大型反井鉆機(jī)新技術(shù)在白鶴灘水電站溜渣井中的應(yīng)用

王紅彬，李 毅，張學(xué)亮，樊啟祥

(1.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川成都610041;2.北京中煤礦山工程有限公司，北京100013;3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京100038)

水電工程中為解決豎井開挖過(guò)程中的排水、出渣和通風(fēng)難題，一般采用先形成溜渣井、再正井法擴(kuò)挖的施工方法。其中，溜渣井的施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度直接關(guān)系到豎井建設(shè)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。常規(guī)溜渣井施工時(shí)先從上自下鉆進(jìn)形成Φ216 mm導(dǎo)孔，再用小型反井鉆機(jī)第1次擴(kuò)挖形成Φ1.4 m導(dǎo)井，最后人工手風(fēng)鉆鉆孔爆破第二次擴(kuò)挖形成Φ3.5 m溜渣井[1-7]。該方法存在溜渣井?dāng)U挖程序繁瑣、安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)環(huán)境差、成型質(zhì)量差、施工進(jìn)度慢等問題。白鶴灘水電站豎井?dāng)?shù)量多，井身高度深、斷面大，溜渣井施工難度更為突出。因此，探索高深豎井溜渣井安全、快速、高質(zhì)量的施工技術(shù)十分迫切。

1 概 述

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣和四川省寧南縣交界的金沙江上，總裝機(jī)容量1 600萬(wàn)kW，建成后為世界第2大水電站。受地形地質(zhì)條件限制，引水發(fā)電系統(tǒng)工程主要建筑物均布置在兩側(cè)山體內(nèi)，地下洞室群規(guī)模位居世界第1位，布置的豎井主要有壓力管道豎井、廠區(qū)進(jìn)風(fēng)豎井、廠區(qū)排風(fēng)豎井、出線豎井上下段、尾水管檢修閘門井、尾水調(diào)壓室、尾水洞檢修閘門井、尾水隧洞通氣豎井及施工期通風(fēng)井等，共計(jì)74條，總長(zhǎng)8 935 m。豎井主要特征參數(shù)見表1。

白鶴灘水電站左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)豎井?dāng)?shù)量多、井身高度深、斷面大，豎井區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜多變，分布有松軟覆蓋層、柱狀節(jié)理玄武巖、大型層間層內(nèi)軟弱錯(cuò)動(dòng)帶、長(zhǎng)大裂隙及斷層等大量的不利地質(zhì)構(gòu)造，且位于中高地應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力集中與卸荷松弛現(xiàn)象明顯，溜渣井開挖過(guò)程中易發(fā)生巖爆、片幫、掉塊，甚至塌方，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。為了降低白鶴灘水電站引水發(fā)電系統(tǒng)工程豎井溜渣井施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提高溜渣井成型質(zhì)量，縮短溜渣井施工工期，需改變傳統(tǒng)溜渣井的施工方法，尋找更為先進(jìn)的施工工藝。經(jīng)研究比選，決定采用北京中煤礦山工程有限公司專利產(chǎn)品——BMC 600型大型反井鉆機(jī)一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井的新技術(shù)，從根本上解決傳統(tǒng)溜渣井開挖施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。BMC600型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 豎井主要特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 BMC600型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 大型反井鉆機(jī)施工工藝

2.1 工藝流程

大型反井鉆機(jī)進(jìn)行溜渣井開的流程如圖1所示，具體為施工準(zhǔn)備(反井鉆機(jī)吊點(diǎn)錨桿、基礎(chǔ)混凝土、沉淀池施工及鉆機(jī)安裝)→BMC 600型反井鉆機(jī)自上而下施工Φ350 mm導(dǎo)孔→BMC 600型反井鉆機(jī)自下而上一次成型Φ3.0～3.5 m導(dǎo)井溜渣井。

圖1 BMC 600大型反井鉆機(jī)施工工藝

2.2 基礎(chǔ)及沉淀池施工

反井鉆機(jī)基礎(chǔ)為9 m×3 m×0.8 m(長(zhǎng)×寬×高)，采用混凝土澆筑，見圖2。沉淀池尺寸為5 m×1.5 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，采用磚砌。

圖2 反井鉆機(jī)基礎(chǔ)澆筑示意(單位：mm)

2.3 Φ350 mm導(dǎo)孔施工

待鉆機(jī)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，鉆孔中心及鉆孔角度經(jīng)校核準(zhǔn)確無(wú)誤后，方可開孔。開孔鉆進(jìn)時(shí)，利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合慢速開孔，并啟動(dòng)泥漿泵供水，開孔深度3 m。開孔完成后開始正常的導(dǎo)孔鉆進(jìn)。導(dǎo)孔施工控制要點(diǎn)有：

(1)導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速應(yīng)高于開孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速，對(duì)于松軟地層和過(guò)渡地層采用低鉆壓，對(duì)于硬巖和穩(wěn)定地層采用高鉆壓。

(2)一根鉆桿鉆進(jìn)完成后，必須等孔內(nèi)的巖屑全部排出后，才能停泵接卸鉆桿。

(3)距離導(dǎo)孔貫通剩余3 m時(shí)，應(yīng)隨著貫通距離縮短逐漸降低鉆壓、減緩鉆進(jìn)速度，直至貫通。

(4)導(dǎo)孔貫通后，先停止泥漿循環(huán)，向?qū)Э變?nèi)注入清水，同時(shí)保持鉆機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、扭矩變化較小時(shí)才能關(guān)停鉆機(jī)。

(5)導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，若遇到空洞、裂縫等地質(zhì)缺陷而不返水時(shí)，應(yīng)及時(shí)起鉆采用泥漿護(hù)壁或灌注砂漿、混凝土、水玻璃等膠凝材料，待其凝固后再重新鉆孔，以避免卡鉆。

(6)在整個(gè)導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)采取可靠措施確保連續(xù)供水、供電，避免發(fā)生卡鉆事故。

2.4 Φ3.0～3.5 m導(dǎo)井溜渣井施工

導(dǎo)孔鉆透即將完成前，將擴(kuò)孔鉆頭和導(dǎo)孔鉆頭拆卸工具運(yùn)至豎井下部通道內(nèi)。導(dǎo)孔鉆透后通過(guò)鉆桿打點(diǎn)上下聯(lián)系，上下配合拆下導(dǎo)孔鉆頭接上擴(kuò)孔鉆頭，形成出渣系統(tǒng)后，即可準(zhǔn)備自下而上的Φ3.0～3.5 m溜渣井?dāng)U孔鉆進(jìn)作業(yè)。

擴(kuò)孔開孔時(shí)，應(yīng)在擴(kuò)孔鉆頭接好后，緩慢上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，使用最低轉(zhuǎn)速(5～9 r/m)，并慢慢給進(jìn)、保證鉆頭滾刀不因承受過(guò)大的沖擊而破壞，待滾刀將凸出的巖石破碎掉之后，再繼續(xù)給進(jìn)，直至鉆頭全部均勻接觸巖石后開始正常地?cái)U(kuò)孔鉆進(jìn)。為保證鉆機(jī)和滾刀的使用壽命，一般將系統(tǒng)壓力限制在18 MPa之內(nèi)。在擴(kuò)孔過(guò)程中，當(dāng)巖石硬度較大，可適當(dāng)增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。當(dāng)導(dǎo)孔鉆頭鉆至距豎井頂面2.5 m時(shí)，要降低鉆壓緩速鉆進(jìn)，認(rèn)真觀察豎井頂面周圍巖體是否有異?，F(xiàn)象。即將完孔時(shí)，應(yīng)放慢擴(kuò)孔速度，直至鉆頭露出地面。

2.5 精度控制措施

采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，施工精度主要取決于反井鉆機(jī)施工定位和Φ350 mm導(dǎo)孔偏差，須提前制定控制措施。

(1)反井鉆機(jī)施工定位控制。反井鉆機(jī)施工定位決定了孔位偏差，其精度取決于吊點(diǎn)錨桿、基礎(chǔ)混凝土預(yù)留地腳螺栓、頂面平整度和鉆機(jī)安裝：反井鉆機(jī)吊點(diǎn)錨桿施工時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)，采用測(cè)量放點(diǎn)，準(zhǔn)確定位吊點(diǎn)，嚴(yán)格控制吊點(diǎn)錨桿外露長(zhǎng)度；基礎(chǔ)混凝土備倉(cāng)時(shí)，采用測(cè)量放點(diǎn)，準(zhǔn)確定位預(yù)留地腳螺栓孔，并做好焊接固定，澆筑過(guò)程中加強(qiáng)檢查，確保螺栓孔位不變；基礎(chǔ)混凝土澆筑完成收面時(shí)，頂面應(yīng)保證水平，起伏差不超過(guò)1.5 cm，對(duì)于不滿足要求的部位，使用砂布磨平或砂漿補(bǔ)缺；反井鉆機(jī)安裝時(shí)，認(rèn)真調(diào)整鉆桿定位，確保鉆桿對(duì)中，鉆孔孔位偏差在允許范圍內(nèi)。

(2)Φ350 mm導(dǎo)孔偏差控制。Φ350 mm導(dǎo)孔偏差主要包括孔斜偏差和孔向偏差。白鶴灘水電站引水發(fā)電系統(tǒng)均為90°傾角的垂直豎井，其導(dǎo)孔孔斜偏差通常較小。但導(dǎo)孔較深時(shí)，隨著鉆壓的增加，鉆桿就會(huì)逐漸彎曲，導(dǎo)致鉆孔孔向偏離鉆孔軸線；在非均質(zhì)巖層中鉆進(jìn)時(shí)，巖石硬度的變化也會(huì)導(dǎo)致鉆孔孔向發(fā)生偏差。因此，提前制定導(dǎo)孔孔向偏差控制措施顯得尤為重要：①選擇適合巖層特性的鉆頭，施工前，結(jié)合地質(zhì)勘探成果和已有施工經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析不同巖層分布范圍，根據(jù)鉆頭特性合理選擇鉆頭：軟巖地層鉆進(jìn)宜采用較小夾角的長(zhǎng)楔齒或碳化鎢一字形鑲齒鉆頭，硬巖地層鉆進(jìn)則宜采用較大夾角的短楔齒或碳化鎢半球形鑲齒鉆頭。②使用穩(wěn)定器，穩(wěn)定器是避免鉆孔偏斜最有效的工具。穩(wěn)定器一般被設(shè)計(jì)為六棱或八棱形，通常將兩個(gè)或更多的穩(wěn)定器聯(lián)在一起使用，以便在鉆孔底部形成一段剛性的、與孔壁多處接觸的鉆具組，以防止偏斜。③控制鉆壓，采用低于最佳鉆進(jìn)速度的鉆壓并保持恒定的鉆進(jìn)速度。鉆壓通常參考鉆鑿相同或相似地層的鉆井參數(shù)來(lái)確定。如果沒有經(jīng)驗(yàn)可參考，可參照鉆頭制造廠家提供的鉆頭產(chǎn)品樣本進(jìn)行選擇。

(3)導(dǎo)孔糾偏措施。根據(jù)鉆孔深度、巖石地質(zhì)條件和鉆孔精度要求等條件，可選用鐘表、磁性和陀螺測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)井。經(jīng)測(cè)量，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)孔偏差超出合理范圍，必須停止正常鉆進(jìn)，對(duì)鉆孔進(jìn)行糾偏處理。導(dǎo)孔糾偏的方法須視具體情況而定：對(duì)于偏斜程度和方向非常有規(guī)律的鉆孔，可采取偏置鉆機(jī)的方法來(lái)糾正預(yù)計(jì)的偏斜，鉆機(jī)移動(dòng)的距離和方向根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)而定；對(duì)于偏斜程度和方向無(wú)規(guī)律或程度較大的導(dǎo)孔，應(yīng)采用純水泥漿、砂漿等膠凝材料回填偏斜段，待其凝固后校正鉆進(jìn)方向重新鉆孔。

2.6 施工成果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2014年～2017年，白鶴灘水電站采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)一共施工了Φ3.0～3.5 m溜渣井2 642.3 m，鉆孔偏斜均小于1%，溜渣井施工期間未發(fā)生安全事故，使用期間溜渣效果良好、未發(fā)生堵井事故。

3 與傳統(tǒng)溜渣井施工工藝比較

傳統(tǒng)溜渣井施工工藝為L(zhǎng)M-300型反井鉆機(jī)自上而下施工Φ250 mm導(dǎo)孔→LM-300型反井鉆機(jī)自下而上施工Φ1.4 m導(dǎo)井→自下而上人工將Φ1.4 m導(dǎo)井鉆爆擴(kuò)挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井，見圖3。采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)方案施工方法見圖4。

圖3 傳統(tǒng)豎井溜渣井?dāng)U挖示意

圖4 BMC 600型大型反井鉆井一次成型留渣井施工方法示意

與傳統(tǒng)溜渣井施工工藝相比，采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)施工具有以下幾方面的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1)降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的溜渣井施工工藝中，由人工從Φ1.4 m導(dǎo)井?dāng)U挖至Φ3.0～3.5m溜渣井時(shí)是在Φ1.4 m導(dǎo)井內(nèi)掛設(shè)載人吊籠、人工鉆孔裝藥作業(yè)，作業(yè)空間狹小，遇到不良地質(zhì)洞段時(shí)，一旦發(fā)生掉塊、塌方等突發(fā)事件，鉆孔工人無(wú)法有效躲避，人身安全風(fēng)險(xiǎn)極大；井內(nèi)煙塵多、噪音大，工作環(huán)境惡劣，且井內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差，一旦遇到突發(fā)情況，井內(nèi)、井外人員聯(lián)絡(luò)困難，救援難度大，安全隱患突出；由于導(dǎo)井直徑小，導(dǎo)井內(nèi)的垂直交通只能采用簡(jiǎn)易卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)提升載人吊籠，保障系數(shù)偏低，且露天作業(yè)時(shí)易受大風(fēng)、大雨影響，均存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，人工擴(kuò)挖形成的溜渣井?dāng)嗝娉叽绱笮〔灰?，豎井正井?dāng)U挖溜渣時(shí)在小斷面部位很容易形成堵井，處理堵井也存在著極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，省去了由人工從Φ1.4 m導(dǎo)井?dāng)U挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井工序，僅需少量作業(yè)人員在上、下井口操作鉆機(jī)，無(wú)需人員進(jìn)入井內(nèi)，從本質(zhì)上徹底消除了溜渣井?dāng)U挖時(shí)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，減少了粉塵對(duì)作業(yè)人員職業(yè)健康的危害。

(2)提高施工質(zhì)量。傳統(tǒng)的溜渣井施工工藝中，溜渣井?dāng)U挖人工手風(fēng)鉆鉆孔、裝藥爆破質(zhì)量控制精度不夠，最終形成的溜渣井往往成型質(zhì)量很差，井壁凸凹不平，井身斷面尺寸大小不一，會(huì)降低溜渣效率，甚至發(fā)生堵井事故。采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井，井壁成型光滑無(wú)破損，無(wú)需對(duì)井壁欠挖進(jìn)行二次開挖或加強(qiáng)支護(hù)；溜渣井軸線偏移量均控制在1%以內(nèi)，且整個(gè)井身斷面尺寸均勻一致。白鶴灘水電站眾多豎井正井?dāng)U挖施工中，凡采用該新技術(shù)施工的豎井，均未出現(xiàn)堵井現(xiàn)象。另外，對(duì)于一些臨時(shí)的豎井，如采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)一次成型的施工期通風(fēng)豎井，無(wú)需對(duì)井壁進(jìn)行錨桿和噴混凝土支護(hù)。

(3)提高施工效率。與傳統(tǒng)溜渣井施工工藝相比，采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)施工溜渣井減少了由人工從Φ1.4 m導(dǎo)井?dāng)U挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井的工序，施工效率明顯提升，平均實(shí)際鉆進(jìn)深度可達(dá)10 m/日以上。對(duì)于100 m深的豎井，采用BMC 600型大型反井鉆機(jī)一次成型Φ3.0～3.5 m溜渣井可縮短1個(gè)月左右工期。傳統(tǒng)施工工藝形成的溜渣井往往由于溜渣井?dāng)嗝娉叽绱笮〔灰?，而易發(fā)生堵井事故，一旦堵井，處理起來(lái)通常需要2個(gè)月以上，會(huì)嚴(yán)重降低施工效率。

(4)施工成本偏高。根據(jù)水電工程定額，采用LM-300型反井鉆機(jī)施工Φ1.4 m導(dǎo)井成本約3 300元/m，Φ1.4 m導(dǎo)井人工擴(kuò)挖為Φ3.5 m溜渣井成本約1 250元/m，合計(jì)為4 550元/m。經(jīng)實(shí)際測(cè)算，對(duì)于井深300 m內(nèi)的溜渣井，采用BMC 600大型反井鉆機(jī)一次成型Φ3.5 m溜渣井人工成本為130元/m、材料成本為3 260元/m、機(jī)械成本為4 180元/m、其他成本及稅金為2 560元/m，合計(jì)約10 130元/m。可見，作為一項(xiàng)新技術(shù)，采用BMC 600大型反井鉆機(jī)一次成型Φ3.5 m溜渣井成本比傳統(tǒng)溜渣井施工工藝高出約5 580元/m。但隨著水利水電工程建設(shè)水平的提高和大型反井鉆機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，價(jià)格定會(huì)逐步回歸到一個(gè)較為合理的水平。因此，考慮到大型反井鉆機(jī)在施工安全、質(zhì)量、效率方面所具有的無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，仍然是值得推廣的一項(xiàng)新技術(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用大型反井鉆機(jī)一次施工成型大直徑溜渣井，在水電工程中白鶴灘水電站屬于首次，是對(duì)水電工程溜渣井施工工藝的一次重要探索和突破。與傳統(tǒng)的施工方式相比，采用大型反井鉆機(jī)省去了從Φ1.4 m導(dǎo)井?dāng)U挖至Φ3.0～3.5 m溜渣井的人工擴(kuò)挖工序，具有安全、快速、高質(zhì)量的特點(diǎn)以及顯著的社會(huì)效益，是一項(xiàng)值得推廣的新技術(shù)。

目前，白鶴灘水電站已實(shí)施了25條豎井，累計(jì)達(dá)2 642.3 m，未出現(xiàn)任何安全問題，且效果良好。隨著對(duì)工程建設(shè)安全的重視程度越來(lái)越高，由于在減少人工投入、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率等方面所具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，以及價(jià)格水平的回歸，采用大型反井鉆機(jī)一次施工成型大直徑溜渣井在豎井施工中將具有廣闊的應(yīng)用前景。北京中煤礦山工程有限公司已研制出最大直徑達(dá)6.0 m的反井鉆機(jī)鉆頭，今后直徑小于6.0 m的深小豎井可以全部由反井鉆機(jī)一次成型，深小豎井的施工將更安全、快捷。