豎井反井鉆井法在地下水封洞庫工程中的應(yīng)用

郭得福，張 慧

(中鐵隧道集團(tuán)煙臺(tái)LPG地下儲(chǔ)氣洞庫項(xiàng)目部，山東煙臺(tái) 264000)

0 引言

反井鉆機(jī)法從20世紀(jì)60年代在美國采礦工程領(lǐng)域研制成功，是將隧道掘進(jìn)機(jī)和鑿井鉆機(jī)結(jié)合形成的井筒施工設(shè)備。我國在20世紀(jì)80年代開始研制，首先用于礦山工程中［1］，90 年代后在水電［2］、公路［3－4］等工程領(lǐng)域開始推廣，目前在國、內(nèi)外豎井施工中已普遍采用，但在地下水封洞庫工程中尚未推廣應(yīng)用。

地下儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣洞庫作為能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的主要設(shè)施，正在國內(nèi)掀起建設(shè)高潮。地下水封洞庫一般設(shè)計(jì)為地下洞室群，施工期通風(fēng)的難度很大，一般常采用通風(fēng)豎井方式通風(fēng)，操作豎井由于位于主洞室上部，也會(huì)用于輔助通風(fēng)。地下水封洞庫的建設(shè)規(guī)模較大，進(jìn)出油、氣的豎井較多，目前正在建設(shè)的地下水封洞庫中最多的設(shè)有15個(gè)豎井，豎井深度多為100 m左右。地下水封洞庫利用地下裂隙水密封主洞庫，使主洞庫內(nèi)的石油及其產(chǎn)品能安全儲(chǔ)存，對(duì)天然地下水的保護(hù)是地下水封洞庫施工的關(guān)鍵。豎井施工時(shí)，不可避免地要穿透地面至主洞庫間巖體的含水層，存在破壞地下天然水的風(fēng)險(xiǎn)。為保證豎井施工過程中不出現(xiàn)地下水的大量流失，影響地下水封洞庫的密封性，目前地下水封洞庫工程的豎井基本均采用傳統(tǒng)的正井法施工，但正井法施工存在進(jìn)度緩慢、施工投入多、安全風(fēng)險(xiǎn)高等不利因素。反井鉆井法是在正井法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種高效、安全的豎井施工方法，其施工工藝比較成熟［5－6］。文獻(xiàn)［7］介紹了反井鉆井法在地下水封洞庫工程中應(yīng)用的實(shí)例，但該工程的地下水流失嚴(yán)重，曾一度影響到洞庫的儲(chǔ)存。國外也因顧忌地下水泄露的問題，很少采用反井鉆井法施工地下水封洞庫工程的豎井。煙臺(tái)LPG地下水封洞庫豎井施工時(shí)將水文地質(zhì)勘探［8］和深孔注漿技術(shù)［9］結(jié)合到反井鉆井法中，成功地采用反井鉆井法開挖了4個(gè)豎井，其經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

1 工程概況

煙臺(tái)LPG地下水封洞庫工程位于山東省煙臺(tái)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)臨港化學(xué)工業(yè)園內(nèi)，工業(yè)園北側(cè)為煙臺(tái)西港區(qū)，洞庫位于工業(yè)園地下，采用地下水封洞庫儲(chǔ)存方式，該洞庫總庫容為100萬 m3，其中丁烷庫25萬m3，LPG庫25萬 m3，丙烷庫50萬 m3。地下水封洞庫工程主要由交通巷道、水幕巷道及水幕、主洞庫、豎井等組成。

豎井共有4個(gè)，其中，1個(gè)通風(fēng)豎井，3個(gè)設(shè)備豎井。豎井直徑均為6 m，深度為116～162 m。豎井井口端有20～30 m的砂性土覆蓋層，其余均為黑云二長花崗巖，圍巖總體完整，滲水量較小，以Ⅱ級(jí)圍巖為主，巖石飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)160 MPa左右。

2 方案的確定

反井鉆井法在鉆導(dǎo)井時(shí)，很容易將含水層鉆透而使地下水流失，因而反井鉆井法在地下水封洞庫工程中鮮有采用。要采用反井鉆井法，就必須要確保不破壞地下天然裂隙水，這就需要做好水文地質(zhì)勘查工作。施工前期，在豎井中心鉆一水文地質(zhì)探孔，并對(duì)探孔分段進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)確定巖石滲透系數(shù)，在地下水的滲透系數(shù)普遍較小時(shí)方能采用反井鉆井法。反井鉆井法施工時(shí)，由于開挖的渣能從導(dǎo)井內(nèi)直接溜入井底的巷道或主洞庫內(nèi)，減少了出渣工序，大大提高了施工的進(jìn)度和安全性。從費(fèi)用角度看，采用反井鉆井法后，直徑大于6 m的豎井施工總費(fèi)用一般比正井法施工的豎井略低?？梢?，在條件允許的情況下，宜采用反井鉆井法施工。

3 鉆機(jī)選型

目前，國內(nèi)已有系列化的反井鉆機(jī)，可以滿足最大5 m導(dǎo)井的施工。但從反井鉆機(jī)施工方面看，其技術(shù)已比較成熟，能滿足不同巖石條件下的鉆井，這就需要采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)的手段進(jìn)行鉆機(jī)選型。

在堅(jiān)硬的花崗巖地層，國內(nèi)目前只能使用小于2 m直徑的刀盤進(jìn)行反鉆，較為成熟的鉆機(jī)型號(hào)一般為BMC200、BMC300、BMC400，均能使用 1.2，1.4，1.6，2.0 m直徑的刀盤。由于選擇的刀盤直徑不同，其鉆孔市場價(jià)格也有較大的差異，目前鉆井較為經(jīng)濟(jì)的刀盤直徑為1.2 m和1.4 m。從施工技術(shù)方面看，地下水封洞庫工程豎井的圍巖完整性高，在人工鉆爆擴(kuò)挖時(shí)，常出現(xiàn)較大塊的爆破渣體，易堵塞反井鉆機(jī)鉆的導(dǎo)井。本項(xiàng)目對(duì)國內(nèi)幾十個(gè)工程反井鉆機(jī)使用情況進(jìn)行過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)1.2 m直徑的導(dǎo)井在巖石完整性高的豎井中易出現(xiàn)堵塞;1.4 m直徑的導(dǎo)井堵塞次數(shù)極少;1.6 m直徑的刀盤在國內(nèi)使用較少，無堵塞的信息;花崗巖地層用2.0 m直徑的刀盤在國內(nèi)技術(shù)尚不完全成熟。

綜合上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的比較，本項(xiàng)目選用BMC300型反井鉆機(jī)配1.4 m直徑反向刀盤，導(dǎo)孔鉆頭直徑為235 mm。

4 反井鉆機(jī)作業(yè)原理

反井鉆機(jī)主要包括地上部分和井下部分。地上部分主要有主機(jī)、操作控制系統(tǒng)、洗井液循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電控系統(tǒng);井下部分有鉆桿、導(dǎo)孔鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭等。反井鉆機(jī)施工工藝主要包括導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)2個(gè)過程。導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)，動(dòng)力頭施加向下的推力和旋轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)鉆桿傳遞給導(dǎo)孔鉆頭，導(dǎo)孔鉆頭切削、擠壓巖石，破碎的巖屑沿鉆桿外壁環(huán)形空間由洗井液(清水或泥漿)提升至地面，這一過程中，鉆桿不斷向下接長直至鉆透至下水平巷道;擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，動(dòng)力頭施加向上的拉力和旋轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)鉆桿傳遞給擴(kuò)孔鉆頭，布置在擴(kuò)孔鉆頭上的滾刀擠壓巖石，破碎的巖屑靠自重落至下水平巷道，由裝巖機(jī)等設(shè)備運(yùn)出，這一過程中，鉆桿不斷拆卸直至擴(kuò)孔鉆頭露出地面。反井鉆機(jī)各部分組成及作業(yè)示意見圖1。

圖1 反井鉆機(jī)各部分組成及作業(yè)示意圖Fig.1 Raise-boring machine and its working principle

5 反井鉆機(jī)施工

反井鉆機(jī)施工順序?yàn)?水文地質(zhì)探孔—地面預(yù)注漿堵水—反井鉆施工準(zhǔn)備—施作鉆機(jī)基礎(chǔ)和循環(huán)水池—安裝并調(diào)試反井鉆機(jī)—自上而下鉆導(dǎo)孔—自下而上反鉆導(dǎo)井—拆除反井鉆機(jī)。

1)水文地質(zhì)探孔。在每個(gè)豎井的中心位置，鉆一水文地質(zhì)鉆孔，鉆孔從地面伸入到豎井下方的泵坑底部，鉆孔要全孔取芯進(jìn)行地質(zhì)編錄，并分段進(jìn)行壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)有單塞式和雙塞式2種［8］，單塞式的試驗(yàn)簡單，但必須每鉆孔10 m左右就試驗(yàn)一次，工作量較大。雙塞式存在塞子密封不嚴(yán)的問題，為克服此問題，采用水囊式密封塞并增加了微形攝像頭，通過攝像頭來調(diào)整塞子的位置和密封情況，取得了較好的效果。通過壓水試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出地下巖石的滲透性，找到出水較大的部位。

2)地面預(yù)注漿堵水。通過壓水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖石滲透性較大的部位均集中在靠近地表端的全－中風(fēng)化層，煙臺(tái)LPG項(xiàng)目的此類地層從地面向下20～35 m為微風(fēng)化花崗巖，滲水性較差。在豎井的周圍設(shè)帷幕注漿堵水，注漿孔應(yīng)從地表伸入微風(fēng)化巖石中至少5 m。注漿孔應(yīng)至少在豎井開口線外布置2環(huán)，環(huán)間距為1 m為宜，環(huán)內(nèi)孔間距也以1 m為宜。注漿采用分段前進(jìn)式，分段的長度為10 m左右，注漿壓力應(yīng)不小于1 MPa，注漿材料以純水泥漿為主，輔以水玻璃。在深孔注漿后，應(yīng)檢查注漿效果，根據(jù)效果進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

3)反井鉆施工準(zhǔn)備。施工前，先平整場地，確保施工的車輛、物資能安全運(yùn)至現(xiàn)場。將施工水、電接引至現(xiàn)場;如采用發(fā)電機(jī)供電，發(fā)電機(jī)的功率不應(yīng)小于250 kW;施工用水在鉆導(dǎo)孔階段可一次供應(yīng)10 m3左右即可，在反鉆階段每小時(shí)的供應(yīng)量應(yīng)不少于15 m3/h。反井鉆機(jī)施工的場地宜為10 m×15 m。

4)施作鉆機(jī)基礎(chǔ)和循環(huán)水池。為便于豎井鉆爆擴(kuò)挖，導(dǎo)井的位置宜位于豎井的中心附近，也就是說反井鉆機(jī)也應(yīng)安裝于豎井中心附近。為使鉆機(jī)安裝穩(wěn)固，需用混凝土施作鉆機(jī)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸一般為:4 m×3 m×1 m(長×寬×厚)，混凝土標(biāo)號(hào)不低于C25，地腳螺栓處二次澆注混凝土標(biāo)號(hào)不低于C30，基礎(chǔ)宜高出地面0.2 m。在地表覆蓋層軟弱時(shí)，可以根據(jù)情況適當(dāng)加大基礎(chǔ)的尺寸。在鉆機(jī)基礎(chǔ)附近挖一循環(huán)水池，使鉆機(jī)的冷卻水和孔口反出水能自然流進(jìn)池內(nèi)。循環(huán)水池的容量不宜小于10 m3，應(yīng)滿足人工或挖掘機(jī)等清理沉淀泥漿的作業(yè)。循環(huán)水池一般是臨時(shí)的，當(dāng)距離豎井口較近時(shí)在反井鉆機(jī)施工完成后應(yīng)回填。

5)安裝并調(diào)試反井鉆機(jī)。鉆機(jī)在現(xiàn)場進(jìn)行安裝，鉆機(jī)的主機(jī)部分直接安裝于基礎(chǔ)上，其他部分就近安裝，用管線將各部分連接。主機(jī)部分要先調(diào)平，再用混凝土澆筑地腳螺栓。主機(jī)、液壓泵站、操作臺(tái)間連接進(jìn)、回路油管，將所有的電機(jī)接380 V的電。在鉆機(jī)安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行鉆機(jī)的調(diào)試，確保管線正確連接，泥漿泵形成循環(huán)排渣系統(tǒng)，調(diào)試完成后方可開始鉆孔。

6)自上而下鉆導(dǎo)孔。導(dǎo)孔鉆進(jìn)是反井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵，它關(guān)系到鉆孔質(zhì)量和成敗。導(dǎo)孔鉆頭與鉆桿要配套，避免出現(xiàn)鉆頭與鉆桿偏差過大。在開孔時(shí)，鉆壓宜為50～30 kN，鉆進(jìn)速度宜為0.3～0.6 m/h;在強(qiáng)風(fēng)化段鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓宜為30～10 kN，鉆進(jìn)速度宜為2～4 m/h;在微風(fēng)化帶鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓宜為30～10 kN，鉆進(jìn)速度宜為1～2 m/h。

開孔鉆進(jìn)時(shí)，宜利用開孔鉆桿慢速鉆進(jìn)，孔深超過3 m后方可更換普通鉆桿。在含水覆蓋層鉆進(jìn)困難時(shí)可先進(jìn)行注漿加固后再從孔口鉆下，注漿方法可以多次使用。在鉆完1根鉆桿后，不能直接停泵更換鉆桿，要待孔內(nèi)的巖屑全部排出后再停泵更換鉆桿。

反井鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔過程中，要控制鉆孔的精度，偏斜率控制在1%左右。在鉆機(jī)就位時(shí)要保證鉆機(jī)垂直，鉆桿要配有一定數(shù)量的蝶形導(dǎo)向鉆桿(或穩(wěn)定鉆桿)，開始時(shí)要低壓力鉆進(jìn)，在鉆孔進(jìn)入微風(fēng)化巖石后方可緩慢增加鉆進(jìn)壓力，在遇到大傾斜結(jié)構(gòu)面時(shí)，也要控制鉆進(jìn)壓力，避免出現(xiàn)因鉆進(jìn)壓力過大而使鉆孔發(fā)生彎曲和偏離［3］。

7)自下而上反鉆導(dǎo)井。在導(dǎo)孔鉆至井底巷道內(nèi)時(shí)，在巷道內(nèi)拆下導(dǎo)孔鉆頭，更換反向刀盤，然后慢速提鉆桿，當(dāng)?shù)侗P上的滾刀接觸到巖面時(shí)，用5～9 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，并慢速上提加力。待刀盤全部接觸巖面時(shí)，才能正常上提擴(kuò)孔，但一般的系統(tǒng)壓力限制不宜超過18 MPa。

當(dāng)?shù)侗P上提接近鉆機(jī)基礎(chǔ)15 m時(shí)，要放慢鉆進(jìn)速度，并對(duì)地面進(jìn)行變形觀測，如有異常應(yīng)立即停止鉆孔。當(dāng)可能遇到較大的地下水泄露點(diǎn)時(shí)，也要停止鉆導(dǎo)井。為防止在地表覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化巖體段出現(xiàn)地下水泄露，建議導(dǎo)井上提到中風(fēng)化層即可。

8)拆除鉆機(jī)。在導(dǎo)井施工完成后，將刀盤放至巷道內(nèi)，從巷道內(nèi)拆除刀盤。鉆桿從地面逐節(jié)拆除，最后拆除鉆機(jī)。爆破拆除鉆機(jī)基礎(chǔ)，并回填循環(huán)水池即可。

6 正向擴(kuò)挖及支護(hù)

反井鉆機(jī)施工完成后，安裝井口的提升系統(tǒng)。提升系統(tǒng)主要有:主提升機(jī)1臺(tái)，配1 m3容積的吊桶1個(gè)，用于運(yùn)送材料、人員和靠井口段的正向出渣;穩(wěn)車2臺(tái)，用于懸吊吊盤(作業(yè)平臺(tái));井架1個(gè)，頂部安裝天輪;井門和吊盤各1個(gè)。擴(kuò)挖采用人工風(fēng)鉆鉆爆法，爆破的渣大部分從導(dǎo)井中自溜至巷道內(nèi)，少量渣用人工扒渣至導(dǎo)井。支護(hù)采用吊盤輔助，可在吊盤上進(jìn)行錨桿、噴射混凝土、安裝鋼支撐等作業(yè)。

擴(kuò)挖的工藝與正井法施工的方法總體一致，只是出渣的方式不同，本文中不再贅述。

7 安全保障措施

豎井提升系統(tǒng)是安全管理的重點(diǎn)，目前已有較完善的措施和管理制度。反井鉆井法施工較正井法施工，尚應(yīng)做好以下幾點(diǎn)安全措施。

1)鉆導(dǎo)孔時(shí)的電力保證。在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，完全徹底地排出巖屑是鉆進(jìn)的關(guān)鍵。如在鉆導(dǎo)孔時(shí)突然停電，且孔內(nèi)的巖屑沒有排出干凈，在較長時(shí)間停電過程中，孔內(nèi)的巖屑就會(huì)沉淀于孔底。當(dāng)長時(shí)間停電導(dǎo)致沉淀的巖屑密實(shí)后，再次鉆孔時(shí)很難排出巖屑，發(fā)生埋鉆事故導(dǎo)致鉆孔廢棄。可見，在鉆導(dǎo)孔階段，一定要保證充足的電力供應(yīng)。如果需要停電應(yīng)提前通知反井鉆機(jī)施工方，避免造成可能產(chǎn)生的埋鉆事故。

2)井底作業(yè)人員應(yīng)采取安全措施。由于豎井中心存在較大直徑的導(dǎo)井，工人在井底作業(yè)時(shí)，應(yīng)佩帶安全帶，安全帶可懸掛于吊盤下。在導(dǎo)井口，應(yīng)用鋼筋網(wǎng)片等完全覆蓋，網(wǎng)片要能承受人員在其上作業(yè)、行走的載荷。在擴(kuò)挖扒渣時(shí)，覆蓋井口的網(wǎng)片只能按照需要逐塊移開，不能全部移開。

3)井底巷道內(nèi)應(yīng)設(shè)隔離區(qū)域。因鉆導(dǎo)井及擴(kuò)挖階段的渣全部溜入井底巷道內(nèi)，因此，需在巷道內(nèi)劃出隔離區(qū)，設(shè)置防護(hù)圍墻。在巷道內(nèi)出渣時(shí)，要與豎井作業(yè)面取得聯(lián)系，此時(shí)豎井內(nèi)應(yīng)停止一切作業(yè)，并用防護(hù)網(wǎng)覆蓋導(dǎo)井上口。

4)井底爆破應(yīng)警戒豎井。在距離井底巷道內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，為防止沖擊波從導(dǎo)井傳至豎井作業(yè)面發(fā)生危險(xiǎn)，要停止豎井內(nèi)的作業(yè)，將全部人員撤至地面，打開井門以便釋放沖擊波。

8 應(yīng)用效果

如本工程豎井采用正井法施工，4個(gè)豎井需要設(shè)2個(gè)獨(dú)立的施工隊(duì)伍，2套提升系統(tǒng)，每個(gè)施工隊(duì)伍需要施工約12個(gè)月。采用反井鉆井法后，只設(shè)了1個(gè)作業(yè)隊(duì)伍，配置了1臺(tái)反井鉆機(jī)和1套提升系統(tǒng)，豎井平均日成井2 m左右，累計(jì)作業(yè)時(shí)間為10個(gè)月。

在鉆導(dǎo)井時(shí)，仍會(huì)有少量地下水流出，但均未使區(qū)域地下水出現(xiàn)大的下降。擴(kuò)挖時(shí)，在此段施作混凝土護(hù)壁，再進(jìn)行后注漿止水即可。

目前反井鉆機(jī)鉆孔的價(jià)格偏高，但提升系統(tǒng)擴(kuò)挖由于出渣強(qiáng)度減少而使費(fèi)用較低。本項(xiàng)目采用反井鉆井法施工的總費(fèi)用與正井法的總費(fèi)用基本相當(dāng)。

由于豎井的及時(shí)投用，改善了洞庫內(nèi)的通風(fēng)問題，使得工程施工進(jìn)展順利。在施工中，提升系統(tǒng)主要運(yùn)載施工人員，大大降低了提升系統(tǒng)使用的頻率，未發(fā)生任何安全事故。

9 結(jié)論與討論

反井鉆井法施工豎井、斜井在礦山、水電等工程中應(yīng)用較多，但由于易出現(xiàn)地下水大量流失的風(fēng)險(xiǎn)，在水封洞庫工程中一般極少采用。在煙臺(tái)LPG地下水封洞庫工程中，由于采用了水文地質(zhì)探孔和深孔注漿，超前封堵了地下水，使得反井鉆井法成功實(shí)施，取得了進(jìn)度、資源投入、安全等方面的良好效果。可見，反井鉆井法適合在地下水封洞庫工程中應(yīng)用，且應(yīng)是施工的首選方案。

為確保深孔注漿的效果和控制費(fèi)用，注漿孔的深度不宜超過50 m。如水文地質(zhì)探孔發(fā)現(xiàn)微風(fēng)化以下的巖體存在較大的滲透性，建議調(diào)整豎井的位置，由于地下水封洞庫對(duì)水文地質(zhì)的要求較高，必要時(shí)可相應(yīng)改變洞庫的設(shè)計(jì)布局。

現(xiàn)階段由于反井鉆機(jī)不夠普及，工程施工費(fèi)用偏高，相信隨著反井鉆機(jī)的普及和作業(yè)人員人工工資的不斷上漲，其反井鉆井法的費(fèi)用將會(huì)明顯低于正井法。

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