斜井反井法導(dǎo)井施工精度操控技術(shù)

王 峻， 張學(xué)彬， 劉培偉

(中國水利水電第七工程局有限公司, 四川成都 610081)

在建猴子巖水電站出線洞斜井長185.1 m且傾角為45 °，洞室傾角緩、長度長，圍巖條件未知，極易出現(xiàn)鉆孔偏移，導(dǎo)致斜井無法順利貫通。反井鉆先導(dǎo)孔的施工精度是反井施工成敗關(guān)鍵，是保證洞軸線的必要條件，為此通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗對不同緩坡傾角條件下的控制方法和參數(shù)進(jìn)行研究，從而摸索出一整套鉆孔前期、中期和其他關(guān)鍵時期的有效控制技術(shù)，以滿足嚴(yán)格控制斜井鉆孔偏差要求和目標(biāo)。反井法施工時，斜井角度變小后會使巖體及設(shè)備本身受力發(fā)生較大變化，例如上下摩擦力不對稱會造成偏斜，必須對設(shè)備軸力、速度和扭矩等參數(shù)進(jìn)行試驗，探明小傾角斜井開挖機(jī)具本身需要具備的動力參數(shù)(扭矩、軸力)，確定出不同傾角下的設(shè)備動力損失模型，據(jù)此探索出能夠滿足緩坡傾角斜井的控制方法，為后續(xù)設(shè)備研發(fā)后改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)孔軌跡問題分析

由于斜井開挖傾角越小，鉆機(jī)本身會產(chǎn)生與豎向或大傾角時的鉆孔有較大差異的豎向分力，致使鉆機(jī)會出現(xiàn)額外向下的作用力，客觀上導(dǎo)致鉆孔除了沿軸向鉆進(jìn)外還會向下發(fā)展而造成偏離，甚至?xí)纬汕€，使得鉆桿在鉆進(jìn)過程成產(chǎn)生偏離。

1.1 斜井開挖前對于導(dǎo)孔軌跡的理論分析

如果按斜井傾角進(jìn)行導(dǎo)孔鉆鑿，則其軌跡并不理想，很可能會因為向下彎曲出現(xiàn)較大精度偏差，為此須在開始階段就進(jìn)行適當(dāng)糾偏，其糾偏角度及其軌跡分析見圖1、圖2所示。

圖1 α任意角最大偏角溜渣軌跡

圖2 α任意角最小偏角溜渣軌跡

(1)假設(shè)洞口直徑為d，斜井長度為L，斜井坡度為θ，推導(dǎo)鉆桿的極限下沉量。

(2)假設(shè)斜井周圍地質(zhì)條件均勻，鉆桿只有重力作用下向下鉆孔形成一個如圖1所示的虛線軌跡，由于導(dǎo)孔極小而斜井距離很大，偏移量很??！如猴子巖斜井為185 m，鉆孔軌跡偏離僅約為0.1 °，近似于圓弧，其誤差(類似于系統(tǒng)誤差)是可以接受的。結(jié)合微分?jǐn)?shù)學(xué)的思想，采用圓弧軌跡作為鉆孔軌跡近似處理基本合理，可滿足施工控制要求。

(3)分析圓弧曲線方程，建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系。在極限狀態(tài)下，鉆桿將從洞頂中心處進(jìn)入，在井底的中心處鉆出，那么這條圓弧曲線經(jīng)過如下三點(diǎn)：

(1)

1.2 猴子巖45 °斜井開挖前導(dǎo)孔軌跡控制

對于猴子巖45 °斜井，取θ=45 °代入式(1)得猴子巖45 °斜井糾偏后的導(dǎo)孔軌跡方程為：

(2)

y′=tanα=0.8783?α=arctan(0.8783)=41°29′

(3)

同理：對于圖2可知，當(dāng)鉆桿以沿著斜井上邊緣相切的角度鉆進(jìn)，此時鉆桿剛好從洞底的下邊緣鉆出，即：

y′=tanα=1?α=arctan1=45°

(4)

根據(jù)計算，如果要達(dá)到鉆桿軌跡糾偏精度，則開鉆可適當(dāng)向上仰起一定角度也即鉆桿與水平夾角需適當(dāng)降低。計算結(jié)果表明，降低后的角度范圍可為41～45 °之間，此角度范圍即可在理論上保證導(dǎo)孔軌跡精度。

2 施工控制技術(shù)

2.1 反井鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中控制技術(shù)

斜井的鉆孔過程中應(yīng)穩(wěn)定鉆桿(圖3)的分布及控制鉆進(jìn)速度。與普通鉆桿相比，穩(wěn)定鉆桿周邊均勻焊接了4條3 cm長的鋼肋板(厚1 cm)，其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)向，防止隨鉆孔深度的增加，鉆桿因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大的彎曲和擺幅，同時有效減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。采用鉆桿分布是：開鉆前10 m全部使用穩(wěn)定鉆桿；10～30 m調(diào)整為3根普通鉆桿設(shè)1根穩(wěn)定鉆桿，并安裝扶正器以保證鉆孔的開孔質(zhì)量，鉆速為平均3～4 h鉆進(jìn)1 m；30～80 m每隔20 m設(shè)1根穩(wěn)定鉆桿，鉆速為平均2～3 h鉆進(jìn)1 m。

施工中最重要的為導(dǎo)孔的糾偏工作。在導(dǎo)孔施工中，鉆機(jī)定位時，其定位夾角為45 °30 ′，預(yù)留30 ′下沉量。鉆進(jìn)20 m時傾角基本未變，鉆進(jìn)至約100 m時下傾角約為44 °，偏斜值1 °。此時，主要采取以下糾偏措施：加快鉆進(jìn)速度，鉆速為1.5 h左右鉆進(jìn)1 m；減少主泵供水量，使導(dǎo)孔內(nèi)水壓降低，殘留的少量巖屑以利于將鉆頭向上托起；減少穩(wěn)定鉆桿，80 m以后未設(shè)置穩(wěn)定鉆桿。

圖3 穩(wěn)定鉆桿結(jié)構(gòu)示意

2.2 反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工控制

導(dǎo)孔施工完畢后，在對應(yīng)底部施工通道安裝φ1.4 m擴(kuò)孔鉆頭。

(1)擴(kuò)孔開孔：擴(kuò)孔開始施工時一般圍巖破壞嚴(yán)重，鉆頭周圈難以均勻受力，因此，一般采用副泵提供較小的、均勻的動力。當(dāng)φ1.4 m擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速(5～9 r/min)旋轉(zhuǎn)，并慢慢給進(jìn)，進(jìn)尺控制在10 cm/h，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，防止鉆頭偏心受力過大而扭斷鉆桿。給進(jìn)一些停下，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續(xù)給進(jìn)。

(2)開始擴(kuò)孔時：下邊要有人觀察，將情況及時通知操作人員，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。在擴(kuò)孔過程中，當(dāng)巖石硬度較大，可適當(dāng)增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。擴(kuò)孔時，要及時出渣，防止堵孔。擴(kuò)孔過程，也是拆鉆桿的過程，拆下的鉆桿進(jìn)行必要的清理，上油帶好保護(hù)帽。

鉆進(jìn)施工中要求有較為穩(wěn)定供水量，以使刀具能得到水冷卻，供水量要求不小于7.8 m3/h。擴(kuò)孔施工時，鉆桿的拆卸要特別注意鉆桿卡瓦正確擺放及自身的完好程度，以免出現(xiàn)卡瓦突然斷裂，造成擴(kuò)孔鉆頭、鉆桿脫落。

(3)完孔：當(dāng)鉆頭距基礎(chǔ)2.5 m時，要降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，并且要認(rèn)真觀察基礎(chǔ)周圍是否有異常現(xiàn)象，如果有，要及時采取措施處理。慢慢的擴(kuò)孔，直至鉆頭露出地面。

2.3 斜井導(dǎo)孔及導(dǎo)井施工

施工工藝流程：鉆機(jī)改造→基礎(chǔ)混凝土澆筑→鉆安裝及調(diào)試→φ216 mm導(dǎo)孔施工→φ1 400 mm擴(kuò)孔施工→鉆機(jī)拆除。

2.3.1 鉆機(jī)安裝及調(diào)試

安裝斜井裝置底板和鉆機(jī)的吊裝就位按照鉆孔中心點(diǎn)的十字記號線方向放置反井鉆機(jī)裝置底板，然后將主機(jī)運(yùn)進(jìn)洞內(nèi)，通過洞頂?shù)牡跹b錨桿將主機(jī)吊起，對好位擰緊連接螺栓，使主機(jī)和底板成為一體，再裝上后支撐拉桿穩(wěn)定鉆機(jī)。

鉆機(jī)定位及角度調(diào)節(jié)直接關(guān)系著斜井導(dǎo)孔的偏斜度，必須高度重視，步驟為：

(1)調(diào)整鉆機(jī)方位角和垂直度。

先用后支撐拉桿將鉆機(jī)頂起，目測前后方向與地面大致垂直；然后調(diào)整鉆機(jī)左右方向與地面垂直。一般采用線垂測量法，在鉆架的左右兩邊，各懸掛一長2 m的線垂，通過在底板下方墊置斜鐵等辦法調(diào)整垂直度，允許偏差0.5 ‰，完畢后再用全站儀測量鉆機(jī)的方位角，確定無誤后即可裝上底腳螺栓進(jìn)行基礎(chǔ)二次混凝土澆筑。

(2)調(diào)整鉆機(jī)傾斜角。

待反井鉆機(jī)基礎(chǔ)二次混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，通過后支撐拉桿的伸縮調(diào)節(jié)鉆機(jī)的傾斜角，經(jīng)過計算調(diào)整好鉆機(jī)傾角，鎖緊螺母，然后用電焊將鉆機(jī)與裝置底板的幾個鉸接點(diǎn)焊住，防止在施工過程中后支撐拉桿松動鉆機(jī)發(fā)生移動，以確保導(dǎo)孔施工精度。

2.3.2φ216導(dǎo)孔施工

2.3.2.1 鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)本工程壓力管道斜井及排風(fēng)豎井施工總結(jié)的施工成果，鉆進(jìn)參數(shù)暫定如下，實施過程中根據(jù)實際進(jìn)行調(diào)整(表1)。

表1 45°斜井初擬鉆進(jìn)參數(shù)

2.3.2.2 開孔鉆進(jìn)

首先對鉆桿進(jìn)行改造，加工穩(wěn)定鉆桿。穩(wěn)定鉆桿與普通鉆桿相比，穩(wěn)定鉆桿周邊均勻焊接了4條3 cm長的鋼肋板，其作用是導(dǎo)向，防止隨鉆孔深度的增加，鉆桿因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大的彎曲和擺幅，同時有效減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。

2.3.3φ1 400 mm擴(kuò)孔施工

2.3.3.1 對接擴(kuò)孔鉆頭

鉆頭對接前將導(dǎo)孔透孔部位進(jìn)行擴(kuò)挖，形成對接小平臺，用手拉葫蘆將擴(kuò)挖鉆頭提升到小平臺進(jìn)行對接，具體操作：

(1)放下鉆桿，對接鉆頭。將擴(kuò)孔鉆頭放到斜井下部與下平段交接處，放下鉆桿對接。

(2)擴(kuò)孔鉆頭提升。提升時采用小油泵，計算鉆桿及鉆頭重量，設(shè)定油泵壓力，提升時不轉(zhuǎn)動鉆桿，超過設(shè)定壓力后慢速轉(zhuǎn)動，順利將擴(kuò)孔鉆頭提升到反導(dǎo)孔頂部。

2.3.3.2 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

擴(kuò)孔鉆進(jìn)相對于前面的工序簡單，巖石較硬，平均每1 m進(jìn)尺按照用時5～8 h控制。

2.3.4 鉆機(jī)拆除

將擴(kuò)挖鉆頭卡固在鋼軌上，拆掉鉆機(jī)的斜撐桿及各種油管，吊出主機(jī)，然后再將反擴(kuò)鉆頭取出。

2.3.5 反井鉆機(jī)偏斜率控制

反井鉆井偏斜就是反井施工的技術(shù)關(guān)鍵，為此，采取以下措施：

(1)進(jìn)行精確的測量控制，發(fā)現(xiàn)偏斜較大時反復(fù)掃孔糾正偏斜度。

(2)施工設(shè)備：選用經(jīng)檢修完好的反井鉆機(jī)和泥漿泵，保證其性能良好。

(3)鉆機(jī)安裝定位：鉆機(jī)安裝牢固，定位準(zhǔn)確，混凝土澆筑密實。

(4)合理布置鉆具：選用螺旋、直條等多種鑲齒穩(wěn)定鉆桿和硬巖導(dǎo)孔鉆頭，并根據(jù)地質(zhì)條件合理布置。

(5)正確選擇鉆進(jìn)參數(shù):鉆進(jìn)參數(shù)主要是根據(jù)地質(zhì)條件和不同的鉆進(jìn)位置選擇不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速和確定相應(yīng)的鉆進(jìn)速度，并根據(jù)實際鉆進(jìn)過程進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

(6)精心操作：挑選有多年實踐經(jīng)驗的操作人員，按照施工組織設(shè)計和反井鉆機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行操作，及時發(fā)現(xiàn)和處理鉆進(jìn)中的問題和事故。

3 結(jié)論

(1)對斜井鉆井過程鉆桿進(jìn)行受力分析，確定斜井施工過程中鉆桿實際軌跡。對斜井開挖前和開挖后進(jìn)行理論分析，使斜井在理論上滿足施工過程中對于斜井角度的要求。計算其相應(yīng)的影響參數(shù)，在滿足要求的前提下控制各個參數(shù)，從而達(dá)到對斜井軌跡的精確控制。

(2)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，提出的導(dǎo)孔鉆進(jìn)軌跡糾偏優(yōu)化、鉆機(jī)改造以及現(xiàn)場操作等一系列反井進(jìn)度操控技術(shù)，可以滿足操作改進(jìn)后的反井鉆的技術(shù)要求，并可保證斜井導(dǎo)孔、導(dǎo)井的鉆孔偏差滿足精度要求。

(3)通過合理設(shè)置穩(wěn)定鉆桿及操控鉆孔速度來保證導(dǎo)孔的鉆孔偏差滿足精度要求，加強(qiáng)開孔段鉆孔質(zhì)量糾偏及控制技術(shù)，確保開孔偏差盡量小，在中后期鉆孔過程中，主要依靠鉆進(jìn)速度及主泵供水量調(diào)節(jié)進(jìn)行鉆孔糾偏。