定向鉆機(jī)在水電工程高深豎井導(dǎo)孔施工中的探索

閆 平， 王 海 濤

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091)

定向鉆機(jī)在水電工程高深豎井導(dǎo)孔施工中的探索

閆 平， 王 海 濤

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091)

為解決復(fù)雜地質(zhì)條件下高深豎井施工的難題，確保工期節(jié)點目標(biāo)的實現(xiàn)，嘗試將定向鉆機(jī)引入到水電工程豎井施工中，以保證高深豎井的開挖精度，提高高深豎井的開挖速度。

定向鉆機(jī)；反井鉆機(jī)；高深豎井；豎井開挖

1 水電工程豎井開挖施工現(xiàn)狀

在水利水電工程施工中，豎井被廣泛應(yīng)用于引水式電站及抽水蓄能電站的壓力管道、調(diào)壓井、閘門井中，隨著水電工程建設(shè)及其施工工藝的發(fā)展，豎井深度越來越大，施工難度也隨之急劇增加，目前深度為200 m以上的豎井頻頻出現(xiàn)，深度大于300 m甚至大于500 m的豎井也有報道。筆者通過查閱近幾年的資料可以看出：在水電工程豎井施工中，主要采用的還是反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔鉆進(jìn)，貫通后采用反拉鉆頭一次擴(kuò)挖到位或反拉出溜渣井后再自上而下由人工爆破擴(kuò)挖到位。

2 反井鉆機(jī)的工作原理及其具有的優(yōu)缺點

反井鉆機(jī)用于上下都有施工平洞的豎井開挖時，將反井鉆機(jī)固定于上平洞豎井開挖中心點，調(diào)整好反井鉆機(jī)的垂直度后連續(xù)進(jìn)行豎井導(dǎo)孔鉆進(jìn)，待導(dǎo)孔貫通后更換反拉鉆頭進(jìn)行反拉擴(kuò)挖。

但是，隨著豎井深度的增加，在采用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井開挖的過程中，反井鉆機(jī)的性能已漸漸不能滿足豎井開挖的要求。地質(zhì)體為非均質(zhì)材料，在反井鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，鉆頭受到巖體各個方向的抵抗力不同，在鉆進(jìn)深度較小時，由于鉆桿剛度比較大，鉆頭對巖體的壓力占據(jù)了主導(dǎo)地位，鉆孔不會出現(xiàn)偏斜，但是，隨著鉆進(jìn)深度的增加，反井鉆機(jī)鉆桿逐漸加長，鉆桿整體剛度逐漸降低，鉆頭受到巖體的不均勻抗力將會明顯地使鉆頭發(fā)生偏斜，此時，降低鉆壓可以有效地防止鉆孔偏斜；隨著鉆進(jìn)深度的進(jìn)一步增大，既使降低鉆壓也無法阻止鉆頭發(fā)生偏斜，鉆進(jìn)路徑將完全受巖體對鉆頭的不均勻抗力方向控制。由此可以看出：在對貫通精度有要求的豎井施工中，采用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔施工必須慎重選擇，一定要結(jié)合豎井深度、地質(zhì)情況、鉆機(jī)性能參數(shù)等各種因素綜合考慮。

在采用反井鉆機(jī)進(jìn)行高深豎井施工時，防止導(dǎo)孔偏斜是豎井精確貫通中的重中之重。但是，目前除增強(qiáng)對反井鉆機(jī)的控制(控制鉆壓、增加穩(wěn)定桿等辦法)進(jìn)行小幅度的導(dǎo)孔糾正外，尚無簡單、有效地方法進(jìn)行導(dǎo)孔偏斜控制。

3 定向鉆機(jī)的特點及應(yīng)用

由于采用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井導(dǎo)孔施工存在無法控制導(dǎo)孔偏斜的問題，因此，是否可以考慮采用一種具有糾偏功能的鉆機(jī)進(jìn)行豎井導(dǎo)孔施工呢？筆者由此想到可否將定向鉆機(jī)引進(jìn)水電工程高深豎井進(jìn)行施工。

定向鉆機(jī)分用于石油鉆井、煤氣開采中的大型鉆機(jī)平臺和用于非開挖管線施工的小型定向鉆機(jī)。

定向鉆機(jī)具有隨鉆測斜、自動糾偏的功能。通常，定向鉆機(jī)內(nèi)置測斜儀器，在定線鉆機(jī)施鉆的過程中，內(nèi)置測斜儀可以實時將鉆機(jī)的測斜數(shù)據(jù)反饋至中控臺，根據(jù)測斜儀測出的頂角大小可以判斷出偏斜程度，通過方位角可以判斷出偏斜的位置，在確定了偏斜量和偏斜方位后，施鉆人員在更換定向鉆具組合、調(diào)整好鉆進(jìn)角度后，主機(jī)發(fā)動機(jī)停止提供扭力，僅通過泥漿壓力帶動彎螺桿底部的泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動牙輪鉆頭破巖，當(dāng)鉆孔被糾正至正?？孜粫r，恢復(fù)正常鉆進(jìn)模式進(jìn)行鉆進(jìn)。

4 定向鉆機(jī)在水電工程中使用的可行性

定向鉆機(jī)可以很好地解決反井鉆機(jī)導(dǎo)孔偏斜的問題，使導(dǎo)孔鉆進(jìn)一次到位，進(jìn)而避免了導(dǎo)孔偏斜造成的返工、廢井等問題。但是，定向鉆機(jī)鉆進(jìn)形成的導(dǎo)孔直徑較小且無法反拉形成導(dǎo)井、滿足水電工程施工大斷面豎井的要求，因此，還需要結(jié)合反井鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔及反拉施工。

此外，定向鉆機(jī)在通常情況下尺寸較大，且水電工程中壓力豎井、調(diào)壓井等井筒結(jié)構(gòu)又常位于地下洞室內(nèi)，從而在一定程度上制約著定向鉆機(jī)在水電工程中的應(yīng)用。但是，在電纜出線井、通風(fēng)井這類露天井道開挖中，定向鉆機(jī)的使用將不受外形尺寸的制約。

綜合以上分析得知：定向鉆機(jī)應(yīng)用于水電工程施工中會受到一些客觀條件的制約且具有一定的適用性，會受到很多限制，在目前的現(xiàn)狀下還無法進(jìn)行大范圍的推廣，但是，在部分工程的特定條件下仍可以適當(dāng)引進(jìn)。

5 工程實例及應(yīng)用效果

5.1 工程情況

厄瓜多爾索普拉多拉水電站電纜豎井深度為374.32 m，直徑7.3 m。豎井所在區(qū)域上部50 m為第四紀(jì)坡積物，以下為石英片巖、云母片巖，巖層傾角為65°～80°，發(fā)育有多組節(jié)理裂隙，地下水豐富，鉆孔過程中極易出現(xiàn)偏斜，成孔條件差，同工區(qū)勘察孔及其他深豎井測斜結(jié)果顯示：由于受到地層不均勻反力影響，在鉆孔深度達(dá)到100 m以上時導(dǎo)孔會出現(xiàn)較為明顯的偏斜。

5.2 施工情況

由于電纜豎井具有工期緊、地質(zhì)條件復(fù)雜、成孔條件差等難題，經(jīng)多方論證，項目部最終決定采用定向鉆機(jī)和反井鉆機(jī)組合的形式進(jìn)行電纜井導(dǎo)孔施工。首先， 采用定向鉆機(jī)進(jìn)行φ190定向孔施工，然后采用BMC400型反井鉆機(jī)通過特制的擴(kuò)孔鉆頭，將φ190定向孔擴(kuò)大為φ270導(dǎo)孔。

該工程于2014年1月12日開始采用定向鉆機(jī)進(jìn)行定向孔施工，2014年1月28日定向孔順利貫通，平均鉆孔強(qiáng)度為22 m/d；2014年2月11日開始采用反井鉆機(jī)進(jìn)行定向孔擴(kuò)孔施工，2014年2月26日擴(kuò)孔施工順利完成，平均擴(kuò)孔強(qiáng)度為23.4 m/d。

5.3 工程效果評價

采用定向鉆機(jī)和反井鉆機(jī)組合進(jìn)行電纜井導(dǎo)孔施工，總施工工期為33 d，平均施工強(qiáng)度為11.34 m/d。最終形成的導(dǎo)孔偏斜量為1.21 m，鉆孔精度為0.32%，遠(yuǎn)小于反井鉆機(jī)鉆孔1%的精度要求。

6 結(jié) 語

將反井鉆機(jī)引入到水利工程、結(jié)合定向鉆機(jī)進(jìn)行高深豎井導(dǎo)孔施工在厄瓜多爾保特-索普拉多拉水電工程電纜豎井施工中的成功應(yīng)用，為水電工程高深豎井導(dǎo)孔施工提供了一個新的方向。本次應(yīng)用實踐證實：將定向鉆機(jī)應(yīng)用于水電工程豎井施工是完全可行的。在水電工程露天高深豎井中利用定向鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔鉆進(jìn)，可以有效地避免豎井導(dǎo)孔偏斜造成廢孔，進(jìn)而造成人力、物力的浪費、工程的延誤和經(jīng)濟(jì)的浪費。

同時，我們還應(yīng)看到將定向鉆機(jī)應(yīng)用于水電工程高深豎井導(dǎo)孔施工中所面臨的各種困難。隨著我國水電工程建設(shè)向大西部的進(jìn)一步推進(jìn)，施工難度也將越來越大，豎井施工所面臨的問題也將越來越嚴(yán)峻。為解決反井鉆機(jī)鉆進(jìn)深度及精度和工程要求之間的矛盾，未來勢必需要對鉆井設(shè)備進(jìn)行新一輪的升級：一方面，可以考慮對現(xiàn)有反井鉆機(jī)進(jìn)行改造，提高反井鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度和精度，使其能夠滿足高深豎井導(dǎo)孔施工的貫通要求，如在反井鉆機(jī)中增加定向鉆進(jìn)或自動測斜糾偏功能；另一方面，可以考慮通過對現(xiàn)有定向鉆機(jī)進(jìn)行改造，使其小型化、輕量化，從而更加適應(yīng)水電工程地下鉆井的需要。

閆 平(1980- )，男，陜西鳳翔人，高級工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作；

王海濤(1987- )，男，陜西安康人，工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017- 04- 10

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1001- 2184(2017)04- 0009- 02