反井鉆機在甲巖水電站緩斜井施工中的應(yīng)用

高 建

(中國水利水電第十工程局有限公司 二分局，四川 都江堰 611830)

1 工程概況及地質(zhì)條件

甲巖水電站位于云南省祿勸縣境內(nèi)，裝機容量為24萬kW。壓力管道斜井的傾角為55°，開挖直徑6.8 m，其中上、下彎段圓弧半徑為25 m、圓心角均為55°、長23.98 m，斜直段長112.53 m，斜直段及部分上下彎段實際可鉆斜井的長度為129.52 m。壓力管道斜井中上部圍巖構(gòu)造和裂隙十分發(fā)育，基本上為破碎砂巖塊及孤石，充填細粉砂土，巖石的均質(zhì)性、穩(wěn)定性差；斜井下部圍巖基本以板巖和砂巖為主，完整性較好(圖1)。

圖1 壓力管道布置圖

2 施工布置

2.1 作業(yè)平臺

在上彎段沿(鋼)0+032掌子面頂部向前開挖7 m，開挖斷面與壓力管道相同，以滿足鉆機基礎(chǔ)及泥漿循環(huán)池施工和反井鉆機運行的空間需要。

2.2 反井鉆機基礎(chǔ)混凝土

反井鉆機基礎(chǔ)采用C20混凝土分兩期澆筑,一期形成基礎(chǔ)并預(yù)留反井鉆機地腳螺栓坑，待機體到位并進行初校后回填二期混凝土以確保反井鉆機與基礎(chǔ)牢固銜接，不發(fā)生移位?；炷翝仓穸葹?0 cm，混凝土面必須平整，凸凹變化不能超過1.5 cm。為滿足該斜井55°的傾角，將基礎(chǔ)混凝土頂面澆筑成傾角為15°的斜面，并將鉆機的操作角度調(diào)整為70°。

2.3 反井鉆機及軌道的安裝

采用汽車將其運至洞內(nèi)，龍門架卸車，配合手拉葫蘆人工進行安裝。為方便反井鉆機就位、定位，在洞內(nèi)卸機部位安裝反井鉆機運輸軌道，軌距60 cm,軌道為24 kg/m的輕軌，枕木為10 cm×10 cm方木，間距根/50 cm。

2.4 泥漿循環(huán)水池

反井鉆機的冷卻循環(huán)系統(tǒng)由洗井泵(泥漿泵)、水池、水溝組成。洗井泵設(shè)置在鉆機車與水池之間的位置。在距反井鉆機基礎(chǔ)20 m處設(shè)置一個8 m3水池，水池中間設(shè)一隔墻，將水池分隔成清水池和沉淀池?；炷粱A(chǔ)和水池之間由一水溝連接，導孔施工出現(xiàn)的回水、細沙沿此水溝回流至沉淀池。

2.5 供 水

導孔鉆進用水量為5～10 m3/h，用于循環(huán)排渣、冷卻反井鉆機液壓系統(tǒng)，擴孔鉆進的用水量為15 m3/h，用于冷卻液壓系統(tǒng)和鉆頭，從主供水管接φ5 cm鋼管引水至鉆機附近水池以方便使用。

3 施工程序

先利用LM-200型反井鉆機在上彎段上水平面擴挖區(qū)沿斜井軸線方向往下鉆φ216的導孔，導孔形成后在下彎段將φ216鉆頭更 換 成 φ

1 400擴挖刀盤，然后通過自下而上反拉擴挖形成φ1 400的溜渣導井(圖2)。施工流程如下：

上彎段擴挖支護→基礎(chǔ)及循環(huán)水池施工→冷卻循環(huán)水池→反井鉆機安裝調(diào)試→導孔施工→擴孔施工→鉆機拆除。

圖2 反井鉆機施工示意圖

4 施工方法

4.1 φ216導孔施工

導孔鉆孔質(zhì)量是反井鉆機施工的關(guān)鍵，鉆通后的偏離誤差大小在開鉆后無法進行中間檢測和控制，需依靠經(jīng)驗施工。針對不同的圍巖類別，實施不同的鉆進壓力、轉(zhuǎn)速和適時裝配穩(wěn)定鉆桿進行控制。先導孔開始施工時，一般采用副泵提供較小的、均勻的動力，以免孔口周壁因振動過大開裂而難以成型。反井鉆機的鉆桿分為普通鉆桿(1 m)和穩(wěn)定鉆桿(0.5 m)，差別在于后者比前者外周多了均勻分布的3 cm厚鋼肋板，其作用為導向，以防止鉆桿隨深度的增加旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大的彎曲、過大的擺幅，起穩(wěn)定作用，同時減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。采用穩(wěn)定鉆桿的加設(shè)方法如下：鉆進2 m時必須加設(shè)1根，鉆進8～10 m時再加設(shè)1根，然后每鉆進15 m加設(shè)1根。實踐證明：上述方法較為合理、安全、穩(wěn)妥。

(1)鉆進參數(shù)。

根據(jù)施工揭露的地質(zhì)條件，導孔采用的鉆進參數(shù)見表1。

表1 導孔鉆進參數(shù)表

(2)開孔鉆進。

開孔鉆進使用了開孔扶正器。開孔鉆進時開孔扶正器和開孔鉆桿配合慢速開孔并啟動泥漿泵供漿，進行護壁和排渣。

(3)導孔鉆進。

通過導孔鉆進129 m后進行總結(jié)分析，導孔鉆進著重做好了以下幾項工作：

①一般情況下，導孔鉆進轉(zhuǎn)速應(yīng)高于開孔鉆進轉(zhuǎn)速，所以應(yīng)調(diào)節(jié)動力頭轉(zhuǎn)速，可以采用Ⅱ檔或Ⅲ檔。一般情況下，對于松軟地層和過渡地層采用低鉆壓；對于硬巖和穩(wěn)定地層宜采用高鉆壓。

②距鉆透下彎段3 m左右時，應(yīng)逐漸降低鉆壓。

③對于導孔鉆進返出的巖渣必須及時清理，防止巖渣堆積，人工配合手推車清理巖渣。

④一根鉆桿完成后，必須等孔內(nèi)的巖屑全部排出才能停泵接卸鉆桿。

⑤導孔鉆透后，停止泥漿(水)循環(huán)，但鉆機不能停轉(zhuǎn)并開始向孔內(nèi)加清水，直到鉆機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，扭矩變化不大時才能停鉆。

⑥鉆進導向孔時，如發(fā)現(xiàn)鉆具旋轉(zhuǎn)困難，可能是遇到了裂隙或巖層塌落，此時，應(yīng)把鉆具邊旋轉(zhuǎn)邊提到一定高度，再慢速向下掃孔。若經(jīng)反復掃孔仍無效果時，提鉆后查明原因，進行處理。

4.2 φ1 400擴孔施工

(1)拆導孔鉆頭，接擴孔鉆頭。

導孔鉆透后，將擴孔鉆頭和導孔鉆頭拆卸工具運到斜井下口，通過對講機上下聯(lián)系，上下配合，在拆下導孔鉆頭、接上擴孔鉆頭、形成出渣系統(tǒng)后，即可以向上擴孔。

(2)擴孔鉆進。

在擴孔開始前，確保距孔中心1.5 m范圍內(nèi)擴孔工作面平整，對工作面凸起的巖石用風鎬等找平，若有錨桿要先行取掉。

當擴孔鉆頭接好后，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 rpm)旋轉(zhuǎn)并慢慢給進，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，鉆進一下后停轉(zhuǎn)，待刀齒把凸出的巖石破碎掉再繼續(xù)給進；當鉆進至8 m以上時，即可正常擴孔鉆進。擴孔鉆進時若發(fā)現(xiàn)排渣不暢，鉆頭激烈晃動，壓力不穩(wěn)，鉆進困難時，可能是有大塊渣石落在刀盤上磨擠刀具所致，此時，將刀具下放一定距離，多次高速旋轉(zhuǎn)，將渣石甩掉；若無效果，則將鉆頭下放到底進行處理。

開始擴孔時，待鉆頭全部均勻接觸巖石后才能正常擴孔鉆進。為了延長鉆機和滾刀的使用壽命，一般將系統(tǒng)壓力限制在16.8 MPa之內(nèi)。在擴孔過程中，當巖石硬度較大時可適當增加鉆壓；反之，可以減少鉆壓。擴孔鉆進時要及時清理擴孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。擴孔過程也是拆除鉆桿的過程，拆下的鉆桿要進行必要的清理，上油后帶好保護帽。

鉆進施工中要求供水量穩(wěn)定，以使刀具能得到冷卻，供水量要求不小于7.8 m3/h。擴孔施工時，對于鉆桿的拆卸要特別注意鉆桿卡瓦的正確擺放及自身的完好程度，以免出現(xiàn)卡瓦突然斷裂而造成擴孔鉆頭、鉆桿的脫落。

(3)完 孔。

當鉆頭鉆至距鉆機基礎(chǔ)2.5 m時，要降低鉆壓慢速鉆進，并且要認真觀察基礎(chǔ)周圍是否有異?，F(xiàn)象；如果有，要及時采取措施進行處理，慢慢地擴孔，直至鉆頭露出地面。

(4)拆 機。

將擴孔鉆頭卡固在鋼軌上、拆掉鉆機的前后斜拉桿和各種油管，然后從鉆架上拆掉主機，依次拆下鉆架主機車和一些輔助設(shè)備。將擴孔鉆頭吊牢，軌道拆掉，將鉆頭提出孔外，再將泵車、油箱冷卻器拆下，分別運出洞外，全部鉆孔工作結(jié)束。

該工程斜井擴孔施工實際共鉆進了124.4 m，最大單日進尺28 m,平均16 m/d(因反井鉆機故障、鉆桿斷裂除外)。

4.3 不良地質(zhì)段施工的處理措施

在斜井上部斷層破碎帶、節(jié)理構(gòu)造面發(fā)育、不穩(wěn)定巖體等不良地質(zhì)段施工時，導孔鉆進過程中容易出現(xiàn)漏水嚴重和塌孔現(xiàn)象，若不及時處理，將會出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，從而影響正常的鉆進施工。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，施工中采取了以下的預(yù)防和處理措施。

(1)泥漿護壁。

在斜井上部0～20 m范圍斷層破碎帶洞段，采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿和水泥、優(yōu)質(zhì)膨潤土雙重泥漿作為洗井液進行導孔清渣和護壁，效果較明顯。

(2)導孔固結(jié)灌漿。

斜井中上部20～46 m范圍圍巖溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，出現(xiàn)了塌孔和不返水、返漿現(xiàn)象。為避免巖渣排不出來而造成二次卡鉆影響斜井施工，對塌孔和不返水段進行了灌漿護壁處理，待強后再進行二次鉆孔，累計導孔固結(jié)灌漿65 m，二次掃孔65 m。

5 防斜措施

反井鉆機施工中的導孔是關(guān)鍵，其關(guān)系到整個斜井施工的成敗。本工程斜井上半部分地質(zhì)條件差，而且對于斜孔而言，不但鉆孔頂角的變化會導致偏斜，而且方位變化對偏斜的影響更大。所以，必須從技術(shù)上做好準備，采取可靠的鉆進措施控制鉆孔的偏斜。

5.1 選擇適宜的鉆進參數(shù)

影響鉆孔偏斜的主因是鉆壓。通過計算得知，對于LM-200型反井鉆機，當鉆壓大于60 kN時，鉆桿可能失穩(wěn)，因此，鉆壓最好不超過此值。但在此鉆壓下，鉆進速度較低，此時可以通過增加穩(wěn)定鉆桿，提高失穩(wěn)壓力、加大鉆壓來提高鉆進速度。對于本工程巖性，將鉆壓控制在10 kN，鉆進速度控制為1～1.5 m/h。本次試驗鉆井參數(shù)控制的原則是：鉆進前50 m采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)速。隨著鉆孔深度的增加，摩擦阻力增長很快，故應(yīng)逐步降低轉(zhuǎn)速，適當增加鉆壓并保持鉆速均勻。

5.2 增設(shè)穩(wěn)定鉆桿

穩(wěn)定鉆桿的外徑和鉆孔直徑基本相同，其作用是保持鉆具居于井中心，以減少由于鉆壓增加而引起鉆具彎曲造成的鉆孔偏斜。為達到防斜的目的，本工程至少布置了三根穩(wěn)定鉆桿，并根據(jù)測斜結(jié)果進行了調(diào)整。

5.3 泥漿參數(shù)的控制

斜井上部地質(zhì)條件復雜，各種構(gòu)造發(fā)育，可能會發(fā)生漏漿、塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故。為避免或減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，采用優(yōu)質(zhì)NV-1納土配制

泥漿作為洗井液。設(shè)計的泥漿參數(shù)見表2。在鉆孔過程中，根據(jù)底層條件，對泥漿做了進一步的調(diào)整。

表2 設(shè)計泥漿參數(shù)表

為保證鉆孔方位，導孔鉆進時先后進行了3次測斜工作。所使用的測量儀器為JJX-3型井斜儀，采用電磁原理，以螺盤定位和360°電路完成的方位機構(gòu)不存在漂移問題。該儀器的誤差指標為：方位誤差：±2°;頂角誤差：±10°。

6 結(jié) 語

云南省祿勸縣甲巖水電站壓力管道采用LM-200型反井鉆機實施55°不良地質(zhì)緩斜井施工在國內(nèi)少見，導孔偏斜率僅為0.95%，精度在同類工程施工中也是比較高的。同時，反井鉆機施工大大節(jié)約了工期，為下一步人工擴挖創(chuàng)造了條件。

反井鉆機施工是一項綜合施工技術(shù)，需要對地質(zhì)條件進行準確預(yù)報和精準的操作技術(shù)。通過甲巖水電站的施工應(yīng)用，順利地完成了不良地質(zhì)緩斜井施工并取得了良好的效果，證明反井鉆機施工緩斜井工藝完全可以替代傳統(tǒng)的人工開挖導井工藝，是一種高效、安全的施工工藝。