淺析反井鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)和偏斜測量及控制

吳文兵

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

本工程厄瓜多爾MINAS水電站位于南美洲厄瓜多爾第三大城市昆卡西南方向，大壩距昆卡公路里程92 km。主要建筑物有：大壩、地下廠房、引水洞、變電站、壓力豎井、通風(fēng)電纜井等。但壓力豎井和通風(fēng)電纜井這兩條豎井的深度均在450米左右，開挖斷面直徑分別為Ф5.5米、Ф6.0米，是本工程的施工難點(diǎn)，通過技術(shù)人員對傳統(tǒng)施工方法與反井鉆全斷面一次成型的施工方法進(jìn)行綜合分析對比，并經(jīng)專家評審，確定采用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井的全斷面一次擴(kuò)挖成型方案。

2 設(shè)備選型

由于壓力豎井的壓力鋼管和通風(fēng)電纜井設(shè)置電梯的要求，兩條豎井的偏斜率必須小于千分之一，通過當(dāng)?shù)刈稍儭F(xiàn)場考察設(shè)備、業(yè)績了解，最終就近選用秘魯Master Drilling MaIta Limited公司的71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)進(jìn)行先導(dǎo)孔施工、RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)進(jìn)行全斷面反擴(kuò)施工。

3 71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

（1）71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)現(xiàn)場圖片，見圖1。該鉆機(jī)采用了國際上較為先進(jìn)的兩柱三缸結(jié)構(gòu)形式。

其擁有以下特點(diǎn)：（1）整體剛性、承載能力強(qiáng)。（2）由兩個(gè)圓形導(dǎo)向立柱導(dǎo)向。（3）三只垂直主推油缸的中心線在同一圓周上均布，其在同一水平面的中心連線為一等邊三角形，三角形的幾何中心就是鉆機(jī)回轉(zhuǎn)中心，而驅(qū)動頭、減速傳動機(jī)構(gòu)、主驅(qū)電機(jī)的重心也在鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)中心上，所以三只垂直主推液壓缸在鉆進(jìn)過程中對鉆柱施加的力較為平均，致使鉆機(jī)鉆進(jìn)穩(wěn)定性好，導(dǎo)孔精度高。

圖1

（2）71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)主機(jī)部分至下而上由鉆機(jī)支撐梁、水平液壓缸、撐靴、鉆機(jī)底座、圓形導(dǎo)向立柱、垂直主推液壓缸、驅(qū)動頭、減速傳動機(jī)構(gòu)、主驅(qū)電機(jī)等組成。

（3）鉆機(jī)支撐梁由兩棵承載梁、端部連接構(gòu)件組成，通過高強(qiáng)度鉸制孔螺栓連接而成，安裝在按技術(shù)要求澆筑的混凝土基礎(chǔ)面上，下部通過預(yù)埋螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接，上部與撐靴通過高強(qiáng)度鉸制孔螺栓連接，鉸制孔螺栓的作用是防止鉆進(jìn)過程中因振動而使鉆機(jī)支撐架與撐靴間產(chǎn)生滑移，影響導(dǎo)孔精度。

（4）鉆機(jī)支撐梁上平面（與撐靴的結(jié)合面及水平液壓缸行程范圍內(nèi)與撐靴的結(jié)合面）都是在金結(jié)加工廠焊接成型并經(jīng)過整體刨削加工后運(yùn)到現(xiàn)場，所以安裝鉆機(jī)支撐架時(shí)，必須在刨削加工面四個(gè)角選點(diǎn)測量（高差嚴(yán)格按安裝說明書要求測量控制）。

（5）兩只水平液壓缸分別水平安裝在兩棵鉆機(jī)支撐梁上，一端與梁鉸接，另一端與鉆機(jī)底座鉸接，當(dāng)需要吊10米長的定向鉆桿到井眼里時(shí)，利用這兩只水平液壓缸水平推動鉆機(jī)，待定向鉆桿放入后，再將鉆機(jī)回位。

（6）兩個(gè)撐靴的下平面也是經(jīng)過精刨削加工，上與鉆機(jī)底座通過圓柱銷連接。撐靴上的圓柱銷孔是以刨削面為基準(zhǔn)進(jìn)行加工的，所以刨削面的精度直接影響圓柱銷孔的加工精度。撐靴上部圓柱銷孔和鉆機(jī)底座下部的圓柱銷孔的加工精度及孔軸配合公差的選擇對整個(gè)鉆機(jī)的垂直度有較大影響。

（7）鉆機(jī)底座上與三只垂直主推液壓缸的活塞桿頭部鉸接，同時(shí)又與兩只圓形導(dǎo)向立柱下端通過高強(qiáng)度內(nèi)六角螺栓連接，每只圓形導(dǎo)向立柱與鉆機(jī)底座的水平基準(zhǔn)面的垂直度要求高，是先導(dǎo)孔鉆機(jī)在豎井鉆進(jìn)時(shí)確保井眼軌跡垂直水平面的關(guān)鍵部件。為了防止鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中因振動而使導(dǎo)向立柱與鉆機(jī)底座的結(jié)合面產(chǎn)生滑移，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①采用柱、孔間隙配合結(jié)合方式（就是通常說的止口），防止兩連接件的徑向相對滑移。②在兩接觸面采用端面徑向齒結(jié)合方式，防止兩連接件的相對轉(zhuǎn)動，目的是減小高強(qiáng)度連接螺栓受剪切應(yīng)力。兩只導(dǎo)向立柱上端，用弧形板連接，形成框型結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性大大提高，導(dǎo)向性能更加良好。垂直主推油缸的缸筒通過半圓形壓蓋用高強(qiáng)度螺栓與減速傳動機(jī)構(gòu)外殼的半圓座固定在一起，同時(shí)連接處缸筒外圓柱面加工的圓形凸臺、而減速傳動機(jī)構(gòu)外殼的半圓座和半圓形壓蓋的內(nèi)圓柱面加工的環(huán)形凹槽，使減速傳動機(jī)構(gòu)外殼與缸筒固定為一體，從而實(shí)現(xiàn)垂直主推液壓缸提供鉆壓和提升鉆具的目的。圓形導(dǎo)向立柱也是通過半圓形壓蓋用高強(qiáng)度螺栓與減速傳動機(jī)構(gòu)外殼的半圓座固定在一起，特點(diǎn)：①壓蓋與半圓座的結(jié)合面采用齒型結(jié)合（齒向與運(yùn)動方向垂直），目的是減小高強(qiáng)度連接螺栓的剪切應(yīng)力。②壓蓋與半圓座內(nèi)圓柱面加工了環(huán)形凹槽，目的是限制半圓形導(dǎo)向襯環(huán)移動。③采用自動定量供油潤滑裝置和手動注油兩種方式相結(jié)合，確保潤滑的可靠性。

（8）驅(qū)動頭下與鉆具螺紋連接，上與減速傳動機(jī)構(gòu)輸出端相連，是傳遞扭矩和承擔(dān)鉆具重量的主要部件。特點(diǎn)：①采用帶浮動量的驅(qū)動頭，裝卸鉆桿時(shí)使鉆桿上、下浮動，以免由于主軸的升降速度與螺距不一致而損壞螺紋。②驅(qū)動頭的外齒套上設(shè)計(jì)了反向棘輪，配合輔助卸桿器拆卸鉆桿。

（9）減速傳動機(jī)構(gòu)的作用：①傳遞扭矩。②按設(shè)定傳動比降低轉(zhuǎn)速。同時(shí)鉆井液入口也設(shè)計(jì)在其機(jī)體下端。

（10）該鉆機(jī)是電動型導(dǎo)孔鉆機(jī)，鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力源是主驅(qū)電機(jī)。主要參數(shù)：電壓等級460V；頻率60Hz；電機(jī)功率250kW。采用變頻技術(shù)，使驅(qū)動頭獲取不同的轉(zhuǎn)速，滿足鉆進(jìn)需要。

（11）71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)主要配套設(shè)施有液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、鉆井液供給回收系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、鉆具安裝拆卸系統(tǒng)（全液壓機(jī)械手）、電器控制系統(tǒng)、主要參數(shù)（主推力、轉(zhuǎn)速、扭矩）顯示系統(tǒng)、各種鉆具及擺放平臺等。

4 RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

（1）RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)現(xiàn)場圖片，見圖2。

（2）RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)主機(jī)部分至下而上由鉆機(jī)支撐梁、撐靴、鉆機(jī)底座、螺旋頂、垂直主推液壓缸、驅(qū)動頭、減速傳動機(jī)構(gòu)、主驅(qū)電機(jī)等組成。

（3）RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)與71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)對比其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾方面：①四只垂直主推液壓缸在同一水平面的中心線連線為一矩形，其幾何中心就是驅(qū)動頭的回轉(zhuǎn)中心。②四只垂直主推液壓缸的活塞桿頭部與鉆機(jī)底座連接，連接方式與71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)的圓形導(dǎo)向立柱與底座的連接方式相同；四只垂直主推液壓缸的缸筒與減速傳動機(jī)構(gòu)的連接方式與71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)的連接方式相同；四只垂直主推液壓缸的缸筒頂部用連接板通過高強(qiáng)度螺栓連接成整體，加強(qiáng)了鉆機(jī)的整體剛性。③增加了調(diào)節(jié)鉆機(jī)水平的螺旋頂。④電機(jī)功率加大到400kW。⑤為了獲取大扭矩，改變了減速傳動機(jī)構(gòu)的傳動方式，71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)是同軸傳動，即電機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心線與驅(qū)動頭的回轉(zhuǎn)中心線重合。而RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)是偏心傳動，即電機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心線與驅(qū)動頭的回轉(zhuǎn)中心線有偏心距。

圖2

5 偏斜測量方式

（1）先導(dǎo)孔鉆進(jìn)階段是反井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，及時(shí)、準(zhǔn)確掌握先導(dǎo)孔偏斜率的大小是該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)。71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)在鉆進(jìn)中采用機(jī)械式無線隨鉆測斜儀測量導(dǎo)孔偏斜。該測斜儀主要參數(shù)及特點(diǎn)：測量精度0.5度，井斜測量范圍0～10度，最高工作溫度260度，最大工作井深達(dá)7000米，一次測斜時(shí)間3～5min，隨鉆測斜，完全能夠滿足深井和超深井的測斜需要。

（2）機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的工作原理：通過測量機(jī)構(gòu)測得井斜信息，由控制機(jī)構(gòu)傳遞給脈沖信號發(fā)生裝置。該裝置發(fā)出的信號通過鉆井液以壓力脈沖的形式傳到地面，立管上的壓力傳感器接收到的脈沖信號由電子記錄儀處理信號后顯示偏斜大小。機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的井下部分是近鉆頭安裝在內(nèi)孔經(jīng)特殊加工的專用鉆鋌中。

6 偏斜控制

導(dǎo)孔偏斜是反井法施工常見的現(xiàn)象。導(dǎo)致偏斜的主要原因除了操作人員的技術(shù)水平、鉆機(jī)的施工工藝、鉆井設(shè)備的性能等主觀因素外，客觀因素有鉆頭載荷、鉆桿作用、巖層特性等。

6.1 防止偏斜措施

（1）鉆機(jī)安裝基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量必須按嚴(yán)格技術(shù)要求施工，地腳螺栓必須錨固可靠，高強(qiáng)度連接螺栓必須按扭矩要求緊固，確保鉆機(jī)整體剛性良好。

（2）開孔時(shí)用短穩(wěn)定開孔鉆桿、低鉆壓、慢轉(zhuǎn)速、確保開孔精度。

（3）鉆進(jìn)時(shí)合理布置穩(wěn)定鉆桿、使用合理鉆壓和轉(zhuǎn)速。

（4）合理選擇鉆井液，確保洗井質(zhì)量。

（5）了解巖層特性，根據(jù)不同的巖層特性制定不同的施工工藝等。

6.2 現(xiàn)場糾偏措施

由于71RM先導(dǎo)孔鉆機(jī)采用機(jī)械式無線隨鉆測斜儀，能夠及時(shí)掌握偏斜大小，當(dāng)偏斜大小接近極限時(shí)，就采用特制定向鉆桿進(jìn)行糾偏。

6.2.1 特制定向鉆桿

現(xiàn)場圖片，見圖3。

圖3

6.2.2 特制定向鉆桿特點(diǎn)

（1）整體剛性好，總長10米，重量是等長鉆具的五倍左右。

（2）鉆頭與鉆桿剛性連接，鉆頭擺動小。

（3）近鉆頭端鉆桿內(nèi)裝有機(jī)械式無線隨鉆測斜儀，可以隨時(shí)測得糾偏效果。

（4）鉆桿外圓周上加工了兩段剛性螺旋扶正器（一段離鉆頭0.5米左右，一段離鉆桿尾部2米左右），剛性螺旋扶正器外徑比鉆頭外徑小2～3毫米（穩(wěn)定鉆桿的外徑比鉆頭外徑小4～6毫米），同時(shí)在兩只剛性扶正器間離鉆桿尾部3.5米左右設(shè)置了彈性扶正器，大大提高了定向精度。

（5）該鉆桿的外圓柱面是以鉆頭的中心為中心，通過大型超長車床一次加工成型，確保了特制定向鉆桿的同心度要求。

6.3 特制定向鉆桿的操作步驟

（1）發(fā)現(xiàn)偏斜即將超限后，利用鉆井液清洗底部鉆屑。

（2）取出鉆具。

（3）卸下鉆機(jī)支架梁與撐靴連接的高強(qiáng)度鉸制孔螺栓，利用水平液壓缸移動鉆機(jī)。

（4）往先導(dǎo)孔內(nèi)灌注一級配強(qiáng)度等級較高的混凝土或水下混凝土，利用混凝土自身重力到達(dá)井底，等強(qiáng)后將特制定向鉆桿吊入先導(dǎo)孔內(nèi)，并用專用夾具鎖在混凝土基礎(chǔ)面上。

（5）利用水平液壓缸回移鉆機(jī)，安裝并擰緊鉆機(jī)支架梁與撐靴連接的高強(qiáng)度鉸制孔螺栓。

（6）按要求配置穩(wěn)定鉆桿，將特制定向鉆桿下到偏斜處，采用慢轉(zhuǎn)速、低鉆壓（根據(jù)鉆進(jìn)速度和測量的偏斜大小調(diào)整鉆壓）鉆進(jìn)，直至偏斜大小在要求范圍內(nèi)。

（7）取出特制定向鉆桿，有時(shí)要兩次、甚至多次重復(fù)以上步驟才能完成糾偏。

7 結(jié)語

厄瓜多爾MINAS水電站的壓力豎井和通風(fēng)電纜井井深均為450米左右，在國內(nèi)外均屬超深豎井之列，且國內(nèi)類似超深豎井采用全斷面一次性反擴(kuò)成型也見之甚少，最終壓力豎井導(dǎo)井貫通后實(shí)際偏差為萬分之一，通風(fēng)電纜豎井貫通后實(shí)際偏差為萬分之九。本文通過對現(xiàn)場選用的71RM先導(dǎo)鉆機(jī)和RD5-550反擴(kuò)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)、偏斜測量方式、具體糾偏方法的描述，更加深入地了解了國際水平的反井鉆機(jī)，同時(shí)促進(jìn)了反井鉆機(jī)的選型。