反井鉆機在拉拉山水電站斜井施工中的應(yīng)用

劉少輝，王寶雄，仝艷芳

(中國水利水電第五工程局有限公司第三分局，四川雙流 610255)

1 工程概況

拉拉山水電站位于甘孜州巴塘縣境內(nèi)，為金沙江左岸支流巴楚河干流“一庫五級”開發(fā)的第三級電站，系引水式電站。電站廠址位于莫多鄉(xiāng)措松龍村，電站總裝機容量為96 MW(2×48 MW)，為立軸混流式水輪發(fā)電機組。壓力管道由三個平段和兩個斜段組成，其中上斜段長155.36 m，開挖斷面為直徑5.2 m的圓形，斜井段與水平段的夾角為65°。

上斜段管道垂直埋深90～130 m，側(cè)向最小水平埋深100 m。巖層為灰?guī)r，受斷裂帶影響，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，部分張開，圍巖為IV～V類，巖體穩(wěn)定性較差。其中井口段43 m為強風(fēng)化灰?guī)r，無強度，夾雜顆粒狀碎石且裂隙滲水嚴重，斜井中下部位夾雜強風(fēng)化灰?guī)r。上斜段巖層分布情況見表1。在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下，采用反井鉆機開挖斜導(dǎo)井是一次大膽嘗試，其成敗與否，關(guān)鍵在于先導(dǎo)孔的鉆進。

表1 壓力管道上斜井地質(zhì)情況表

2 反井鉆施工工藝

反井鉆開挖斜井是一種高效、安全的鑿井施工方法，已廣泛應(yīng)用于我國煤礦、水電等地下工程施工中。近幾年，雖然水電工程項目也有反井鉆開挖斜井貫通的案例，但在不良地質(zhì)條件下順利貫通的案例還很少且導(dǎo)孔偏斜量往往超過設(shè)計值。

2.1 反井鉆機施工的優(yōu)點

(1)施工安全性好。采用反井鉆機施工，工人不需要進入井內(nèi)作業(yè)，工作環(huán)境和安全狀況良好，避免了其他施工方法中落石、有害氣體等對人的傷害。

(2)有利于后續(xù)施工。反井鉆機采用滾刀機械破巖，對圍巖破壞小，井壁光滑，有利于擴孔溜渣、通風(fēng)、排水。

(3)操作安全簡單。反井鉆機操作簡單、安全，改善了工人的勞動條件，減輕了勞動強度。

(4)鉆機效率高，成井速度快，質(zhì)量好。

2.2 反井鉆機的主要參數(shù)

拉拉山水電站地處高原地帶，平均海拔3 000 m以上，設(shè)備高原降耗較大，根據(jù)壓力管道長度、特殊巖層和特殊洞段選用LM－300型反井鉆機。

LM－300型反井鉆機的主要技術(shù)參數(shù)為:導(dǎo)孔直徑250 mm，擴孔直徑1.4 m，鉆孔深度300 m，鉆機最大扭矩70 kN·m，最大推力550 kN，鉆孔傾角為60°～90°，主機重10 t(包括運搬車)，主機搬運尺寸為3 000 mm×1 420 mm×1 740 mm，主機工作尺寸為3 280 mm×1 810 mm×3 488 mm，鉆桿單根長度為1 000 mm，電機功率為128.5 kW，驅(qū)動方式為全液壓驅(qū)動。

2.3 施工程序

鉆機基礎(chǔ)及循環(huán)池、冷卻池施工→澆筑鉆機基礎(chǔ)→鋪設(shè)軌道→鉆機安裝→鉆機調(diào)試→澆筑地腳螺栓→導(dǎo)孔鉆進→拆導(dǎo)孔鉆頭，接擴孔鉆頭→擴孔鉆進和下口出渣→反井鉆機撤除。

2.4 反井鉆機的冷卻循環(huán)系統(tǒng)

反井鉆機的冷卻循環(huán)系統(tǒng)由洗井泵(泥漿泵)、水池、水溝組成。在距反井鉆機基礎(chǔ)約15 m處設(shè)置一個10 m3水池，水池中間設(shè)隔墻，將水池分隔成清水池和沉淀池?；炷粱A(chǔ)和水池之間由水溝連接，導(dǎo)孔施工產(chǎn)生的回水、細沙沿水溝回流至沉淀池。洗井泵設(shè)置在鉆機車與水池之間。

2.5 反井鉆機的運輸及安裝

為方便反井鉆機就位、定位，在洞內(nèi)卸機部位地面安裝運輸軌道，軌道間距60 cm，軌道為24 kg/m的輕軌，枕木為10 cm×10 cm的方木，間距為50 cm/根。在主管洞頂上設(shè)置一個天錨，承載力為15 t，用于反井鉆機卸車。

2.6 反井鉆機的基礎(chǔ)安裝

反井鉆機安裝在平段與斜井相交部位，主機起鉆孔口與斜井中心線延長線吻合。操作車、泵車依次停放在擴挖過后的盲洞內(nèi)，操作車距起鉆孔口有大于1 m的安全距離?；A(chǔ)采用C20混凝土分二期澆筑而成，一期形成基礎(chǔ)并預(yù)留反井鉆機地腳螺栓坑，待機體到位并進行初校后，回填二期混凝土，以確保反井鉆機與基礎(chǔ)牢固銜接，不發(fā)生移位。施工布置情況見圖1。

圖1 反井鉆機施工布置示意圖

3 導(dǎo)孔施工

反井鉆先導(dǎo)孔φ250。先導(dǎo)孔的偏斜值若超過設(shè)計洞邊線，則該導(dǎo)孔為廢孔。開鉆后偏離誤差通過測斜儀檢測，根據(jù)檢測的結(jié)果實施不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速，采取過程糾偏等措施控制孔斜。

3.1 反井鉆機的操作

(1)反井鉆機就位、開機試運轉(zhuǎn)時，操作手要先進行空載運轉(zhuǎn)，檢查動力水龍頭的上下運行和旋轉(zhuǎn)以及機械手和轉(zhuǎn)盤吊的工作狀況;觀察液壓系統(tǒng)有無漏油，機械系統(tǒng)是否運轉(zhuǎn)靈活，操作手柄是否靈活可靠，各儀表指示是否正常，各種控制閥是否工作可靠，液壓油溫度有無異常，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時處理。

(2)鉆進時，動力頭向下給適當壓力，正向旋轉(zhuǎn)即可。當鉆井深度一定時，考慮鉆具自重影響，壓力逐步減小;必要時，調(diào)整平衡閥控制鉆壓，使刀具對巖石的壓力合理。對于松軟地層，采用低鉆壓;對于硬巖穩(wěn)定地層，采用較高鉆壓。在鉆至平洞透點3 m左右時應(yīng)逐漸降低鉆壓。

(3)反井鉆機加接鉆桿時，推進油缸停止工作，同時把鉆具提起50 mm以上，根據(jù)孔深繼續(xù)沖洗2 min以上，觀察鉆孔內(nèi)的返渣情況，確定孔內(nèi)無沉渣后再接鉆桿。

(4)接鉆桿時，動力水龍頭要提至最高位置，以免機械手輸送鉆桿時鉆桿與動力水龍頭碰撞。

(5)卸鉆桿時，先將下卡瓦裝入卡套，卸開鉆桿和接頭體絲扣，然后裝上卡瓦，卸掉鉆桿下部絲扣，上提動力水龍頭，由機械手抱住鉆桿，取出上卡瓦，卸下鉆桿和接頭體絲扣。卸扣時，為確保安全，輔工人員要撤離至主機一側(cè)操作。

(6)操作手工作時，應(yīng)根據(jù)導(dǎo)孔返水或返巖屑的情況不斷調(diào)整鉆進參數(shù)。

(7)操作手對當班的鉆井深度、設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)、地質(zhì)狀況等要記錄清楚。

3.2 導(dǎo)孔鉆進施工

鉆進導(dǎo)孔時，如發(fā)現(xiàn)鉆具鉆進困難，此時可能遇到裂隙或巖層塌落，應(yīng)把鉆具旋轉(zhuǎn)提到一定高度，再慢慢向下掃孔，若經(jīng)反復(fù)掃孔仍無效果時，一定要提鉆，查明原因并進行處理。當發(fā)現(xiàn)導(dǎo)孔鉆頭水眼堵塞時，要及時提鉆處理。

3.3 穩(wěn)定鉆桿的布置

反井鉆機的鉆桿分為普通鉆桿和穩(wěn)定鉆桿，差別為后者比前者多了4條3 cm厚的鋼肋板，其作用是導(dǎo)向，避免鉆孔偏斜，防止鉆桿隨深度(長度)的增加產(chǎn)生過大的彎曲和擺幅，起到穩(wěn)定鉆桿的作用，同時減少鉆桿與孔壁的磨損。合理的布置穩(wěn)定鉆桿是控制鉆孔偏斜的有效措施之一。拉拉山水電站上斜井鉆桿分布為:在初始10 m鉆孔時全部使用穩(wěn)定鉆桿，10～40 m內(nèi)每隔1 m更換穩(wěn)定鉆桿，40～90 m內(nèi)每隔10 m更換穩(wěn)定鉆桿，90～127.7 m每隔15 m更換穩(wěn)定鉆桿。

3.4 強風(fēng)化灰?guī)r層、滲水段的處理

在拉拉山水電站上斜井反井鉆施工中，整個斜井地質(zhì)條件較差，比較破碎，又存在裂隙，導(dǎo)孔施工過程中經(jīng)常遇到不返水、不返巖屑和塌孔等現(xiàn)象，尤其是在鉆至43 m、59 m和86 m三處時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)孔內(nèi)滲水量比較大，不返水、不返巖屑、塌孔，卡鉆的現(xiàn)象比較嚴重。采取的處理方法是:立即將鉆桿全部提起，采取向?qū)Э變?nèi)灌注純水泥漿進行護壁、堵漏的方式。送漿量通過孔深和預(yù)計流失量計算，水灰比均為0.45，并摻速凝劑，待水泥漿凝固24 h后重新掃孔鉆進。

3.5 導(dǎo)孔精度控制

在拉拉山水電站上斜井導(dǎo)孔施工中，主要通過調(diào)整鉆壓、鉆速和選用有經(jīng)驗的鉆井人員控制導(dǎo)孔精度，措施如下:

(1)通過調(diào)整鉆壓、鉆速獲得在不良地質(zhì)條件下的最佳鉆進速度，為了提高鉆進精度，在鉆進導(dǎo)孔時，采用低于最佳鉆進速度的低壓鉆進。約1.5 h鉆進1 m。

(2)通過加大主泵供水量的方式使導(dǎo)孔內(nèi)水壓增大，有利于孔底巖屑的清理，荷載直接作用于新露出的巖石上，降低鉆壓，從而可降低導(dǎo)孔的偏斜，確保導(dǎo)孔精度。

(3)選用有經(jīng)驗的鉆孔人員，能夠根據(jù)導(dǎo)孔返上的巖屑判斷巖層地質(zhì)情況，從而及時調(diào)整鉆壓、鉆速，確保鉆孔精度。

經(jīng)過采取以上一系列措施進行處理，上斜井導(dǎo)孔向中軸線上偏斜1.8 m，取得了比較理想的效果。

3.6 反井鉆上斜井導(dǎo)孔施工效果

拉拉山水電站高壓管道上斜井地質(zhì)條件十分復(fù)雜，最終決定采用LM－300反井鉆施工導(dǎo)孔:2011年4月18日開鉆，至2011年5月19日完成鉆孔127.7 m，歷時31 d，實際工作8 d，平均日進尺16 m，最終導(dǎo)孔向中軸線上偏斜1.8 m成功貫通。

4 結(jié)語

拉拉山水電站斜井反井鉆導(dǎo)孔施工在高原地帶、地質(zhì)條件復(fù)雜等情況下順利地完成了施工任務(wù)，施工質(zhì)量好，速度快。

(1)采用LM－300型反井鉆機施工不良地質(zhì)條件下的斜井導(dǎo)井，比人工開挖安全性高、質(zhì)量好、進度快。通過采取特殊措施，可以有效控制導(dǎo)孔的精度，確保鉆孔質(zhì)量。

(2)先導(dǎo)孔鉆進應(yīng)選用有經(jīng)驗的操作人員，施工中根據(jù)巖層情況隨時調(diào)整鉆進速度?？卓诙螒?yīng)放慢鉆進速度，不良地質(zhì)帶應(yīng)先對巖性進行判斷，然后根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整施工工藝，絕對不能盲目追求進尺，否則將會造成重大損失。

(3)導(dǎo)孔出現(xiàn)偏斜時應(yīng)及時采取糾偏措施。通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定鉆桿、調(diào)整鉆壓、鉆速、灌漿等一系列措施確保導(dǎo)孔精度。