如何提高卸荷变形拉裂体边坡深孔锚索的成孔效率.doc

如何提高卸荷变形拉裂体边坡深孔锚索的成孔效率
QC成果报告书

注 册 号：
课题名称：如何提高卸荷变形拉裂体边坡的深孔锚索成孔效率
类 型： 技 术 攻 关 型
发表单位： xx施工局
小组名称： xxQC小组
发 表 人： xx
年 月

目 录
1.概况 2
2.选题理由 3
3.P阶段（计划） 3
3.1现状调查 3
3.2确定活动目标 4
3.3影响锚索成孔效率因素分析 4
3.4要因确认 5
3.5制定对策 6
4.D阶段（实施） 6
4.1实施一：技术措施不当 6
4.2实施二：未按技术要求施工 9
5.C阶段（检查） 9
6.A阶段（总结） 10
7.巩固措施 10
8.今后打算 10

1.概况
1.1工程概况
xx水电站位于xx干流下游、xx省 xx族自治州xx市和xx县交界的打罗村境内，系xx卡拉至xx段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站。上游与锦屏二级电站尾水衔接，库区长约58km，下游接二滩水电站，距西昌市公路距离约80km。
卸荷变形拉裂体（4#变形体）处位于xx水电站右岸坝肩下游处，前缘高程约1330m，后缘高程1425m，顺河平均长120m，顺坡长120m，最大厚度50m，体积约36万m3。对此变形体，采取了锚索、锚喷支护、锚索框格梁以及表层、深层排水孔等处理措施。锚索分别为7φ15.24mm、长45m-75m、设计张拉荷载为2000KN，共计130束。
1.2工程地质
该处地形凸出，坡度变化较大，上下游分别发育至萨沟及菩沟，覆盖层主要分布于1340～1380m高程，为崩坡积块碎石土，厚约3～8m，1340～1380m高程在菩沟内堆积有崩积的孤块石，块径0.5～3.0m。基岩岩性复杂，错动带十分发育，水平线发育率15条/100m，因各方向裂隙张开无充填，岩体强烈松动、架空，无法成硐，压致拉裂迹象明显。错动带中多有糜棱岩及断层泥分布，最厚可达10cm。全强风化下限水平深度10～16m，弱风化上段下限36～91.5m；强卸荷下限水平深度16～62m，弱卸荷下限36～112.5m。弱卸荷带为拉裂岩体，岩体强烈松弛，裂隙普遍渗～滴水，夹泥裂隙率约40～50%，次生泥含水量大，呈软～流塑状态，充填形态不规则。
1.3 QC小组简介
小组于2007年7月18日成立，小组类型：技术攻关型，小组活动时间2007年7月19日—2007年11月20日，集中活动共5次，分散7次，召开会议8次。小组成员情况见下表。
表1 小组成员情况表
小 组 概 况
课题名称
如何提高卸荷变形拉裂体边坡的深孔锚索成孔效率
小组名称
卸荷变形拉裂体边坡锚索成孔攻关QC小组
活动时间
2007.7.19～2007.11.20
小组类型
技术攻关型
本课题活动次数
本课题共组织召开调查分析、目标论证、技术交底、总结评价等活动20次。
小 组 成 员 简 介
序号
姓名
性别
年龄
学历
职 务
职称
小组分工
TQC教育
1
xx
男
35
工程硕士
分局长
工程师
组长
60
2
xx
男
31
大专
副分局长
工程师
成员
40
3
xx
男
37
大学
总工程师
高工
成员
60
4
xx
男
43
大学
副分局长
经济师
成员
60
5
xx
男
35
大学
副总工
工程师
成员
60
6
xx
男
30
大学
质检科长
助工
成员
60
7
xx
男
29
大学
质检员
助工
成员
40
8
xx
男
31
高中
调度主任
技师
成员
40
9
xx
男
26
大学
技术员
技术员
成员
40
10
xx
男
33
高中
工段长

成员
40
2.选题理由
（1）4#变形体地质条件极差，锚索最大孔深达75m，在我分局施工尚属首次，施工经验的积累和总结尤为重要；
（2）合同工期目标限制，除锚索成孔外其它支护工序的施工工艺基本成熟，故锚索成孔的效率将是制约工期的主要因素之一。
3.P阶段（计划）
3.1现状调查
在锚索施工初期，整个4#变形体锚索施工区分4段同时开钻，因地质结构复杂，锚索成孔异常困难，自6月13日开钻以来，历时36d开孔13个仅成功下索3束，成孔率仅为23.08%，每台钻机平均12d成孔下索一束，与工期的要求相差太远。
表2 4#变形体前期锚索钻孔情况调查表
序号
孔号
成孔深度(m)
钻孔时间(h)
钻孔速率(m/s)
造孔情况
钻机型号
1
1-2
31.5
126.67
0.25
钻进11.5m时进行固结灌浆，灌浆7t，未能灌满监理让停，又进尺20m钻具卡死
70钻机
2
1-3
14
101
0.14
钻孔14m，固结灌浆20余t，未灌满，钻具卡死
50钻机
3
1-4
45
60.75
0.74
采用套管跟进方法，灌浆5t，最终成孔
70钻机
4
1-6
24.5
37.17
0.66
采用套管跟进方法，至24.5m处管靴断裂，使用70t级拔管机未能拔出
50钻机
5
1-7
21.5
60.5
0.36
采用钻孔预固结灌浆方法成孔，灌浆9t未灌满，在21.5m钻具卡死
50钻机
6
2-3
30.5
52.5
0.58
套管跟进至12m时固结灌浆，多次卡钻，在钻进至30.5m时，钻具卡死
50钻机
7
2-4
17.5
35
0.50
套管跟进至17.5m处管靴断裂报废
50钻机
8
2-5
17
45.33
0.38
裸钻钻进，钻孔12.5m时固结灌浆，未灌满，多次卡钻，钻至17m时钻具卡死
50钻机
9
2-6
65
84.5
0.77
采用套管跟进方法钻孔，在成孔10m时进行固结灌浆，最终成孔
70钻机
10
2-7
34.5
64.5
0.53
采用钻孔预固结灌浆方法成孔，两次灌浆23t未灌满，多次卡钻，在34.5m钻具卡死
70钻机
11
2-8
30
74
0.41
采用钻孔预固结灌浆方法成孔，两次灌浆17t未灌满，多次卡钻，在30m钻具卡死
70钻机
12
2-11
70
89.6
0.78
采用套管跟进方法钻孔，在成孔18.5m时进行固结灌浆，多次卡钻，最终成孔
70钻机
13
2-12
1.5
4
0.38
两次开孔均不到2m钻具就卡死
70钻机
平均速率

0.50

注：孔号1-*为1358.1m高程的锚索孔，孔号2-*为1354.1m高程的锚索孔。
检查人：石 岩 王旭宾 制表人：王词重 日期：2007年7月19
根据对前期锚索钻孔现状的调查，绘制出前期锚索钻孔方法与钻孔深度排列图和不同施工条件下钻孔速率排列图，分别见图1和图2。

套管跟进+
固结灌浆
50钻机
70钻机
50钻机
70钻机
50钻机
钻 进 深 度
（m）
0
100
20
30
40
50
60
70
1-3 1-7 2-5 1-2 2-7 2-8 1-6 2-3 1-4 2-6 2 -11 2-12 2-4 孔 号
图 例
固结灌浆
裸钻钻进
套管钻进
4#变形体锚索成孔方法分析图

制图：王词重 日期：2007年7月19日
图1 4#变形体前期锚索钻孔方法与钻孔深度排列图
从上图可以看出，钻孔深度不仅与钻机选型有关，而且与钻孔方法密切相关。

制图：王词重 日期：2007年7月19日
图2 不同施工条件下钻孔速率排列图
从上图可以看出，影响钻孔速率的主要是施工方法的选择，但也与钻机选型有一定的关系。
3.2确定活动目标
进一步完善钻孔施工工艺，提高锚索的成孔效率，在现有地质条件下确保：
锚索的成孔率控制在90%以上；
平均钻孔速度控制在2m/h以上。
3.3影响锚索成孔效率因素分析
小组成员通过“头脑风暴法”，群策群力，从人、机、料、法、环五个方面寻找原因，绘出原因分析系统图：
锚索成孔效率不高
人的因素
1、 新工人多，工人不熟练；
2、 技术人员缺乏认识；
3、 宣传教育不够，工人思想出现波动；
机具因素
材料因素
环境因素
方法因素
8、技术措施不当；
9、施工经验总结不够；
10、未按技术要求施工；
4、部分钻机规格偏小；
5、管靴质量差；
6、套管及钻头类型偏少；
7、锚索钻孔固结灌浆未能灌满；
11、高空作业，交叉施工，工作面狭窄；

制图：王词重 日期：2007年7月20日
图3 锚索成孔效率不高分析图
3.4要因确认
小组成员对找出的原因进行调查、讨论、分析，找出主要原因。见表3。
表3 末端原因分析表
序号
末端因素
论证分析
确认方法
结论
1
新工人多，工人不熟练
现场虽然增加了不少新工人，但实际核对只占工人总数的12%，大多数工人都有多年施工实际经验。
现场走访
查阅档案
非要因
2
技术人员缺乏认识
现场少数技术人员没有干过锚索，但经过开工以来缆机平台的亲身实践，也基本掌握了锚索施工工艺。
现场调查
非要因
3
宣传教育不够，工人思想出现波动
进行过4#变形体锚索施工难度分析与对策研究的教育和学习
现场调查
资料查阅
非要因
4
部分钻机规格偏小
开始上的50型钻机，进入7月份全部换成70型钻机，满足钻孔要求。
现场调查查阅记录
非要因
5
管靴质量差
前期锚索钻孔管靴经常断裂，发现问题后调换供货厂家，更换管靴，确保不影响工程施工进度。
现场调查查阅记录
非要因
6
套管及钻头类型偏少
配备所需型号的各种套管和钻头，保证各种岩层的钻孔需要。
现场调查
非要因
7
锚索钻孔预固结灌浆没有达到固壁效果
由于业主限量灌浆，达不至固壁的效果。经多次与业主磋商，向业主说明钻孔的困难程度，同时结合边坡稳定和工期要求进行分析，最终达成了业主只对灌浆监控而不限量的一致意见，这就使得我们在钻孔过程中的预固结灌浆达到固壁这一效果
现场调查查阅资料
非要因
8
技术措施不当
已编的施工措施不具体，交底不够。
查阅资料、分析
要因
9
施工经验总结不够
过去施工的项目基本有总结，且借调了小湾电站其他单位的锚索孔钻探工。（小湾电站锚索支护边坡地质条件极其复杂）
现场走访、调查
非要因
10
未按技术要求施工
前期现场作业人员对钻孔困难的认识不够，凭经验按自己的想法施工。
现场调查查阅资料
要因
11
高空作业，交叉施工，工作面狭窄
施工平台狭小，马道板铺设不够，且与锚杆、排水孔施工相互干扰，但经过整改，加强了安全防护，同时给锚杆、排水孔施工设置了起用通道，保证了施工正常进行，没有对施工造成严重影响。
现场调查查阅资料
非要因
制表：王词重 日期：2007年7月20日
经过验证，确认 “技术措施不当”和“未按技术要求施工”两项因素为主要原因。
3.5制定对策
针对上面分析的结果，小组制定了相应的对策措施，并落实了具体的人和期限，见对策表：
表4 对策表
序号
主要原因
目 标
对 策
措施
负责人
地 点
期限
1
技术措施不当
技术人员与工人熟练掌握施工工艺
修订技术措施
1.技术员重新编写技术措施；
2.技术人员向工人详细的技术交底；
3.现场技术员与工人一道演练。
xx
施工现场
7.25
2
未按技术要求施工
严格按照程序施工
加强现场管控力度
1.严格程序控制，加强管理力度；
2.切实落实相关技术要求，实行生产与效益挂勾。
xx
施工现场
7.22
制表：xx 日期： 年 月 日
4.D阶段（实施）
4.1实施一：技术措施不当
4.1.1应对的施工措施初探与分析
在钻孔遇到困难后，引起分局领导的高度重视，由QC小组来研究对应的措施，提高成孔效率。采用了四种成孔施工工艺进行试验探索：①常规裸眼成孔，②组合麻花钻成孔（螺旋钻杆），③固结灌浆成孔，④跟套管成孔。
常规裸眼成孔工艺，虽然偶尔能成孔，但产生废孔、卡钻、埋钻等事故较多，反复扫孔重复劳动量大，功效很低。
组合麻花钻成孔，可应用在破碎裂隙发育、断层发育和软硬交互地层等岩体中钻进，但在容易产生较大直径掉块或坍塌岩体中钻进时，很容易产生卡钻或埋钻现象。
固结灌浆法成孔，由于边坡节理裂隙发育，且存在拉裂缝，岩体强烈松弛，灌浆流失现象严重，该地质情况不宜采用固结灌浆法成孔。
跟套管成孔，经过现场试验并成功运用，采用YXZ-70A型全液压锚固钻机，用冲击锤、
偏心钻头、套管、管靴、导正器等组合钻具，跟管钻进成孔工艺，成孔效率高，成孔时间较其它工艺短，因此，4#变形体的锚索施工，最有效的成孔工艺就是采用跟管钻进成孔。
4.1.2跟管钻进施工工艺
4.1.2.1钻机设备选型与配置
对于此种复杂地层锚固钻机宜选用60型及60型以上钻机，YXZ-70A型锚固钻机为全液压驱动动力头式钻机，无级调速，主要由动力系统及油箱、动力头、操作台、桅杆及下滑轨、机架及支撑等五大部分组成，其动力头输出扭矩达4000N·m，最大起拔力45KN，最大进给力30KN，钻进速度快，处理事故能力强，结构为分体式，可拆性好，移动、安装迅速方便，可远距离操纵。采用φ168偏心跟管钻具、φ168套管、φ89外平钻杆、英格索兰CIR110冲击器及配套φ135钎头、液压拔管机等。
跟管套管的选择：套管主要用于保护钻孔孔壁在钻进过程中不坍塌，随钻孔深度延伸，且在施工跟进过程中不易折断，在钻进成孔穿索后再拔出，为适应工程变形体跟管钻进的需要，跟管套管选择外径φ168、壁厚10mm，材质D50，连接丝扣为梯形扣，公母扣直接连接。
偏心跟管钻具：由花键导向体和偏心锤头体组成，花键导向体与偏心锤头体采用横、纵悬挂定位销连接，偏心锤头体通过内部镶嵌式卡块由花键导向体带动回转，冲击功由冲击器通过花键导向体传递到偏心锤头体起到冲击破碎岩石、回转扩大孔径的作用，在前部钻孔达到一定空间时花键导向体台阶利用冲击器冲击套管靴台阶达到同步跟进套管的目的。
套管靴：主要起到带动套管同步跟进的作用。
4.1.2.2施工工艺流程

测量放线、定孔位
达到设计孔深
根据钻孔情况
下索、拔管
换钻头采用裸眼成孔
搭设排架
移动钻机
常规钻头开孔
换钻头改用跟管钻具
跟管钻进
反复提钻清孔
拔钻

图4. 跟管钻进施工工艺流程图
4.1.2.3施工工艺
(1)偏心跟管钻进原理
如前所述偏心跟管钻进主要器具由套管、冲击器、偏心跟管钻具、套管靴组成。用同径
常规钎头先造孔1m深左右，为套管钻进提供定位和导向作用。开钻前让偏心钻头伸出套管靴，达到一定程度时，张开偏心钻头，方可进行正常钻进。特别注意在确认钻头到达孔底后先回转，待正常后，再开风进行钻进。跟管钻进的过程中，边加钻杆边加套管，跟管钻进至需要深度位置后，即可将跟管钻头、冲击器、钻杆提升出孔外，根据需要可一次跟管到位，或先跟管钻进至需要深度后，再用常规钎头钻进至设计深度，最后用高压风彻底冲扫钻孔。
(2)偏心跟管钻进施工方法
a 偏心跟管钻具在施工前应逐一检查风动潜孔锤、偏心钻头、套管、套管靴，风动潜孔锤应工作正常，并加注机油润滑，偏心钻头应能灵活张开和收拢，张开时偏心锤头应大于套管靴外径，连接销及锁紧机构应牢固，钻杆与潜孔锤和潜孔锤与偏心钻具的连接应可靠，套管和套管靴无裂纹，凡有影响强度的缺陷不能使用。
b 在开孔时，尽量采用常规冲击钻头裸眼钻进，同径常规钎头先造孔1m左右，给跟管钻进提供定位和导向作用。当返风量较小时，更换偏心钻头跟管钻进，一般地层的跟管钻进采用中风压（0.5-0.7Mpa）供风，钻进速度3-5m/h；到覆盖层与卸荷拉裂体交接层时，要改用小风压，钻进速度减慢一半，并要间歇吹渣，确保不卡钻；进入稳定岩层，即可加大风压，提高钻进速度，成孔深度一般较设计深度长0.5-1.0m，遇到卡钻时，在允许用水的情况下，从钻杆中注入少量的清水是解决卡钻的有效方法之一。
c 开钻前，将钻具组装好放入带有套管靴的套管内，让偏心锤头伸出套管靴，正转张开偏心锤头进行钻进。特别注意偏心跟管钻进时，在确认钻头到达孔底后，先回转，待正常后，再开风冲动钻进。
d 钻进过程中，随着钻孔的延伸，边加钻杆边加接套管。
e 每钻进0.3～0.5m应强风吹孔排粉一次，以保持孔内清洁。吹孔时，中心钻具和上提动距离应严加控制（以能实现强风吹孔为限），禁止在钻进过程中向上起拔中心钻具或来回倒杆。
f 钻进结束或需更换中心钻具时，先将孔底残渣吹尽，脱开中心钻具的回转动力，停止回转，缓慢提升中心钻具至偏心钻头后背与套管靴前端接触为止，用管子钳卡持钻杆，作反时针方向回转，同时缓慢试提中心钻具，当中心钻具可顺利提升时，表明偏心钻头已顺利收拢，这时可按照常规方法提升中心钻具，直至全部提出中心钻具。
g 有时会因孔底残留岩渣过多，偏心钻头回转部分被岩渣卡住而影响偏心钻头的收拢。当试提几次仍不能奏效时，应开动空压机重新对钻孔进行清洗，并使用潜孔锤作短时间工作，然后再进行试提，如此作法直至提出中心钻具
h 在跟进套管有困难的情况下，又要获得较大的有效孔径，可用套管内径小3～4㎜的合金或金刚石钻头回转切削通过套管靴，从而扩大有效孔径。
i 管钻进至需要深度后，即可将跟管钻具提升出孔外。根据需要可一次跟管到位，或先跟管钻进至需要深度后再用常规钎头钻进至设计孔深。
(3)跟双层套管钻进施工
在覆盖层钻进过程中，先下φ178mm的套管，然后提钻再下φ168的套管，小套管穿过大套管，分解了套管与岩层的摩阻力，减小了套管变形的风险，有利于钻进倾角的控制，施工中有15束锚索就是利用双层套管成孔的，但跟双层套管增加了劳动强度，钻孔时间延长了将近1.5倍，对管材的质量要求特别高，跟双层套管成孔费用相当于跟单层套管成孔的3倍。
7.1.3全面技术交底，进行现场演练
调整后的施工方案，由分局技术部编制详细的施工作业指导书，并首先向分局领导、相关部门和作业层技术负责人进行技术交底，然后由作业层技术人员向工段长、作业工人进行全面、详细的技术交底，使工人知道支“怎么做”，并形成交底记录。同时现场技术员根据作业指导书内容，在施工现场向式段长、操作工人进行演练，技术部负责人进行把关，确保钻孔施工按照工艺要求进行。
4.2实施二：未按技术要求施工
召开参与锚索钻孔人员的专题会议，实行分部施工责任制，控制施工的全过程，逐级负责，层层把关，严格按照作业指导书的要求施工，每台钻机配备一名技术员，专门看管该钻机的运行，实时掌握锚索的钻孔情况，确保锚索钻孔按照相关技术要求进行。同时实行工程进度与质量奖惩制度，生产进度与生产质量直接与个人的经济效益挂勾，从而保证钻孔的效率。
5.C阶段（检查）
经过QC小组活动的实施，4#变形体锚索钻孔的成孔率可达96%以上，且成孔时间大大缩短，每台钻机平均20h成一锚索孔。其分析、比较见表5、表6和图5。
表5 经过QC小组活动实施后钻孔速率统计表
序号
孔号
孔口高程(m)
孔深(m)
钻孔时间(h)
钻孔速率(m/s)
1
1-12
1358.1
70
30.50
2.30
2
1-13
1358.1
70
29.17
2.40
3
1-14
1358.1
70
29.75
2.35
4
1-15
1358.1
75
30.33
2.47
5
2-19
1354.1
60
26.50
2.26
6
2-20
1354.1
60
26.00
2.31
7
2-21
1354.1
60
27.17
2.21
8
2-22
1354.1
60
27.83
2.16
9
2-23
1354.1
60
26.67
2.25
10
3-7
1350.1
45
24.75
1.82
11
3-8
1350.1
45
19.50
2.31
12
3-9
1350.1
45
20.75
2.17
13
4-2
1346.1
40
18.50
2.16
14
4-3
1346.1
40
17.75
2.25
15
4-4
1346.1
40
22.83
1.75
平均速率

2.21
检查人：石 岩 xx 制表人：xx 日期：xx
表6 QC小组活动实施前后锚索钻孔成孔率和平均钻孔速率比较表
项目
时间
开孔个数
成孔个数
成孔率
平均钻孔速率(m/s)
QC小组实施前
13
3
0.231
0.50
QC小组实施后
115
111
0.965
2.22
QC活动目标

0.90
2.00
制表：xx 日期：xx

制图：xx 日期：xx
图5 QC小组活动实施前后锚索钻孔成孔率和钻孔速率比较图
6.A阶段（总结）
在xx水电站4#变形体治理的锚索施工中，通过QC小组的活动，有效地解决了崩坡积块碎石土和强卸荷拉裂变形岩体锚索施工难以成孔的难题，促进了施工进度，实现了小组制定的活动目标。经过在实际施工过程中的不断总结、分析和研究，对偏心跟管钻具在结构、材质、热处理强度等方面不断优化，进一步提高了偏心跟管钻进技术，并总结了一套较为完整的施工操作技术，为复杂地质锚索跟管钻进工艺技术的发展奠定了较好的技术基础。
7.巩固措施
通过PDCA循环，开展卸荷变形拉裂体边坡锚索成孔技术攻关，分局最终掌握了一套在复杂地质条件下锚索成孔的技术，经过4#变形体后期锚索施工和公路边坡锚索施工的推广应用，大大提高了分局在复杂地质边坡锚索施工的进度，达到了QC小组活动的目的。尤其是复杂地质边坡的锚索跟管成孔技术，我们已进行经验总结，并写成文章发表在《岩土工程界》期刊上（《卸荷变形拉裂体边坡的锚索跟管成孔技术》）。
为使复杂地质边坡锚索成孔效率得到更大的提高，根据本次活动的施工经验，并通过项目在接下来的锚索施工中不断改进完善，总结出复杂地质条件下锚索快速成孔的施工工艺，并在分局积极推广。
8.今后打算
通过这次QC小组活动，我工程项目部对锚索成孔方法有了新的认识，施工方法、施工经验有了很大的提高，增强了全体职工的创新意识和竞争意识，激发了职工的积极性、创造性，促进了企业整体素质的提高。在今后的锚索施工中，我们将按照QC活动总结得出的工艺和经验进行施工，并在施工中不断总结、不断进取，尽可能的提高施工绩效，为企业的发展做出就用的贡献。