反井鉆機在抽水蓄能電站長斜井施工的應(yīng)用

王明星

摘要： 我國已成為裝備制造強國，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中大型機械設(shè)備的應(yīng)用已十分普遍。近年來反井鉆機已普遍應(yīng)用在水電站的斜井、豎井反導井工程施工中，其施工技術(shù)已趨于成熟。但在250m以上、角度60°及以下的斜井中用國產(chǎn)反井鉆機施工還屬攻關(guān)課題。文章介紹國內(nèi)反井鉆機，用于新疆阜康抽水蓄能電站長斜井反導井施工中，在安全、精確、高速的成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 長斜井;反井鉆;施工的應(yīng)用

工程概況

阜康抽水蓄能電站引水系統(tǒng)壓力鋼管由1#和2#引水壓力鋼管組成，1#和2#引水壓力鋼管主管平行布置，洞軸線間距為43.72m，立面上采用雙斜井布置。

引水系統(tǒng)工程上、下斜井共有四條，斜長約270m，斜井角度為60°。斜井總體傾斜角度大、長度深、貫通精度要求高、開挖難度大。

地質(zhì)條件：斜井覆巖體厚度190m～350m，基巖以灰黑色～灰綠色硅質(zhì)巖夾砂巖（C2-2）為主，上部少量礫巖夾細砂巖、灰?guī)r（C2-3）。層面較發(fā)育，巖層走向較穩(wěn)定，約NW275°～280°，傾向NE，傾角35°～45°。斷裂構(gòu)造較發(fā)育，發(fā)育斷層多與洞室斜交，中、陡傾角，其與巖層互相切割組合，對洞室穩(wěn)定影響較大。

施工程序

斜井導井先采用反井鉆機進行正導孔（φ311mm）施工，正導孔與下部平洞貫通后，再由下部平洞安裝D=2m反拉鉆頭，由下至上形成圓形D=2m直徑導井（溜渣井）。反井鉆機斜井導井施工程序見圖1。

設(shè)備主要參數(shù)

以1#引水下斜井為例，反井鉆機鉆進長度約為330m（含上、下彎段），與地面水平方向夾角為60°。受洞室內(nèi)運輸及施工場地限制，反井鉆機工作高度為8.4m。

本工程選用的BMC400型反井鉆機，主要用于水電系統(tǒng)豎井和斜井施工。本工程地質(zhì)條件以中硬巖為主，導孔鉆孔速度5m/班，擴孔速度約2.5m/班（每天2班，每班10小時）。該鉆機具有：施工安全性高，鉆孔速度快，勞動條件好，應(yīng)用比較廣泛。BMC400型反井鉆機主要性能參數(shù)：導孔直徑：311mm，擴孔直徑：≤3.0m，設(shè)計鉆孔深度：400m，鉆孔傾斜角度（與水平方向夾角）–10°～90°，偏斜控制：7.5‰，單根鉆桿有效長度/重量：1500mm/423kg，鉆機功率：128.5kW。Φ311mm高精度導孔開孔鉆具組合：Ф311mm牙輪鉆頭+Ф172mm鉆鋌+Ф127mm短鉆桿（2m）。

導孔施工

準備工作

反井鉆機施工用水量：（1）導孔鉆進時循環(huán)補充水10m3/h，用于循環(huán)排渣和冷卻反井鉆機液壓系統(tǒng);（2）擴孔鉆進時需水約5m3/h，用于冷卻液壓系統(tǒng)和擴孔鉆頭。

施工供電：高精度導孔施工時，反井鉆機總功率為325kW，擴孔施工時，反井鉆機總功率為140kW，配備的變壓器電壓等級為380V，電源頻率50HZ。

施工用電：除工作面的工作燈采用36V安全電壓外，其它供電均采用220V或380V電壓，所用供電線路均采用帶絕緣皮的電纜。

照明：壓力鋼管上斜井反井鉆機施工區(qū)洞頂部位安裝2個200WLED燈提供施工照明。

施工排水：反井鉆導孔施工廢水及圍巖滲水，采用污水泵抽取至施工支洞排水溝內(nèi)，定期對集水坑和排水溝內(nèi)的泥漿巖屑進行清理。

導孔開孔

斜井反井鉆鉆機依靠電力啟動，并需要大量的施工用水確保鉆孔施工，主要材料為易消耗磨損的材料：如鉆桿、鉆頭，要常備倉庫。反井鉆機采用15t平板貨車運輸，受洞內(nèi)空間限制，經(jīng)研究討論最終選擇在洞內(nèi)頂拱設(shè)6組天錨（Φ28砂漿錨桿L=6m）利用天錨再充分加固后配以10 t手動葫蘆卸車，滿足了安全卸車要求。

開孔前將鉆機找正，使斜井設(shè)計軸線與鉆桿及動力鉆頭軸線重合。鉆孔泥漿應(yīng)制備完成，并使泥漿充分循環(huán)。導孔開始鉆進時采用輕壓、慢轉(zhuǎn)、大泵量為宜。一般控制在轉(zhuǎn)數(shù)60r/min，鉆壓500kg，泵量600～1200L/min左右。動力供水開啟快速擋。接好鉆桿后，開啟泥漿泵供高壓漿液和冷卻用水，開始從上往下開孔鉆進。實際施工中需根據(jù)不同的地質(zhì)條件調(diào)整鉆壓，對于軟質(zhì)巖層或斷層帶采用低鉆壓，對于中硬巖地層采用高鉆壓。根據(jù)地質(zhì)條件采用泥漿泵供漿排渣或泥漿泵供水排渣。

導孔測斜、糾偏

阜康抽水蓄能電站引水系統(tǒng)斜井導孔測斜使用“直井MWD無線隨鉆測斜儀”。在導孔鉆進過程中對孔斜的監(jiān)測和定向的糾偏。原理為利用磁導向裝置進行監(jiān)測，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)判定導孔的角度及方位。

孔斜監(jiān)測：當導孔深度達到一定深度時（100m～150m），將隨鉆測斜儀隨同鉆桿一同下入井下，在鉆進過程中，每鉆進30m測斜一次，5～10m一個測點，每測斜一次可取多個測點。并將測量數(shù)據(jù)實時傳到地面上來，根據(jù)數(shù)據(jù)與設(shè)計導孔軌跡進行對比。孔斜超偏時，加密測點，并制定定向糾偏設(shè)計。

鉆孔糾偏：根據(jù)制定的糾偏設(shè)計，利用Ф172mm彎螺桿進行定向鉆進，采用隨鉆測斜儀進行糾偏。根據(jù)隨鉆測斜儀反饋數(shù)據(jù)，判定導孔偏斜軌跡的大小，調(diào)整螺桿鉆具的扭方位，并通過泥漿泵產(chǎn)生的高壓泥漿，傳至馬達后，馬達通過萬向軸和傳遞軸傳遞給鉆頭，進而實現(xiàn)了糾偏。

地質(zhì)缺陷部位的處理

在長斜井施工中，地質(zhì)條件對導孔施工起到最重要的影響，遇到不良地質(zhì)段或軟弱夾層，導孔護壁變得尤為重要，如導孔發(fā)生塌孔，會造成埋鉆、卡鉆等事故，而且對偏斜控制不利。在阜康抽水蓄能電站斜井反井鉆施工中，由于斜井地質(zhì)圍巖較破碎，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，發(fā)育多道斷層帶。導孔施工中多次遇到不返水和巖屑、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象。采取的處理方法：

在導孔施工前，根據(jù)前期地質(zhì)勘查資料認真分析不良地質(zhì)段的位置及分布，為施鉆提供技術(shù)準備。

遇到不良地質(zhì)段時，采取調(diào)整泥漿參數(shù)的措施，提高泥漿的護壁和攜渣能力，確保反渣和孔壁通暢，最終達到順利通過不良地質(zhì)段目的。

發(fā)生卡鉆事件時，我們一般采取以下兩種辦法：高壓水強行沖洗導孔，在沖洗孔過程中啟動鉆機轉(zhuǎn)動鉆桿，直到將鉆桿轉(zhuǎn)動并提升。第二種辦法是當導孔距離下平洞較近時，從下往上打?qū)Э棕炌▽Э?，貫通后再用高壓水進行沖洗導孔。

在遇到軟弱夾層、較大裂隙或斷層帶等地質(zhì)條件時，導孔鉆進過程中，可能會出現(xiàn)孔口不返水、不排渣情況，可采用循環(huán)鉆灌成孔法，即拌制水灰比為0.45的水泥漿，并摻速凝劑，通過灌漿設(shè)備將水泥漿液灌注導孔內(nèi)，利用水泥漿液填充斷層帶、較大裂隙，待水泥漿凝固24小時后重新掃孔鉆進。該方法不足處為需要反復取鉆和灌漿，對導孔鉆進的施工進度影響較大。另外在斜井孔深超過150m，并且斷層、裂隙帶范圍不大時，可采用強行鉆進成孔法，該方法在孔口不返水時，繼續(xù)鉆進并不斷用泥漿泵向?qū)Э變?nèi)壓水，將積渣強行排除。

擴孔施工

導孔鉆進與下部隧洞貫通后，在下平洞安裝直徑2.0m的擴孔鉆頭。擴孔鉆頭運到下平洞導孔中心點位置，同時利用吊帽等專用工具進行安裝。在安裝時上下平洞利用對講機呼應(yīng)，在統(tǒng)一指揮下，上平洞鉆機操作手根據(jù)下平洞安裝擴孔鉆頭施工人員指令進行操作。

擴孔直徑為2.0m，每米實渣量為3.14m3。反井鉆機每天可擴孔鉆進10m，則每天的出渣量為31.4m3。

在擴孔過程中可能因為急于加快擴孔進度，加大提升力，使反井鉆機扭矩超額定值而造成鉆桿斷裂（扭矩不超過設(shè)計最大扭矩的60%），發(fā)生擴孔鉆頭卡在已擴挖完成的孔內(nèi)時，從下面處理鉆頭是十分危險的。所以應(yīng)在保證安全的情況下進行處理，方法一：將鉆桿接上，用鉆桿對擴孔鉆頭施加壓力使擴孔鉆頭自然從已擴挖完成的孔內(nèi)墜落至下平洞。方法二：將鉆桿全部提升，利用鋼絲繩從孔口將炸藥送入鉆頭卡住位置，毫秒雷管起爆炸藥將鉆頭震落至下平洞，該方法必須控制好每次的炸藥量，已保證擴孔鉆頭不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷。

當擴孔即將完成時，一般在鉆頭距離地面3m時，應(yīng)慢速降壓擴孔，同時現(xiàn)場人員要觀察地面情況是否出現(xiàn)異常，緩慢使鉆頭露出地面。擴孔完成后進行反井鉆的拆除工作。拆除順序：鉆頭固定懸掛→拆下鉆架主機和一些輔助設(shè)備→鉆頭提出孔外→拆裝泵車、油箱→清理現(xiàn)場。

反井鉆機施工效果

反井鉆反拉導井井壁平整，開挖過程中對巖體擾動小，可以避免斜井擴挖過程中掉塊，起到安全保護作用。同時斜井采取反井鉆施工，施工人員遠離掌子面作業(yè)區(qū)，安全保證系數(shù)高，對作業(yè)人員的健康保證相對較好。

反井鉆機開孔利用開孔扶正器，保證開孔的精度。在鉆進過程成合理布置穩(wěn)定鉆桿，鉆頭選用硬巖保徑三牙輪鉆頭，保證鉆孔過程中導孔不縮徑，能夠使穩(wěn)定鉆桿順利通過，并保證孔的鉆鑿精度。在鉆進施工過程中，選用電子單多點測斜儀測量，導孔每鉆進30m停鉆，使用測斜儀進行一次測斜工作，及時發(fā)現(xiàn)超標偏差，避免大工作量的返工。

遇到不良地質(zhì)帶先對巖性進行判斷，在正確施工反井鉆的情況下圍巖的變化是影響導孔施工的主要因素，所以我們一般采取調(diào)節(jié)穩(wěn)定鉆桿、鉆速、調(diào)整鉆壓等手段進行反井鉆的操控。如鉆桿無法通過不良地質(zhì)帶時應(yīng)考慮采用灌漿的辦法進行孔壁加固，最終達到確保導孔精度的目的。

結(jié)語

反井鉆機法施工斜井具有安全風險低，改善施工環(huán)境，加快施工進度等優(yōu)點。本工程兩條引水主洞，四條斜井地質(zhì)條件較差，且均為長斜井，對施工導孔的偏斜控制提出了挑戰(zhàn)。本工程在技術(shù)人員不斷的摸索、攻關(guān)下達到了理想的效果。反井鉆機施工法作為目前斜井施工最為科學、安全的施工方法，成功的應(yīng)用于不同施工條件的斜井，正確施工和加快施工進度作為重要的施工課題進行研究，并將成果進行推廣應(yīng)用。

參考文獻

DL/T5407–2009水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范[S].

胡本永.反井鉆機在周寧水電站高豎井開挖中的應(yīng)用[J].廣西水利水電，2005（03）：20.