全斷面反井鉆機(jī)在厄瓜多爾美納斯水電站壓力豎井開挖中的應(yīng)用

矯健

摘 要：厄瓜多爾美納斯水電站采用全斷面反井鉆機(jī)完成直徑5.5米，深度452米的壓力豎井開挖工作，復(fù)測中心點偏差僅4.6厘米，鉆孔精度達(dá)萬分之一（0.01%），處于國際領(lǐng)先水平。高精度的完成素有“咽喉工程、死亡之谷”的大直徑深豎井，在厄瓜多爾尚屬首例，在國內(nèi)也少有。通過本次工程實踐，項目成功掌握了深豎井反井鉆機(jī)施工精度控制措施及有效糾偏手段，熟悉了應(yīng)對不良地質(zhì)情況的處理技術(shù)措施，在500m級深豎井施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：全斷面；反井鉆機(jī)；壓力豎井；定向；傳統(tǒng)鉆爆法

中圖分類號：TD421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0179-01

反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工法于1950年在北美首先發(fā)展，60年代中期反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工法在歐洲開始受到歡迎。我國自70年代開始研制反井鉆機(jī)，并先后在煤炭和冶金系統(tǒng)中應(yīng)用。我國水電系統(tǒng)自1992年第一次引進(jìn)反井鉆機(jī)至今，鉆井直徑一般在0.9-2.4米，鉆井深度一般在150-250米，施工難度相對較低，且國內(nèi)水電系統(tǒng)中豎井開挖直徑較大時，一般采用反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井，再采用傳統(tǒng)鉆爆法擴(kuò)挖至設(shè)計斷面。

厄瓜多爾美納斯水電站壓力豎井（直徑5.5米，深度452米）施工難度較大，經(jīng)過安全性、技術(shù)性、高效性、經(jīng)濟(jì)性等多方面分析，通過科學(xué)的方法對比多種壓力豎井施工方法的利弊，最終選擇了全斷面反井鉆機(jī)施工方案，這也是厄瓜多爾第一次采用全斷面反井鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行深豎井施工。

1 工程概況

厄瓜多爾美納斯水電站是一座引水式電站，整個河流分兩級開發(fā)，美納斯水電站是其中的第一級，電站裝機(jī)為3臺，單機(jī)容量90MW的沖擊水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭474.51m。主要施工項目為：78m高碾壓混凝土大壩、13.8公里的引水隧洞、452米壓力豎井、地下廠房、440米通風(fēng)電纜井、地面開關(guān)站和43公里230kV輸電線路的土建、機(jī)電施工等。

其中452米的壓力豎井為項目關(guān)鍵線路，全斷面反井鉆機(jī)的使用在安全、質(zhì)量、工期等方面都為項目順利進(jìn)行提供了保證。

2 全斷面反井鉆機(jī)基本工作原理

反井鉆機(jī)施工原理：由電機(jī)帶動主機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動動力水龍頭，利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，并可上下升降，與巖石產(chǎn)生擠壓和剪切作用使其破碎。需要上、下工作面都形成生產(chǎn)系統(tǒng)，其中上平臺主要是主機(jī)和導(dǎo)孔洗井水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。下工作面主要是機(jī)械出渣。鉆具部分包括鉆桿、鉆頭和破巖滾刀。

美納斯項目全斷面反井鉆機(jī)施工主要分兩大步驟進(jìn)行，先采用71RM導(dǎo)孔鉆機(jī)進(jìn)行自上而下先導(dǎo)孔開挖，使用12英寸定向鉆桿從上至下鉆進(jìn)到鉆下平洞，在鉆進(jìn)過程中采用泥漿泵或高壓水泵從泥漿池抽至動力水龍頭，高壓水沿鉆桿至鉆頭排水孔壓出，將石碴從鉆桿與孔壁間的環(huán)行空間排至排碴槽（期間可進(jìn)行渣料收集），最后進(jìn)入沉渣池。其中如遇不反水情況需灌漿重新鉆孔，如定向鉆桿發(fā)生偏斜需提出重新輸入糾偏數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)孔糾偏。導(dǎo)孔貫通后（停止泥漿泵或高壓水泵運(yùn)行）然后卸下定向鉆桿，改換成16英寸鉆頭，將先導(dǎo)孔擴(kuò)至16英寸，擴(kuò)孔時巖屑靠自重落到下平洞。

導(dǎo)孔施工完成后更換成RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)，下放鉆桿在底部連接5.5米刀盤含滾刀鉆頭，由下向上進(jìn)行反擴(kuò)。滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，從而從下至上使?jié)L刀對巖石切削、擠壓完成豎井開挖，擴(kuò)孔時的石碴經(jīng)過冷卻水的沖刷和自重墜落到下平洞。根據(jù)巖石情況在反擴(kuò)200米左右時應(yīng)考慮更換一次鉆頭。

3 全斷面反井鉆施工工藝流程及特點

3.1 全斷面反井鉆施工工藝流程圖如圖1所示

3.2 全斷面反井鉆施工的特點

3.2.1 施工簡單

反井鉆機(jī)在施工豎井的導(dǎo)孔及反擴(kuò)過程中全部采用機(jī)械設(shè)備，只需要熟練的技工操作，反井鉆機(jī)操作簡單、安全，對環(huán)境造成污染非常小，作業(yè)人員比較少。每個班只需要4～5人。但是反井鉆機(jī)購買或租賃費用相對較高。

3.2.2 精度高

不同于傳統(tǒng)鉆爆法擴(kuò)挖工藝，全斷面反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆孔誤差無法在擴(kuò)挖階段進(jìn)行修正，先導(dǎo)孔的鉆孔進(jìn)度直接決定豎井最終的開挖精度。但反井鉆機(jī)可以配合定向鉆桿使用，在導(dǎo)孔施工時提供精度保證。

美納斯項目導(dǎo)孔施工是先由穩(wěn)定鉆桿鉆導(dǎo)孔15米，然后下放12米長定向鉆桿按照60-70mm/6分鐘的速度繼續(xù)鉆孔，在大約30米深的位置第二次檢測先導(dǎo)孔偏斜。若先導(dǎo)孔無偏斜則繼續(xù)鉆進(jìn)并且若地質(zhì)條件良好無斷層、裂縫，將鉆孔進(jìn)尺提高到2m每小時。按照每20米到30米的頻率檢查先導(dǎo)孔偏斜，若鉆孔偏斜，取出整根鉆桿和導(dǎo)向桿以校正鉆孔。

最終導(dǎo)孔復(fù)測中心點偏差僅4.6厘米，鉆孔精度達(dá)萬分之一（0.01%），處于國際領(lǐng)先水平。

4 結(jié)語

美納斯項目壓力豎井地質(zhì)情況復(fù)雜，有大量破碎帶、夾泥層和流沙層，且地下水滲水量極大，巖石主要以頁巖、砂巖、凝灰?guī)r、流文巖和火山角礫巖為主。先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中多次遭遇地質(zhì)斷層，循環(huán)水流失，進(jìn)度與精度均受到不利影響，項目經(jīng)過認(rèn)真分析后，決定采取提起鉆桿并用水泥凈漿重力灌漿及護(hù)壁的方案，先后成功克服了6處地質(zhì)斷層的影響。同時，掘進(jìn)過程中先后4次果斷更換定位鉆桿，進(jìn)行垂直度校正，對鉆孔精度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。最終厄瓜多爾美納斯水電站壓力豎井全斷面反擴(kuò)順利完成。

反井鉆機(jī)施工不需要施工人員至開挖面施工，提高了豎井、斜井施工的安全性，保證了施工人員的生命安全，具有良好的社會安全效益。且施工作業(yè)人員配置較少，減少豎、斜井的施工難度，從而有效的提高施工效率，從工期方面有效節(jié)省。

因此，在我國隨著水電行業(yè)的發(fā)展，全斷面反井鉆機(jī)施工法在水電工程施工中有廣泛前景。

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