反井鉆機(jī)在坪頭水電站“砂化”地質(zhì)條件下豎井開挖中的應(yīng)用

李宗榮，魏驚蟄，孔買群

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 655000)

1 前 言

坪頭水電站整個(gè)工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)及地下廠房系統(tǒng)等水工建筑物組成。2號(hào)豎井屬于引水系統(tǒng)壓力管道工程的一部分。2號(hào)豎井(EL747.2～EL602.065m)設(shè)計(jì)開挖直徑為5.6m，內(nèi)襯直徑為4.4m的壓力鋼管，2號(hào)豎井分別接壓力管道中平洞、下平洞，平洞段與豎井間采用半徑為15m的圓弧連接。其主要開挖施工工程量為3 640m3，其平面布置見圖1。

2 工程地質(zhì)

2.1 地形地貌

壓力管道段地表為大片覆蓋層斜坡，由坡殘積物塊碎石土組成，厚度為50～65m，地形坡度35°～40°，壓力管道段圍巖為震旦系上統(tǒng)燈影組(Zbd3-1)的灰白色中厚層狀細(xì)晶白云巖、灰色石灰?guī)r、薄至中層狀泥質(zhì)灰?guī)r等，巖層產(chǎn)狀N50°～70°E/SE∠30°～40°，傾山外偏下游。

2.2 基本地質(zhì)條件

(1)地層巖性。開挖揭示，壓力管道2號(hào)豎井段圍巖自上而下(747.2～602.3m高程)依次為第④層灰～深灰色細(xì)晶白云巖和第⑤層灰～灰白色細(xì)晶白云巖等。其中：0～12.5m段(即747.2～734.7m高程段)為第④層灰～深灰色細(xì)晶白云巖，該層巖層單層厚度以0.3～0.5m為主，部分0.1～0.3m，以中厚層狀結(jié)構(gòu)為主；12.5～45m段(即734.7～702.2m高程段)為第⑤層灰～灰白色細(xì)晶白云巖，該層巖層單層厚度以0.1～0.3m為主，部分0.3～0.5m，以互層狀結(jié)構(gòu)為主；45～132.7m段(即702.2～602.3m高程段)為含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r及含灰質(zhì)泥晶白云巖，該層巖層單層厚度以0.1～0.3m為主，部分0.3～0.5m，以互層狀結(jié)構(gòu)為主，部分碎裂結(jié)構(gòu)。

圖1 豎井平面布置示意

據(jù)可研階段試驗(yàn)成果，微新細(xì)晶白云巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為89.65～96.4MPa，屬堅(jiān)硬巖。

(2)地質(zhì)構(gòu)造。壓力管道2號(hào)豎井處于莫紅背斜的SE翼，開挖過程中未見有大的斷層，但巖體中裂隙較發(fā)育，除緩傾角層面裂隙外，還普遍發(fā)育2～3組中陡傾角裂隙。有關(guān)裂隙發(fā)育情況詳見后述。

(3)巖體風(fēng)化、卸荷。0～12.5m段(即747.2～734.7m高程段)為第④層灰～深灰色細(xì)晶白云巖，該層巖體多微新，部分弱風(fēng)化；12.5～45m(即734.7～702.2m高程段)為第⑤層灰～灰白色細(xì)晶白云巖，該高程段巖體以強(qiáng)風(fēng)化為主，部分弱風(fēng)化；45～132.7m段(即702.2～602.3m高程段)為含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r及含灰質(zhì)泥晶白云巖，該高程段巖體以弱風(fēng)化為主，部分強(qiáng)風(fēng)化。

壓力管道2號(hào)豎井垂直埋深156～309m，水平埋深246～448m，開挖揭示，巖體卸荷作用不明顯。

(4)水文地質(zhì)條件。開挖揭示，壓力管道2號(hào)豎井圍巖總體干燥，僅豎井底部局部圍巖潮濕。

(5)巖溶發(fā)育情況。開挖揭示，細(xì)晶白云巖巖溶發(fā)育程度與巖性關(guān)系較為密切，其中：0～12.5m段(即747.2～734.7m高程段)圍巖為第④層灰～深灰色細(xì)晶白云巖，該層巖溶作用相對(duì)較弱，未見溶洞及貫通性溶蝕裂隙分布，僅見沿少量層面及中陡傾角結(jié)構(gòu)面有溶蝕“砂化”現(xiàn)象，充填有粉砂土；12.5～144.9m段(即734.7～602.3m高程段)圍巖為第⑤層灰～灰白色細(xì)晶白云巖、含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r及含灰質(zhì)泥晶白云巖，該高程段巖溶作用較強(qiáng)，溶蝕“砂化”現(xiàn)象明顯，沿結(jié)構(gòu)面普遍有溶蝕“砂化”現(xiàn)象，充填有粉砂土，部分洞段巖體呈散體結(jié)構(gòu)的“砂包土”狀。

3 施工重點(diǎn)、難點(diǎn)

根據(jù)豎井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、巖石及地質(zhì)情況，豎井開挖存在導(dǎo)井施工困難問題。由于2號(hào)豎井巖石條件較差且高度較大，反井鉆機(jī)施工困難，導(dǎo)孔不易鉆進(jìn)，鉆孔精度不易控制，因此豎井導(dǎo)孔施工是本工程的關(guān)鍵。

4 砂化豎井開挖方案

豎井施工的主要制約因素為施工進(jìn)度和施工安全，而上述兩點(diǎn)在豎井施工過程中又有著“對(duì)立統(tǒng)一”的關(guān)系，因此，豎井開挖方案的確定需綜合考慮。其中，決定豎井作業(yè)流程的主要工序?yàn)槌鲈?，一般來講，井內(nèi)開挖石渣的出渣方案主要有兩條，即“上行”和“下行”。“上行”方案：2號(hào)井內(nèi)開挖爆破的石渣通過正井人工吊渣(人工裝渣、卷揚(yáng)機(jī)提升)至壓力管道中平洞，此方案為豎井開挖由上而下進(jìn)行，安全度相對(duì)較高，但施工進(jìn)度緩慢；“下行”方案：即在2號(hào)井范圍開挖導(dǎo)井，制造爆破臨空面，井內(nèi)石渣通過導(dǎo)井溜渣至豎井底部壓力管道下平洞，其中關(guān)于導(dǎo)井的開挖，以往施工過程中主要通過腳手架、吊籠反井法開挖導(dǎo)井，在施工過程中均面臨著如下問題：工作面小、通風(fēng)困難、工人高空作業(yè)、受到炮煙、落石、淋水和粉塵的危害，施工人員的作業(yè)安全很難得到有效的保障。目前國(guó)內(nèi)在豎井導(dǎo)井施工中的先進(jìn)技術(shù)是用反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工，它能從根本上改變豎井及斜井的施工作業(yè)環(huán)境，解決存在的安全問題。

結(jié)合2號(hào)井施工實(shí)際情況，2號(hào)井實(shí)際施工過程中面臨如下制約因素：

(1)地質(zhì)情況復(fù)雜，2號(hào)井施工前，通過已有地質(zhì)資料可以判定壓力管道2號(hào)豎井段圍巖風(fēng)化作用強(qiáng)烈，裂隙主要以層面裂隙發(fā)育為主。巖體完整性差，呈薄層～互層狀結(jié)構(gòu)，圍巖為Ⅳ類，且可能發(fā)育有規(guī)模不等的溶隙或溶洞等，局部可能遇到巖溶水，突然發(fā)生集中涌水。

(2)2號(hào)豎井井口中平洞段工作面狹窄，不利于正井人工吊渣方案的展開。

(3)2號(hào)豎井開挖工期緊張，整個(gè)壓力管道設(shè)計(jì)有鋼襯，而2號(hào)豎井制約了中平洞～下平洞段鋼管安裝施工，進(jìn)而制約發(fā)電工期。

由于存在上述制約因素，2號(hào)豎井開挖優(yōu)先選定了“開挖導(dǎo)井，井內(nèi)石渣通過導(dǎo)井溜渣至豎井底部壓力管道下平洞”的方案施工。其中導(dǎo)井采用反井鉆機(jī)施工，其在進(jìn)行導(dǎo)井施工的過程中能探明2號(hào)豎井詳細(xì)的地質(zhì)情況，指導(dǎo)后續(xù)施工，同時(shí)可以良好地解決豎井施工過程中通風(fēng)散煙問題。整個(gè)2號(hào)豎井施工工序流程為：216mm導(dǎo)孔施工→1.4m反導(dǎo)井施工→正井全斷面擴(kuò)挖。

5 反井鉆機(jī)的選用

反井鉆機(jī)鉆進(jìn)原理：由電機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá)，利用液壓動(dòng)力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，并向上、下升降，采用鐮齒盤形滾刀破巖，滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動(dòng)，從而對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用，使其破碎。結(jié)合反井鉆機(jī)施工原理，反井鉆機(jī)的選用主要考慮以下因素：井深、圍巖的力學(xué)性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件(空間、設(shè)備等)，即反井鉆機(jī)相關(guān)參數(shù)選擇：鉆孔直徑、鉆孔深度、拉力、扭矩等。目前廣泛應(yīng)用于水電工程豎井施工的LM系列反井鉆機(jī)的主要技術(shù)特征見表1。

2號(hào)豎井井深145.135m(EL747.2～EL602.065m)，2號(hào)豎井導(dǎo)孔施工選用LM-200反井鉆機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 LM系列反井鉆機(jī)技術(shù)特征

表2 LM-200型反井鉆機(jī)主要部件尺寸及重量

反井鉆機(jī)施工作業(yè)輔助設(shè)備主要有：φ216mm導(dǎo)孔施工時(shí)配置TBW850/50泥漿泵(850L/min)一臺(tái)、用于輸送循環(huán)冷卻水的潛水泵2臺(tái)。

6 反井鉆機(jī)施工

6.1 反井鉆機(jī)施工準(zhǔn)備

(1)施工用水：主要用于鉆機(jī)油泵冷卻、導(dǎo)孔排渣、擴(kuò)孔冷卻鉆頭及沖渣，用水量約15～17m3/h。導(dǎo)孔施工時(shí)的耗水量根據(jù)基巖的溶洞、裂隙等地質(zhì)情況確定(導(dǎo)孔施工時(shí)不能斷水，否則會(huì)卡鉆)，擴(kuò)孔時(shí)的耗水量為7.5～8m3/h。

(2)施工用電：施工設(shè)備的額定功率：泥漿泵90kW、主機(jī)82.5kW、照明及潛水泵約10kW，共約183kW。

(3)鉆機(jī)基礎(chǔ)清理及混凝土澆筑：以鉆孔中心為中心，基礎(chǔ)尺寸為6.0m×3.0m×0.7m(長(zhǎng)×寬×高)，混凝土標(biāo)號(hào)為C20，用來固定反井鉆機(jī)并以此作為操作平臺(tái)。在混凝土澆筑時(shí)預(yù)留機(jī)架固定螺栓，混凝土基礎(chǔ)在離鉆頭中心70cm內(nèi)嚴(yán)禁放置含金屬物體，以防損壞鉆頭。

(4)沉渣池、泥漿池：在鉆機(jī)基礎(chǔ)周圍適當(dāng)位置布置水池，用于導(dǎo)孔鉆進(jìn)排渣及循環(huán)供漿(水)，其中沉渣池2m3，泥漿池6m3。地質(zhì)條件較差地段采用泥漿泵供泥漿排渣；地質(zhì)條件較好地段采用泥漿泵供水排渣。水池頂高要低于鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土面；沉渣池、泥漿池緊連鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土布置，以便導(dǎo)孔施工時(shí)排出的石渣進(jìn)入沉渣池沉淀。

(5)水箱：容積為3m3，采用鋼板水箱。

(6)吊籠穩(wěn)繩：穩(wěn)繩和安全井蓋連接。

(7)導(dǎo)井安全蓋：導(dǎo)井安全井蓋采用2m×2m，同時(shí)因安全井蓋與穩(wěn)繩相連，故井蓋的重量要適當(dāng)加大(可根據(jù)需要進(jìn)行配重)。

6.2 施工程序

反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工程序見圖2。

圖2 反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工程序

6.3 施工機(jī)械設(shè)備組合

反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工分為導(dǎo)孔施工、擴(kuò)孔施工兩個(gè)步驟。

導(dǎo)孔施工時(shí)采用泥漿泵將水(或泥漿)沿鉆桿內(nèi)壁壓入孔內(nèi)，作為排渣及冷卻鉆頭用水。石渣經(jīng)排渣槽進(jìn)入沉渣池，沉淀后由人工撈至堆放位置。在施工過程中，如果出現(xiàn)塌孔、返水較小、不返水等異常情況，則需要拌制泥漿，用泥漿護(hù)壁及堵塞溶洞和裂隙。必要時(shí)要暫停鉆井，取出鉆桿后用水泥砂漿進(jìn)行固結(jié)灌漿。

擴(kuò)孔施工，使用自流水冷卻鉆頭和沖渣，不再使用泥漿泵。使用的機(jī)械設(shè)備有：泥漿泵、循環(huán)水輸送的潛水泵、泥漿拌制機(jī)等。主要施工設(shè)備見表3。

6.4 施工工藝流程(見圖3)

6.5 反井鉆機(jī)施工過程

(1)測(cè)量放線。設(shè)計(jì)輪廓擴(kuò)挖規(guī)格線控制：從洞外控制網(wǎng)經(jīng)測(cè)量導(dǎo)線引控制點(diǎn)到井口附近,豎井?dāng)U挖時(shí),制作垂直移動(dòng)控制點(diǎn),用垂球把控制點(diǎn)引至開挖掌子面放線；同時(shí)考慮鋼管安裝時(shí)混凝土施工，在豎井上游側(cè)擴(kuò)挖一個(gè)40cm深的槽。

表3 施工設(shè)備組合

圖3 反井鉆機(jī)鉆孔工藝流程

(2)先導(dǎo)孔施工。安裝鉆機(jī)精度控制在0.15%以內(nèi)，安裝完成后進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，孔口30m用0.2～0.5m/h的鉆進(jìn)速度。施工中必須嚴(yán)格控制孔斜，每鉆10m必須做孔斜檢測(cè)，及時(shí)進(jìn)行糾偏，以利于后續(xù)施工。

(3)井口平臺(tái)及鎖口施工。豎井?dāng)U挖之前先進(jìn)行門架基礎(chǔ)混凝土澆筑，擴(kuò)挖4m后進(jìn)行鎖口混凝土和井口桁架平臺(tái)施工。井口平臺(tái)開挖期間井口采用木板全封閉，卷揚(yáng)機(jī)吊點(diǎn)采用門架，鎖口混凝土不侵占設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線，井口開挖時(shí)擴(kuò)大30cm，澆筑C20混凝土。

(4)導(dǎo)井施工。φ216mm先導(dǎo)孔施工完成后，在豎井底部安裝鉆機(jī)擴(kuò)孔鉆頭，再由下向上擴(kuò)孔成φ1 400mm導(dǎo)井。

7 導(dǎo)孔精度控制和異常情況處理

7.1 導(dǎo)孔精度控制

砂化地質(zhì)條件下可能導(dǎo)致導(dǎo)孔偏心的因素：在豎井反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工過程中，導(dǎo)孔精度控制是反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的關(guān)鍵，其中影響導(dǎo)孔精度的關(guān)鍵因素是圍巖的地質(zhì)條件。2號(hào)豎井高程747.20～602.20m段，圍巖類別不均勻、裂隙較發(fā)育、砂化作用強(qiáng)烈，其砂化地質(zhì)條件下獨(dú)有的“粉砂土”和“砂包石”結(jié)構(gòu)是制約導(dǎo)孔施工精度的關(guān)鍵因素，因此，施工過程中導(dǎo)孔精度的控制和糾偏是導(dǎo)孔施工成敗的關(guān)鍵。采取的措施有：

(1)精確控制測(cè)量放樣。在現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀對(duì)開口點(diǎn)進(jìn)行放樣，然后在安裝機(jī)身時(shí)采用水平尺和鉛垂球從多角度進(jìn)行精確測(cè)量，再對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行校核，底座上螺孔都加工成條型孔，最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定鉆機(jī)，確保鉆桿垂直于水平面。首先是基礎(chǔ)混凝土的澆筑，按設(shè)計(jì)傾角通過測(cè)量設(shè)備定出導(dǎo)線；然后是機(jī)身傾斜后的下部支撐及上部牽拉一定要牢固穩(wěn)定；最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定。鉆機(jī)造孔過程中可通過測(cè)斜儀進(jìn)行孔內(nèi)測(cè)斜控制鉆孔偏差。

(2)合理配置穩(wěn)定鉆桿，保證導(dǎo)孔鉆進(jìn)不偏離。

①開孔前對(duì)合金穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行測(cè)量，選取與鉆頭直徑相同的穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行配置，以保證鉆頭與鉆桿同心，確保鉆孔的精度。

②配置時(shí)可采取新鉆頭配新的穩(wěn)定鉆桿，舊鉆頭配舊的穩(wěn)定鉆桿，并要求直徑一致。當(dāng)穩(wěn)定鉆桿磨損較大時(shí)(直徑小于標(biāo)準(zhǔn)孔徑10mm以上)，則應(yīng)更換新鉆桿。

③穩(wěn)定鉆桿的配置采取鉆頭后連續(xù)裝7根穩(wěn)定鉆桿，以后根據(jù)實(shí)際施工需要進(jìn)行配置。

④后面的穩(wěn)定鉆桿在直井和破碎地層中可以不考慮放置或少放置(間隔80～100m)。

(3)合理控制鉆壓、鉆孔速度。參考以往施工經(jīng)驗(yàn)，初步擬定的導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)見表4。

表4 導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

①開孔鉆進(jìn)。待主機(jī)、油泵及操作系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，檢查泥漿泵管路是否與主機(jī)相連、主油泵的循環(huán)冷卻系統(tǒng)是否調(diào)試完成且鉆孔中心及鉆孔角度經(jīng)校核均準(zhǔn)確無誤后，方可開孔。開孔鉆進(jìn)時(shí)，啟動(dòng)泥漿泵供洗井液至孔內(nèi)，采用慢轉(zhuǎn)速、低鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)，利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合開孔，開孔深度一般宜在10～15m，開孔后，即可按正常鉆壓鉆進(jìn)，隨后將開孔鉆桿和扶正器提出，清洗擦上油后保存。

②導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)各方面必須全力配合，必須做到以下5點(diǎn)：

a.一般情況下，導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速應(yīng)高于開孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速，所以應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速，可以用Ⅱ檔。一般情況下，對(duì)于松軟地層、過渡地層和破碎地層采用低鉆壓低轉(zhuǎn)速，采用鉆進(jìn)參數(shù)表內(nèi)的下限值；對(duì)于硬巖和穩(wěn)定地層宜采用高鉆壓高轉(zhuǎn)速，取鉆進(jìn)參數(shù)表內(nèi)的上限值。

b.離鉆透下水平通道3m左右，逐漸降低鉆壓。

c.一根鉆桿完成后，沖洗2～3min，必須等孔內(nèi)的巖屑全部排出后，才能停泵接卸鉆桿。

d.導(dǎo)孔鉆透后，停止泥漿(水)循環(huán)，但鉆機(jī)不能停轉(zhuǎn)，開始向孔與鉆桿之間加清水，直到鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、扭矩變化不大時(shí)才能停鉆。

e.在整個(gè)導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，不得中途出現(xiàn)停電、停水等情況，否則會(huì)導(dǎo)致卡鉆等惡性事故發(fā)生。

(4)對(duì)不良地質(zhì)段進(jìn)行加固處理。由于導(dǎo)孔在鉆進(jìn)過程中，鉆桿遇軟巖會(huì)發(fā)生偏斜，造孔過程中遭遇不良地質(zhì)段可通過設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)圖、造孔速度的變化、造孔返渣、返水情況進(jìn)行判斷，具體灌漿方法為在現(xiàn)場(chǎng)制備0.4～0.55水灰比的水泥砂漿，可通過灌漿設(shè)備或人工輸送漿液的方法對(duì)不良地質(zhì)段進(jìn)行固孔。

7.2 異常情況處理

基于2號(hào)豎井上述特殊的地質(zhì)情況，導(dǎo)孔施工過程中會(huì)難免出現(xiàn)塌孔、卡鉆、導(dǎo)孔偏心等異?，F(xiàn)象，為確保在上述情況出現(xiàn)后，能夠迅速地做出反應(yīng)，導(dǎo)孔施工前需預(yù)先擬定針對(duì)性措施。

(1)塌孔處理。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在斷層、破碎帶和松軟礫石層，一般表現(xiàn)為循環(huán)水正常，嚴(yán)重時(shí)循環(huán)水減少或堵塞，鉆進(jìn)扭矩增大，水泵壓力上升，此時(shí)應(yīng)立即提鉆，然后再試探性鉆井，并用手扶住鉆桿，此時(shí)可感覺到井底碎石與鉆頭接觸情況，據(jù)此決定是否改清水鉆進(jìn)為泥漿鉆進(jìn)，并確定泥漿的參數(shù)以護(hù)壁。如系中間某處塌孔，應(yīng)立即邊旋轉(zhuǎn)邊提升至塌孔上部；如遇巖塊阻卡導(dǎo)向器，可上下竄動(dòng)，不可強(qiáng)行提鉆，待浮石松動(dòng)后再徐徐掃孔，認(rèn)為可繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)再將鉆頭下到孔底。否則亦應(yīng)采用混漿護(hù)壁，此后方可正常鉆進(jìn)。

(2)導(dǎo)向器被卡。此種故障多出現(xiàn)于膨脹性巖層破碎帶和煤層中，此時(shí)扭矩增大。遇此情況也要進(jìn)行動(dòng)鉆提升，掃孔后繼續(xù)鉆進(jìn)，在一定時(shí)間內(nèi)再行提鉆掃孔，并根據(jù)地層情況決定采用泥漿或清水鉆進(jìn)。若用泥漿鉆進(jìn)，應(yīng)確定合理的泥漿參數(shù)。亦可在該段設(shè)置寬導(dǎo)向器護(hù)壁。

(3)鉆桿內(nèi)孔堵塞。此時(shí)只有將全部鉆具提出井外進(jìn)行疏通，且應(yīng)注意的是當(dāng)鉆桿停轉(zhuǎn)時(shí)要將鉆頭提升至離孔底0.5m以上，以防孔底巖屑繼續(xù)堵孔。此外接鉆桿的時(shí)間應(yīng)控制在5min之內(nèi)。

(4)循環(huán)水流失。鉆進(jìn)中無循環(huán)水返回時(shí)可停鉆注水，如注入一定水量后正常，說明溶洞或裂隙與外界無水力聯(lián)系或聯(lián)系不大，此時(shí)可繼續(xù)鉆進(jìn)；如果循環(huán)水流失過多，而鉆進(jìn)扭矩又大，說明巖渣向孔底堆積，此時(shí)應(yīng)增加輔助壓氣管協(xié)助排渣。當(dāng)鉆孔與外界水源相通，且水位高于鉆孔，循環(huán)水量增加，如壓力不大，流量恒定，但排渣不暢，亦可采用壓氣排渣；如流量較大，壓力很高，應(yīng)立即停鉆封孔。

7.3 關(guān)鍵性技術(shù)的解決方法

在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由于塌孔、水壓力不夠、停電等導(dǎo)致孔內(nèi)石渣滯留堆積后出現(xiàn)卡鉆，或是導(dǎo)孔、擴(kuò)孔施工過程中鉆桿斷裂后鉆桿、鉆頭滯留在孔內(nèi)。這些情況處理起來相當(dāng)困難，且發(fā)生的頻率也較多，是反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的難點(diǎn)及重點(diǎn)。

(1)擴(kuò)孔過程中的掉鉆。在擴(kuò)孔過程中，由于鉆桿斷裂，如果擴(kuò)孔鉆頭卡在已擴(kuò)挖成形的孔內(nèi)，此時(shí)若從下面處理非常危險(xiǎn)，所以從上面導(dǎo)孔中進(jìn)行。第一種方法：將鉆桿接上后采取鉆桿對(duì)鉆頭施加壓力使其自然墜落至下平洞。第二種方法：在孔口通過鋼絲繩將炸藥送入鉆頭卡住部位，引爆后將鉆頭震落至下平洞。該方法每次炸藥用量控制在5～8kg，對(duì)鉆頭不會(huì)構(gòu)成大的損傷。

(2)導(dǎo)孔施工過程中的鉆桿斷裂。部分長(zhǎng)期使用的鉆桿在導(dǎo)孔鉆進(jìn)及擴(kuò)孔過程中可能會(huì)發(fā)生斷裂。反井鉆機(jī)單根鉆桿長(zhǎng)度為1m，重達(dá)180kg。在鉆桿斷裂后，如果不將鉆桿取出，那么一方面要丟失鉆桿、鉆頭，造成經(jīng)濟(jì)損失；另一方面還得重新造孔，有些特殊部位還不允許重新造孔。因此如何打撈鉆具成了反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的一個(gè)難題。為此我們借鑒了公司其他項(xiàng)目發(fā)明的一種鉆桿打撈器，鉆桿打撈器的原理與膨脹螺栓原理相同，其上部與鉆桿呈直螺紋連接，下部為錐形套，前進(jìn)過程中可以直接進(jìn)入已斷裂鉆桿的內(nèi)壁；進(jìn)入內(nèi)壁后，在打撈器提升過程中錐形套會(huì)張開，與斷裂鉆桿內(nèi)壁緊緊連接，越拉越緊，然后通過打撈器將孔內(nèi)鉆桿提升到孔口用夾釬器固定后逐一取出鉆桿。該打撈器一次能提升40t以上的重量，即能提取200m以上的鉆桿長(zhǎng)度，基本能滿足取鉆要求。鉆桿打撈器見圖4。

圖4 鉆桿打撈器示意

7.4 不良地質(zhì)地層施工方法

(1)循環(huán)鉆灌成孔法。灌漿材料及配合比：灌漿材料采用 P.042.5普通硅酸鹽水泥。使用的漿液配比為：普通水泥漿液，水灰比0.5∶1；封孔水泥砂漿，水灰比為0.25∶1∶0.5(水∶水泥∶砂)。

灌漿壓力：2號(hào)豎井采用無壓自流灌漿施工，利用水泥漿自重和流動(dòng)性填滿裂隙，進(jìn)行固壁。

循環(huán)鉆灌法：在鉆孔過程中遇到斷層、裂隙、溶溝、溶槽或軟弱夾層等地質(zhì)不良段，在鉆進(jìn)過程中不同程度地出現(xiàn)孔口不返水排渣現(xiàn)象，均采用循環(huán)鉆灌法進(jìn)行處理。

將導(dǎo)孔鉆桿上提至不良地質(zhì)帶以上范圍，利用制備的0.5∶1水泥漿，通過污水泵或人工自流輸送漿液的方法對(duì)鉆頭以下部分進(jìn)行灌注，以填充斷層、裂隙、溶溝、溶槽，后采用水泥砂漿封孔。灌注漿液24h后掃孔，恢復(fù)鉆孔施工。此方法實(shí)施過程中需反復(fù)取鉆、灌漿、掃孔，直至導(dǎo)孔口正常返水排渣。

這個(gè)方法實(shí)施較為安全可靠，但由于要反復(fù)取鉆、灌漿，對(duì)施工進(jìn)度影響較大。

(2)強(qiáng)行成孔法。該方法適合于斷層、裂隙帶范圍不大，且處于豎井及斜井的深孔帶。該方法就是在豎井及斜井孔深超過100m后，在遇到斷層、裂隙出現(xiàn)孔口不返水時(shí)，繼續(xù)鉆進(jìn)并不斷地用泥漿泵向孔內(nèi)壓水，直至孔口返水。該方法的特點(diǎn)是利用水壓力將鉆孔時(shí)的積渣強(qiáng)行通過裂隙、斷層或孔口排除并堵塞裂隙中的滲水通道。對(duì)加快施工進(jìn)度方面非常有效。

實(shí)際施工中可根據(jù)情況酌情采用兩種方法。

8 砂化地質(zhì)條件下反井鉆機(jī)可鉆性分析

由于已有實(shí)際工程中關(guān)于砂化地質(zhì)情況下豎井施工實(shí)例較少，為論證砂化地質(zhì)條件下反井鉆機(jī)的可鉆性，對(duì)LM-200反井鉆機(jī)在已有工程不同地質(zhì)情況下的實(shí)際鉆進(jìn)情況進(jìn)行了收集(見表5)。

表5 不同巖性可鉆性統(tǒng)計(jì)

反井鉆機(jī)在含泥灰?guī)r地帶可鉆性較好，玄武巖地帶次之，花崗巖最差?？傮w來說，軟巖地帶造孔條件最好，巖石硬度加大，造孔難度加大。坪頭水電站2號(hào)豎井圍巖為砂化細(xì)晶白云巖，參照上述分析，可鉆性良好，施工過程中可能遭遇的不利情況是由于不利地質(zhì)情況而造成的塌孔以及卡鉆現(xiàn)象。

按一次鉆孔考慮，豎井各段反映的實(shí)際鉆進(jìn)速率波動(dòng)較大，反映出2號(hào)豎井巖性極不均勻。具體單次鉆孔累計(jì)耗時(shí)與鉆孔深度關(guān)系曲線與不同深度下的鉆孔速率曲線見圖5、6。

圖5 單次鉆孔累計(jì)耗時(shí)與鉆孔深度曲線關(guān)系

圖6 鉆孔深度與鉆孔速率關(guān)系

由圖5、6可知，在砂化地質(zhì)條件下，LM-200反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔施工具有如下特點(diǎn)：

(1)在同圍巖類別不同段情況下的鉆孔速率差別較大，如2號(hào)豎井30～50m段及130～144.9m段，雖然同為Ⅳ類圍巖，但鉆孔平均速率卻為26.56cm/h和198cm/h。

(2)在同圍巖類別同段情況下，砂化豎井下的Ⅳ、Ⅴ類圍巖鉆孔速率波動(dòng)較大，如Ⅴ類圍巖的70～130m段。

(3)砂化地質(zhì)條件下進(jìn)行固結(jié)灌漿處理后，導(dǎo)孔的鉆進(jìn)速率明顯增大。

由上可見，砂化地質(zhì)條件下的導(dǎo)孔施工受砂化現(xiàn)象影響較大。由于2號(hào)豎井砂化地質(zhì)條件下的細(xì)晶白云巖巖體中結(jié)構(gòu)面普遍充填溶蝕“砂化”后的粉砂土，巖體局部或普遍呈散體結(jié)構(gòu)的“砂包石”狀，粉砂土結(jié)構(gòu)易造成塌孔現(xiàn)象，小的砂包石結(jié)構(gòu)易造成卡鉆，大的砂包石結(jié)構(gòu)圍巖硬度會(huì)突然增大，進(jìn)而影響鉆孔速率。

9 反井鉆進(jìn)施工進(jìn)度分析

2號(hào)豎井φ216mm先導(dǎo)孔于2008年9月10日開始施工，2008年10月9日施工結(jié)束。2號(hào)豎井反導(dǎo)井施工自2008年10月23日開始，2008年11月28日結(jié)束，歷時(shí)37天，平均擴(kuò)井速度3.9m/d。施工過程中的相關(guān)情況見表6。

依據(jù)表6擬合出的2號(hào)豎井反導(dǎo)孔施工時(shí)間與進(jìn)度關(guān)系曲線見圖7。

2號(hào)豎井φ1400mm反導(dǎo)井卡鉆一次，鉆頭損壞3次。

反井鉆機(jī)安裝計(jì)劃15天，實(shí)際12天完成；φ216mm先導(dǎo)孔施工計(jì)劃50天完成，實(shí)際施工30天；φ1400mm導(dǎo)井開挖計(jì)劃18天，實(shí)際施工37天；鉆機(jī)拆除計(jì)劃為10天，實(shí)際用時(shí)7天。實(shí)際施工符合進(jìn)度計(jì)劃安排。

表6 施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

圖7 2號(hào)豎井反導(dǎo)孔施工時(shí)間與進(jìn)度關(guān)系曲線

10 結(jié)束語

坪頭水電站2號(hào)豎井高差大，地質(zhì)條件差，為了滿足施工要求、加快施工進(jìn)度選用先開挖導(dǎo)井再進(jìn)行擴(kuò)挖的施工方法。在砂化地質(zhì)條件下鉆孔，卡鉆、不返水等情況時(shí)有發(fā)生，通過采取各種措施進(jìn)行處理，保證了工程正常施工；通過對(duì)鉆進(jìn)過程中采用導(dǎo)孔精度控制手段完成了導(dǎo)井的開挖。對(duì)于在砂化等不良地質(zhì)條件下反井鉆機(jī)的成功運(yùn)用，擴(kuò)大了反井鉆機(jī)使用的范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉志強(qiáng).反井鉆機(jī)技術(shù)裝備及發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2001(4).

[2] 段汝建.周寧電站豎井開挖施工技術(shù)[J].云南水力發(fā)電，2009(2).