配合理的情况下，按照以上公式确定潜孔锤钻进所需供风量的大小。在小浪底排水孔潜孔锤钻进施工中，Qb一般取值57 m3/min，是最优风量参数值。Qa一般取值为4 m3/min由此可以得出：Q=Qa+Qb=911 m3/min 是小浪底排水孔潜孔锤钻进风量最优选择参数值。6.2 风压风压的选择原则是：（1）风压能保证潜孔锤产生最佳的冲击功率、冲击频率；（2）在空压机的技术特性要求以内安全运行；（3）使输气管路中的损失最小。不少的工程实践和试验表明：风压直接影响到潜孔锤的冲击功率和冲击频率，直接表现为随着风压的增大，钻进速度呈几何级数提高。在小浪底进行潜孔锤钻进技术生产性试验中，当把风压由0.6MPa提高到1.03MPa时，钻进速度由0.2m/min提高到0.45m/min。但是，这并不是说风压可无限制地提高，风压太大时，其在管路中的损失也最大，压缩空气的机械利用率相应降低，并且也伴有潜孔锤易损部件故障率的增加。在小浪底水利枢纽排水孔施工中，我们选择了高压潜孔锤和低压潜孔锤两