水電工程反井鉆施工效率影響因素淺析

張?jiān)骑w，曹 暢，張 琦

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.中國電力財(cái)務(wù)有限公司，北京市 100005）

0 引言

水電工程建設(shè)過程中，有大量的豎井、斜井工程，與其相應(yīng)的導(dǎo)井工程施工具有巖石硬、長度大、偏斜率要求高的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的施工方式一般采用吊罐或爬罐法施工，這些施工方法存在安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工周期長、質(zhì)量控制難度大等缺點(diǎn)。從1992年4月北京十三陵抽水蓄能電站首次引進(jìn)反井鉆機(jī)技術(shù)以來，后續(xù)的水電工程豎井、斜井施工中，反井鉆機(jī)施工技術(shù)展現(xiàn)出安全、快速、高質(zhì)量等多方面優(yōu)勢[1]。

1 反井鉆施工工藝

反井鉆的施工工序一般分為兩道，即導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)。首先從豎井或者斜井上部的施工通道從上往下進(jìn)行導(dǎo)孔鉆進(jìn)，鉆機(jī)將旋轉(zhuǎn)扭矩和壓力作用在鉆頭上，鉆頭對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓或者刮削作用，將巖石從巖體上分離出來，形成圓形的鉆孔，一般鉆機(jī)利用泥漿泵通過漿液循環(huán)將巖屑排出[8]。在鉆孔和下部巷道貫通后，拆掉導(dǎo)孔鉆頭換上擴(kuò)孔鉆頭，通過反井鉆機(jī)產(chǎn)生的拉力形成破巖鉆壓，在鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)的作用下，破碎巖石，形成導(dǎo)井[2]，如圖1所示。

圖1 反井鉆原理示意圖Figure 1 The working principle of raise reaming machine

導(dǎo)井的直徑一般有1m、1.4m、2m和2.5m等，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在水電工程中應(yīng)用較多的一般是2.5m直徑的導(dǎo)井，一方面因?yàn)槭┕ば瘦^高，另一個(gè)方面因?yàn)楹笃跀U(kuò)挖過程中能夠保證溜渣順利，降低堵井的可能性[4]。已有工程中應(yīng)用的反井鉆機(jī)包括國外設(shè)備TR3000，國產(chǎn)設(shè)備LM-200、BMC200、BMC300、BMC400、BMC600等。隨著國產(chǎn)設(shè)備的不斷發(fā)展，目前工程應(yīng)用較多的為國產(chǎn)BMC系列設(shè)備，與之相配套的設(shè)備還包括TDX-50定向鉆等。

2 反井鉆施工效率影響因素分析

水電工程中豎井、斜井的開挖一般均為工程管理過程中的重點(diǎn)，施工質(zhì)量要求高，安全風(fēng)大，進(jìn)度控制嚴(yán)格。在實(shí)際施工過程中，影響反井鉆機(jī)施工效率的因素主要包括工程地質(zhì)、井深、導(dǎo)井直徑、傾角等。

2.1 工程地質(zhì)對(duì)反井鉆施工效率影響

工程地質(zhì)對(duì)反井鉆施工的影響主要表現(xiàn)在礦物屬性、地質(zhì)年代、巖石類型、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、瓦斯因素等方面[5]。結(jié)合水電工程中豎井、斜井所在位置地質(zhì)情況看，反井鉆施工效率主要受到礦物屬性、巖石類型和地址構(gòu)造三個(gè)方面影響。一般情況下，水電工程中巖石硬度大，對(duì)鉆頭磨損較為嚴(yán)重，在導(dǎo)孔開挖過程中需要采用耐磨性較強(qiáng)的鉆頭，擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中，破巖滾刀消耗較大；變質(zhì)巖為主的部位鉆進(jìn)效率低，沉積巖為主的部位容易卡鉆；針對(duì)不同地質(zhì)構(gòu)造中存在的節(jié)理、裂隙、層理、斷層、陷落柱等地質(zhì)缺陷，容易造成鉆孔傾斜，進(jìn)而加大測斜和糾偏的工作量。

2.2 井深對(duì)反井鉆施工效率影響

豎井、斜井井深不同對(duì)應(yīng)施工難度差異性較大。如抽水蓄能工程的引水系統(tǒng)中斜井或豎井的長度一般在300m以上，導(dǎo)孔開挖過程中，動(dòng)力傳導(dǎo)過程中損耗大，對(duì)鉆桿扭矩要求高，同理在反拉過程中也存在這些問題。另外，反拉鉆進(jìn)過程中對(duì)刀盤的穩(wěn)定性和扭矩都要求較高，這些因素都會(huì)使反井鉆施工效率降低。

2.3 傾角對(duì)反井鉆施工效率影響

水電工程中，洞軸線與水平夾角在25°～75°的地下洞室開挖為斜井開挖，洞軸線與水平夾角大于75°，深度大于上口短邊長度或者直徑的地下洞室開挖工程為豎井開挖[3]。傾角不同時(shí)，導(dǎo)井開挖難度差異較大，主要表現(xiàn)在下鉆難度隨傾角變小加大，偏斜控制難度加大，量測及糾偏工作量與豎井開挖相比成倍增加。另外，開挖過程中，傾角越小，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)出渣難度越大，大大降低了施工效率。目前水電工程斜井施工中，一般采用定向鉆配合反井鉆的施工工藝，先以定向鉆鉆導(dǎo)孔，視現(xiàn)場實(shí)際情況在反拉擴(kuò)孔之前再添加一次正向擴(kuò)孔，或以定向鉆完成導(dǎo)孔開挖后直接反拉鉆進(jìn)形成導(dǎo)井[6]，主要目的就是為了保證斜井開挖偏斜率。

2.4 導(dǎo)井直徑對(duì)反井鉆施工效率影響

導(dǎo)井直徑的大小取決于反井鉆反拉刀盤的大小，隨著國產(chǎn)機(jī)械設(shè)備制造水平的不斷發(fā)展。導(dǎo)井直徑從最初的1m一直增大到現(xiàn)在普遍使用的2.5m。導(dǎo)井開挖直徑的增大，對(duì)設(shè)備質(zhì)量、刀盤的制造技術(shù)、鉆桿技術(shù)參數(shù)都提高了要求，施工過程中由于刀盤穩(wěn)定性控制難度增大，反拉鉆進(jìn)的效率會(huì)有一定的降低。但從整體上看，大直徑導(dǎo)井的開挖為導(dǎo)井后續(xù)的進(jìn)一步擴(kuò)挖打下了良好的基礎(chǔ)。部分工程采用導(dǎo)井直徑為1.4m的反井鉆機(jī)時(shí)，為防止后續(xù)擴(kuò)挖導(dǎo)井過程中溜渣堵井，在導(dǎo)井開挖完成后需要進(jìn)行兩次擴(kuò)挖，即采用手風(fēng)鉆自下而上先進(jìn)行一次反向擴(kuò)挖[7]，將導(dǎo)井直徑擴(kuò)至3.5m（2m以上），再采用自上而下正向開挖一次擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)尺寸。這種施工工藝不僅使工期延長，由于加入反向開挖爆破作業(yè)，使施工安全風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，部分水電工程已經(jīng)要求針對(duì)井深較大的斜井開挖，其導(dǎo)井直徑不得小于2m。

3 各影響因素對(duì)施工效率影響

已有研究中，關(guān)于工程地質(zhì)對(duì)反井鉆施工效率影響的研究較多。水電工程中，反井鉆施工對(duì)應(yīng)的巖石一般較為堅(jiān)硬，對(duì)施工效率的影響為工程地質(zhì)綜合作用的結(jié)果，不易做量化分析。本文收集了十三陵、大朝山、溪洛渡、山東沂蒙、福建廈門等7個(gè)電站中地質(zhì)情況相近的35條斜豎井施工效率資料，通過以井深、傾角和導(dǎo)井直徑三個(gè)影響因素為自變量，導(dǎo)孔施工進(jìn)尺速度和擴(kuò)孔施工進(jìn)尺速度為因變量，對(duì)表1所示五組關(guān)系進(jìn)行研究。

表1 施工效率影響因素分析表Table 1 Analysis table of factors affecting construction efficiency

3.1 井深對(duì)反井鉆施工效率的影響

選取豎井樣本進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 導(dǎo)孔進(jìn)尺速度與井深關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 2 The data table of drilling speed and depth

以自變量井深為橫軸，因變量導(dǎo)孔進(jìn)尺速度為縱軸，關(guān)系如圖2所示。

圖2 導(dǎo)孔進(jìn)尺速度與井深關(guān)系圖Figure 2 The relationship diagram of drilling speed and depth

續(xù)表

從圖2中可以看出，當(dāng)井深由70m增加至130m時(shí)，導(dǎo)孔進(jìn)尺速度出現(xiàn)明顯下降，且隨著井深的增加，導(dǎo)孔進(jìn)尺速度不斷降低，到達(dá)200m附近時(shí)，呈明顯下降趨勢。由此認(rèn)為，井深增加到一定程度時(shí)，施工過程中的不確定性對(duì)施工導(dǎo)孔進(jìn)尺速度的影響突變，施工效率明顯降低。

對(duì)擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與井深的研究選取表3所列豎井樣本。

表3 擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與井深關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 3 The data table of reaming speed and depth

同樣，擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與井深的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可見，70m以下范圍內(nèi)，隨著井深的增加，擴(kuò)孔進(jìn)尺速度未呈現(xiàn)出較為明顯的趨勢變化。擴(kuò)孔深度在130～150m的范圍內(nèi)時(shí)，與70m左右井深的擴(kuò)孔進(jìn)尺速度相比，施工效率呈跳躍式下降，200m以上井深下降趨勢亦明顯，整體變化趨勢與井深對(duì)導(dǎo)孔施工效率的影響大體一致。

圖3 擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與井深關(guān)系圖Figure 3 The relationship diagram of reaming speed and depth

3.2 傾角對(duì)反井鉆施工效率的影響

選取井深相近的斜井進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表4所示。

表4 導(dǎo)孔進(jìn)尺速度與傾角關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 4 The data table of drilling speed and dip-angle

以傾角為橫軸，導(dǎo)孔進(jìn)尺速度為縱軸，得到如圖4所示關(guān)系。

圖4 導(dǎo)孔進(jìn)尺速度與傾角關(guān)系圖Figure 4 The relationship diagram of drilling speed and dip-angle

如圖4所示，在井深和導(dǎo)井直徑保持一致的情況下，傾角越小，導(dǎo)孔進(jìn)尺速度越慢，到90°豎井時(shí)，基本趨于穩(wěn)定。同理，在井深和導(dǎo)井直徑保持一致的情況下，選取有效數(shù)據(jù)樣本如表5所示。

表5 擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與傾角關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 5 The data table of reaming speed and dip-angle

以橫軸表示傾角，縱軸表示擴(kuò)孔進(jìn)尺速度，得到如圖5所示關(guān)系。

如圖5所示，斜井?dāng)U孔進(jìn)尺速度普遍低于豎井，主要因?yàn)樾本┕み^程中，量測校準(zhǔn)等工作量較大，偏斜控制工作較多。從以上趨勢可以看出，傾角對(duì)導(dǎo)孔進(jìn)尺速度影響比傾角對(duì)擴(kuò)孔進(jìn)尺速度影響較小，主要因?yàn)樵诜淳@施工過程中，對(duì)于偏斜率的控制工作主要集中在導(dǎo)井開挖過程中，導(dǎo)井的施工質(zhì)量對(duì)整個(gè)井的偏斜率影響占主要作用。

圖5 擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與傾角關(guān)系圖Figure 5 The relationship diagram of reaming speed and dip-angle

3.3 導(dǎo)井直徑對(duì)反井鉆施工效率的影響

選取井深與傾角相近數(shù)據(jù)樣本，分析擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與導(dǎo)井直徑關(guān)系，數(shù)據(jù)表如表6所示。

表6 擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與導(dǎo)井直徑關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 6 The data table of reaming speed and diameter

以導(dǎo)井直徑為橫軸，擴(kuò)孔進(jìn)尺速度為縱軸，得到二者關(guān)系如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)導(dǎo)井直徑由1.4m增加到2m時(shí)，擴(kuò)孔進(jìn)尺速度大幅度減小。且導(dǎo)井直徑為1.4m的樣本平均擴(kuò)孔進(jìn)尺速度明顯大于導(dǎo)井直徑為2m樣本的擴(kuò)孔進(jìn)尺速度。由此認(rèn)為，導(dǎo)井直徑越大，施工難度隨之增加，擴(kuò)孔速度也就隨之減小。從以上的研究可以得出結(jié)論如表7所示。

表7 施工效率影響因素結(jié)論表Table 7 Conclusion table of factors influencing construction efficiency

圖6 擴(kuò)孔進(jìn)尺速度與導(dǎo)井直徑關(guān)系圖Figure 6 The relationship diagram of reaming speed and diameter

以上分析旨在反映井深、傾角與導(dǎo)井直徑對(duì)反井鉆施工效率影響的關(guān)系，依據(jù)2004版《水電建筑工程預(yù)算定額》中的子目設(shè)置可以看出，定額子目考慮了傾角與導(dǎo)井直徑對(duì)施工效率的影響，但未納入井深因素。另外，現(xiàn)有定額中導(dǎo)井直徑最大為2m，隨著設(shè)備的不斷更新，應(yīng)根據(jù)投入使用的最新設(shè)備參數(shù)對(duì)施工機(jī)械進(jìn)行補(bǔ)充，并在定額子目中增補(bǔ)對(duì)應(yīng)子目。

本文收集的部分施工樣本數(shù)據(jù)時(shí)間較早，由于施工機(jī)械不統(tǒng)一造成施工效率的變化因素也會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響，因此本文只分析定性結(jié)論，為定額子目的后續(xù)增補(bǔ)框架設(shè)置提供思路，對(duì)于針對(duì)井深、傾角、導(dǎo)井直徑三個(gè)因素的區(qū)間合理劃分和定量數(shù)據(jù)結(jié)論尚需增加一定數(shù)量的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行說明。

4 結(jié)論與展望

本文從工程地質(zhì)、井深、傾角和導(dǎo)井直徑四個(gè)方面定性分析了反井鉆施工效率的影響因素。以導(dǎo)孔進(jìn)尺速度和擴(kuò)孔進(jìn)尺速度作為衡量反井鉆施工效率的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際工程數(shù)據(jù)樣本分析了井深、傾角、導(dǎo)井直徑對(duì)反井鉆施工效率的影響。為水電建筑定額反井鉆施工子目的完善和補(bǔ)充提供了建議。近年來，反井鉆施工技術(shù)在水電工程中應(yīng)用更加廣泛，后續(xù)研究過程中應(yīng)注意不斷補(bǔ)充完善工程數(shù)據(jù)樣本，定量分析不同因素對(duì)反井鉆施工效率的影響，為反井鉆施工預(yù)算定額的編制提供更多的參考和建議。